CC BY
20Раздел 4. Проблемы организации строительства
УДК 620.178.352
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДЕНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИЙ
Меннанов Э.М. 1,ШевченкоН.Н. 2, Ветрова Н.М. 3
ФГАОУ ВО КФУ им. В.И. Вернадского, Академия строительства и архитектуры 295943 г. Симферополь, ул. Киевская, 181, е-mail: 1mennanov.elmar@mail.ru, 2shevchenko.niko@mail.ru, 3xaoc.vetrova.03@mail.ru
Аннотация: выявленыи анализируются особенности разрушения сварных соединений арматурной стали в сооружениях при циклических нагружениях. Рассматриваются возможности оценки долговечности сварных соединений при малоцикловом и многоцикловом нагружении. Систематизированы причины, снижающие долговечность сварных соединений в малоцикловых нагружениях.
Ключевые слова: малоцикловая усталость, жесткое нагружение, мягкое нагружение, уравнение Коффина-Мэнсона, метод.
введение
На территории страны отмечаются регионы, в которых могут происходить землетрясения с силой до 9 баллов по шкале Рихтера. По состоянию на 1 января 2018 года на территории населенных пунктов 70 субъектов РФ, расположенных в районах с различной степенью сейсмической опасности, проживает 80,2 % постоянного населения Российской Федерации, из них в районах с наибольшей степенью сейсмической опасности - 68,6 миллиона человек, или 46,7 % населения [1].
Землетрясения даже последних лет в мире (Иран, Япония, Китай и др.), демонстрируют какие последствия могут быть при их проявлении. При этом основной причиной отрицательных последствий землетрясений на урбанизированных территориях является недостаточная сейсмостойкость зданий и сооружений. Недостаточная сейсмостойкость сооружений зависит от многих факторов, но одним из главных в настоящее время следует считать человеческий фактор -недостатки разработанных проектов и непроработанность методов проектирования объектов для сейсмоопасных территорий.
Специалисты, занимающиеся проектированием и строительством сейсмостойких зданий и сооружений, с одной стороны должны иметь информацию о возможной силе землетрясения, поведениях грунтов, а с другой стороны представлять, как эти факторы повлияют на сооружение, какие могут возникнуть нагрузки на сооружение в целом, элементы, узлы соединения в частности и как работает материал в каждый момент времени, поскольку расчетная модель сооружения меняется в том числе и при системах нагружения. Это достаточно сложная задача, требующая определенных знаний с обязательным учетом особенностей усталости материалов.
цель исследования
Целью исследования являлось рассмотрение особенностей расчета изменения состояния сооружений при проявлении малоцикловой усталости.
анализ материалов и методов
Проблемы учета сейсмических нагрузок в расчетах сооружений, их узлов решались учеными различных научных школ: зарубежных - Коффин [2, 9], Либертини [3], Мэнсон С. (Manson S.S.) [4, 11], Мартин [5], WeissV., Sessler J., Packman P. [6], отечественных -Серенсен С.В., Шнейдерович Р.М., Гусенков А.П., Махутов Н.А. [7, 13], Биргер И.А., Балашев Б.Ф. [8], Ленджер Б.Ф. [10], Новожилов В.В. [12], Терентьев В.Ф., Оксогоев А.А. [14], Трощенко В.Т., Стрижало В.А., Синявски Д.П., Ивахненко В.В. [15]. Однако следует отметить определенные отличия по некоторым элементам расчетов.
основной раздел
При исследовании поставленной цели исходим из традиционного понимания стадий восприятия нагрузок от землетрясений на сооружение. На первой стадии сооружение отклоняется, чувствуя ударное воздействие. После этого оно начинается совершать колебания с собственной частотой, которая зависит от его конструктивной схемы, массы, условий соединения элементов, работы материала и т.п.
Здесь можно представить вторую условную стадию поведения сооружения: собственные частоты колебания объекта и грунта близки (или совпадают), то может наблюдаться резонансный эффект и динамические нагрузки на сооружения возрастают, увеличиваются усилия в основных несущих элементах, а в самом худшем случае может наступить разрушение сооружения, в результате образования чрезвычайных деформаций (трещин и т.п.).
Если же частоты колебания грунта и собственные частоты колебания сооружения заметно разнятся, то не будет наблюдаться резонансных проявлений, однако амплитуда колебаний (деформации основных элементов) могут иметь предельные и запредельные значения. Такие факторы нагружения могут вызвать усталостные трещины в элементах и соединениях, особенно в зонах с высокими концентраторами напряжений.
На третьей стадии происходит затухание колебаний.
Обычно появление усталостных трещин происходит при воздействии нескольких десятков или сотен тысяч циклов при напряжениях не превышающих упругую работу элемента. Но при напряжениях выше предела упругости они могут появиться значительно раньше, через 100^2000 циклов, а иногда и значительно раньше, т.е. будет наблюдаться малоцикловая усталость. Терентьев В.Ф., Оксогоев А.А.указали, что «...область малоцикловой усталости охватывает диапазон напряжений от 7 в до 7К (ломаная линия АБВ) (рис. 1).
число циклов нагружения Рис.1. Полная кривая усталости [14]
В области малоцикловой усталости можно выделить два характерных участка. На участке I, который иногда называют участком циклической ползучести, разрушение пластических металлических материалов носит квазистатический характер с образованием шейки в месте излома. Для этого участка характерно непрерывно возрастающее число циклов, нагружение накопление пластической деформации. При этом петля механического гистерезиса становится замкнутой. Напряжение перехода от одного вида разрушения к другому при малоцикловой
усталости обозначено через 7} . Переход от циклической ползучести к собственно малоцикловой
усталости сопровождается изменением механизма макропластического деформирования материала.
Долговечность в области малоцикловой усталости при нагружении с постоянной общей амплитудой деформации за цикл зависит от упругой и пластической составляющих, которое определяются из параметров петли механического гистерезиса (рис. 2)» [14, с. 8]:
Рис. 2. Параметры петли механического гистерезиса (а) и кривая усталости в координатах амплитуды
деформации - число циклов нагружения (б)
В отличии от обычной, (многоцикловой) усталости, малоцикловая усталость имеет три специфические особенности уровень высоких напряжений (деформаций), обуславливающий долговечность материала не более 5 104 циклов; низкую частоту циклических нагрузок не более 50 цикл/мин; наличие контролируемого параметра - вида нагружения (по предельной нагрузке
или «условному» напряжению - мягкое нагружение, а по предельной деформации - жесткое нагружение) [13].
Процесс разрушения при малоцикловой усталости зависит также от ряда факторов:
• концентрация напряжений;
• остаточные напряжения по сварке;
• дефекты сварки (поры, включения, непровары, трещины и т.п.);
• масштабный фактор;
• технологические (электроды, виды и режимы сварки и т.п.);
• изменением околошевной зоны.
В железобетонных конструкциях сооружений, армированных стержневой арматурой, имеются много сварных стыков, которые в силу вышеизложенных факторов наиболее подвержены малоцикловой усталости, располагаемых в различных напряженных зонах элементов.
Наибольшая опасность, с точки зрения надежности, возникает в сварных узлах арматуры во время сейсмических воздействий.
По результатам большего объема экспериментальных данных для жесткого режима малоциклового нагружения установлено уравнение Коффина -Мэнсона. Накопления односторонней деформации для данного вида загружения ввиду ограничений по деформациям не происходит, поэтому разрушение, даже при очень больших амплитудах деформации, носит усталостный характер. Результаты испытаний при жестком нагружении обычно представляют в виде зависимости: размах или амплитуда циклической деформации е и число циклов до разрушения N [13].
При мягком режиме нагружения этих сталей данного уравнения как правило недостаточно, так как в процессе деформирования происходит одностороннее накопление пластических деформация, особенно при асимметрическом нагружении. Кроме того, для разупрочняющихся материалов петля пластического гистерезиса часто не обладает стабильностью.
В зависимости от режима нагружения и типа материала разрушение может быть: усталостным, промежуточным или квазистатическим. Усталостное разрушение происходит вследствие образования и развития усталостной трещины во всех трех типах материалов при жесткого режиме нагружения, и в разупрочняющихся материалах при мягком режиме нагружении. Потеря несущей способности, квазистатическое разрушение, происходит вследствие локализации пластических деформаций, образование шейки, с последующим дорывом. Промежуточный тип разрушения предполагает возникновение усталостных трещин с одновременной локализацией пластических деформаций.
Наибольшее распространение при малоцикловом нагружении получили деформационные критерии. Основные закономерности усталостного разрушения описываются соотношением С. Мэнсона [11]:
Ле(р) ■ ЫРт = С, (1)
где Ле(р) - размах пластической деформации, Ырт - число циклов до разрушения,
т и С - константы.
Обобщив экспериментальный материал, Л. Коффин [9] установил значения констант, входящих в уравнение (1), причем показатель степени т =0,5 он принял одинаковыми для всех
Е
материалов, а константу С принимал равной , где е и - фактическая деформация при статическом разрыве.
Однако при мягком нагружении величина пластической деформации изменяется в зависимости от числа циклов, исходя из уравнения (1) можно записать [13]:
Ыр 1 1
|Ле(р)т ■ ёЫ = Ст, (2)
1
С. Мэнсон [11] и другие ученые [2, 3, 9, 12] предлагали значения параметров уравнения (2) согласно таблицы 1.
Таблица 1.
Основные закономерности усталостного разрушения при малоцикловом нагружении
Автор Предложенное уравнение т С
Коффин [2] Ае(Р) ■ ИРт — С 0,5 0,5 еи
Либертини [3] Ае(Р) ■ ИРт — С 0,55-0,6 (0,7-1,2)еи
Мартин [5] Ае(Р) ■ ИРт — С 0,5-0,6 (0,87-1,0) еи
Мэнсон [11] Ае(Р) ■ ИРт — С 0,57 0,9 еи
Новожилов [12] Ае(Р) ■ ИРт — С 0,5 0,5 А
Когда число нагружений становится более 104, то пластическая составляющая деформации становится соизмерима с упругой. В этом случае предлагались соотношения [4, 8, 10]:
С
АеКР) ■ Ирт — С + 3,5^• ЫР Е
Ае{Р) ■ ИРт — С + 2а-— ■ ИРт,
(К-0,12)
Е
(т-0,6)
а
АеР ■ ИРт — С ■ ИР(т-0'6) + 2 ■ ^ Ыйт.
Е
где Ае - размах суммарной упругопластической деформации,
аи - предел,
Е - модуль упругости,
Ир - число циклов до разрушения,
N - число циклов, при котором определен предел прочности, а_г, К, т - константы (обычно т =0,5; К =0,6).
(3)
(4)
(5)
Влияние асимметрии на долговечность при жестком нагружении может быть аналитически описано на основе уравнения [6]:
N р —
С-е
Ае
(р)
(6)
где ет - средняя деформация в цикле нагружения.
Согласно [15] условие разрушения при жестком режиме асимметрического нагружения, при учете влияния средней деформации, имеет вид:
■ + ( Ир -1)
е
^_^ тах
= 1,
(7)
где £тах - максимальная деформация,
т — — - показатель степени уравнения (1), а
КЕ - коэффициент асимметрии деформаций, который определяется в:
е
^ _ тт
если ртах Четт
е
^ _ тт
если ртах < ртт
В работе [6] рекомендуется другое уравнение:
а
(A el еи )а 2/ (4NP)а
e
\eu у
а
= 1, (9)
где Ле - полный размах деформаций,
Е - средняя деформация, которая определяется по формуле:
em =-^-т • (10)
4 (1 - Rs)aN + (1+Rj
2
При квазистатическом разрушении долговечность определяется согласно [14] по эмпирической зависимости:
N = exp ^max - Па,т", (11)
K l e
где CTmax - максимальное напряжение цикла;
n - поправочный коэффициент, характеризующий циклические свойства материала;
K - линейная функция коэффициента асимметрии цикла;
e - основание натурального логарифма.
выводы
С учетом всего вышеизложенного, мы можем произвести расчет для объекта, подвергающегося малоцикловым нагружениям с учетом типа режима (мягкого или жесткого), нагружения (симметричном и асимметричном) и разрушения. Однако это уравнение не распространяется на термически упрочненные стали.
Для термически упрочненных сталей применяемых в арматурном прокате А500С необходимо будет составить новое уравнение.
литература
1. ОТЧЕТ о результатах контрольного мероприятия «Проверка выполнения представлений Счетной палаты Российской Федерации от 28 декабря 2016 года № ПР 13-364/13-02 Министру строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации и от 10 января 2017 года № ПР 13-4/13-03 Председателю Правительства Карачаево-Черкесской Республики по результатам контрольного мероприятия «Проверка целевого и эффективного использования бюджетных средств, направленных на реализацию мероприятий региональных программ по сейсмоусилению в рамках федеральной целевой программы «Повышение устойчивости жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения в сейсмических районах Российской Федерации на 2009-2018 годы» в 2013-2015 годах государственной программы Российской Федерации «Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обеспечение пожарной безопасности и безопасности людей на водных объектах», а также хода реализации федеральной целевой программы «Повышение устойчивости жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения в сейсмических районах Российской Федерации на 2009-2018 годы» в 2017 году и основного мероприятия «Повышение устойчивости жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения в сейсмических районах Российской Федерации» государственной программы Российской Федерации «Обеспечение доступным и комфортным жильем и коммунальными услугами граждан Российской Федерации» в 2018 году» // Бюллетень Счетной палаты № 6 (июнь) 2019 г. - [Электронный ресурс] - Режим доступа http://audit.gov.ru/activities/bulleten/bulletin-of-the-accounting-chamber-6-june-2019.php?clear_cache=Y.
2. Coffin, L.F. Low cycle fatigue: a review // Appl. Materials research. - 1962. - №3. - Р. 427443.
3. Libertiny, G.Z. The use of short life fatigue data in design // Proc. of the third conf. on dimensioning and strength calculation.- Budapest: Akademis Kiado, 1968. - Р. 133-139.
а
4. Manson, S.S. A complex-subject-same simple approximations. // Experim. Mechan. - 1965. -№3. - P. 193-226.
5. Martin, D.E. An energy Criterion for low cycle fatigue. // Trans.-ASTM - 1961. - №4. -P. 561-565.
6. Weiss, V. Effect of several parameters on low-cycle fatigue behavior / Weiss V., Sessler J., Packman P. // Ast a metallurgica. - Vol. 11. - №7. - 1963.- P. S09-S16.
7. Гусенков, A.^ Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. - М.: Наука, 1979. - 296 с.
S. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей / Под. ред. Биргера ИА., Балашева Б.Ф. - М.: Машиностроение, 1981. - 222 с.
9. Коффин, Л.Ф. Исследование термической усталости применительно к компенсационной способности высокотемпературных трубопроводов // Жаропрочные сплавы при изменяющихся температурах и напряжениях. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1960. - С. 259-279.
10. Ленджер, Б.Ф. Расчет сосудов давления на малоцикловую усталость // Теоретические основы инженерных расчетов. - М.: Мир, 1962, - С. 97-112.
11. Мэнсон, С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1974. - 344 с.
12. Новожилов, В.В. О перспективах феноменологического подхода к проблеме разрушения // Прогнозирование прочности материалов и конструктивных элементов машин большого ресурса. - Киев: Наукова думка, 1977. - С. 143-152.
13. Прочность при малоцикловом нагружении. / Серенсен С.В., Шнейдерович Р.М., Гусенков A.^, Махутов НА. и др. - М.: Наука, 1975. - 287 с.
14. Терентьев, В.Ф. Циклическая прочность металлических материалов; Учеб. пособ. / Терентьев В.Ф., Оксогоев A.A. - Новосибирск: НГТУ, 2001. - 61 с.
15. Трощенко, В.Т. О влиянии коэффициента асимметрии напряжений на развитие усталостного и квазистатического разрушения при малоцикловом нагружении / Трощенко В.Т., Стрижало B.A., Синявски Д.П., Ивахненко В.В. // Проблемы прочности. - 19S2. - №3 - С. 14-21.
METHODS FOR ASSESSING DAMAGE TO WELDED JOINTS UNDER LOW-CYCLE
LOADS
Mennanov E.M., Shevchenko N.N., Vetrova N.M.
V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Crimea
Annotation. Features of destruction of welded joints of reinforcing steel in structures under cyclic loading are identified and analyzed. The possibilities of evaluating the durability of welded joints under low-cycle and multi-cycle loading are considered. The reasons that reduce the durability of welded joints in low-cycle loads are systematized. Keywords: low-cycle fatigue, hard loading, soft loading, Coffin-Manson equation, method.
