Об оценке прочностных возможностей металла трубных шпунтовых конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Об оценке прочностных возможностей металла трубных шпунтовых конструкций

Н.Л. Вернези, А.А. Веремеенко, А.Х. Явруян, Д.С. Вальдман Ростовский государственный строительный университет

Аннотация: Рассматриваются вопросы методики проведения обследования металлостроительных конструкций разрушающими и неразрушающими способами с целью оценки их прочностных возможностей.

Ключевые слова: обследование, прочность, диагностика, механические характеристики, неразрушающий контроль, трубные шпунтовые конструкции.

Масштабные работы по реконструкции центральной части Ростова-на-Дону связаны с необходимостью возведения многоэтажных зданий в условиях плотной застройки. Котлован обустраивается шпунтовыми ограждениями для обеспечения техники безопасности и закрепления его стен, предотвращения разрушения и оползней. Наиболее широко в качестве ограждающего материала используется трубная сталь. В начале 2014 года при возведении здания по улице Горького, 240 у ООО «Балтстрой Монолит» возникла необходимость оценки прочностных характеристик бывших в употреблении стальных труб, принадлежность которых к той или иной партии определить не представлялось возможным.

Цель обследовательской работы заключалась в определении значений предела текучести, предела прочности и относительного удлинения (СНиП II-23-81 и СП 13-102-2003). При разрушающем контроле должно испытываться не менее 3 образцов каждого элемента, а количество элементов не менее 10% от всех исследуемых.

1. Нами была выбрана комплексная система проведения испытаний, включающая стандартные испытания на растяжение и неразрушающий контроль, существенно увеличивающий представительность выборки и достоверность результатов. Кроме того

выборочно исследовалась ультразвуковым методом толщина стенок труб. При проведении разрушающих испытаний (в соответствии с ГОСТ - 10706 и ГОСТ 1497-84) вырезанные холодным способом 5 образцов испытывались на растяжение разрывной машиной ИР-200 с максимальным усилием разрыва 200 кН. Полученные данные приведены в таблице 1.

Таблица №1

№ образца Толщина образца И, мм Значения механических характеристик Примечание

ат, МПа ав, МПа 6, %

1 7,5 267 384 25%

2 7,3 273 395 24%

3 7,4 257 386 26%

4 7,5 267 383 30%

5 7,4 263 373 - Разрушение образца в захватах машины

Анализ результатов проведенных разрушающих испытаний на растяжение, представленных в таблице 1, позволил заключить следующее. Минимальные значения механических характеристик наблюдались у металла

образцов №3 с ат = 257 МПа, №4 с ав = 383 МПа и №2 с 6 = 24%. Образец №5 имел разрушение в захвате машины и его характеристики не

учитывались. Средние значения по четырем образцам: 0"т = 266 МПа, 0"в =

387 МПа и 6 = 26%.

При испытании металла 10 труб неразрушающим способом производилось 5-10 измерений методом ударного внедрения индентора механической части системы «Прочность» [6,7,8,9]. В основе примененной системы лежит безобразцовый метод одновременного определения механических характеристик на локальном участке металла. При этом в видоизмененном известном способе оценки твердости по методу Роквелла статическое вдавливание заменено на ударное с энергией 0,16 Дж; с помощью индукционного датчика, встроенного в пружинное ударное устройство, электронным блоком регистрируется скорость перемещения индентора в процессе его внедрения в материал. Полученная функция скорости от времени дифференцируется по времени для получения функции ускорения от времени и интегрируется по времени для получения функции перемещения индентора в материале по времени в процессе внедрения индентора. Программное обеспечение в соответствии с установленной для всех классов прочности строительных сталей тесной корреляционной связью их механических свойств с экстремальными значениями функций пути, скорости и ускорения: максимальной глубиной, максимальным и минимальным значениями скорости, максимальным ускорением и максимальным замедлением внедрения индентора, позволяет практически мгновенно получать значения твердости, предела текучести, предела прочности, относительного удлинения в любой точке исследуемого металла.

Система включает в себя ударную часть и электронную, состоящую из аналого-цифрового преобразователя L-CARD E14-440 и Notebook класса Pentium 4 с разработанным в РГСУ оригинальным программным обеспечением.

На каждом из элементов шлифовальной машиной снимался слой краски и ржавчины до образования пятна чистого металла. Результаты

исследований представлены в таблице 2.

Таблица №2

№ ТРУБЫ Контрольные значения ТОЛЩИНА СТЕНКИ МЕТАЛЛА ТРУБЫ, Ь (мм), нв ат,

ИЗМЕРЕНИЙ МПа МПа %

1 2 3 4 5 6 7

7,2

1 Минимум 120 254 396 25

Максимум 137 276 416 27

Среднее 125 260 402 27

7,0

2 Минимум 137 276 416 22

Максимум 152 304 441 25

Среднее 147 293 432 23

7,1

3 Минимум 124 258 400 24

Максимум 142 285 424 27

Среднее 131 269 410 26

8,0

Минимум 119 253 395 21

4 Максимум 161 323 459 27

Среднее 143 291 430 24

1 2 3 4 5 6 7

5 7,1

Минимум 125 259 401 23

Максимум 150 298 436 27

Среднее 137 276 416 25

6 7,0

Минимум 134 272 412 22

Максимум 155 309 446 25

Среднее 144 290 428 24

7 8,3

Минимум 123 257 399 27

Максимум 125 260 401 27

Среднее 124 259 400 27

8 8,3

Минимум 135 273 413 23

Максимум 151 301 438 25

Среднее 143 287 426 24

9 8,2

Минимум 132 268 409 22

Максимум 156 311 448 26

Среднее 145 291 430 24

10 8,2

Минимум 138 278 418 22

Максимум 153 305 443 25

Среднее 144 289 428 24

Минимальные значения механических характеристик наблюдались у

металла трубы №7 с От = 259 МПа, Ов = 400 МПа при 6 = 27%.

Все значения предела текучести и предела прочности были обработаны на соответствие трехпараметрическому закону Вейбулла [10] методом моментов для оценки параметров теоретического распределения. У предела текучести параметр формы В определился как 3,11, параметр сдвига С = 230 МПа, а у предела прочности соответственно В = 2,76, С = 377 МПа.

Проектом предусмотрено применение труб 0426 мм (И = 8мм), изготовленных по ГОСТ 10704-91 из стали 20 по ГОСТ 10705-80. В соответствии с требованиями ГОСТ 10705-80 прочностные характеристики

металла не должны быть ниже: 225 МПа для От и 372 МПа для Ов.

При этом относительное удлинение 6 не должно быть ниже 22%.

Средняя толщина стенок труб 7,64 мм. Минимальная толщина металла наблюдается у труб №2 и №6 - Ь = 7 мм, т.е. имеет место потеря металла на 12,5%. Однако эти трубы обнаружили предел прочности соответственно 432 МПа и 428 МПа, что превышает требуемое по проекту значение предела прочности соответственно на 16% и 14%.

Анализ как выборочных значений прочностных характеристик, полученных при разрушающих и неразрушающих испытаниях, так и результатов оценок теоретических распределений, дает основание полагать, что металл исследованных труб имеет минимальные значения прочностных характеристик, превышающие требуемые, при этом полученные разными способами оценки механических характеристик практически не разнятся. Таким образом, в случаях, когда представляется возможность проводить разрушающие испытания вырезанных из конструкции образцов, для получения наилучшего результата рационально применять комплексное

обследование. В других случаях, как показали проведенные исследования, эффективно и достоверно применение системы «Прочность».

Литература

1. D.M. Belen'kii, A.N. Beskopyl'nyi, N.L. Vernezi, L.G. Chamraev. Determination of the strength of butt-welded joints // Welding International. 1997.-№11. pp. 643-645.

2. D.M. Belen'kii, N.L. Vernezi, A.V. Cherpakov. Changes in the mechanical properties of butt-welded joints in elastoplastic deformation//Welding International. 2004. - №18 pp.213-215.

3. Вернези Н.Л. Метод оценки прочности металла неразрушающим способом с использованием априорной информации // Инженерный вестник Дона, 2013, № 3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1898

4. Вернези Н.Л., Веремеенко А.А. Диагностика прочности металлических конструкций. // Изв. Ростовского государственного строительного университета. 2012. №17. С. 1-3.

5. Касьянов В.Е., Котесов А.А., Котесова А.А. Аналитическое определение параметров закона Вейбулла для генеральной совокупности конечного объема по выборочным данным прочности стали // Инженерный вестник Дона, 2012, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/804

6. Томсен Э., Янг Ч, Кобаяши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1968. 504 с.

7. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургиздат, 2004. 408с.

8. Общетехнический справочник под ред. Малова А.Н., М.: Машиностроение, 1971. 464 c.

9. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В., Арутюнова И.А., Шабашов С.П., Ефремов В.К. Технология металлов. М.: Машиностроение, 1974. 648 с.

10. Касьянов В.Е., Щулькин Л.П., Котесова А.А., Котова С.В. Алгоритм определения параметров прочности, нагруженности и ресурса с помощью аналитического перехода от выборочных данных к данным совокупности // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (часть 2). URL: ivdon. ru/magazine/archive/n4p2y2012/1236

References

1. D.M. Belen'kii, A.N. Beskopyl'nyi, N.L. Vernezi, L.G. Chamraev. Determination of the strength of butt-welded joints. Welding International. 1997. №11. pp. 643-645.

2. D.M. Belen'kii, N.L. Vernezi, A.V. Cherpakov. Changes in the mechanical properties of butt-welded joints in elastoplastic deformation. Welding International. 2004. №18 pp.213-215.

3. Vernezi N.L. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1898

4. Vernezi N.L., Veremeenko A.A. Izv. Rostovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta. 2012. №17. pp. 1-3.

5. Kas'yanov V.E., Kotesov A.A., Kotesova A.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/804

6. Tomsen E., Yang Ch, Kobayashi Sh. Mekhanika plasticheskikh deformatsiy pri obrabotke metallov [The mechanics of plastic deformation in the processing of metals]. M.: Mashinostroenie, 1968. 504 p.

7. Goritskiy V.M. Diagnostika metallov [Diagnosis of metals]. M.: Metallurgizdat, 2004. 408 p.

8. Obshchetekhnicheskiy spravochnik pod red. Malova A.N. [General Technical Handbook, edited by A. N. Malov], M.: Mashinostroenie, 1971. 464 p.

9. Knorozov B.V., Usova L.F., Tret'yakov A.V., Arutyunova I.A., Shabashov S.P., Efremov V.K. Tekhnologiya metallov. [ Metal technology]. M.: Mashinostroenie, 1974. 648 p.

10. Kas'yanov V.E., Shchul'kin L.P., Kotesova A.A., Kotova S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4 (chast' 2). URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1236