CC BY
58УДК 624. 014
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Гурин М. А., инженер, Новосибирский Государственный Архитектурно-Строительный Университет
(Сибстрин)
Шафрай К. А., кандидат технических наук, доцент Новосибирский Государственный Архитектурно-Строительный Университет
(Сибстрин)
ОСОБЕННОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ХЛАДНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Аннотация: Анализ проблемы хрупкого разрушения с последующей разработкой мероприятий повышения хладостойкости.
Ключевые слова: хладостойкость, хрупкое разрушение, усиление, хладноломкость.
Annotation: Analysis of the problem of brittle fracture with the subsequent development of measures to increase cold resistance.
Key words: cold resistance, brittle fracture, reinforcement, cold brittleness.
Хрупкое разрушение элементов конструкций - очень опасное явление. Оно характеризуется резким разрывом элемента без видимых предварительных деформаций, при этом уровень напряжений в среднем по сечению может не превышать предела текучести. В данной статье рассмотрена проблема хрупкого разрушения и приведены мероприятия по недопущению хладноломкости на стадии проектирования, изготовления и усиления на стадии эксплуатации конструкции.
Проблема хрупкого разрушения. Факторы.
Хрупким разрушением принято считать явление, при котором сталь не может проявить свои пластические свойства. Сопровождается чаще всего быстрым распространением трещины. Хрупкие изломы имеют характерный блестящий, зернистый внешний вид практически без следов пластических деформаций. Так же возможен вид «шевронного узора» (рисунок 1), указывая на место зарождения трещины.
и------— \-V-
Рисунок 1. Схема шевронного узора. А - точка зарождения трещины.
Для проблемы хрупкого разрушения выделены следующие характерные моменты [5]:
1. Отсутствуют видимые пластические деформации;
2. Эксплуатационная надежность стальных конструкций при возникновении хрупкого разрушения стали в элементах катастрофически уменьшается, конструкции становятся чувствительными к случайным перегрузкам и ударам;
3. Разрушение конструкций может произойти при нагрузках и воздействиях, соответствующих нормальной эксплуатации;
4. Традиционные расчеты прочности растянутых и изгибаемых элементов не отражают их фактическую несущую способность;
5. Традиционные методы усиления конструкций и их элементов могут оказаться бесполезными, а в некоторых случаях даже снижают несущую способность.
Сопротивление элементов стальных конструкций хрупкому разрушению, называется хладостойкостью.
Причиной перехода от вязкого разрушения к хрупкому у малоуглеродистых и низколегированных сталей в первую очередь являются низкие температуры. Такое явление называется хладноломкостью. Так же установлено, что хладноломкость существенно зависит от химического состава, однородности, структуры и уровня легирования стали. Наличие трещин и трещиноподобных технологических дефектов и конструктивная форма так же имеет огромное воздействие на развитие хрупкого разрушения. Согласно статистическому анализу отказов стальных конструкций можно утверждать, что именно конструктивная форма определяет конечную хладостойкость стальной конструкции. Немаловажной причиной развития хрупкого разрушения является масштабный фактор.
Одним из наиболее ярких известных примеров хрупкого разрушения можно считать случай из Второй мировой войны. Несколько кораблей в Северной Атлантике разломились на две части. На рисунке 2 изображен один из разрушившихся кораблей. Данное происшествие привело к открытию температуры перехода стали от вязкого разрушения к хрупкому.
Рисунок 2. Изображение корабля при хрупком разрушении.
Рисунок 3. Хрупкое разрушение двутавровой балки в конструкции пролета моста.
Мероприятия по предотвращению возникновения хрупкого разрушения.
Хрупкое разрушение несет за собой огромные финансовые, а возможно и человеческие потери. Для того, чтобы избежать этих последствий необходимо следовать мерам по предотвращению возникновения хрупкого разрушения. Рассмотрим предлагаемые меры в СНиП 11-23-81*, СП 16.13330.2011 и СП 16.13330.2017.
Выбор стали.
Важным аспектом обеспечения необходимой хладостойкости элементов конструкции является выбор стали. Выбор основывается на основе некоторых критериев. В СНиП П-23-81*[4], СП 16.13330.2011 и СП 16.13330.2017 условия работы стали поделены на 4 группы, такие как работа элементов в особо тяжелых условиях, подверженных динамическим, вибрационным нагрузкам; работа элементов при статической нагрузке при наличии растягивающих напряжений; работа элементов при статической нагрузке, преимущественно сжатие; вспомогательные конструкции.
Не менее важным критерием выбора стали является расчетная температура места эксплуатации стали и химический состав стали. Основываясь на этих данных производится выбор марки стали по СНиП II-23-81*, СП 16.13330.2011.
В СП 16.13330.2017 при выборе марки стали добавили новый критерий, при котором необходимо учитывать ударную вязкость КСУ.
Проектирование элементов конструкций.
СП 16.13330.2011 и СП 16.13330.2017 года рекомендуют исключать возможность хрупкого разрушения, возникающую вследствие воздействия таких факторов как:
1. Пониженная температура, при которой сталь в зависимости от ее химического состава, структуры и толщины проката переходит в хрупкое состояние;
2. Действие подвижных, динамических и вибрационных нагрузок;
3. Наличие высоких местных напряжений и остаточных напряжений;
4. Наличие резких концентраторов напряжений.
Конструктивные мероприятия.
СП 16.13330 2011 и 2017 года рекомендуют выполнять следующие действия:
1. По возможности избегать расположения сварных швов в зонах действия растягивающих напряжений, превышающих 0,4 Ry;
2. Принимать меры по снижению неблагоприятного влияния концентрации напряжений и наклепа, вызванных конструктивным решением или возникающих при различных технологических деформациях (правка, гибка, гильотинная резка, продавливание отверстий и т.п.);
3. Избегать пересечений сварных швов;
4. Применять возможно меньшие толщины элементов сечения;
5. В стыках элементов, перекрываемые накладками, фланговые швы не доводить до оси стыка не менее чем на 25 мм с каждой стороны;
6. Фасонки связей, вспомогательных и других второстепенных элементов крепить к растянутым элементам конструкций по возможности на болтах.
Также рекомендуется выполнять угловые швы с плавным переходом к основному металлу при обосновании расчетом на выносливость или на прочность с учетом хрупкого разрушения.
Расчет элементов стальных конструкций на прочность с учетом хрупкого разрушения СНиП П-23-81* рекомендует производить для климатических
районов Ь, П2, Пз, П4 и П5 по формуле —
а < В—
^ тах — Н '
Ги
где б^ - наибольшее растягивающее напряжение в расчетном сечении элемента, вычисленное по сечению нетто без учета коэффициентов динамичности и фь;
в - коэффициент, принимаемый по [3] табл.1.
Методики расчета элементов стальных конструкций на прочность с учетом хрупкого разрушения в СП 16.13330.2011 [1] и СП 16.13330.2017 [2] не представлены.
Технологические методы повышения хладостойкости стальных конструкций.
Проблема хрупкого разрушения в большинстве случаев возникает вследствие эксплуатации конструкции при низких температурах. Изготовление элементов конструкции следует производить только при положительных температурах. При температурах ниже -25оС не допускается резка на гильотинных ножницах и продавливание отверстий.
Кромки деталей из низколегированных сталей после ручной кислородной резки подлежат строжке, фрезерованию и обработке абразивным кругом в целях уменьшения концентраций напряжений от неровности резки. Сборку конструкций можно выполнять только из выправленных деталей, очищенных от заусенцев.
При сварке конструкций необходимо придавать угловым швам вогнутого профиля, обеспечение плавного перехода к основному металлу. Производить предварительный подогрев металла до 120-160оС на ширине до 100 мм с каждой стороны сварного соединения. Трещины всех видов и размеров в швах сварных соединений, в основном металле, а также непровары и несплавления по кромкам не допускаются.
При транспортировке, разгрузке и хранении повреждения конструкций, сбрасывание их с транспортных средств не допускается. Фермы и балки
следует хранить в вертикальном положении, так как при кантовании неизбежно возникновение местных напряжений, что приводит к возникновению трещин. Укрупнительная сборка при отрицательных температурах должна выполняться без ударных воздействий.
Методы усиления элементов конструкции на стадии эксплуатации.
Основным методом повышения сопротивления хрупкому разрушению конструкций, находящихся в эксплуатации является метод «деконцентрации» напряжений. В таблице 1 приведены примеры усиления элементов конструкций последним методом.
Таблица 1.
Схема конструктивного решения
Варианты реализации метода «деконцентрации» напряжений
Вариант 2
Вариант 1
Вариант 1
1
2
3
4
5
6
7
Конструкции, в элементах которых были обнаружены трещины, необходимо усилить накладками. Для предотвращения развития уже существующей трещины необходимо ее вершину засверлить. Диаметр сверла принимается не меньше чем толщина элемента. Заваривать трещину не следует, так как в условиях эксплуатации полный провар невозможен, а образовавшиеся непровары будут являться очагами зарождения новых трещин.
Заключение
Проблема хрупкого разрушения элементов конструкций очень актуальна для нашей страны. Огромные территории России имеют благоприятные условия для развития хрупкого разрушения в конструкциях, например, низкая температура. Приведенные меры по усилению конструкций и предотвращению развития хрупкого разрушения очень важны в решении данной проблемы, но они не заменяют необходимость строгого выполнения всех требований норм. Данная проблема требует продолжения исследований поведения конструкций при реализации хладноломкости и разработки методик для конкретных случаев.
Библиографический список:
1. СП 16.13330.2011. Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция взамен СНиП 11-23-81*.
2. СП 16.13330.2017. Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция взамен СНиП 11-23-81*.
3. СНиП 11-23-81*. Стальные конструкции. Часть II. Нормы проектирования/ Госстрой СССР, 1982.
4. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика/ Госстрой СССР,. - М.: Стройиздат, 1983. - 136 с.
5. Проектирование металлических конструкций. Специальный курс./В.В. Бирюлев [и др.]. - Л.: Стройиздат, 1990 - 432 с.
