CC BY
0Влияние остаточных напряжений и деформации при сварке на параметры напряженно-деформированного состояния конструктивного элемента
Голых Олег Владимирович
кандидат технических наук, доцент, кафедра «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, volgate@mail.ru
Глухих Владимир Николаевич
доктор технических наук, профессор-консультант, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Mdk@spbgasu.ru
Повышение технологичности изготовления и, соответственно, снижение материалоемкости остается одним из наиболее перспективных и актуальных направлений развития и совершенствования конструктивных решений стальных конструкций, а также методов расчета параметров свойств и состояний.
В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с развитием методических основ выявления параметров напряженно-деформированного состояния стыковых соединений при наличии нарушений (остаточных деформаций от сварки) геометрических форм и поверхностей конструктивных элементов. Научная гипотеза заключается в том, что системный анализ параметров напряженно-деформированного состояния стальных конструкций, характеризующихся присутствием отклонений от установленных показателей, способствует точной оценке параметров состояния и ресурса эксплуатационной пригодности.
Основной целью исследований является алгоритм определения несущей способности узловых соединений стальных конструкций с применением синтеза методов расчета.
Ключевые слова: стальные конструкции, узлы соединений, фланец, нарушения формы, сварка, численный анализ, параметры напряженно-деформированного состояния.
Введение
Возможность создания рациональных и эффективных видов архитектурно-строительных (конструктивных) систем уникальных и типовых строительных объектов разного назначения является одной из наиболее заметных особенностей стальных конструкций [1,2].
Эффективность применения стальных конструкций включает анализ эффективных сечений профилей и способов организации стыковых (узловых) соединений конструктивных элементов (рисунок 1).
а) сварные соединения
сч о см
О Ш
т
X
<
т О X X
б) болтовые (фланцевые) соединения
Рисунок 1 - Основные виды конструктивных решений стыков (узлов) соединений стальных конструктивных элементов в составе системы
Технология изготовления конструктивных элементов и узлов их соединения (отправочных марок стальных конструкций) предусматривает применение сварки, как основного способа формирования конструктивных параметров. Одновременно с этим, применение сварных швов в значительном большинстве случаев приводит к образованию нарушений (остаточных деформаций от сварки) геометрических форм и поверхностей
конструктивных элементов, которые получили название грибо-видности (рисунок 2).
Рисунок 2 - Основные виды возможных нарушений стыков (узлов) соединений стальных конструктивных элементов от сварки [3] 1,2 - очередность процессов устройства сварных швов; и2, и -схематическое представление остаточных сварных деформаций (гри-бовидности) фланца.
На рисунке 3 приведены примеры присутствия остаточных деформаций от сварки в конструктивных стальных элементах.
а) грибовидность фланцевого узла соединения балки и колонны перекрытия
конструктивных элементов посредством соответствующей ко-нечноэлементной модели конструкции.
Методы исследований включают сочетание методов расчетов с применением нормативных положений и моделирования параметров напряженно-деформированного состояния с применением «уточненной» модели. Результатом исследований являются показатели напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов фланцевого соединения, полученные в условиях частичного или полного отсутствия информации об объекте исследований и/или возможном наличии грибовидности фланцевого соединения (рисунок 4).
Ожидаемые (фактические) параметры состояния
непроявление грнбовидноста фланца
восстановление проектных
значений показателей состояния фланцевого узла
проявление грнбовид] развития деграда V яоети фланца и прогноз ционного процесса
! \
парирование грибовидное!» фланца непарирование грибовидности фланца
V
анализ состояния конструктивных элементов
1 /
непроявление последствий грибовндносщ фланца проявление последствий грибовидности фланца
Рисунок 4 - Схема анализа параметров напряженно-деформированного состояния, связанного с возможными проявлениями грибовид-ности
Описание условий исследований
Первый этап исследований связан с определением параметров напряженно-деформированного состояния Т-образного фланцевого соединения конструктивных элементов (на примере соединений балок, рам) с учетом развития пластических деформаций. Расчеты выполняются с применением метода предельного равновесия [6,7].
Методика расчёте фланцевых соединений в предположении развития пластических деформаций во фланцах и околофланцевых зонах соединяемых конструкций, основана на методах нелинейной строительной механики и распространяется на соединения, которые отображают системный характер взаимодействия конструктивных элементов: болтов, фланцев, сварных швов и растянутых стальных конструкций балки (рамы), примыкающих непосредственно к фланцу (рисунок 5).
грибовидность фланцевого узла соединения балки покрытия Рисунок 3 - Основные виды конструктивных решений стыков (узлов) соединений стальных конструктивных элементов в составе системы
Наличие остаточных деформаций от сварки (грибовидности) признается значительным отклонением от установленных показателей и способно повлиять на параметры напряженно-деформированного состояния стальной конструкции [4,5].
Цель исследования состоит в анализе особенностей влияния остаточных деформаций от сварки (грибовидности) на параметры напряженно-деформированного состояния узла фланцевого соединения стальных конструктивных элементов. Достижение цели исследований достигается определением свойств и состояний узла фланцевого соединения стальных
м
•е-
Расчетные
М
N
гл
л-л
Рисунок 5 - Расчетная схема и эпюра распределения реактивных усилий в элементах фланцевого соединения
В процессе анализа рассматриваются механизмы разрушения, связанные с: разрушением только болтов; разрушением болтов с частичным развитием пластических деформаций во фланце и околофланцевой зоны соединяемых конструкций; развитие глубоких пластических деформаций во фланце [8].
О
ГО >
.с
го т
о
ю о
К)
-и
см о см
о ш т
X
<
т О X X
, в, т в,
* / _ т
; _ Д, а
М в.
в, _ &
1 Н -- ►—I
.. г
Рисунок 6 - Расчетные схемы усилий и механизмов разрушения фланцевого соединения
Выявленные особенности формирования параметров системного взаимодействия болтов, фланцев, сварных швов и растянутых стальных конструкций балки (рамы), примыкающих непосредственно к фланцу и параметров напряженно-деформированного состояния «перенесены» на конечно-элементную модель фланцевого соединения.
Для разработанной конечноэлементной модели проведены исследования возможных последствий проявления гри-бовидности фланцевого соединения (рисунок 7,8).
Основные особенности модели:
- материал конструктивных элементов характеризуется свойствами и параметрами линейной упругости;
- геометрические характеристики: толщина фланца составляет 30 мм, диаметр болта составляет 20 мм;
- характер расчета: нелинейный;
- процесс натяжения болтов моделируется приложением температуры;
- расчетная величина нагрузки передается через узлы конечных элементов модели;
- грибовидность фланца - отсутствует.
I
Рисунок 8 - Анализ параметров напряженно-деформированного состояния фланцевого соединения с применением конечноэлементной модели. Прогноз присутствия грибовидности фланца при сварке
На Рисунке 9 представлены основные результаты моделирования.
а) характер развития напряже- б) характер развития деформа-ний в элементах модели ций в элементах модели
Прогноз отсутствия грибовидности фланца при сварке
Рисунок 7 - Анализ параметров напряженно-деформированного состояния фланцевого соединения с применением конечноэлементной модели. Прогноз отсутствия грибовидности фланца при сварке
Основные особенности модели:
- материал конструктивных элементов отображена упруго-пластическими параметрами;
- геометрические характеристики: толщина фланца составляет 30 мм, диаметр болта составляет 20 мм;
- характер расчета: нелинейный;
- расчетная величина нагрузки передается через узлы конечных элементов модели;
- грибовидность фланца - присутствует. Моделирование грибовидности фланцев производится посредством алгоритма пересчёта изменений координат узлов по деформациям модели
в) характер развития напряже- г) характер развития деформа-ний в элементах модели ций в элементах модели
Прогноз присутствия грибовидности фланца при сварке Рисунок 9 - Результаты моделирования параметров напряженно-деформированного состояния фланцевого соединения
Результаты и обсуждения
Проведенные исследования параметров напряженно-деформированного состояния фланцевого соединения показали следующие результаты:
1. Методическая основа нормативных положений в отношении определения геометрических (прежде всего, толщины фланца и диаметра болтов) остается необходимым этапом анализа, способного выявить механизм разрушения конструкции из условия предельного равновесия.
2. Полученные результаты учтены при последующем уточнении расчетной модели, в которой производится системный
анализ условии взаимодеиствия основных конструктивных элементов и параметров их напряженно-деформированного состояния с применением численного (конечноэлементного) метода.
3. Анализ конкретных особенностей (геометрических, физико-механических) конструктивных элементов фланцевого соединения показал, что наступление предельного состояния растянутого конструктивного элемента, примыкающего к фланцу, происходит при условии приложения величины нагрузки, равной 74 % от расчетной величины, полученной при статическом анализе строительной конструкции (рамы). Процесс наступления предельного состояния (по напряжению в элементах фланца) сопровождается значительными узловыми перемещениями фланца.
4. Значения осевых напряжений, формирующихся в болтах фланцевого соединения (при приложении величины нагрузки, составляющей 74 % от расчетной величины) составили:
- 66 % от предела прочности материала болта: при прогнозе отсутствия грибовидности фланца в соответствующей конфигурации модели;
- 73 % от предела прочности материала болта: при прогнозе присутствия грибовидности фланца в соответствующей конфигурации модели.
5. Значения параметров, формирующихся в околофланцевых зонах соединения (при приложении величины нагрузки, составляющей 74 % от расчетной величины) составили:
- 85 % от предела прочности материала болта: при прогнозе отсутствия грибовидности фланца в соответствующей конфигурации модели;
- 89 % от предела прочности материала болта: при прогнозе присутствия грибовидности фланца в соответствующей конфигурации модели.
На основании данных приведенных в пунктах 3-5 можно сделать вывод о том, что формирование остаточных деформаций от сварки (грибовидности) на параметры напряженно-деформированного состояния узла фланцевого соединения не вызывает предельного состояния стальных конструктивных элементов и болтов соединений фланцевого соединения.
Данное обстоятельство позволяет оптимизировать расход материалов и ресурсов, необходимых для решения проблемы остаточных деформаций от сварки технологическими приемами: конструктивным увеличением толщины фланца и последующее (после сварки) механическое удаление грибовидно-сти.
Литература
1. Волков А.А., Василькин А.А. Развитие методологии поиска проектного решения при проектировании строительных металлоконструкций // Вестник МГСУ. 2014. № 9. С. 123-137.
2. S. K. Duggal. Design of Steel Structures. London: McGraw Hill, 2018. 884 p.
3. Гостев А.Г., Астахова Л.И. Влияние дефектов фланцевых соединений на работу стальных конструкций // Статья в сборнике трудов конференции «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения». Новокузнецк. 04-07 мая 2010. С. 167-171.
4. Макеев А.А., Дырочкин И.Н., Яровой В.В., Мошкин А.В. Влияние дефектов фланцевых соединений рамных узлов на
безопасность строительных конструкций // Наука и безопасность. 2015. № 5(18). С. 28-34.
5. Шафрай К.А., Шафрай С.Д. Особенности работы фланцевых соединений архитектурно-строительных конструкций. Внецентренное растяжение болтов // Известия вузов. Строительство. 2013. № 7. С. 84-92.
6. Sumner E. A., Murray T. M. Behaviour and design of multi-row extended end plate moment connections // Proceedings of International Conference Advances in Structures (ASCCA'03). Sydney, 2003.
7. Zhang J., Dong P. Residual Stresses in Welded Moment Frames and Implications for Structural Performance // Journal of Structural Engineering. 2000. Volume 126. no. 3. Pp.70-78.
8. Криксунов Э.З., Перельмутер А.В., Юрченко В.В. Расчетные модели фланцевых соединений рамных узлов металлических конструкций и их программная реализация в SCAD office // Бюллетень строительной техники. 2010. № 1. С. 56-59.
Influence of residual stresses and deformation during welding on parameters
the stress-strain state in structural element Golykh O.V., Glukhikh V.N.
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
JEL classification: L61, L74, R53_
Increasing manufacturability and reducing material consumption remains one of the most promising and relevant areas for the development and improvement at the structural solutions steel structures, as well as methods for their calculation. This article discusses the issues related to the development at the methodological basis for identifying the parameters the stressed-deformed state the butt joints in the presence for violations (residual deformations due to welding) this geometric shapes and surfaces in structural elements. The scientific hypothesis consists in the fact that the system analysis the parameters at the stress-strain state steel structures, characterized by the presence of deviations from the established indicators, contributes to an accurate assessment the parameters at the state and service life. The main purpose the research is an algorithm for determining the bearing capacity in
nodal joints steel structures using the synthesis at the calculation methods. Keywords: steel structures, connection nodes, flange, shape violations, welding,
numerical solutions, stress and strain state parameters. References
1. Volkov A.A., Vasilkin A.A. Development of the methodology for finding a design
solution in the design of construction metal structures//Bulletin of MGSU. 2014. № 9. Pp. 123-137.
2. S. K. Duggal. Design of Steel Structures. London: McGraw Hill, 2018. 884 p.
3. Gostev A.G., Astakhova L.I. Impact of flanged joint defects on the operation of steel
structures//Article in the collection of works of the conference "Science and youth: problems, searches, solutions."" Novokuznetsk. May 04-07, 2010. Pp. 167-171.
4. Makeev A.A., Dyrochkin I.N., Yarovoy V.V., Moshkin A.V. Effect of defects in flange
joints of frame assemblies on the safety of building structures // Science & Safety. 2015. № 5(18). Pp. 28-34. . Shafray K.A., Shafray S.D. Features of the flange connections architectural and building structures. Off-center bolt tension // Bulletin of VUZ. Construction. 2013. №. 7, Pp. 125-136.
6. Sumner E. A., Murray T. M. Behaviour and design of multi-row extended end plate
moment connections // Proceedings of International Conference Advances in Structures (ASCCA'03). Sydney, 2003. 114 p.
7. Zhang J., Dong P. Residual Stresses in Welded Moment Frames and Implications
for Structural Performance // Journal of Structural Engineering. 2000. Volume 126. no. 3. Pp.70-78.
8. Kriksunov E.Z., Perel'muter A.V., Yurchenko V.V. Design models of flange
connections of frame joints of metal structures and their software implementation in the SCAD office // Bulletin of building technology. 2010. № 1, Pp. 56-59.
X X О го А С.
X
го m
о
м о
м ■р»
