ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

будівельних конструкцій

КОЗЛОВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 624.072.002.2

ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ СТИСНУТИХ ЕЛЕМЕНТІВ ФЕРМ ІЗ КУТКОВИХ ПРОФІЛІВ ЛОКАЛЬНИМИ ТЕРМІЧНИМИ ВПЛИВАМИ

Спеціальність: 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі архітектури і будівельних конструкцій Донбаського гірничо - металургійного інституту Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Голоднов Олександр Іванович, провідний науковий співробітник Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Державного комітету України з будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гордеєв Вадим Миколайович, ВАТ Укрндіпроектстальконструкція ім. В.М. Шимановського, Перший Заступник Голови правління;

кандидат технічних наук, професор Лук’яненко Євген Петрович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри металевих, дерев'яних та пластмасових конструкцій.

Провідна установа:

Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра "Металеві та дерев'яні конструкції".

Захист відбудеться “ 18 ” травня 2004 р. о 16-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01. у Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій за адресою: вул. Iвана Клименка, 5/2, м. Київ, 03680,

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: вул. Iвана Клименка, 5/2, м. Київ

Автореферат розісланий “ 17 ” квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.С. Слюсаренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Для металевих конструкцій, що проектуються або перебувають в експлуатації, актуальним залишається питання підвищення ефективності ферм із кутків. Досягти цього можна внаслідок створення такого розподілу залишкових напружень у перерізах кутків, який сприяв би підвищенню стійкості стиснених елементів ферм. Результати роботи можуть бути використані за проектування нових і посилення існуючих конструкцій з використанням зварювання та діагностування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі архітектури і будівельних конструкцій Донбаського гірничо-металургійного інституту і відповідає актуальним напрямкам науково-технічної політики України в галузі розробки нових видів ефективних металевих конструкцій у відповідності з ДНТП 5.4. “Енерґоефективні та ресурсоощадні технології, обладнання та матеріали для зварних конструкцій і споріднених процесів”, яка затверджена Постановою Кабінету Міністрів України від 24.12.2001 року № 1716 “Про затвердження науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки”.

Метою роботи є розроблення методики розрахунку і технології виконання локальних термічних впливів (ЛТВ) для підвищення стійкості стиснених елементів ферм із звальцьованих куткових профілів.

Завдання досліджень:

- обґрунтування можливості застосування ЛТВ і розроблення методики розрахунку з метою підвищення стійкості стиснених елементів ферм із звальцьованих куткових профілів;

- розроблення методики і проведення експериментальних досліджень щодо визначення різними методами залишкового напружено- деформованого (далі залишкового) стану, що виникає в кутках після виконання ЛТВ;

- розроблення методики і проведення експериментальних досліджень стиснених елементів із кутків різного поперечного перерізу (куткового, хрестового, таврового) із залишковим станом після різноманітних видів виконання ЛТВ;

- формулювання пропозицій щодо технології виготовлення металевих конструкцій із кутків з оптимальним (із позицій підвищення стійкості) залишковим станом;

- впровадження отриманих результатів при розв’язанні практичних завдань.

Об'єкти досліджень - стиснені елементи ферм із звальцьованих рівнополичних кутків. Результати досліджень можуть бути поширені й на аналогічні конструкції: елементи просторових структурних систем покриттів, вертикальних зв'язків тощо.

Предметом досліджень є залишкові напруження, що виникають у стиснених елементах ферм із кутків після виконання ЛТВ шляхом наплавлення зварних швів, і вплив їх на стійкість.

Методи досліджень, що використані в роботі, являють собою сукупність експериментальних і теоретичних методів, спрямованих на одержання результату. Їх складовими є: добір, вивчення й аналіз літературних джерел, на підставі яких сформульовані мета і завдання роботи; обґрунтування доцільності виконання теоретичних і експериментальних досліджень залишкового стану, що виникає в елементах із кутків після ЛТВ, впливів залишкових напружень на роботу конструкцій. Застосування експериментальних неруйнівних методів досліджень дозволяє одержати інформацію про розподіл залишкових напружень за змінами непрямих характеристик (зокрема, магнітних властивостей матеріалу). Одержані експериментально закономірності зміни характеристик можуть бути використані при визначенні напружено-деформованого стану і діагностики виготовлених конструкцій. Застосування руйнівних методів дозволяє визначити розподіл залишкових деформацій в елементах шляхом вимірів переміщень, спричинених звільненням елементів конструкцій із залишковим напруженим станом.

Наукову новизну одержаних результатів становлять:

- методика розрахунку необхідної кількості теплової енерґії для створення в елементах оптимального з позицій підвищення стійкості розподілу залишкових напружень за мінімальних залишкових прогинів;

- методика розрахунку залишкового напруженого стану та його впливу на стійкість стиснених елементів з куткових профілів;

- методика й експериментальні дані щодо визначення розподілу залишкових напружень після виконання ЛТВ (в т.ч. і на частині довжини), можливості реґулювання залишкового стану та впливу залишкового стану на стійкість стиснених елементів;

- пропозиції щодо виготовлення ефективних за витратами матеріалів конструкцій із звальцьованих кутків, орієнтовані на існуючі технології заводів металевих конструкцій.

Щодо елементів із звальцьованих куткових профілів завдання в такому обсязі розв’язане вперше.

Практичне значення одержаних результатів. Доведено можливість підвищення стійкості стиснених елементів із кутків після виконання ЛТВ. Експериментально підтверджено можливість застосування неруйнівного (електромагнітного) методу контролю залишкового стану. Встановлено можливість утрати місцевої стійкості полиць кутків складового таврового перерізу в місцях приварювання сполучних пластин. Розроблено технологію виготовлення стиснених елементів ферм із кутків з оптимальним залишковим станом після ЛТВ (в т.ч. і на частині довжини).

Реалізація роботи. Результати досліджень використані:

- під час підготовки до видання навчального посібника “Розрахунок елементів металевих конструкцій з урахуванням впливу залишкових напружень”;

- під час розроблення проектів і діагностики конструкцій низки об'єктів у місті Алчевську Луганської області (тримальних елементів покриття: супермаркету “Парус”, Молодіжного клубу, прибудованого торговельного залу магазину продовольчих товарів).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт, у тому числі 7 у виданнях, що входять до переліку ВАК України (номери 3-8, 10 за списком). Без співавторів опубліковано 4 роботи і 4 роботи опубліковані в матеріалах і тезах конференцій.

Особистий внесок здобувача в опублікованих роботах полягає в такому:

- розроблення методик розрахунку залишкових напружень в куткових елементах після виконання ЛТВ та їх впливу на стійкість стиснених елементів;

- розроблення методики проведення експериментальних досліджень залишкового стану, що виникає в куткових профілях після виконання ЛТВ;

- розроблення методики проведення експериментальних досліджень впливу залишкового стану, що виникає після виконання ЛТВ (в т.ч. і на частині довжини), на стійкість елементів із звальцьованих кутків різної форми перерізу;

- формулювання пропозицій щодо виготовлення ефективних за витратою матеріалу конструкцій з куткових профілів з оптимальним залишковим станом, орієнтовані на існуючі технології й потужності цехів і заводів металевих конструкцій.

У ході виконання роботи автор здобув:

- експериментальні дані про розподіл залишкових напружень в куткових профілях і можливість реґулювання залишкового стану шляхом виконання ЛТВ з метою підвищення стійкості елементів;

- експериментальні дані про вплив різних видів залишкового стану, що виникає після виконання ЛТВ, на стійкість і тримальну здатність стиснених елементів з куткових профілів різної форми поперечного перерізу.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались на: VII Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції” (м. Дніпропетровськ, Україна, 2-6 жовтня 2000 року); Міжнародній XXVII науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих учених "Проблеми наукових досліджень і перспективи інноваційної діяльності молодих учених" (м. Макіївка, Україна, 25 квітня 2001 року); П'ятому Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнації будівельних матеріалів і конструкцій” (м. Луцьк, Україна, 16-19 вересня 2002 року); Шостому Міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини” (м. Одеса, Україна, 26-28 травня 2003 року); Міжнародній науково-практичній конференції “Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будинків, споруд і інженерних мереж” (м. Донецьк, Україна, 9-12 червня 2003 року); Міжнародній науковій конференції “Ресурси і безпека експлуатації конструкцій, будинків і споруд” (м. Харків, Україна, 14-17 жовтня 2003 року).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, одного додатку, списку використаних літературних джерел. Викладена на 168 сторінках, в тому числі 127 сторінок основного тексту, 12 сторінок списку використаних джерел (115 найменувань), 41 повна сторінка з таблицями і рисунками, 3 сторінки додатків.

ОСНОВНий зміст РОБОТИ

У вступі викладено обґрунтування актуальності проблеми, наведена загальна характеристика роботи, мета, завдання досліджень, положення, що виносяться на захист, практичне значення і реалізація отриманих результатів, відомості про апробацію роботи.

У першому розділі наведено огляд теоретичних і експериментальних досліджень різних аспектів залишкових напружень, що виникають у процесі зварювання і різання металу. Проаналізовано роботи І.П. Байкової, В.М. Василєва, В.О. Винокурова, О.І. Голоднова, В.С. Ігнатьєвої, С.О. Куркіна, Л.М. Лобанова, В.І. Махненка, А.Я. Недосеки, Г.О. Ніколаєва, М.О. Окерблома, М.М. Рикаліна, В.М. Сагалевича та ін., в яких викладені положення теорії розрахунку залишкових напружень. Відзначено, що, незважаючи на достатню кількість пропозицій, відсутня інженерна методика визначення залишкових напружень у кутках після наплавлення зварних швів по крайках, придатна для наступних розрахунків на стійкість. Дано аналіз розвитку методів розрахунку й експериментальних досліджень стиснених стрижнів, у т.ч. і з залишковими напруженнями (роботи В.Я. Бачинського, А.М. Бамбури, Г.Ю. Бєльського, А.В. Геммерлінга, О.І. Голоднова, Х. Кіхара, М.В. Корноухова, С.Д. Лейтеса, Й.Й. Набокова, В.М. Небилова, Л. Толла, І.П. Трочуна, М.Ю. Хвортової, Ю. Фуджити, Л.П. Шелестенка, Ф.С. Шенлі та ін.).

На підставі проведеного огляду зроблено висновки, визначені мета і завдання досліджень.

У другому розділі розроблено методику визначення необхідної кількості теплової енерґії за локальних термічних впливів для одержання мінімальних залишкових деформацій. Задаючись на початковому етапі мінімальним прогином, який дорівнює 0,001L (де L - довжина елемента), розв’язується задача, зворотна тій, що була розв’язана М.О. Окербломом.

Розроблено методику визначення залишкового стану в перерізах звальцьованих кутків після ЛТВ і методику оцінювання стійкості стиснених елементів із кутків з урахуванням впливу залишкових напружень. Методики базуються на загальних принципах і припущеннях, прийнятих за розв’язання аналогічних задач.

Ширина зони залишкових розтягувальних напружень поблизу наплавлення зварного шва:

(1)

(2)

де - зведена висота катета зварного шва, з урахуванням глибини проплавлення основного металу [за напівавтоматичного зварювання (2 - 4) мм, за ручного (3 - 6) мм]; - катет шва.

Розподіл залишкових напружень після наплавлення зварного шва можна визначити в точному і наближеному варіантах. Точне рішення отримане під час опису розподілу залишкових напружень на ділянці поліномом третього ступеня вигляду (рис. 1)

(3)

де - коефіцієнти полінома (шукають з граничних умов).

Граничні умови для визначення коефіцієнтів полінома:

(4)

Розкриття рівнянь дозволяє одержати систему 4 лінійних рівнянь із 5 невідомими, що розв’язується шляхом послідовного уточнення вхідних параметрів.

В основу методики розрахунку на стійкість з урахуванням залишкових напружень покладено відому методику В.М. Небилова. Прийнявши схему підсумовування залишкових напружень із напруженнями від зовнішнього навантаження, було розроблено алгоритм розв’язання задачі. Стійкість елементів із кутків визначається в такій послідовності.

1.

2. Обчислюють величину умовної гнучкості стисненого елемента з урахуванням наявності залишкових стискальних напружень

(5)

де гнучкість елемента; середні стискальні напруження в перерізі (рис. 2).

3. Знаходять коефіцієнт поздовжнього вигину за формулами (8) – (10) СНИП II-23-81*.

4. Визначають тримальну здатність стисненого елемента з урахуванням зон залишкових розтягувальних і стискальних напружень за формулою

(6)

де загальна площа перерезу елемента з кутків; кількість зон розтягувальних напружень відповідно на крайках полиць і на обушках кутків (при складених перерізах).

Розроблені методики були використані під час розрахунків експерименталь-них зразків.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень залишкових напружень у кутках після ЛТВ шляхом наплавлення зварних швів. Дослідження проводилися на кафедрі архітектури і будівельних конструкцій ДГМІ, у цеху металевих конструкцій ВАТ “Алчевський металургійний комбінат” і частково на ВАТ “ДЗМК ім. І.В. Бабушкіна”. У ході досліджень було визначено розподіл залишкових напружень після виконання ЛТВ, побудовані епюри залишкових деформацій і напружень у перерізах зразків - стрижнів з одиночних кутків - і прогини (вигини) стрижнів. Дослідження здійснювалися руйнівними і неруйнівними методами.

Як експериментальні зразки, використані звальцьовані рівнополичні кутки (табл. 1). Перед проведенням експерименту були виконані випробування зразків металу з метою визначення фізико-механічних властивостей.

ЛТВ здійснювались в такій послідовності:

- виконувалось вимірювання геометричних параметрів зразків, здійснювалося розмічання для наступного наплавлення зварних швів;

- зразок поміщався на стенд, установлювалися прилади і проводилось знімання початкових показників за приладами;

- виконувалося наплавлення зварних швів на одній з крайок, після охолоджування проводилось знімання проміжних результатів;

- виконувалося наплавлення зварних швів на іншій крайці полиці з записом остаточних результатів після охолоджування.

Таблиця 1

Експериментальні зразки

№ з/п, марка | Переріз | Загальна довжина L, мм | Кіл. шт. | Порядок наплавлення зварних швів | Довжина зварного шва, мм | Катет шва kf, мм | Зварювання електричною дугою | При-мітки

Експериментальні кутки першої групи

1 | L10010 | 1260 | 1 | від центру до країв | 114 | 4 | Ручне

2 | L10010 | 1260 | 1 | від країв до центру | 114 | 4

Експериментальні кутки другої групи

1 | L80 8 | 1250 | 1 | від центру до країв | 600 | 4 | Напівавто-матичне

2 | L80 8 | 1230 | 1 | від країв до центру | 600 | 4

3 | L12510 | 1400 | 1 | від центру до країв | 700 | 4

4 | L12510 | 1410 | 1 | від країв до центру | 700 | 4

5 | L10010 | 1230 | 1 | від центру до країв | 600 | 4

6 | L10010 | 1250 | 1 | від країв до центру | 600 | 4

Експериментальні кутки третьої групи

ПОСТ. | L756 | 3000 | 1 | - | - | - | Напівавто-матичне

У - 1 | 3000 | 1 | на крайках | 1500 | 4

У - 2 | 3000 | 1 | на крайках | 1500 | 4

У - 3 | 3000 | 1 | на крайках | 1500 | 4

ОБ - 1 | 3000 | 1 | на обушку | 1500 | 4

ОБ - 2 | 3000 | 1 | на обушку | 1500 | 4

ОБ - 3 | 3000 | 1 | на обушку | 1500

У ході випробувань визначалися прогини в шести точках зразка й абсолютні переміщення в середньому перерізі. Для кожного зразка приймалася індивідуальна схема ЛТВ. Залишкові деформації й напруження в полицях кутків визначалися руйнівним (із застосуванням тензорезисторів опору) і неруйнівним (електромагнітним, із застосуванням коерцитиметра КІФМ - 1) методами.

У ході проведених досліджень було визначено залишковий напружено-деформований стан перерізів кутків. Деякі результати досліджень наведено на рис. . Як видно з рис. 3, на крайках і в районі обушка формуються зони залишкових розтягувальних напружень, а в середній частині полиць - стискальні. Кутик за такого виду попереднього напруження набуває залишкового вигину. Наплавляти зварний шов доцільно від центру до країв. У цьому випадку загальна деформативність кутків після виконання ЛТВ менша, ніж за наплавлення шва від країв до центру.

У четвертому розділі викладено методику експериментального визначення стійкості стиснених елементів із звальцьованих кутків із різними видами залишкових станів. Відповідно до окреслених завдань передбачалося:

- виготовлення експериментальних зразків (далі зразків) - елементів з одиночних кутків, таврового (із двох спарених кутків) і хрестового перерізу з залишковим станом, що виникає після виконання ЛТВ, і контрольних зразків, виготовлених із кутків у стані постачання;

- проведення порівняльних випробувань виготовлених зразків за однакових значень ексцентриситета вертикального навантаження в межах серії зразків;

- зіставлення результатів випробувань зразків із залишковим станом і контрольних зразків;

- дослідження можливості підвищення стійкості і тримальної здатності стиснених елементів внаслідок наплавлення зварних швів, у т.ч. і на частині довжини;

- використання одержаного експериментального матеріалу для формулювання рекомендацій щодо розрахунку стиснених елементів із кутків.

Для розв’язання окреслених завдань були виготовлені декілька серій зразків (табл. 2).

Таблиця 2

Обсяг основного експерименту

Серія зразків | Переріз | Кіль-кість | Площа, см2 | Довжина, мм | Гнучкість,

У, ОБ | Стрижні з одиночних кутків L75х6 | 7 | 8,75 | 1500 (1550*) | 105

У90, ОБ90 | Стрижні з одиночних кутків L75х6 | 7 | 8,75 | 900 (950*) | 64

ОД | Стрижні з одиночних кутків L 63х6 | 4 | 7,28 | 1050 (1310*) | 106

СУ - 1 | Стрижні зі спарених кутків таврового перерізу (2 L50х5) | 4 | 4,82=

=9,6 | 1200 (1250*) | 82

СУ - 2 | Стрижні зі спарених кутків таврового перерізу (2 L63х6) | 4 | 7,32=

=14,6 | 1200 (1250*) | 65

СУ - 3 | Стрижні зі спарених кутків таврового перерізу (2 L50х5) | 4 | 4,82==9,6 | 1500 (1550*) | 101

СУ - 4 | Стрижні зі спарених кутків таврового перерізу (2 L63х6) | 4 | 7,32==14,6 | 1500 (1550*) | 80

КР | Стрижні хрестового перерізу (2 L63х6) | 3 | 7,32==14,6 | 2100 (2140*) | 88

Примітка. У табл. 2 довжина стрижня, позначена * - відстань між осями опорних пристосувань. Гнучкість зразків визначалася з урахуванням наявності опорних пристосувань.

Випробування залежно від гнучкості зразків проводилися на гідравлічних пресах марки ІПС-500 і ГРМ-100. Відліки бралися за відповідними шкалами для отримання результатів із потрібною точністю. Похибка виміру не перевищувала 1% від розміру навантаження (за даними тарирування преса). Навантаження докладалося етапами приблизно по 0,1 Рu (де Рu – очікуване критичне навантаження). Після досягнення етапного навантаження проводилося витримуван-ня не менш як 3 хвилини. Показники прогиноміра ПАО - 6 записувалися після додавання етапного навантаження і витримування. Випробування закінчувалися після досягнення максимуму на кривій стану (прогини зростають без збільшення навантаження) або після втрати місцевої стійкості якоїсь із полиць кутка. Всі зразки після випробувань мали залишковий прогин. За даними досліджень побудовано графіки залежності “навантаження - прогин” (“P - f”). Схеми виконання ЛТВ і результати випробувань зразків деяких серій подано на рис. 4-6.

У п'ятому розділі наведено дані про практичне застосування одержаних результатів досліджень. Аналітичні визначення ширини зони розтягувальних напружень поблизу наплавлення зварних швів були виконані в кутках, наведених у табл. 1. Результати визначення залишкового стану в полицях кутків порівняно з результатами експериментальних досліджень наведені на рис. 7 і 8. На цих рис. суцільною лінією показані результати розрахунку щодо визначення залишкового напружено-деформованого стану в полицях після виконання ЛТВ за методикою, викладеною в другому розділі, а пунктирною лінією - експериментально отримані дані.

Перерозподіл залишкових напружень після виконання ЛТВ шляхом наплавлення зварних швів на крайках полиць спричинює вигин (прогин) кутка за довжиною. Для визначення вигину (прогину) експериментальних зразків було використано розроблену методику розрахунку. За цією методикою розрахунку були визначені розміри залишкових напружень в кутках. Одержані результати (з округлюванням до цілих) подані в таблиці 3.

Таблиця 3

Залишковий напружено-деформований стан кутників після ЛТВ

Кутки | Розрахунковий опір, Rу, МПа | Напруження, розтягування на крайках уres, МПа | Напруження стискання,

уcom, МПа | Напруження, розтягування на обушку, уx, Мпа | Довжина кутків L, мм

?75Ч6 | 287,0 | 130,0 | 157,0 | 117,0 | 3000

?80Ч8 | 331,0 | 147,0 | 184,0 | 136,0 | 1256

?100Ч10 | 316,0 | 181,0 | 135,0 | 78,0 | 1250

?125Ч10 | 272,0 | 160,0 | 112,0 | 67,0 | 1400

За розробленою методикою розрахунку були визначені розміри критичних навантажень, за яких відбувалася втрата стійкості експериментальних зразків, попередньо напружених ЛТВ.

У результаті співставлення експериментальних даних і результатів розрахунків за розробленою методикою встановлено задовільний їхній збіг. Залишкові розтягувальні напруження в зоні зварних швів підвищують стійкість стрижнів незалежно від жорсткості. Ефективність такого підвищення зростає за віддалення зон залишкових розтягувальних напружень від нейтральної осі перерізу стрижня і збільшення розмірів цих зон.

Методика розроблена для розрахунку стиснених елементів ферм із кутків складеного таврового перерізу. Гнучкість таких елементів повинна перебувати в межах 80 < ? < 110, оскільки в такому діапазоні спостерігається найбільший ефект підвищення стійкості. Наплавлення зварних швів рекомендується виконувати в послідовності, викладеній на рис. 9.

Зварні шви наплавляються з урахуванням розрахованих параметрів режиму зварювання. Всі шви наплавляються від середини елемента до його країв. Подана схема наплавлення зварних швів для кутків таврового перерізу є оптимальною.

За результатами практичного впровадження було виконано розрахунок ефекту використання ЛТВ. Встановлено, що ефект від зменшення ваги конструкції майже в 4 рази перевищує витрати на наплавлення зварних швів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблена методика і проведені експериментальні дослідження залишкового стану, що виникає в кутках після виконання ЛТВ шляхом наплавлення зварних швів. Одержані дані підтвердили припущення про виникнення в кутках після наплавлення зварних швів оптимального, з позиції підвищення стійкості стиснених елементів, розподілу залишкових напружень. Дослідження залишкового стану виконувалися руйнівним і неруйнівним методами. Зроблено висновок про доцільність продовження таких досліджень, особливо для об'єктів, що перебувають в експлуатації (проведення технічної діагностики стану конструкцій).

2. Розроблена методика визначення необхідної кількості теплової енерґії, що вводиться в елемент після виконання ЛТВ, з урахуванням залишкових деформацій. Методика (на відміну від відомої, розробленої М.О. Окербломом для двотаврових елементів) дозволяє за заданої величини відносного прогину визначити параметри технологічного процесу зварювання, тобто підібрати діаметр електрода, напругу і силу струму. Порівняння результатів аналітичного визначення вигинів після ЛТВ із даними, одержаними експериментальним шляхом, свідчать про досить високу збіжність результатів, тобто зразки після наплавлення швів практично не мали вигину.

3. Розроблена методика і проведені експериментальні дослідження щодо оцінювання залишкових напружень, що виникають у кутках після виконання ЛТВ, на стійкість стиснених елементів. Одержані в ході проведення експериментальних досліджень дані підтвердили можливість підвищення стійкості стиснених елементів з кутків тільки внаслідок оптимального розподілу залишкових напружень. Підвищення стійкості спостерігалося для елементів таврового і хрестового профілів, а також елементів з одиночних кутків у діапазоні гнучкостей Підвищення стійкості елементів складеного перерізу внаслідок оптимального розподілу залишкових напружень становить (10 - 35) %, а для елементів із одиночних кутків – до 60%.

У ході експериментальних досліджень установлено негативні впливи стискальних напружень, що виникають у полицях кутків у місцях приварювання сполучних пластин, і викладено пропозиції щодо усунення такого виду залишкового стану (рекомендується наплавляти шви на крайках полиць на довжині, яка дорівнює 3 b, де b - ширина сполучної пластини).

4. Розроблена методика аналітичного визначення залишкового стану, що виникає в кутках після попереднього напруження ЛТВ. Методика базується на гіпотезах і припущеннях, зазвичай використовуваних за розв’язання аналогічних задач. Порівняння результатів визначення залишкового стану після ЛТВ із даними розрахунків свідчить про їх досить близький збіг.

5. Розроблена методика оцінювання впливу залишкового стану на стійкість елементів з куткових профілів. Порівняння результатів аналітичного визначення величин тримальної здатності і експериментальних даних свідчать про високий збіг результатів (середня величина відношення , а середньоквадратичне відхилення - ).

6. Результати роботи були використані під час підготовки навчального посібника і під час проектування низки об'єктів міста Алчевська Луганської області.

СПИСОК опублікованих ПРАЦЬ

1. Голоднов А.И., Козлов С.В. Методика определения внутренних напряжений в сечении прокатного уголка // Металлические конструкции (Доклады на VII Украинской научно-технической конференции). -Днепропетровск: ОАО ДЗМК им. И.В. Бабушкина, 2000. - C. 60 - 62. (автору належить розроблення методики визначення залишкових напружень).

2. Козлов С.В. Распределение остаточных напряжений в сечениях уголков при термических воздействиях на кромках // Проблеми наукових досліджень і перспективи інноваційній діяльності молодих вчених / Матеріали 27 наукової конференції студентів, Вісник ДонДАБА, - Макіївка, 2001. - 3 (28) Т. 1.- C. 50 -52.

3. Козлов С.В., Иванов А.П., Голоднов А.И. Оптимизация остаточных напряжений в сечениях прокатных уголков // Современные проблемы строительства: Ежегодный научно-технический сборник / Донецкий ПромстройНИИпроект. - Донецк: ООО “Лебедь”, 2001. - C. 242 - 246 (автору належить розроблення методики проведення досліджень руйнівним методом).

4. Козлов С.В. Деформативность стержней из одиночных прокатных уголков при локальных термических воздействиях на кромках // Будівельні конструкції Міжвідомчий науково-технічний збірник / НДІБК. - Київ: НДІБК, 2002.-Вип. 57.- C. 92-96.

5. Голоднов О.І., Іванов А.П., Козлов С.В. Дослідження напруженого стану в металевих елементах електромагнітним методом // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкції: Зб. наук. праць / Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України. - Львів: Каменяр, 2002. -Вип. 5.- C. 231-236 (автору належить проведення експериментальних досліджень).

6. Козлов С.В., Голоднов А.И. Экспериментальное определение ширины зоны остаточных растягивающих напряжений при наплавке сварных швов на кромках полок уголков // Сборник научных трудов / ДГМИ. - Алчевск: ДГМИ, 2002.-Вып. 15.- С. 310-316 (автору належить експериментальне визначення ширини зони залишкових розтягувальних напружень).

7. Голоднов А.И., Козлов С.В. Определение величин остаточных напряжений в сечениях уголков после термических воздействий на кромках // Современные проблемы строительства: Ежегодный научно-технический сборник / Донецкий ПромстройНИИпроект. - Донецк: 000 “Лебедь”, 2002. –Т. 2.- C. 71 –76 (автору належить експериментальне визначення залишкових напружень).

8. Козлов С. В. Исследование остаточных напряжений в прокатных уголках после наплавки сварных швов // Современные строительные конструкции из металла и древесины: Сборник научных трудов / Одесская государственная академия строительства и архитектуры. - Одесса: ОГАСиА, 2003 – C. 136 - 142.

9. Козлов С.В. Влияние термических воздействий на устойчивость стержней из одиночных уголков // Защита от коррозии и мониторинг остаточного ресурса промышленных зданий, сооружений и инженерных сетей / Материалы научно-практической конференции (г. Донецк, 9-12 июня 2003 г.) - Донецк: УАМК, 2003. - C. 348 - 352.

10. Голоднов А.И., Козлов С.В. Распределение остаточных напряжений в сечениях прокатных уголков при предварительном напряжении локальными термическими воздействиями на кромках // Вісник Придніпровської державної академії будівництва і архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2003. - №10-11. – С. 37-41 (автору належить виконання розрахунків і співставлення з результатами експериментів).

11. Голоднов А.И., Козлов С.В., Иванов А.П. Влияние остаточного, после локальных термических воздействий, напряженно-деформированного состояния на устойчивость стержней из одиночных уголков // Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд / Матеріали міжнародної наукової конференції. - Харків: ХДТУБА, 2003. - Вип. 23. - С. 51 –55 (автору належить проведення експериментальних досліджень).

АНОТАЦІЯ

Козлов С.В. Підвищення стійкості стиснутих елементів ферм з куткових профілів локальними термічними впливами. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 - будівельні конструкції, будинки і споруди. Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій. Київ. 2004.

Дисертація висвітлює розроблення методик розрахунку і технології виконання локальних термічних впливів для підвищення стійкості стиснених елементів ферм із звальцьованих куткових профілів. Викладено методику розрахунку необхідної кількості теплової енерґії для створення залишкових напружень. Розроблено методику і проведено експериментальні дослідження впливу залишкових напружень на стійкість стиснених елементів. Визначено величину і міру впливу залишкових напружень на стійкість стиснених елементів ферм з куткових профілів. Розроблено практичну методику підвищення стійкості стиснених елементів ферм, виконаних з куткових профілів, із застосуванням локальних термічних впливів.

Ключові слова: стрижень із кутків, залишкові напруження, розподіл за перерізом, вплив на стійкість.

АННОТАЦИЯ

Козлов С.В. Повышение устойчивости сжатых элементов ферм из уголковых профилей локальными термическими воздействиями. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. – Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций, Киев. 2004.

Диссертация посвящена разработке методик расчета и технологии выполнения локальных термических воздействий для повышения устойчивости сжатых элементов ферм из прокатных уголковых профилей. Данная проблема актуальна как для конструкций, которые находятся в эксплуатации, так и для вновь проектируемых конструкций.

Приведена методика расчета количества тепловой энергии, вводимой в элемент локальными термическими воздействиями, для создания остаточных напряжений. Методика базируется на предпосылках, традиционно принимаемых для решения таких задач. За основу взята предложенная Н.О. Окербломом методика определения выгибов сварных конструкций.

Разработаны методики аналитического определения величины и степени влияния остаточных напряжений на устойчивость сжатых элементов ферм, выполненных из уголковых профилей. Решение задачи об оценке устойчивости элементов из уголков с различными видами остаточных напряженно–деформированных состояний выполнено на основе известных предложений В.М. Небылова для сварных двутавровых колонн. Теоретически полученные данные свидетельствовали о существенном влиянии остаточных напряжений на устойчивость элементов и были подкреплены большим объемом экспериментальных исследований.

Разработана методика и получены экспериментальные данные о распределении остаточных напряжений в уголках после локальных термических воздействий путем наплавки сварных швов. Результаты экспериментов подтвердили теоретические предпосылки о возможности получения в элементах оптимального, с позиций повышения устойчивости элементов, распределения остаточных напряжений. Была разработана рациональная схема выполнения локальных термических воздействий.

Разработана методика и проведены экспериментальные исследования с целью определения степени влияния остаточных напряжений на устойчивость элементов из уголков. На устойчивость испытывались элементы различного сечения: таврового, крестового и из одиночных уголков. Наибольший эффект был достигнут при наплавке сварных швов на кромках полок уголков сжатых элементов составного сечения, имеющих гибкость 80-110, причем наплавка выполнялась на части длины. Это позволило сделать вывод о возможности применения такого способа повышения устойчивости сжатых элементов ферм.. Экспериментально была установлена возможность потери местной устойчивости полок уголков в местах приварки соединительных пластин, что объясняется наличием остаточных сжимающих напряжений на кромках полок после приварки.

Применяя разработанную методику можно усиливать (повышать устойчивость) сжатых элементов ферм, находящихся в эксплуатации, в том числе и путем приварки накладок с наложением сварных швов в рекомендуемой последовательности (после приварки усиливающей пластины элемент останется ровным).

Ключевые слова: стержень из уголков, остаточные напряжения, распределение по сечению, влияние на устойчивость.

SUMMARY

Kozlov S.V. Increase of stability of the compressed elements of frаmes of angle bar structures by local thermal influences. The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.01 - building structures, buildings and constructions. The State research institute of building constructions. Kyiv. 2004.

The dissertation is dedicated to development of account techniques and performance technology of local thermal influences for increase of stability of frаme compressed elements of rolled angle bar of structures. The technique for account of necessary quantity of a thermal energy for creation of residual stress is given. The technique is developed and the experimental researches of influence of residual stress on stability of the compressed elements are carried out. The size and degree of influence of residual stress on stability of the compressed elements of frames of angle bar of structures are determined. The practical technique for increase of stability of the compressed elements of frames executed of angle bar of structures with application of local thermal influences is developed.

Key words: element of angle bar, residual stress, distribution on section, influence on stability.