Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор 21
1.1 Состояние вопроса 21
1.2 Теоретические аспекты обеспечения несущей способности стальных конструкций в условиях огневого воздействия 29
1.2.1 Прочностные свойства строительных сталей и специфика их поведения в области высоких температур 29
1.2.2 Взаимосвязь деформации кратковременной температурной ползучести с режимом нагрева стали и уровнем напряжения 38
1.2.3 Особенности поведения стальных элементов при потере ими несущей способности в условиях огневого воздействия 41
1.2.4 Методы исследования огнезащитной эффективности покрытий и способы огнезащиты для стальных конструкций 54
1.3 Состояние нормативной базы и методы оценки огнестойкости стальных несущих конструкций 64
1.3.1 Требуемая огнестойкость сжатых и изгибаемых стальных элементов 64
1.3.2 Методы испытаний на огнестойкость стальных колонн и балок 66
1.3.3 Методы испытания по оценке огнезащитной эффективности покрытий и облицовок для стальных конструкций 71
1.3.4 Методы контроля по обеспечению требуемой огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой при приемке зданий и сооружений в эксплуатацию 74
1.4 Основные направления исследований 78
2 Экспериментальные исследования прочностных и деформативных свойств строительных сталей в условиях высоких температур 83
2.1 Исследуемые марки стали 83
2.2 Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры 84
2.3 Методика испытаний образцов на растяжение для определения диаграмм а- є при стационарном режиме нагрева 93
2.4 Методика испытаний образцов на сжатие для определения диаграмм а- є при стационарном режиме нагрева 101
2.5 Сравнение результатов испытаний на растяжение и сжатие при стационарном режиме нагрев 108
2.6 Анализ экспериментальных данных 112
3 Исследование кратковременной температурной ползучести стали 119
3.1 Основные положения теории ползучести при нестационарных режимах нагрева стали 119
3.2 Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры 123
3.3 Определение параметров ползучести \х ,Z и є„о в ходе проведения испытаний на ползучесть при растяжении 126
3.4 Определение параметров ползучести |ЛС, Zc и єсПо в ходе проведения испытаний на ползучесть при сжатии 144
3.5 Сравнение результатов испытаний на ползучесть при растяжении и сжатии 148
3.6 Эксперименты на ползучесть при растяжении и сжатии в условиях нестационарного режима нагрева стали 150
3.7 Определение доверительных границ результата измерений при исследованиях прочностных и деформативных свойств исследуемых сталей 165
3.8 Анализ экспериментальных данных 172
4 Экспериментально-аналитическое исследование несущей способности сжатых стальных элементов при воздействии высоких температур 174
4.1 Аналитическое исследование деформативности и устойчивости центрально сжатых стальных стержней гибкостью при нагреве 174
4.2 Аналитическое исследование деформативности и устойчивости внецентренно сжатых стальных стержней при нагреве 183
4.3 Экспериментальное исследование деформативности и устойчивости центрально и внецентренно сжатых стержней при нагреве 195
4.3.1 Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры 197
4.3.2 Методика испытаний сжатых стальных стержней при нагреве 199
4.3.3 Результаты экспериментов 204
4.4 Анализ экспериментальных данных 218
5 Экспериментально-аналитическое исследование несущей способности стальных изгибаемых балок при воздействии высоких температур 224
5.1 Математическая модель расчета деформирования стальных балок в условиях огневого воздействия, с учетом температурной ползучести стали 224
5.2 Изучение закономерностей процесса деформации стальных балок в условиях огневого воздействия 244
5.2.1 Описание экспериментального оборудования и контрольно- измерительной аппаратуры 245
5.2.2 Методика испытаний стальных балок на огнестойкость под нагрузкой 249
5.2.3 Анализ результатов испытаний 256
5.2.4. Алгоритм определения фактических пределов огнестойкости стальных балок по критическим деформациям 259
5.3 Сравнение расчетных деформаций стальных балок с деформациями, зарегистрированными во время испытаний 261
5.4. Анализ полученных результатов 269
6 Расчет температур в сечениях несущих стальных элементов защищенных эффективными материалами 272
6.1 Постановка задачи, исходные предпосылки 272
6.2 Методика расчета температуры в сечении незащищенных стальных элементов 274
6.3 Расчет температуры в сечении стальной огнезащищенной колонны двутаврового сечения 275
6.4 Расчет температуры в сечении стальной колонны с облицовкой, имеющей воздушный прослоек 280
6.5 Приведение фактических сечений облицованных стержней к неограниченной пластине, облицованной с одной стороны, и имеющей идеальную теплоизоляцию с другой 283
6.6 Расчет температуры неограниченной стальной пластины, облицованной с одной стороны и имеющей идеальную теплоизоляцию с другой 286
6.7 Методика определения теплотехнических свойств огнезащитных облицовок 287
6.8. Методика построения номограмм прогрева стальных конструкций со вспучивающимися покрытиями 290
6.9 Анализ результатов исследований 294
Основные выводы 296
Литература
- Прочностные свойства строительных сталей и специфика их поведения в области высоких температур
- Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры
- Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры
- Аналитическое исследование деформативности и устойчивости внецентренно сжатых стальных стержней при нагреве
Введение к работе
Обеспечение пожарной безопасности зданий и сооружений из стальных конструкций является важной государственной задачей [1]. Для современного строительного производства характерно изготовление строительных конструкций и изделий индустриальными методами. Стальные конструкции находят широкое применение при возведении высотных зданий в качестве колонн, несущих элементов покрытий, каркасов. Эти конструкции отвечают поставленным задачам технического прогресса: они надежны, обладают высокими прочностными качествами, обеспечивают высокие темпы изготовления и возведения, благодаря высокой прочности они экономичны по затрате материала, транспортабельны и долговечны. Вследствие этого потребление металла в народном хозяйстве очень велико и все возрастает вместе с ростом строительства.
В то же время элементы стальных конструкций должны отвечать противопожарным требованиям. Под действием высокой температуры во время пожара несущая способность стальных конструкций резко снижается, а иногда происходит их разрушение. Применение стальных конструкций, выполненных без учета требований огнестойкости, может привести к человеческим жертвам и значительным убыткам [2-4].
В связи с современными тенденциями в промышленном и гражданском строительстве строить на больших площадях — проблема предотвращения ущерба от крупных пожаров приобретает большое значение. Поэтому одной из
главных задач при эксплуатации зданий является обеспечение нормативных прочностных свойств несущих стальных элементов не только при обычных условиях, но и при воздействии высоких температур, имеющих место в случае пожара. Таким образом, обеспечение работоспособности стальных конструкций при огневом воздействии является весьма важной задачей.
Интенсивное развитие нефтегазового комплекса, где в качестве основных несущих конструкциями используются стальные конструкции ставит ряд задач для обеспечения огнестойкости этих конструкций при огневом воздействии "углеводородного температурного режима".
В настоящее время большое внимание уделяется строительству нефтегазового комплекса, автодорожных тоннелей большой протяженности, где режимы огневого воздействия на строительные конструкции более интенсивны и значительно отличаются от "стандартного". Влияние более интенсивного температурного режима на прочностные характеристики металла и в конечном счете на огнестойкость стальных конструкций требует изучения.
Исходя из вышесказанного была определена цель исследований и сформулирована следующая рабочая гипотеза: установление механизма действия кратковременной температурной ползучести стали на несущую способность стальных конструкций из обычных строительных марок стали и сталей с повышенными показателями огнестойкости при различных режимах огневого воздействия, а также выбор эффективной огнезащиты для обеспечения требуемой огнестойкости несущих стальных конструкций
Целью настоящей работы является разработка метода расчета огнестойкости стальных сжатых и изгибаемых конструкций по критическим деформациям на основе изучения прочностных и деформативных свойств строительных сталей в условиях различных режимов огневого воздействия, в том числе отличных от "стандартного" и определения огнезащитной эффективности материалов для стальных конструкций.
Для достижения поставленной цели в работе ставятся и решаются следующие задачи:
исследовать механизм изменения прочностных и деформативных свойства сталей: малоуглеродистой ВСтЗпс, низколегированной 09Г2С и новых марок 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости;
установить особенности процесса кратковременной температурной ползучести исследованных марок стали при нестационарных режимах нагрева и получены параметры и аналитические зависимости для расчета этих деформаций;
исследовать влияние интенсивности нагревания, уровня нагружения, марки стали на величину критической температуры сжатых стальных стержней;
разработать методику и провести огневые испытаний для определения фактического предела огнестойкости сжатых и изгибаемых стальных конструкций из различных марок стали с огнезащитой и без неё;
- разработать математическую модель решения процесса деформирования стальных конструкций при пожаре с учетом температурной ползучести материала;
исследовать закономерности огнезащитных свойств новых материалов для стальных конструкций и определить теплофизические характеристики этих материалов, которые необходимы для расчетов прогрева конструкций;
установить критерии выбора систем пассивной защиты стальных конструкций от огневого воздействия;
на основании результатов крупномасштабных огневых испытаний с изгибаемыми балками и сжатыми стержнями из наиболее типичных марок стали ВСтЗпс и 09Г2С, рекомендованных для строительных конструкций и новых марок 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости и сравнении с результатами, полученными аналитически подтверждена возможность использования предлагаемого метода расчета для оценки несущей способности стальных конструкций в условиях огневого воздействия.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждены большим объемом исследований на огнестойкость стальных элементов в натуральную величину при огневом воздействии, апробацией методик оценки огнезащитной эффективности строительных конструкций, соответствия результатов расчетных и экспериментальных данных, положительным опытом внедрения результатов работы в Государственную Противопожарную службу и другие ведомства.
Экспериментально-теоретические разработки выполнены применительно к стальным сжатым и изгибаемым стальным конструкциям из малоуглеродистой стали ВСтЗпс, низколегированной - 09Г2С и новых марок - 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости и с новыми огнезащитными материалами.
Теоретические исследования включали:
исследование прочностных и деформативных свойств стали с использованием гидравлических разрывных машин и рычажных установок, модернизированных печей и приспособлений для измерения деформаций и температуры. Используя теорию ползучести, при обработке экспериментальных данных получены аналитические зависимости для расчета кратковременной температурной ползучести при растяжении и сжатии в условиях нестационарного режима нагрева исследованных марок стали;
исследование огнезащитных свойств облицовок для стальных конструкций с целью получения зависимостей изменения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости облицовок при нагреве их до высоких температур. Эти зависимости получены методом решения обратной задачи теплопроводности с помощью современных способов математического аппарата с использованием численных методов на базе ЭВМ.
- разработку математической модели решения задачи расчета процесса деформирования сжатых и изгибаемых стальных конструкций при пожаре с учетом температурной ползучести материала.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны расчетные и экспериментальные методы оценки несущей способности изгибаемых стальных конструкций из наиболее типичных марок стали ВСтЗпс и 09Г2С, рекомендованных для строительных конструкций и новых марок ОбБФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости, с учетом деформации ползучести и различных режимах огневого воздействия для прогнозирования, математического моделирования, противопожарного нормирования несущих стальных конструкций по критическим деформациям;
разработан новый экспериментальный метод определения устойчивости сжатых стальных стержней для оценки влияния гибкости, величины нагрузки, скорости нагрева, марки стали на критическую температуру и деформацию этих стерней при нестационарных режимах нагрева;
- определены особенности напряженно-деформированного состояния
сжатых стальных стержней, получен новый метод определения критической
температуры сжатых стальных стержней различной гибкости X с учетом де
формации кратковременной температурной ползучести;
- предложена математическая модель расчета деформирования стальных
балок в условиях огневого воздействия, с учетом температурной ползучести
стали и позволяющая определять влияние скорости нагрева на процесс дефор
мировании балки. Модель апробирована с использованием экспериментальных
данных, полученных автором и опубликованных в литературе для стальных ба-
лок из сталей в условиях огневого воздействия. Результаты расчетов и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются;
разработан новый экспериментальный метод определения кратковременной температурной ползучести стали при растягивающем и сжимающем напряжении, стационарном и нестационарном режимах нагрева, для оценки де-формативной способности строительных сталей;
выявлены основные закономерности и взаимосвязь между прочностными и деформативными свойствами малоуглеродистой стали ВСтЗпс, низколегированной - 09Г2С и новых марок - 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости марок стали при повышенных температурах;
получены новые экспериментальные данные, характеризующие влияние и вид напряженного состояния, скорости нагрева и марки стали на деформацию температурной ползучести малоуглеродистой стали ВСтЗпс, низколегированной - 09Г2С и новых марок сталей 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости;
впервые установлена взаимосвязь между прочностными и деформативными свойствами исследованных марок стали и температурными режимами в условиях огневого воздействия, показана возможность оценки необратимых температурных деформаций стали;
предложена новая методика определения огнезащитных свойств покрытий и облицовок для стальных конструкций, позволяющая выбрать наиболее эффективный вариант огнезащиты. На основании систематических исследова-
ний и математической обработки результатов с использованием численных методов на базе ЭВМ получены зависимости изменения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости облицовок при нагреве их до высоких температур. Построены номограммы прогрева стальных пластин с различными видами огнезащитных материалов.
Практическая ценность работы.
Решена научно-техническая проблема оценки огнестойкости стальных несущих конструкций из традиционно применяемых марок стали и новых с повышенными показателями термостойкости с учетом условий их эксплуатации, различных условий огневого воздействия. Разработаны научно-методические основы выбора наиболее эффективного огнезащитного покрытия для стальных конструкций.
Разработаны инженерные расчетно-экспериментальные методы оценки огнестойкости стальных конструкций по критическим деформациям, определены прочностные и деформативные параметры различных марок стали для задач математического моделирования процесса деформирования стальных стержней и балок в условиях различных температурных режимов огневого воздействия.
Результаты работы позволяют сформулировать требования по выбору огнезащитных материалов для стальных конструкций с учетом нормируемых критериев необратимых деформаций, в том числе на стадии проектирования, что приведет к снижению материального и социального ущерба от возможного пожара.
Диссертация обобщает результаты исследований, которые проводились под руководством или при непосредственном участии автора в Федеральном государственном учреждении "Всероссийский ордена "Знак почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны" (ФГУ ВНИИПО) МЧС России с 1976 года при выполнении ряда Государственных программ (в т.ч. МВД, Госстроя России) плана НИР ФГУ ВНИИПО МЧС России.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке:
НПБ 236-97 "Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности";
НПБ 231-96 "Потолки подвесные. Метод испытания на огнестойкость";
СНиП 21-01-97* "Пожарная безопасность зданий и сооружений"
ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции строительные. Метод испытания на огнестойкость. Общие требования";
ГОСТ 30247.1-94 "Конструкции строительные. Метод испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции";
МГСН 4.19-2005 "Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий-комплексов в городе Москве";
МГСН 5.03-02 "Нормы проектирования городских автотранспортных тоннелей";
Инструкции по расчету фактических пределов огнестойкости металлических конструкций. - М.: ВНИИПО, 1983;
Методики определения огнезащитной эффективности средств огнезащиты железобетонных конструкций автодорожных тоннельных сооружений.- М.: ВНИИПО, 2007;
Справочника "Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций, пожарная опасность строительных материалов, огнестойкость инженерного оборудования зданий". — М.: ВНИИПО, 1999;
Технической информации (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы). -М.: ВНИИПО, 2005;
Результаты диссертации использованы в лекциях Учебного Центра ФГУ ВНИИПО МЧС России, Учебно-Консультативного Центра МГСУ и Государственной Академии профессиональной подготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы (ГАСИС).
Полученные экспериментальные данные фактических пределов огнестойкости несущих стальных конструкций, прочностные и деформативные свойства сталей при высоких температурах, а также огнезащитная эффективность новых материалов использованы различными предприятиями-производителями, проектными и строительными организациями, органами ГПС.
На защиту выносятся:
- основы выбора параметров огнезащиты для обеспечения требуемой огнестойкости стальных конструкций;
методики исследования прочностных и деформативных свойств стали при растяжении и сжатии в условиях нестационарных режимов нагрева;
результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния марки стали на прочностные и деформативные свойства исследованных сталей при нагреве до высоких температур;
экспериментальные данные по влиянию уровня напряжения и температурных режимов нагрева стали на деформацию температурной ползучести стали при растяжении и сжатии;
научно обоснованные методы оценки несущей способности сжатых и изгибаемых стальных конструкций в условиях огневого воздействия с учетом кратковременной температурной ползучести;
результаты исследований огнестойкости стальных изгибаемых балок из различных марок стали с огнезащитой и без неё;
результаты математического моделирования процесса деформирования изгибаемых стальных балок из малоуглеродистой стали ВСтЗпс, низколегированной - 09Г2С и новых марок - 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости в условиях огневого воздействия;
методика определения устойчивости и несущей способности сжатых стальных стержней различной гибкости при различных режимах нагрева;
результаты экспериментальных и теоретических исследований огнезащитной способности новых эффективных материалов для стальных конструкций;
- эффективные способы защиты стальных конструкций от теплового воздействия в условиях огневого воздействия;
Достоверность полученных результатов подтверждается данными полигонных и крупномасштабных огневых экспериментов, адекватностью теоретических моделей реальным условиям статической нагрузки стальных конструкций в условиях огневого воздействия, выбором критериев и параметров, позволяющих сравнивать теоретические и экспериментальные данные, удовлетворительной точностью экспериментальных методов и погрешностями измерений.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждены достаточным объемом исследований (в том числе крупномасштабных экспериментов), длительной апробацией используемых математических моделей и методик, соответствием результатов лабораторных, крупномасштабных экспериментов и расчетных данных, положительным опытом внедрения результатов работы в ГПС и других ведомствах.
Апробация работы. Результаты работы, основные её положения и выводы докладывались и обсуждались на X Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы пожарной безопасности зданий и сооружений (Москва, 1990), XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность 95" (Москва 1995), Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность — история, состояние, перспективы" (Москва, 1997), II Международном семинаре "Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита объектов (Москва 1997), XV Всероссийской научно-практической конферен-
ции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" (Москва, 1999), XVI Научно-практической конференции "Крупные пожары: предупреждение и тушение" (Москва, 2001), Всероссийской научно-практической конференции "Пожары и окружающая среда" (Москва, 2002), XVIII Всероссийской научно-практической конференции "Снижение риска гибели людей при пожарах" (Москва, 2003), XIX Научно-практической конференции "Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений" (Москва, 2005), Научно-практическая конференция "Пожарная защита зданий и сооружений в условиях Сибири и Крайнего Севера" (Иркутск, 2005), Международная научно-практическая конференция "Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации" (Гомель, Беларусь, 2006), VII научно-практической конференции "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций". (Москва, 2007), XX Международной научно-практической конференции "Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах" (Москва, 2007).
По теме диссертации опубликовано 51 печатная работа. В диссертации обобщены результаты многолетней самостоятельной работы, а также выполненной с коллегами и соискателями автора. Под руководством и непосредственном участии автора определялись направления исследований, разрабатывались установки, методики экспериментов, осуществлялся анализ и обобщение полученных результатов, формулировались выводы и проводилось внедрение в практику.
Автор считает своим долгом выразить благодарность за ценные советы и оказание практической помощи при совместной работе докторам техн. наук И.А. Болодьяну, А.Н. Баратову, И.С. Молчадскому, Н.И. Константиновой, Н.В. Смирнову, И.Р. Хасанову, инженерам В.В. Павлову, А.В. Пехотикову А.В. Ру-жинскому, Н.П. Савкину, Р.А. Яйлияну.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 337 страниц, иллюстрированного 79 рисунками, имеет 37 таблиц и 174 наименования литературы.
Прочностные свойства строительных сталей и специфика их поведения в области высоких температур
Прочностные свойства строительных сталей и специфика их поведения в области высоких температур По прочности стали, для строительных конструкций делятся на три группы [16-18]: - малоуглеродистые стали обычной прочности, имеющие значение предела текучести GT= 230 МПа и временное сопротивление Ов = 380 МПа; - стали повышенной прочности cj= 290-400 МПа и ав =440-520 МПа; - стали высокой прочности (низколегированные и термически упрочненные) OY= 450-750 МПа и ов =600-850 МПа и более.
Механические свойства стали, и её свариваемость зависит от химического состава, термической обработки и технологии прокатки[19-23]. Из группы малоуглеродистых сталей обыкновенного качества, производимых металлургической промышленностью, широкое применение в строительстве находит сталь марки СтЗ. Она хорошо сваривается, почти не закаляется и потому является весьма удобной для работы в элементах конструкции.
Класс и марку стали, если по условиям эксплуатации конструкций не выдвигается специальных требований, выбирают на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом указаний, изложенных в СНиП П-23-81 .
Прочностные характеристики сталей при нагреве до высоких температур значительно изменяются [24-29].
В большинстве испытаний по определению прочностных характеристик на растяжение при нагреве температура поддерживалась постоянной, а нагрузка увеличивалась с различной скоростью. Эта скорость увеличения нагрузки играет большую роль, так как за счет неё, к упругопластическим деформациям при растяжении, в большей или меньшей степени добавляются деформации температурной ползучести. Различие в прочностных характеристиках при нагреве одной и той же марки стали у различных исследователей связано с различной скоростью нагружения образцов при испытаниях на растяжение [30,31].
Данные о влиянии скорости деформирования при повышенных температурах на предел прочности и предел текучести для сталей 15кп и 35 ХМА представлены в таблице 1.2 и 1.3 [32] Из представленных данных видно, что при увеличении скорости деформирования стали, при высоких температурах прочностные характеристики значительно увеличиваются. Причем, чем сталь менее прочная, тем больше оказывает влияние скорость деформирования на временное сопротивление о"в и предел текучести От при высоких температурах.
Н.И. Зенковым и Н.П. Савкиным были проведены исследования прочности некоторых видов арматурных сталей в условиях воздействия на них высоких температур [33,34] . Испытаниям в разрывной машине подвергались стали марок: СтЗ, Ст5, 25Г2С, 30ХГ2С, холоднотянутые стали классов B-I и В-П, а также стали 35ГС и 80С. Исследования показали, что интенсивное снижение потери прочности сталей в горячем состоянии начинается при температуре превышающей 573 К горячекатаные стали СтЗ и Ст5, а также низколегированная сталь 25Г2С восстанавливают при охлаждении свои прочностные свойства полностью.
Временное сопротивление малоуглеродистых сталей при температуре нагревания 473-4523 К несколько увеличивается. При этой температуре стали марок СтЗ и Ст5 приобретают свойства синеломкости, которое повышает их твердость [35] . При температуре 773 К временное сопротивление и предел текучести сталей значительно понижаются, а их пластические свойства увеличиваются [36-40].
Изменение модуля упругости Е в условиях высоких температур.
Модуль упругости Е прокатной стали и стальных отливок принимается равным 2,1-105 МПа. С повышением температуры Е уменьшается, причем характер снижения Е для всех углеродистых сталей примерно одинаков [41-42]. Способы проведения испытаний в различных лабораториях отличаются друг от друга, марки не всегда бывают идентичными, разброс результатов этих испытаний бывает очень большим. На рис. 1.2 представлено изменение модуля упругости Е при повышении температуры, полученное для различных марок стали.
Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры
Равномерность распределения температуры по высоте печи имеет большое значение, особенно при экспериментах с определением малых деформаций. С этой целью для проведения испытаний на сжатие и растяжение во ВНИИПО были специально спроектированы и изготовлены печи, имеющие особое распределение обмотки по ее длине. Витки обмотки из нихромо-вой проволоки распределялись вокруг керамического муфеля таким образом: наиболее часто в нижней части печи, более редко — в верхней и еще реже в средней части печи, где располагается расчетная длина образца. Максимальная температура нагрева муфеля - 1000 С. В результате проведенной тарировки печи по трем термопарам было установлено, что разница температур по высоте муфеля составила: при температуре до 300С - ± 2С, 600С- ± 4С, до 900С - ± 6С, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 9651-73.
С целью поддержания равномерного температурного поля внутри электропечи торцы керамического муфеля изолировались от внешней среды экранами из минераловатных базальтовых плит.
Регулировка температурного режима в печах осуществлялась путем постепенного подбора необходимой мощности нагревательной обмотки электропечи с помощью электрического трансформатора мощностью 40 кВт. Измерение температуры В результате проведенных исследований сделан вывод о том, что с практической точки зрения температура, замеряемая на поверхности стального образца, при условии плотного прилегания к ней горячего спая термопары и защиты его от излучения, может считаться истинной температурой металла. Поэтому в настоящих исследованиях замерялась температура на поверхности образцов и принималась, как истинная температура стали.
Температура образцов и температура в воздушном пространстве печи замерялась с помощью хромель-алюмелевых термопар диаметром 0,5 мм, изолированных нитью кремнеземной К11С6 с пропиткой лаком КО, способным выдерживать температуру 1100 С. Показания термопар регистрировались 12-точечными электронными автоматическими потенциометрами типа КСП-4 с градуировкой ХА на 1100С. Спаи термопар приваривались к поверхности образца с помощью аппарата для приварки тензорезисторов АСТ-2 и покрывались стекловолокном.
Методика испытаний образцов на растяжение для определения диаграмм ст- є при стационарном режиме нагрева
Построение диаграмм о-є в условиях стационарного нагрева производилось для определения прочностных и деформативных свойств стали при растяжении. Нагружение осуществлялось на гидравлических разрывных машинах Р-10 и "Heckert FR 100".
На каждом образце для измерения температуры при растяжении устанавливались по 3 термопары: на границах и в середине расчетной длины. Продолжительность нагрева образцов до температуры испытания составляла 15-20 минут и 10 минут выдержки при температуре испытания. Скорость на гружения образцов при растяжении была эквивалентна увеличению напряжения 900 кг/см2 в минуту. При такой скорости нагружения влияние деформации ползучести на кривую деформации-напряжения очень незначительно.
Каждая кривая на диаграмме а-є "растяжения" при соответствующей температуре испытания получена как среднее значение из трех испытаний каждой марки стали. При расхождении результатов трех опытов более чем на 10 % испытаниям подвергали четвертый, а иногда и пятый образец. Окончательный результат опыта определяли по среднему арифметическому из достоверных результатов трех (четырех) испытаний, не отличающихся между собой более чем на 10 %.
При испытании на растяжение при повышенных температурах кроме диаграмм а-є также определялись такие механические характеристики как модуль упругости Е (Т) и предел текучести уу (Т).
На рис. 2.6 - 2.11 представлены диаграммы работы материала а- є при повышенных температурах со сталями марок ВСтЗпс, 09Г2С и недавно разработанных - 06БФ и 06МБФ. Диаграммы получены при испытании образцов на растяжение.
Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры
Значения Z изображаются на графике в качестве функций напряжения (рис. 3.12-3.13) в виде прямой линии для низких значений напряжения, где обе переменные даны в логарифмической шкале. Если значения Z соответствуют этим прямым линиям, то соотношение между теоретически рассчитанными и экспериментальными кривыми ползучести получается удовлетворительным даже, если при определении величины параметра ц имелся небольшой разброс. Эти допущения подтверждаются хорошей сходимостью экспериментальных и аналитических кривых ползучести.
Значение (І и соотношение между Z , єІч и напряжением а рассматриваются как эмпирические значения и соотношения, с помощью которых при использовании уравнений (3.1 и 3.2) можно построить кривые ползучести, соответствующие кривым, построенным на основе испытаний.
Определение параметров ползучести u.c, Zc и єсПо в ходе проведения испытаний на ползучесть при сжатии Предполагалось, что теория ползучести, примененная в данной работе для вывода аналитических зависимостей с целью определения деформации ползучести при растяжении и получившая хорошую сходимость с экспериментом, применима для определения деформации ползучести при сжатии.
Величина "приведенного времени" 9 и деформация ползучести при сжатии есп определялась по аналитическим зависимостям: e = Jexp(- )rfr (ЗЛО) О " єс„=(є\ /ln2)cosh-l(2zCe/ ) (3.11) 145 где:цс,scna,Zc-параметры ползучести стали при сжатии.
Для определения параметров ползучести при сжатии проводились испытания при постоянном напряжении сжатия и постоянной температуре на рычажной установке ВНИИПО (рис. 2.4) с образцами из стали марок ВСтЗпс, 09Г2С, 06БФ, 06МБФ форма и размеры которых представлены на рис. 2.3.
Стальные образцы нагревались в муфельных печах до заданной температуры и выдерживались при этой температуре в течение 1 часа. Затем к образцу плавно, последовательными ступенями, прикладывалась расчетная нагрузка. За условный ноль принималась нагрузка от самой рычажной установки, без грузов, равная 2,3 кН.
Для сравнения данных полученных при сжатии с экспериментальными данными на ползучесть при растяжении исследования на сжатие были проведены на образцах с теми же напряжениями и при тех же температурах, как и при растяжении.
На рис. 3.4-3.11 представлены кривые ползучести сталей марок ВСтЗпс, 09Г2С, 06БФ и 06МБФ при величинах сжимающего напряжения от 50 до 200 МПа для стали ВстЗпс, для стали 09Г2С от 50 до 270 МПа, для стали 06БФ от 120 до 220 МПа, для стали 06МБФ от 150 до 280 МПа. Температура при испытаниях устанавливалась 600 С для низких величин напряженного состояния стали до 100 МПа и 500 С для напряжений выше 100 МПа.
Влияние температуры испытания исследуемых сталей при постоянном напряжении 140 и 150 МПа представлено на рис. 3.8, 3.9.
Определение параметра ползучести цс при сжатии производилось, аналогично, как при растяжении, с помощью кривых ползучести по зависимости: ц _ Т2.ТМТг/Тг) (3.12) 1Х 12 Значения параметра и. для исследованных марок сталей представлены в таблице 3.2. Величина параметра ползучести Zc при сжатии определялась по зави симости : Zc = ёп (ехр —) (3.13) Скорость ползучести при сжатии ёп =—- определялась в ходе прове dr дения каждого испытания.
Значения Zc определенные при испытаниях на ползучесть при сжатии исследуемых марок сталей, представлены на графике в качестве функции напряжения на рис. 3.12 с одной переменной в логарифмической шкале, и на рис. 3.13 с двумя переменными в логарифмической шкале. С помощью этих графиков получены аналитические зависимости между Zc и напряжением и представлены в таблице 3.2.
Величина параметра ползучести при сжатии єсщ определялась из испытаний при постоянном напряжении на сжатие и постоянной температуре. Значения представлены на графике (рис. 3.14) в качестве функции напряжения с обеими осями в логарифмической шкале. С помощью этих графиков получены аналитические зависимости между ЕСЩ и о, которые представлены в таблице 3.2.
Аналитическое исследование деформативности и устойчивости внецентренно сжатых стальных стержней при нагреве
Аналитическое исследование деформативности и устойчивости внецентренно сжатых стальных стержней при нагреве. В разделе 4.1 рассмотрен метод расчета критической температуры только для центрально сжатых стальных стержней, имеющих большую гибкость (Л 104).
В настоящем разделе излагается общий метод расчета критической температуры с учетом деформации ползучести металла для сжатых стальных стержней любой гибкости, в том числе и внецентренно сжатых.
В литературе имеется довольно четкое разделение таких стержней на центрально сжатые и внецентренно сжатые. Разделение это недостаточно обосновано, так как центрально сжатый стержень является абстракцией, а все действительно сжатые стержни, за исключением весьма коротких, к критическому состоянию подходят как внецентренно сжатые и поэтому не имеют принципиального отличия от внецентренно сжатых.
Все применяемые в строительных конструкциях стержни неизбежно имеют отклонения от прямолинейности, а сжимающая сила всегда имеет эксцентриситет. Поэтому рассмотрим задачу о нагреве стального стержня сжатого силой, имеющей отклонение от центра тяжести сечения, как наиболее общую.
Потеря несущей способности внецетренно сжатого стержня происходит за счет увеличения прогиба в процессе нагрева. Деформирование оси внецентренно сжатого стержня, как и в случае центрально сжатого стержня, принимаем по полуволне синусоиды, тогда прогиб ft будем определять по формуле (4.1):
Поэтому для упрощения расчетов критической температуры сжатых стальных стержней при нагреве, по результатам исследований ползучести были построены кривые ползучести при режиме нагрева стали 5 град./мин. (рис.4.3 и 4.4)
Для центрально сжатых стержней, у которых начальный эксцентриситет е можно принять равным 0 , формула (4.24) приобретает простой вид: =(т-т} к (425)
Для определения по формуле (4.24) критической деформации ползучести „ внецентренно сжатых элементов необходимо знать разность краевых деформаций Ає.
Определить эту разность без специальных исследований не представляется возможным. Поэтому зависимости для расчета критической температуры внецентренно сжатых стержней находим с помощью приведенного модуля деформаций Enpl.
С учетом формул (4.1) и (4.19) имеем: = Аа = 2- ru-A-{e + ft) = 2-crQ-A-(e + ft) ,. «лч w Ає W-Ae „, n2-h . " К J W-—p -ft Откуда: L= _г P , (4.27) Я2 o-n л-2-„ В данной формуле выражение - - представляет собой критическое А. напряжение, при действии которого наступает потеря несущей способности нагретого стержня.
При нормальной температуре критическое напряжение всегда больше рабочих напряжений т0. При нагреве стержня, за счет развития деформаций ползучести стали, Е , уменьшается, вследствие чего уменьшается и критическое напряжение. Как только значение этого напряжения будет сравниваться с величиной рабочего напряжения - а0, знаменатель формулы (4.27) будет приближаться к нулю. Это вызывает резкое увеличение прогиба /( стержня, и он теряет устойчивость. Формула (4.30) является обобщенным выражением для расчета критической деформации єп при потере несущей способности сжатого стержня.
При центральном сжатии Аае= 0 и а = сг0. В этом случае из выражения (4.30) получаем формулу (4.25). При внецентренном сжатии Аае меньше До- и это увеличивает критическую деформацию єп. Однако данное увеличение, как показывает анализ, незначительно повышает критическую температуру стержня. Поэтому, с целью упрощения расчета, что идет в запас огнестойкости, принимаем Аае = Дет. При этом условии расчетная формула для внецентренного сжатия имеет вид:
