Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы анализа надежности и несущей способности металлических конструкций 14
1.1. Общие сведения по оценке надежности конструкций 14
1.2 Общие сведения об оценке остаточной несущей способности металлических конструкций 21
1.3. Обзор работ по определению надежности металлических конструкций на основе теории вероятностей и математической статистики 23
1.4. Проблемы оценки надежности металлических конструкций 31
1.5. Обзор работ по оценке надежности и несущей способности металлических конструкций на основе теории возможностей 40
Выводы по главе 47
ГЛАВА 2. Оценка надежности и остаточного ресурса стальных конструкций при ограниченной статистической информации о контролируемых параметрах 48
2.1. Постановка проблемы 48
2.2. Оценка надежности индивидуальных стальных балок в условиях упругого деформирования 50
2.3. Оценка надежности центрально-растянутых и центрально-сжатых стержней индивидуальных стальных ферм в условиях упругого деформирования 58
2.4. Расчет надежности внецентренно-сжатых стержней индивидуальной фермы с эксцентриситетами в условиях упругого деформирования при ограниченной статистической информации 62
2.5. Расчет надежности индивидуальных плоских металлических рам 75
2.6. Определение надежности рамы по условию устойчивости при многопараметрической нечеткой нагрузке 83
2.7. Оценка остаточного ресурса металлических конструкций в условиях ограниченной информации о контролируемых параметрах
2.7.1. Постановка задачи и решение ее вероятностными методами 87
2.7.2. Возможностный метод прогнозирования остаточного ресурса металлических конструкций при ограниченной информации о контролируемом параметре 89
Выводы по главе 92
ГЛАВА 3. Оценка надежности индивидуальных металлических конструкций по модели предельного равновесия 93
3.1. Постановка проблемы 93
3.2. Возможностный метод определения надежности металлической балки по условию прочности по модели предельного равновесия 96
3.3. Расчет надежности индивидуальных статически определимых ферм по условию предельного равновесия в условиях ограниченной статистической информации о контролируемых параметрах предельного равновесия 105
3.4. Определение расчетной надежности рам по условию предельного равновесия 111
Выводы по главе 112
ГЛАВА 4. Оценка надежности сварных соединений при ограниченной информации о контролируемых параметрах на основе теории возможностей 121
4.1. Постановка проблемы 121
4.2. Определение надежности нахлесточных сварных соединений с фланговыми швами при статическом нагружении 122
4.3. Определение надежности сварных соединений с лобовыми швами при статическом нагружении 126
4.4. Определение надежности соединения с помощью накладок и сварных фланговых швов 129
4.5. Оценка надежности комбинированных сварных соединений 135
4.6. Определение надежности сварных соединений в узлах металлических ферм при ограниченной статистической информации о параметрах 141
4.7. Определение надежности сварного соединения ригеля со стойкой рамы 145
2.3. Определение надежности сварных соединений встык при наличии
трещины при ограниченной статистической информации 147
Выводы по главе 151
ГЛАВА 5. Оценка несущей способности эксплуатируемых стальных конструкций 152
5.1. Экспериментальное определение несущей способности металлической фермы 152
5.2. Определение остаточной несущей способности стальной балки составного двутаврового сечения по условию прочности и жесткости при допущении ограниченной пластической деформации 159
Выводы по главе 164
ГЛАВА 6. Экспериментальная часть 165
6.1. Обзор методов определения механических характеристик основного и наплавленного металла '. 166
6.1.1. Полуразрушающие способы определения механических свойств металла 166
6.1.2. Неразрушающие способы определения механических свойств металла 167
6.2. Испытание стальных образцов на твердость и прочность 179
6.2.1. Вид стальных образцов для испытаний образцов 179
6.2.2. Вид устройства для нанесения царапин 179
6.2.3. Методика проведения испытаний 183
6.2.4. Результаты испытаний 185
6.2.5. Методические указания для испытаний металла (стали) конструкций на определение твердости царапанием 191
6.3. Исследование устойчивости внецентренно-сжатого стержня с неслучайными эксцентриситетами в условиях упругого деформирования 192
6.3.1. Постановка проблемы 192
6.3.2. Цель испытаний 193
6.3.3. Методика проведения и результаты испытаний 193
Выводы по главе 197
Выводы по диссертации : 198
Литература
- Обзор работ по определению надежности металлических конструкций на основе теории вероятностей и математической статистики
- Расчет надежности внецентренно-сжатых стержней индивидуальной фермы с эксцентриситетами в условиях упругого деформирования при ограниченной статистической информации
- Возможностный метод определения надежности металлической балки по условию прочности по модели предельного равновесия
- Определение надежности нахлесточных сварных соединений с фланговыми швами при статическом нагружении
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема обеспечения надежности строительных конструкций на стадии проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений, в последнее время становится одной из важнейших проблем в Российской Федерации и в других странах мира. Как отмечают академики Г.А. Гениев и В.И. Колчунов в своей монографии «Прочность и деформативность железобетонных конструкций при запроектных воздействиях» (2004 г.), в России она входит в число критических технологий федерального уровня и приоритетных направлений научных исследований Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН).
Проблема оценки остаточной несущей способности и надежности элементов металлических конструкций возникла давно и интенсивно нарастает в связи с физическим и моральным износом зданий и сооружений. Многие объекты выработали свой проектный ресурс и требуют срочной диагностики на предмет выявления их безопасной эксплуатации. Например, в «Строительной газете» в 1999г. были опубликованы следующие цифровые данные: в жилом секторе Украины в период с 1991г. по 2001г. произошло более 100 аварий, в которых погибло более 80 человек, из 30 тыс. мостов постройки до 1961г. 83% не отвечают требованиям грузоподъемности. Из-за низкого качества строительных работ 70% объектов постройки за последние 10 ч-15 лет нуждаются в обследовании и усилении. Примерно такая же ситуация сложилась и в Российской Федерации. Всем известен факт обрушения в 2004г. конструкций Трансвааль-парка в Москве, в результате чего погибло около 30 человек. В 2005г. обрушились стальные фермы в плавательном бассейне в Пермской области из-за появившихся дефектов и некачественного обследования, в результате погибли 14 человек, 10 детей.
В последнее время у многих зданий и сооружений изменяются функциональные назначения, часто с увеличением нагрузок, производится надстройка зданий, их реконструкция. Также усиливается внимание к переоценке основных фондов, что требует проводить техническое обследование зданий, сооружений и оборудования с целью определения их фактического технического состояния.
С течением времени несущая способность, надежность и остаточный ресурс металлических конструкций понижаются вследствие накопления повреждений или появления и развития дефектов. Для предупреждения аварий и разрушений конструкций, для продления времени их эксплуатации необходимо владеть информацией об уровне их остаточной несущей способности, надежности и остаточного ресурса.
Большинство существующих методов анализа надежности стальных конструкций основано на использовании классической теории вероятностей и математической статистики. Такое использование вполне обосновано историческим развитием науки о надежности и оправдано, когда имеется достаточное количество устойчивых выборочных данных, характеризующих процессы износа, старения, отказов и разрушения металлических конструкций.
Однако в реальных условиях эксплуатации такая информация отсутствует. Нередко оценка технического состояния металлических конструкций по результа-
там обследования не содержит основной количественной характеристики - надежности конструкции. Это вызвано тем, что, как правило, на практике отсутствуют достоверные и полные по объему статистические данные о входных и выходных параметрах конструкции. Такая офаниченная информация не позволяет использовать для оценки надежности металлических конструкций известные вероятностно-статистические методы.
Целью работы является разработка методик определения надежности несущих элементов в составе металлических конструкций и металлических конструкций в целом, находящихся в условиях эксплуатации, когда статистическая информация о входных параметрах и параметрах системы ограничена; разработка методик выявления остаточной несущей способности МК; разработка методики определения остаточного ресурса (времени) безопасной эксплуатации МК.
Научную новизну составляют:
методики определения надежности несущих элементов металлических конструкций и металлических конструкций в целом, находящихся в эксплуатации при допущении краевой пластической деформации при малой (ограниченной) статистической информации о параметрах системы в контексте мер возможности;
методики определения расчетной надежности индивидуальных элементов в составе металлических конструкций и металлических конструкций в целом, находящихся в эксплуатации, по условию предельного равновесия.
методика экспериментально-теоретического определения несущей способности стальных конструкций;
оценка остаточного ресурса несущих элементов стальных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений;
методика определения механических характеристик стали в конструкции на уровне изобретения с использованием полученного патента №2308018 «Устройство для определения твердости материалов методом царапания», выданного Роспатентом РФ.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
теоретическим расчетом надежности Р стальной балки с использованием классической теории вероятностей и расчетом возможности R и необходимости N безотказной работы балки с применением теории возможностей. Получены значения P,R,N в виде необходимой согласованности N <Р
сравнением результатов испытаний стальных конструкций (балки, фермы) в лабораторных условиях ВоГТУ по определению несущей способности по предлагаемой в диссертации методике и традиционными методами (расхождение в пределах 4—5%);
сравнением результатов по определению <тв с помощью устройства для определения твердости материалов методом царапания и результатов разрушающих испытаний стальных образцов.
Практическая значимость работы заключается в:
оценке несущей способности эксплуатируемых стальных конструкций и в определении на этой основе обеспечения безопасности их эксплуатации, возможности устройства надстроек и других видов реконструкции, в выявлении резерва несущей способности стальных конструкций.
оценке надежности несущих стальных элементов в составе зданий и сооружений при ограниченной статистической информации о параметрах математических моделей предельных состояний этих элементов и воздействиях, и на этой основе в определении уровня их безопасной эксплуатации, в определении количественной характеристики качества стальных конструкций как недвижимого имущества;
количественной оценке механических свойств строительных сталей в конструкции неразрушающим методом.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Реконструкция. Санкт-Петербург-2005», С.Петербург, СПбГАСУ, 2005г., на IV Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону», Вологда, ВоГТУ, 2006г., IV Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», Пенза, 2006г., научно - технической конференции «Строительная физика в XXI веке», Москва, 2006г., на научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2007г., на V Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону», Вологда, ВоГТУ, 2007г., на международной научно-практической конференции «Наука и инновации в современном строительстве-2007», С.Петербург, СПбГАСУ, 2007г., на Х-ой научно-технической конференции «Надежность строительных объектов», Самара, 2007г. Основное содержание диссертации опубликовано в 13-ти научных статьях в России и зарубежом (в т.ч. в 4-х рекомендованных ВАК), патенте на изобретение.
Внедрение результатов работы. На основании проведенных испытаний двух стальных балок на заводе нестандартного оборудования для деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности ЗАО Союзлесмон-таж в г. Вологде неразрушающим методом (царапанием) были установлены механические характеристики стали балок (ств и ат). По этим результатам и по предложенной методике определения надежности для индивидуальных конструкций была произведена оценка надежности подкрановых балок. Результаты работы позволили предприятию представить кран и подкрановые балки к очередной инспекции Гортехнадзора.
Научные разработки по анализу надежности и остаточного ресурса МК внедрены в учебный процесс включением в учебный план ВоГТУ дисциплины «Основы надежности строительных конструкций» для специальности «Промышленное и гражданское строительство», в рабочие программы дисциплины «Обследование и испытание зданий и сооружений». Результаты научных исследований используются в учебном процессе при проведении лабораторной работы
«Оценка механических свойств стали» при преподавании курсов «Металлические конструкции», «Технология конструкционных материалов» в ВоГТУ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения с основными выводами, списка литературы и 2-х приложений. Она изложена на 240 страницах, включающих 197страниц основного текста, 76 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 152 наименований и приложений на 27 страницах.
На защиту выносятся:
комплекс методик для определения надежности индивидуальных стальных несущих элементов в составе конструкций и стальных конструкций в целом при ограниченной (неполной) статистической информации о входных параметрах и параметрах несущих элементов на стадии эксплуатации;
методика определения надежности индивидуальных элементов в составе металлических конструкций и конструкций в целом по условию предельного равновесия;
методики определения надежности индивидуальных сварных соединений различного вида на стадии эксплуатации;
методики неразрушающих испытаний стальных конструкций для определения их остаточной несущей способности;
методика выявления резерва несущей способности стальных конструкций за счет допущения ограниченных пластических деформаций в некоторых несущих элементах;
определение остаточного ресурса стальных несущих элементов конструкций при ограниченной информации об их надежности.
Обзор работ по определению надежности металлических конструкций на основе теории вероятностей и математической статистики
Обеспечение надежности - одна из основных задач при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, в частности, и из металлических конструкций. Согласно ГОСТ 27751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету» основным свойством, определяющим надежность строительных конструкций, зданий и сооружений в целом является безотказность их работы - способность сохранять заданные эксплуатационные свойства в течение определенного срока службы.
Проектирование металлических конструкций представляет собой многоэтапный процесс, включающий в себя выбор конструктивной формы, видов металла, способов соединения элементов, расчет элементов металлических конструкций, разработку чертежей для изготовления и монтажа конструкций, разработку технических требований к эксплуатации. Целью расчетов несущих элементов металлических конструкций и конструкции в целом является обеспечение безопасности их эксплуатации. В соответствии с законом Российской Федерации от 18.12.2002 «О техническом регулировании» мерой безопасности служит уровень надежности или уровень «отсутствия недопустимого риска». Проблема обеспечения безопасности строительных конструкций на стадиях проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации зданий и сооружений, в последнее время становится одной из важнейших проблем в Российской Федерации и в других странах мира. В России она входит в число критических технологий федерального уровня и приоритетных направлений научных исследований Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) [67]. В результате проектирования, изготовления и возведения формируется уровень надежности конструкции или объекта в целом, во время эксплуатации этот уровень реализуется, т. е. проявляется способность объекта выполнять свои функции в течение установленного срока службы, которую, и принято называть «надежностью». Если сооружение или отдельная конструкция оказываются в таком состоянии, при котором нарушается нормальное протекание технологического процесса пли происходит полная его остановка, то говорят,- что произошел «отказ сооружения», «отказ конструкции».
В действующих нормах основное расчетное требование для строительных конструкций формулируется в виде детерминистического неравенства ; N = уиЕ F п.уf\y,сс., здесь уп — коэффициент надежности по ответственности здания или сооружения, уs - коэффициент надежности по нагрузке, у/. - коэффициент сочетаний, at — число влияния, т.е. усилие в конструктивном элементе от единичной внешней нагрузки; т — число нагрузок, одновременно учитываемых в расчете конструкции. S - предельная наименьшая несущая способность конструкции; S = ARnyc I ут, здесь ус - коэффициент условий работы конструкции, ут — коэффициент надежности по материалу, Rn — нормативное сопротивление материала, А — геометрическая характеристика поперечного сечения элемента (площадь, момент сопротивления и т.д.). Выполнение этого условия считается достаточным для утверждения, что «прочность обеспечена», хотя оно не дает возможность получить численную меру надежности, и ее уровень остается неизвестным и оказывается разным для раз 16 личных конструкций под различными нагрузками. Неравенство (1.1) не отражает потребительских требований к конструкции, в нормировании которых возникает острая необходимость в условиях рыночной экономики. Нормирование требований к конечному результату строительного производства помогает государству защищать потребителя от произвола производителя. Сооружение в целом, отдельные конструкции, строительные изделия должны обладать комплексом совершенно определенных потребительских качеств.
Основное расчетное требование для строительных конструкций и всего сооружения в целом следовало бы сформулировать, исходя из потребительского требования, в виде: - нормативное или, если его нет, целесообразное значение этой вероятности (возможности). Определенный уровень надежности конструкций достигается за счет целого ряда мероприятий, в том числе, соответствующего уровня затрат на создание конструкции, что приводит к неодинаковому числу отказов в процессе эксплуатации и, соответственно, к различным уровням ущерба. Было бы неправильно устанавливать некоторый предельный уровень надежности элементов и всего сооружения в целом и требовать, чтобы во всех случаях надежность была бы выше этого уровня.
Повышение уровня надежности сооружения требует увеличения затрат на его возведение, с другой стороны, повышение надежности означает уменьшение вероятности отказа, а, следовательно, и частот их появления, и ведет к снижению затрат на ремонтно-восстановительные работы в процессе эксплуатации. Разумным удовлетворением этих противоречивых требований является «оптимальный» (см. рис. 1.1), уровень надежности, т.е. целью проектирования является создание металлических конструкций с необходимым целесообразным уровнем надежности (с определенным заданным риском отказа).
Расчет надежности внецентренно-сжатых стержней индивидуальной фермы с эксцентриситетами в условиях упругого деформирования при ограниченной статистической информации
Значение пригрузочной (разгрузочной) силы Fn при испытаниях должно быть постоянным, строго фиксированным и определяется индивидуально для каждого конкретного элемента стержневой конструкции в зависимости от линии влияния как показано на рис. 2.7. Из этих выражений с некоторым приближением можно найти значения Е. В этом случае Е следует рассматривать как нечеткую переменную.
Определение значения, места приложения и направления пригрузочной (разгрузочной) испытательной силы Fucn, вызывающей усилие в стержне фермы Nn = Fn, рассмотрим на примере элемента 3-7 фермы, представленной на рис. 2.8. Под действием эксплуатационной нагрузки стержень 3-7 может работать на сжатие (см. л.в. JV3_7), следовательно, при испытаниях его на сжатие груз должен быть подвешен в узле 6 (см. рис. 2.8 а- 1-ый вариант пригрузки), и значение усилия будет равно:Nn = Fn = Fucn у6. Если при испытаниях удобнее устанавливать груз в узле 3, то используем линию влияния, представленную на рис. 2.8 б (2-ой вариант пригрузки) и ее значение равно: Fn = Fucn уъ. Груз Fucn не должен вызвать напряжения (с учетом усилий от других грузов и собственного веса) больше предела упругости, поэтому при необходимости нужно убрать другие грузы либо осуществлять разгрузку фермы.
Вместо пригрузки можно делать разгрузку, например, стойкой с домкратом, если имеется опасность от дополнительного сжимающего усилия. В этом случае по линии влияния (рис. 2.8 а — 3-ий вариант) домкрат ставят под узлом 6. Для других элементов фермы задача определения значения, места приложения и направления пригрузочной (разгрузочной) силы решается аналогично. Следует отметить, что испытывать нужно не все стержни фермы, а лишь те, в которых выявлены либо наибольшие напряжения, либо наибольшие повреждения и дефекты. Значение Fucn не должно приводить к появлению а = ат в других стержнях, что устанавливается анализом значений сг, (/ = 1,2, ,п) в п — стерж нях фермы с учетом их линий влияния усилий и размеров поперечных сеченийОпределение места, значения и направления силы Fucn
Важной проблемой при оценке надежности является определение фактических механических характеристик металла (предела прочности ав или предела текучести аТ). Значение ов можно найти по результатам испытаний металла стержня на твердость, например по эмпирической формуле [129] ав =0,32НК -160, в МПа, где Нк — твердость, определенная при вдавливании конуса с утлом при вершине 90 . Нами для стали, предлагается определять JB по эмпирической формуле ств =0,26 ,-71, вМПа, где Н — твердость при царапании (более подробную информацию об этом см. гл. 6). Значение предела текучести вычисляется по формуле: JT -kj ств, где kT - коэффициент, зависящий от вида стали. Так для проката для стали С235 при толщине (4 -20) мм кт = 0,65, для С345 кт = 0,63 [23].
Выявление статистики эксплуатационной нагрузки требует проведения мониторинга в течение продолжительного времени. В настоящее время такая работа проводится крайне редко, например, для конструкций мостов [14], крановых конструкций. Для большинства строительных конструкций мониторинг не проводится, и в связи с этим статистической информации о ней крайне мало. Поэтому, предлагается находить максимальную нагрузку на фермы в условиях эксплуатации, исходя из расчета по предельному состоянию по формуле F = AR(р, где А — площадь поперечного сечения стержня, R — расчетное значение сопротивления стали при растяжении и сжатии, определяемое по нормативным документам, по испытаниям образцов из металла конструкции или по испытаниям методом царапания, ср— коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии. В первом случае R принимается детерминированной величиной, в других случаях R рассматривается как случайная или как нечеткая переменная.
При испытаниях образцов по [8] нормативное сопротивление стали при числе образцов я = 5н-8 определяется как часть предела текучести, т.е. Ryn=aT/k, где crT= jT-(Sa n_l)a/4n); о = у ; S — среднеквадратическое отклонение стт, tn_l а -коэффициент Стьюдента при степени свободы п -1 и уровне значимости « = 0.05, А: — 1,1. Значение расчетного сопротивления также устанавливают по нормам RV=R /ytn, при этом коэффициент надежности по материалу ут принимается в зависимости от полученного значения Ryn и от года изготовления конструкции. Для конструкций изготовленных до 1932 г. с установленным испы 70 таниями значением Ryn 215 МП а принимается ут=\,2\ для конструкций, изго товленных с 1932 по 1982г. для сталей с i? „ 380 МПа ш=1,15; для конструк ций, изготовленных после 1982г. ут принимается по действующим нормам [11]. Возвращаясь к задаче оценки надежности стержня по модели (2.10) с уче том (2.12), будем иметь:
Возможностный метод определения надежности металлической балки по условию прочности по модели предельного равновесия
Более 85% соединений элементов в металлических конструкциях - это сварные соединения - различных видов. Исследования показали, что наиболее часто разрушение элементов металлических конструкций начинаются из-за разрушения сварных швов. Причиной являются возникающие после сварки концентрации напряжений или дефекты самого сварного шва [54]. В связи с этим оценка надежности сварных соединений имеет большое практическое значение.
Любую конструкцию, в том числе и сварную, при оценке ее надежности нужно рассматривать как систему, состоящую из отдельных элементов. В сварных конструкциях одним из ее элементов является сварной шов. В некоторых случаях и сварной шов рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов в виде сварных швов длиной А/. От надежности сварных швов существенно зависит надежность металлической конструкции, и для определения надежности всей конструкции необходима информация о значениях вероятностей отказов и нормального функционирования по каждому элементу этой конструкции.
В данном разделе рассматриваются методы определения надежности сварных соединений стальных конструкций, находящихся в эксплуатации при сложившихся на данное время состояниях статической нагрузки.и свойств материала, поэтому фактор времени не учитывается. Отличительной особенностью рассматриваемого вопроса является оценка надежности индивидуального объекта (сварного соединения) в условиях ограниченной статистической информации, когда применение вероятностных методов для анализа неопределенностей становится некорректным.
Фланговые швы в сварных соединениях можно рассматривать как системы с последовательным соединением элементов, в понятии теории надежности, в которых отказ одного элемента приводит к отказу всей системы, т.е. всего соединения. В существующих в настоящее время расчетных моделях фланговых швов по условию прочности принято допущение, заключающееся в том, что напряжения вдоль швов распределены равномерно. Известно [43], что распрег деление напряжений по длине сварного шва неравномерное и характеризуется формулой:
Наибольшая вероятность разрушения, как показала практика, имеется в начале и конце сварных швов на участках 1,2,3,4, где наибольшие касательные напряжения (см. рис. 4.1). Последовательную систему элементов, состоящую из сварных швов длиной Ах упростим, и будем считать её состоящей из четырёх последовательно соединенных элементов 1,2,3,4 (начала и конца сварных швов), так как надежность системы в контексте теории возможностей в последовательных системах определяется Rmin и Отах, т.е. «слабым» элементом.
Для определения надёжности в элементах 1,2,3,4 сварных швов необходима статистическая информация о значениях усилий в этих элементах, а также о значении прочности сварных швов и основного металла в опасных местах. Надёжность соединения по условию прочности рассматривается как возможность события (прочность больше нагрузки). Выше было отмечено, что усилия от действия сил F на участках 1,2,3,4 различны. Для выявления значений F i = 1,2,3,4) производят измерения деформаций в свариваемых листах вблизи от сварных швов, например по результатам измерения деформаций при частичном разгружении и последующем нагружении соединения (пробной нагрузкой). Распределение деформаций вблизи участков 1,2,3,4 сложное и неопределенное, поэтому измерение деформаций рекомендуется произвести для статистики несколько раз. Так как результаты измерений деформаций є вдоль силового поля неточные и закон их распределения, как случайных величин, выявить не удается, то для анализа результатов измерения є используем методику тео 124 рий возможностей. Для этого деформацию є как нечеткую переменную будем по [104] характеризовать типовой функцией распределения возможностей (ФРВоз) вида:
Прочность основного металла и металла сварных швов в элементах системы 1,2,3,4 сварного соединения можно определить из существующей зависимости между твёрдостью стали Н ц , определяемой методом царапания, и прочностью (пределом прочности) ав по эмпирической формуле ав=0,32Нц-160, в МПа, где Н ц= 4F/b2 — твердость металла [129]; здесь F— сила давления ин дентора, b - ширина царапины. Нами предлагается для стали определять ств по эмпирической формуле ав =0,26НЦ -71, вМПа, где Нц— твердость при царапании (подробнее см. гл. 6)1 Значение предела текучести определяется по формуле: сгт = к-ав, где к— коэффициент, зависящий от вида стали [23].
В результате будем иметь значения прочности основного металла и металла сварного шва на участках 1,2,3,4 соединения, определенные по малому числу измерений ширины царапины «Ь» из-за малости площадок вблизи точек 1,2,3,4. Рассматривая их как нечеткие переменные, будем прочность aBi характеризовать ФРВоз вида (2.3), т.е.
Для предельных значений касательных напряжений тіпр используем существующую зависимость тіпр = 0,5сгв с ФРВоз лт вида (2.3). Для дальнейших расчетов используем значения crBi, полученные из результатов испытаний основного металла и металла шва. Расчет на надежность будем проводить с учетом рассеяния и ограниченной статистической информации о пределе прочности металла шва, металла границы сплавления и о воздействиях, т. е. будем считать, что ft и aBi или тпр — нечеткие переменные.
Надежность сварного шва будем рассматривать как степень непревышения напряжениями т( предельного значения напряжений т. = 0,5ав по металлу шва и основному металлу околошовной зоны. С учетом принятого допущения об определении надежности в участках 1,2,3,4 будем иметь характеристики надежности элементов в виде интервалов [i iV,-] на каждом участке. Для последовательной системы при невзаимодействующих элементах в теории возможностей надежность системы характеризуется интервалом [RC,NC]= ктіпЛтіп] = U3,4, min=l-Qraax- Более подробно методика определения Rf и Qi для одного из участков (1,2,3,4) сварного соединения, представленного на рис. 4.1 и численные примеры приведены в работе автора [118].
Определение надежности нахлесточных сварных соединений с фланговыми швами при статическом нагружении
Устройство работает следующим образом. Прибор, содержащий два жестких рычага I, соединенных упругим элементом 3, устанавливается и удерживается на плоской части конструкции 8 опорным столиком 7 и инден-тором 2. С помощью винта 10 нагружающего устройства усилие передается на опорный столик 7 и от него на материал объекта 8. Через упорный столик 9 перемещение, соответствующее принятому значению усилия, передается на индикатор часового типа 4. Устройство перемещается вдоль элемента конструкции с помощью роликов 6, закрепленных на фиксаторах 5 на длине до 10 мм вручную, на длине более 10 мм с помощью тягового устройства в виде гибких тросиков и электродвигателя РД-09, закрепленного с помощью струбцины на конструкции. Затем прибор снимается с элемента конструкции; для большей точности определения твердости металла испытание повторяется несколько (3-4) раз. Ширина царапины Ъ измеряется автономным прибором — микроскопом МПБ. Относительная погрешность измерений не более 1%
В работах [131] рекомендуется применять нагрузку на острие (50-120) Н.. Для определения оптимальной силы прижатия было выполнено следующее исследование: на одном образце из стали класса С245 были нанесены царапины при силе прижатия 20 Н, 40 Н, 60 Н, 80 Н и 100 Н и сделано 5 измерений ширины царапин при каждой силе прижатия.
Ширина доверительного интервала находилась как множество значений нечеткого множества с функцией принадлежности jLi(x) = Qxp\ [(x-a)/b]2j, где a = 0.5(Xmax+Xmin), Ь = 0.5(ХтйК -Xm]n)/J-\na ; а є[0,1] и зависит от числа измерений. При п = 5 а = 0,1; JLI(X) = (0,9 - 0,95).
Результаты измерений и расчетов сведены в табл.5.1. График Зависимости ширины царапины Ъ от силы прижатия F представлен на рис. 6.4. Из графика видно, что наименьшая погрешность при измерении ширины царапины Ъ наблюдается при силе прижатия F=(75—S0)H.
Перед началом испытаний устройством для нанесения царапин на одной стороне каждого образца (всего было испытано 50 образцов) наносились 4 поперечные и 3 продольные царапины на малых скоростях движения алмазной пирамиды (до \м/мин) и при отсутствии смазки. При этом по чистоте поверхности образцы были не ниже класса V9. Нагрузка на острие - 80 Н, обеспечивала получение царапин шириной в несколько десятых долей миллиметра, с тем, чтобы, оценивать сопротивление царапанию не поверхностного слоя, а металла в большем объеме. В работах [10,62] рекомендуется применять нагрузку на острие (50-120) Н. Ширину царапин Ъ измеряли с помощью микроскопа марки МПБ-3 и других модификаций.
Экспериментальные исследования проводились на разрывной машине Р-5 по ГОСТ 7855-84, предназначенной для испытаний образцов из металлов на растяжение с максимальным усилием 50 кН (заводской номер №45). Конструкция машины (см , рис. 6.5) выполнена по принципу разрывных машин с электромеханическим приводом активного захвата и рычажно-маятниковым силоизмерителем.
Схема испытательной установки Основание машины представляет собой сварную конструкцию. Внутри основания размещены электродвигатель и червячный редуктор привода актив 184 ного захвата. На основании машины установлены шкаф и механизм силовозбуж-дения. На лицевой панели шкафа имеется отсчетное устройство силоизмерителя. На циферблате отсчетногоустройства имеется три шкалы с оцифровкой (I- диапазон от 2 до 10 кН, цена деления 0,02 кН; II - диапазон от 5 до 25 кН, цена деления 0,05кН; III - диапазон от 10 до 50 кН, цена деления 0,1 кН.
Образцы закрепляли в захватах пресса (см. рис. 6.6) и плавно со скоростью \0мм/мин прикладывали растягивающее усилие ступенями в 10 кН до Вид экспериментальной установки. разрушения образца (вид образца после разрушения представлен на рис. 6.7); при этом фиксировалось удлинение образца, измерялась ширина царапин на одной стороне образца, а на другой стороне наносилась при каждой ступени нагружения новая царапина, ширина которой также измерялась, затем следовала разгрузка на 10 кН, и все измерения повторялись.
Для каждого образца результаты испытаний и измерений заносились в таблицы, формы которых представлены в приложении (табл.1, табл.2).; по ре t зультатам измерений строились графики зависимости ширины царапины b от временного сопротивления разрыву сгв (см. табл.4 и рис.1 прил.).
Во время испытаний было установлено что при напряжениях в элементах конструкций менее предела упругости ширина царапины «Ь» при заданной нагрузке F не зависит от уровня и направления напряжений, т.е. она остается постоянной независимо от того, когда она нанесена: до испытаний, во время нагружения, после разгружения (таким образом было испытано. 15 образцов). На остальных 35 образцах царапины наносились до испытаний, и результаты испытаний заносились в таблицу, пример формы, которой приведен в приложении (табл.З). По результатам исследований строился график зависимости ширины царапины «6» от нагрузки. При напряжениях более предела упругости ширина поперечных царапин резко возрастает, а продольных убывает (см. рис. 6.8, табл.4 и рис. І.прил.). Вид диаграммы а-є для образцов приведен на рис. 2 приложения.
Это свойство поведения ширины «Ь» дает возможность выявить места элемента конструкции, в которых напряжения достигли опасного уровня, т.е. выше предела текучести (физического или условного). Для этого наносится царапина на участке с заведомо малыми или нулевыми напряжениями, а затем в напряженных участках и сравнением ее ширины выявляется возможное пе-регруженное место элемента или элемента в целом той или иной конструк 186 ции. На рис. 6.8 показано поведение ширины царапины наносимой вдоль и поперек растягивающего напряжения на образце.
Царапины наносились устройством, в котором в качестве индентора были использованы: четырехгранная пирамиды с углом 136 и конус с углом 90. При царапании конусом по краям царапины получаются значительные навалы, по размерам сопоставимые с шириной царапины и затрудняющие ее точное измерение, при царапании пирамидой навалы практически отсутствуют. Ширина царапины при царапании конусом при давлении на индентор 80 Н для сталей различной прочности (наиболее часто применяемых для изготовления строительных МК) имеет величину порядка 0,29-0,30мм (см. табл.). Ширина царапины при царапании пирамидой при давлении на индентор 80 Н для сталей различной прочности имеет величину порядка 0,30-0,46 мм.
