Остаточные напряжения — это напряжения, которые остаются в стальном прокате после механического воздействия и неравномерного нагрева/остывания изделий при производстве.
Остаточные напряжения в горячекатаных профилях: что полезно знать проектировщику?
До введения Изменения 6 расчёт сжатых элементов сплошного сечения выполнялся по п. 7.1.3 (формуле 7). Изменение 6 ввело дополнительную формулу 7а, которая отличается наличием коэффициента учёта распределения остаточных напряжений γ_{res}.
Для вычисления коэффициента предлагаются следующие правила:
Для сталей с R_y = 245 МПа и менее:
Для сталей с R_y = 390 МПа и более:
Для промежуточных значений R_y значение коэффициента определяется с помощью линейной интерполяции.
Как появился этот коэффициент?
Давайте разберемся, что стояло за изменениями и в чём причина появления этого коэффициента.
Данное изменение было внесено по итогам исследований, проводившихся в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко в 2021-2022 годах.
Целью исследования было выяснить, как остаточные напряжения в металле и начальные несовершенства горячекатаных двутавров влияют на их несущую способность при сжатии. Ранее считалось, что остаточные напряжения вносят исключительно негативный вклад в работу конструкций из горячекатанных двутавров, а снижение несущей способности конструкций компенсировалось существующими в нормах коэффициентами запаса.
На первом этапе исследования измерялись остаточные напряжения в горячекатанных двутаврах российского производства. Измерение остаточных напряжений производилось методом секционирования и методом сверления отверстий. Суть обоих методов заключается в измерении напряжений до и после исключения части материала вблизи тензорезисторов.
Тензорезисторы устанавливаются на конструкцию (рис. 1,2) и фиксируются их исходные показания. При вырезании сечений (сверлении отверстия) остаточные напряжения частично релаксируют, и их вычисляют по изменениям показаний датчиков.
Полученные эпюры остаточных напряжений сопоставлялись с накопленными ранее данными отечественных и зарубежных исследований. Явное сходство характера распределения остаточных напряжений по сечению двутавра говорит о достоверности проведенных измерений.
Рисунок 1 — Измерение остаточных напряжений методом секционирования [1]
Рисунок 2 — Измерение остаточных напряжений методом сверления отверстий [1]
Измерения показали, что остаточные напряжения в полке двутавра носят преимущественно положительную величину, а в стенке — отрицательную. Это позволяет условно считать, что в ненагруженном прокатном двутавре полки находятся в растянутом состоянии, а стенки — в сжатом.
Рисунок 3 — Распределение остаточных напряжений по сечению прокатного двутавра [2]
Остаточные напряжения вносились в МКЭ-модели элементов путем ввода температурного поля, вызывающего эквивалентные напряжения в модели.
Рисунок 4 — Потеря устойчивости в конечноэлементной модели [1]
Результаты исследований
По итогам проведенных натурных и численных экспериментов было установлено, что влияние остаточных напряжений на работу двутавра можно выразить через зависимость от условной гибкости элемента.
Рисунок 5 — Влияние остаточных напряжений на несущую способность двутавров [1]
На представленном графике по горизонтальной оси отложена условная гибкость элементов, по вертикальной — отношение фактической критической силы к вычисленной по СП.
Для потери устойчивости в сечении элемента должны быть достигнуты критические сжимающие напряжения. Полки двутавра вносят основной вклад в его несущую способность и находятся в растянутом состоянии в начальный момент времени. Для достижения критических напряжений сжатия внешняя сила должна сначала «преодолеть» остаточные напряжения. При достижении критических напряжений происходит потеря устойчивости полок (рис. 4) и, вместе с ней, потеря общей устойчивости всего элемента.
Результаты исследований показали, что остаточные напряжения в горячекатанном двутавре не оказывают заметного негативного влияния на работу конструкций, более того, при определенных значениях предельной гибкости происходит увеличение расчётной критической силы, которая может быть воспринята элементом конструкции.
Результаты исследований выражены математическими зависимостями коэффициента влияния остаточных напряжений от условных гибкостей элементов. Полученные зависимости решено включить в строительные нормы.
Важно отметить, что при подготовке окончательной редакции Изменения 6 в СП 16.13330.2017 произошла техническая ошибка — пропущен «0» в множителе формулы γ_{res} для сталей С390. Данная опечатка подтверждена письмом ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и в будущем будет исправлена.
Источники:
- Konin, D., Fimkin, A., & Olurombi, A. (2023). Resudial stresses in i-beams and its effect on rods buckling. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 19(2), 172-187.
- Spoorenberg R.C. Experimental investigation on residual stresses in heavy wide flange QST steel sections. Spoorenberg, R.C., Snijder, H.H., L.-G. Cajot, May, M.S. Journal of Constructional Steel Research. 2013. No 89. Pp. 63-74.
