Міцність і деформівність зварної прямокутної ферми при дії силових і температурних впливів

Abstract

Швед Я.Л. «Міцність і деформівність зварної прямокутної ферми при дії силових і температурних впливів». – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 “Механічна інженерія” за спеціальністю 131 “Прикладна механіка”. - Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2024. Дана робота стосується актуальної науково-технічної проблеми визначення допустимих навантажень на зварні прямокутні ферми з врахуванням сумісної дії експлуатаційних температур, як кліматичного, так і технологогічного діапазону. Розв’язання цієї проблеми дасть можливість максимально використати несучу здатність конструкції і не допустити її аварійного руйнування впродовж експлуатації. Зазвичай зварні прямокутні ферми мають прямокутну конфігурацію і в найпростішому випадку їх застосовують при спорудженні виробничих, торгових чи спортивних споруд як проміжні опори для встановлення кроквяних дахових конструкцій в прогонах між несучими колонами. Однак, крім цього, такі ферми можуть тримати і технологічне устаткування (підкранові шляхи та підвісні конвеєри). Довжина ферм зазвичай 12…36 метрів. Навіть за умови впливу лише кліматичних температурних коливань при таких розмірах в елементах конструкції і місцях їх зварних з’єднань формуються внутрішні напруження, які накладаються на напруження від силового впливу і знижують розрахункову тримкість конструкції в цілому. Сучасні інженерні підходи вирішують це питання шляхом введення додаткових коефіцієнтів запасу міцності, які збільшують матеріаломісткість, а отже, і вартість ферми. Проблема сумісного силового і теплового впливу ускладнюється при дії на ферму ще й технологічних температур. В одних випадках це виникає за умов загального впливу температури на всю будівлю (металургійний комбінат, ливарний цех, вальцювальня, ковальський цех). В інших випадках може бути локальний вплив на ферму, коли така конструкція використовується як несуча для підвісних конвеєрів (камера порошкового фарбування металоконструкцій з температурою +200оС чи морозильна камера для швидкозаморожених продуктів з температурою – 36 оС). З огляду на широке застосування зварних прямокутних ферм, їх високу матеріаломісткість та вартість, а також різні умови їх експлуатації, які неможливо комплексно врахувати за допомогою класичних інженерних методів проєктування, розв'язання наукового завдання, яке полягає у виявленні показників міцності й деформівності зварних прямокутних ферм при дії силових і температурних впливів є актуальним на сьогоднішній день. В роботі запропоновано комплексний методичний підхід до дослідження зварних прямокутних ферм, який поєднує натурний, напівнатурний та комп’ютерний моделюючий експерименти і дає можливість верифікувати отримані результати й забезпечити високий ступінь співпадання отриманих показників з фактичними експлуатаційними результатами. При проєктуванні зварної ферми потрібно брати до уваги аргументи, які визначають її тримальну здатність з врахуванням багатопараметричного пошкоджуючого впливу конструктивних, технологічних та експлуатаційних чинників. Важливо виявити місця концентрації напружень в конструкції, оскільки саме там відбуватиметься зародження пошкоджень, які в подальшому зумовлять руйнування конструкції. Метою досліджень є виявлення параметрів деформування і умов руйнування зварних прямокутних ферм при сумісній дії силових і температурних чинників. Для досягнення мети дослідження вибрано конструкцію зварної прямокутної ферми та схему їх навантажування, розроблено методики комплексних експериментальних досліджень ферми, виявлено особливості деформування і руйнування ферми за різних умов, сформульовано рекомендації для визначення міцності зварних прямокутних ферм як на етапі їх проектування, так і впродовж експлуатації. Досліджень виконано для прямокутної зварної ферми з паралельними поясами, яку базують по двої краях знизу і навантажують зосередженою силою в двох точках навпроти вузлів на верхньому поясі. Розглянуто декілька конструктивних виконань такої ферми з різними розмірами і типами вальцьованих профілів, викорстаних для їх виготовлення. Виконано дослідження для повномасштабної ферми та для її фізичної моделі. Дослідження виконано за умов статичних навантажень при врахуванні температурного впливу. Натурний силовий експеримент виконано для маломасштабної ферми 2000х400 мм за прийнятою схемою базування і навантажування статичними зусиллями. Отримано діаграми поздовжньої й поперечної деформації нижнього пояса досліджуваної конструкції в межах пружної дефоормації при температурі 18оС. Для цієї ж ферми виконано натурний тепловий експеримент. Побудовано діаграми поздовжніх деформації верхнього і нижнього поясів і поперечних деформацій поясів навпроти вузлів ферми в температурному діапазоні від 20 до 200 оС без силового впливу. Досліджено фізичну модель 600х120 ферми при дії статичних навантажень на електрогідравлічній випробувальній машині СТМ-100. Діапазон випробувальних навантажень від 0 аж до руйнування конструкції. При цьому виявлено, що пошкодження ферми відбуваються за рахунок втрати стійкості ферми в площині навантажування. Внаслідок такого пластичного деформування конструкція втратила свою тримкість і зруйнувалася. Параметри деформування й руйнування ферми, виявлені при експерименті, зафіксовано й проаналізовано. Комп’ютерний моделюючий експеримент для дослідження ферм виконано з використанням прикладного програмного пакету Ansys, який алгоритмічно базується на скінчено-елементному аналізі. Такий підхід дав можливість оцінити поведінку досліджуваної конструкції при сумісній дії силових і температурних впливів. При розробці комп’ютерної моделі повномасштабної зварної прямокутної ферми враховано типові рекомендації для конструкцій такого типу. Для формування адекватних параметрів скінченно-елементної моделі виконано компютений моделюючий експеримент і визначено відповідні показники деформування і руйнування ферм, раніше отриманих натурним і напівнатурним експериментом. Виконано їх верифікацію. За рахунок коректування параметрів скінченно-елементної моделі отримано співпадання відповідних показників деформування на рівні 3,4%, а руйнування 4,2%. Для формування вхідної інформаційної бази при комп’ютерному моделюванні поведінки повномасштабної ферми виконано натурні дослідження механічних властивостей сталі ВСт3пс в діапазоні температур від 20 до +450оС. Досліджено стандартні зразки з суцільного матеріалу і зварні зразки. Експерименти виконано на метрологічно сертифікованому устаткуванні. За результатами випробувань побудовано серію діаграм розтягу. При виконанні комп’ютерного моделюючого експерименту для виявлення показників деформівності й міцності повномасштабної зварної прямокутної ферми використано отримані на попередньому етапі досліджень параметри скінченно-елементної моделі та діаграми розтягу сталі ВСт3пс, отримані для різних температур. Такий методичний підхід дає можливість виявити показники деформування і руйнування досліджуваної конструкції забезпечує високу вірогідність отриманих результатів моделювання. За результатами досліджень виявлено, що на температурний вплив є вагомим аргументом впливу на поведінку ферми при навантаженні. При дії температури відбувається двофакторний негативний вплив на ферму. Формуються додаткові внутрішніх напруження як в стержневих елементах ферми, так і в місцях їх зварних з’єднань (вузлах) і змінюються механічні властивості самого матеріалу. При незначних температурних градієнтах в 30…40оС (кліматичний діапазон) такий негативний вплив є незначним і, зазвичай, його не враховують при проєктуванні ферм. Однак при вищих температурах, зокрема пожежного діапазону, ферма може втрачати понад половину своєї несучої здатності і з цим треба рахуватися. За результатами досліджень побудовано серію таблиць, графіків, діаграм, які висвітлюють кількісну і якісну картину міцності і деформівності зварної прямокутної ферми при дії силових і температурних впливів. Запропоновано аналітичну залежність для врахування впливу температури на несучу здатність зварної прямокутної ферми. За результатами роботи сформульовано рекомендації до їх практичного застосування при проєктуванні й експлуатації зварних ферм. Зроблено загальні висновки.

Shved Y.L. "Strength and deformability of a rectangular welded truss under force and temperature effects." - Qualifying scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 13 "Mechanical Engineering", specialty 131 "Applied Mechanics". - Ternopil National Technical University named after Ivan Puluj, Ternopil, 2024. This work deals with the actual scientific and technical problem of determining the permissible loads on welded trusses, taking into account the combined effect of operating temperatures, both climatic and technological ranges. The solution to this problem will make it possible to maximize the load-bearing capacity of the structure and prevent its accidental destruction during operation. Typically, welded trusses have a rectangular configuration and, in the simplest case, are used in the construction of industrial, commercial or sports facilities as intermediate supports for the installation of roof trusses in the spans between the load-bearing columns. However, such trusses can also support technological equipment (crane tracks and overhead conveyors). The length of the trusses is usually 12...36 meters. Even when subjected to climatic temperature fluctuations only, such dimensions generate internal stresses in the structural elements and their welded joints, which are superimposed on the stresses from the force impact and reduce the design strength of the structure as a whole. Modern engineering approaches address this issue by introducing additional safety factors that increase the material consumption and, consequently, the cost of the truss. The problem of combined force and thermal effects is complicated when the truss is also exposed to process temperatures. In some cases, this occurs when the temperature affects the entire building (metallurgical plant, foundry, rolling mill, forging shop). In other cases, there may be a local impact on the truss when such a structure is used as a support for overhead conveyors (a powder coating chamber for metal structures with a temperature of +200°C or a freezer for quick-frozen foods with a temperature of -36°C). Due to the widespread use of welded trusses, their high material consumption and cost, and different operating conditions that cannot be comprehensively taken into account by classical engineering design methods, the solution of the scientific problem of determining the strength and deformability of welded trusses under force and temperature effects is relevant today. The paper proposes a comprehensive methodological approach to the study of welded trusses, which combines full-scale, semi-full-scale, and computer modeling experiments and makes it possible to verify the results obtained and ensure a high degree of coincidence between the obtained indicators and the actual operational results. When designing a welded truss, it is necessary to take into account the arguments that determine its load-bearing capacity, taking into account the multi-parameter damaging effects of structural, technological, and operational factors. It is important to identify the places of stress concentration in the structure, since it is there that the damage will occur, which will subsequently lead to the destruction of the structure. The aim of the study is to determine the deformation parameters and fracture conditions of welded trusses under the combined action of force and temperature factors. To achieve the research objective, the design of the welded truss and the scheme of their loading were selected, methods for comprehensive experimental studies of the truss were developed, the peculiarities of deformation and fracture of the truss under different conditions were revealed, and recommendations for determining the strength of welded trusses both at the stage of their design and during operation were formulated. The study was carried out for a rectangular welded truss with parallel belts, which is based on two edges from below and loaded with a concentrated force at two points opposite the nodes on the upper belt. Several structural designs of such a truss with different sizes and types of rolled profiles used for their manufacture are considered. The study was performed for a full-scale truss and its physical model. The study was carried out under static loads with consideration of temperature effects. A full-scale force experiment was performed for a small-scale truss of 2000×400 mm according to the adopted scheme of basing and loading with static forces. The diagrams of longitudinal and transverse deformation of the lower belt of the studied structure within the limits of elastic deformation at a temperature of 18 °C were obtained. A full-scale thermal experiment was performed for the same truss. The diagrams of longitudinal deformations of the upper and lower belts and transverse deformations of the belts opposite the truss nodes in the temperature range from 20 to 200 °C without force were constructed. The physical model of the truss under the action of static loads was studied on the electrohydraulic testing machine STM-100. The range of test loads is from 0 up to the destruction of the structure. It was found that damage to the truss occurs due to the loss of stability of the truss in the loading plane. As a result of this plastic deformation, the structure lost its stability and collapsed. The parameters of deformation and collapse of the truss revealed during the experiment were recorded and analyzed. The computer modeling experiment for the study of trusses was performed using the Ansys software package, which is algorithmically based on finite element analysis. This approach made it possible to evaluate the behavior of the studied structure under the combined action of force and temperature effects. The development of a computer model of a full-scale welded truss was based on typical recommendations for structures of this type. To formulate adequate parameters of the finite element model, a computational modeling experiment was performed and the corresponding indicators of deformation and fracture of trusses previously obtained by full-scale and semi-full-scale experiments were determined. Their verification was performed. By adjusting the parameters of the finite element model, the coincidence of the corresponding deformation indices was obtained at the level of 3.4% and fracture at the level of 4.2%. To form the input information base for computer modeling the behavior of a full-scale truss, full-scale studies of the mechanical properties of VSt3ps steel in the temperature range from 20 to +450 °C were performed. Standard specimens made of solid material and welded specimens were studied. The experiments were performed on metrologically certified equipment. Based on the test results, a series of tensile diagrams were constructed. When performing a computer modeling experiment to determine the deformability and strength of a full-scale welded truss, the parameters of the finite element model and tensile diagrams of VSt3ps steel obtained at the previous stage of research were used for different temperatures. Such a methodological approach makes it possible to identify the indicators of deformation and fracture of the studied structure and ensures high reliability of the modeling results. According to the results of the study, it was found that the temperature effect is a significant factor influencing the behavior of the truss under load. When exposed to temperature, a two-factor negative impact on the truss occurs. Additional internal stresses are formed both in the core elements of the truss and in the places of their welded joints (nodes) and the mechanical properties of the material itself change. At low temperature gradients of 30...40°C (climatic range), this negative impact is insignificant and is usually not taken into account when designing trusses. However, at higher temperatures, in particular in the fire range, the truss can lose more than half of its load-bearing capacity and this must be taken into account. Based on the results of the research, a series of tables, graphs, and diagrams have been constructed that show a quantitative and qualitative picture of the strength and deformability of a welded truss under the influence of force and temperature. An analytical dependence is proposed to take into account the effect of temperature on the bearing capacity of a welded truss. Based on the results of the work, recommendations for their practical application in the design and operation of welded trusses are formulated. General conclusions are drawn