Залишкові напруги – це внутрішні, -самоврівноважувані напруги, які існують у матеріалі навіть за відсутності зовнішніх навантажень. У гарячекатаних -балках A572 H- ці напруги виникають через не-рівномірне охолодження та фазові перетворення під час виробничого процесу. Їхній розподіл і величина мають не-незначний вплив на стабільність елемента та довговічність у втомі, що необхідно враховувати при вдосконаленому проектуванні.
1. Походження та типова картина залишкових напружень:
Коли гаряча двотаврова балка виходить із фінішного стану й охолоджується на вихідній станині, наконечники фланців і центр перетинки спочатку охолоджуються й твердіють. Ці більш прохолодні області стискаються, але їх стримує все ще-гарячий пластиковий матеріал на фланцях-перетинів.
Це диференціальне скорочення фіксується за характерною схемою:
Залишкова напруга стиску на кінцях фланців і середній-перетинці.
Залишкова напруга розтягу в -з’єднаннях перетинки («k-область»).
Типові величини можуть досягати 10-30% межі текучості матеріалу (Fy). Для A572 Gr.50 це дорівнює приблизно 5-15 ksi (35-100 МПа).
2. Вплив на стійкість до вигину (колони та балки):
Прогинання колони: наявність залишкової напруги стиснення на кінцях фланців ефективно зменшує діапазон пружності елемента. Коли застосовується осьове навантаження, ці області мають нижчу текучістьзастосовуєтьсястрес, оскільки вони вже попередньо-стиснуті. Це зменшує ефективний модуль і може знизити критичне навантаження на прогин, особливо для елементів із проміжним діапазоном пружності (де керує непружне прогинання). Сучасні розрахункові криві колони (наприклад, крива колони AISC) емпірично враховують середній ефект цих залишкових напруг разом із початковими геометричними недоліками. Схема та величина залишкової напруги є однією з причин, чому існують різні криві колони для різних типів поперечних-перерізів (наприклад, W-форми проти порожнистих структурних секцій).
Бічне-подолання кручення (LTB) балок: залишкові напруги взаємодіють із прикладеними напругами згину. У балці, яка піддається згину по великій-осі, залишкова напруга стиску на кінці фланця додається до прикладеної напруги стиску від згинання. Це може спричинити більш ранню локальну текучість на кінчиках фланців, зменшуючи здатність балки досягати свого повного пластичного моменту (Mp) і потенційно впливаючи на її непружну міцність LTB. Рівняння конструкції балки специфікації AISC включають цей ефект через граничні параметри стрункості (λp, λr) і коефіцієнт градієнта моменту (Cb).
3. Вплив на втомлювану поведінку:
Втома - це прогресуюче та локалізоване пошкодження конструкції, яке виникає, коли матеріал піддається циклічному навантаженню. Критичним фактором є залишкові напруги.
Позитивний ефект: Залишкові напруги стиску в потенційних місцях виникнення тріщин (наприклад, на поверхнях фланців) є дуже корисними. Вони ефективно підвищують середнє напруження циклу втоми до стиснення, ускладнюючи відкриття та поширення мікро-тріщини. Це може значно збільшити втомний ресурс.
Шкідливий ефект: і навпаки, залишкові напруги розтягування в -з’єднанні перетинки (область високого-напруження) знижують міцність на втому. Вони додають прикладені напруги розтягування, сприяючи появі тріщин. Це особливо важливо для деталей, класифікованих згідно з Додатком 3 AISC 360 або специфікаціями проектування мосту AASHTO, де з’єднання фланців-перетинів часто є деталями категорії B або C.
Пом’якшення: для конструкцій, що піддаються тривалій -циклічній втомі (наприклад, балки підкранової доріжки, елементи мосту), можна використовувати -обробку після виготовлення, як-от дробеструйне ущільнення, щоб створити поверхневий шар залишкової напруги при стиску, що перекриває напруги розтягу-під час прокату та покращує характеристики втоми.
4. Наслідки для виготовлення та дизайну:
Різання та зварювання. Термічне різання (полум’я чи плазма) і зварювання створюють нові, часто серйозні локалізовані поля залишкових напруг, які можуть бути на порядок більші, ніж напруги під час прокату. Це необхідно враховувати при проектуванні деталей з’єднання, особливо для членів,-схильних до втоми.
Філософія проектування: для загального проектування будівель за статичних навантажень вплив-залишкових напруг під час прокату неявно охоплюється емпірично отриманими формулами в специфікації AISC. Дизайнер не розраховує їх безпосередньо.
Розширений аналіз: для спеціалізованих застосувань (наприклад, оцінка сейсмічних характеристик із використанням розширеного аналізу кінцевих елементів або проектування надзвичайно струнких аерокосмічних конструкцій) може знадобитися явне моделювання картини залишкових напруг для точного прогнозування непружного прогину та гістерезису.
Таблиця: Вплив та управління залишковими напругами в балках H-A572
| Аспект | Вплив залишкових напруг-прокату | Розгляд дизайну/виробництва |
|---|---|---|
| Міцність колони | Зменшує критичне навантаження на вигин для середньої стрункості. | Враховано в кривих стовпців AISC (наприклад, крива для W-форм). |
| Бічне викривлення балки | Сприяє більш ранній податливості на кінцях фланців, що впливає на міцність LTB. | Включено в рівняння LTB AISC (розрахунок Fcr). |
| Втома життя | Розтягуючі напруги в -фланцевому з’єднанні є шкідливими. Стискні напруги на поверхнях є корисними. | Вирішальний для проектування на втому відповідно до Додатку 3 AISC або AASHTO. Може використовуватися до-обробка (пінінг). |
| Виготовлення (зварювання) | Домінують нові зварювальні напруги; може спричинити спотворення. | Використовуйте послідовність зварювання, щоб мінімізувати викривлення; для товстих секцій можна вказати зняття напруги. |
Таким чином, схема залишкового напруження в гарячекатаних -балках A572 H- є невід’ємним побічним продуктом виробничого процесу. Незважаючи на те, що вони не є основною проблемою для більшості статичних конструкцій будівель (оскільки норми враховують їхні наслідки), вони стають критично важливим питанням щодо стабільності струнких елементів, пластичної поведінки під сейсмічними навантаженнями та довговічності конструкцій, що піддаються циклічним навантаженням. Розуміння їх існування дозволяє інженерам приймати обґрунтовані рішення щодо вибору елементів, деталей з’єднання та потенційних обробок після-виробництва.