Механические характеристики зон упрочнения сигма-профиля

В современном стальном строительстве все большую доля рынка отходит легким стальным конструкциям (ЛСТК). Данная тенденция связана с их большой эффективность как с точки зрения несущей способности, так и с точки зрения производственного процесса. Общий обзор на технологию изготовления и область применения ЛСТК приведен в работах [1]–[3].

Все большее внимание уделяется экологичности строительства. В исследовании [4] показано значительное превосходство технологии ЛСТК над железобетонным строительством с точки зрения экологичности. А в работе [5] представлен анализ возможных путей повышения экологичности строительства по данной технологии.

Применение холодногнутых тонкостенных профилей при строительстве складских помещений, зданий ангаров и других подобных конструкций общеизвестны достаточно давно. На данный момент есть тенденция расширение области применения ЛСТК. Например, возможности применения тонкостенных профилей в башенных конструкциях описаны в работе [6]. Особенности расчета и работы каркасно-обшивных систем представлены в [7]. ЛСТК находят широкое применение и в модульном строительстве [8]. Ряд работ коллег из Китая направлен на исследование возможностей сборно-разборных тонкостенных панелей [9].

Толчок для внедрения ЛСТК в инженерную практику сыграло развитие BIM (Building Information Modeling) технологий. Большое количество возможных форм профилей стало возможным вписывать в конкретную архитектуру. Применение BIM технологий для проектирования объектов из холодногнутых профилей рассмотрены в работах [10]–[12].

Появляется все больше исследований направленных на оптимизацию как сечений элементов, так и конструктивных решений зданий в целом.

Популярным решением для повышения эффективности тонкостенного профиля является оптимизация его геометрии. Так в работе [13] показана методика, позволяющая подобрать оптимальную величину крайнего отгиба С-образного профиля. Более полно процесс оптимизации сечений изгибаемых элементов показан в статье [14], где производится оптимизация различных типов сечений, соответствующих требованиям Eurocode 3.

Помимо стандартных – инженерных – методов подбора оптимальных сечений применяется и машинный (с использованием искусственного интеллекта). Подобная методика применительно к изгибаемым элементам рассмотрена в [15].

Одним из вариантов усиления ЛСТК является заполнение трубчатых и гнуто-замкнутых профилей бетоном для повышения жесткости каркаса. В частности, это находит широкое применение в сейсмостойком строительстве [16]. Однако применения ЛСТК в сейсмически-опасных районах возможно и без применения композитных решений [17].

В целом в качестве заполнителя может быть применен и полипропилен [18], что повышает не только несущую способность элемента каркаса, но и обеспечивает дополнительные возможности повторного использования пластика. Рассматриваются варианты усиления конструкций из тонкостенных элементов, например, с помощью перемычек в составном профиле [19], [20] или же местным усилением опасных зон сечения стеклопластиковыми пластинами [21].

Все вышеописанные исследования направлены на повышения эффективности и общей несущей способности элементов путем манипуляций с конструктивными решениями. Однако данный способ достаточно сложен с точки зрения массового внедрения в инженерную практику. Также камнем преткновения могут выступать производственные возможности заводов, отсутствие необходимого оборудования и навыков работников.

С этой точки зрения рациональным видится уделить большее внимание другому способу повышения расчетной несущей способности холодногнутых элементов – учету зон упрочнения. Данный эффект наблюдается в профилях практически всех форм и допускается к учету и нормами Eurocode 3, AISI и Сводом правил Российской федерации СП 260.1325800.2016 [22]. Учет этой особенности позволяет напрямую повысить расчетную несущую способность профиля.

Большая работа в плане построения модели материала для тонкостенных холодногнутых элементов была проделана в [23]. В ней описана возможность применения модели Рамберга-Осгуда с рядом поправок в коэффициентах для описания графика напряжения-деформации материала.

В работе [24] описан процесс построение трехлинейной диаграммы поведения стали для холодногнутого профиля. Рассмотрены рядовая зона и зона гиба под углом 90 ° . В продолжение данной работы была издана [25], в которой описана и верифицирована аналитическая модель для расчета швеллерной балки.

Оценка микроструктуры, механических и физических характеристик холодногнутого профиля, а также выведение формул для определения механических характеристик через твердость материала приведены в статье [26].

Особенности холодной формовки приведены в [27], где воспроизведен процесс гиба в программном комплексе методом конечных элементов (МКЭ).

Эффект упрочнения характерен также и для толстостенных элементов. Сравнительный анализ двух вариантов изготовления восьмиугольного замкнутого профиля с точки зрения остаточных напряжений приведен в работе [28].

Описанные выше исследования базируются на схожих по геометрии профилях С-образного сечения. Однако несмотря на популярность данного профиля оно эффективно только в случаях чистого изгиба или же нагружениях близких к нему. Достаточно протяженная стенка профиля при осевой нагрузке подвергается местной потере устойчивости и выключается из работы. Более оптимальным вариантом для применения в сжатых и сжато-изогнутых элементах являются сигма-профили, ввиду наличия в стенке ребра жесткости.

Эффективность сигма-профилей в сравнении с С-образными показана, например, в работе [29].

Ряд исследований зон упрочнения сигма-профиля проводились в Тюменском индустриальном университете Корсун Н.Д. и Простакишиной Д.А. В частности, ими были определены характеристики зон упрочнения для сигма-профиля [30]. А также проведено моделирование с применением МКЭ и описан эффект от учета зон упрочнения с точки зрения прочности и жесткости [31], [32].

Существующие исследования показывают, что расчет холодногнутых профилей без учета зон упрочнения может приводить к занижению их фактической несущей способности. Это в свою очередь на прямую влияет на эффективность использования материала, экономичность и экологичность строительства. Для реализации проектирования с учетом зон упрочнения необходима актуальная информация о фактических прочностных и деформационных характеристиках этих зон, а также инженерная методика для их внедрения в процесс проектирования.

В Российской Федерации есть ряд крупных производителей ЛСТК. Один из них – ООО «ИНСИ Стальные конструкции» (г. Челябинск, Россия). Сигма-профили, изготавливаемые по техническим условиям (ТУ) данной организации, отличаются по геометрии от рассмотренных в вышеописанных работах. Учитывая различия в коэффициентах упрочнения зон гиба в работах разных авторов, а также особенности геометрии сечения (Рисунок 1), имеет смысл, для целей оптимизации проектных решений, уточнение характеристик зон гибов для профиля по данному ТУ.

Кроме этого, в массовой практике, характеристики зон упрочнения имеют смысл только при наличии инженерной методики, позволяющей использовать данные исследований в процессе проектирования. На данный момент нормы РФ разрешают учитывать эффект наклепа в угловых зонах, но не дают пояснений о том, как это учитывать в расчетах.

Исходя из вышеописанных проблем были поставлены следующие цели: определить характеристики зон упрочнения для профиля Профиль гнутый стальной (ПГС) Сигма 300х80х3 по Техническому условию (ТУ) 5285-004-42481025-04 [33] (Рисунок 1 справа); адаптировать существующую нормативную методику для учета повышенных значений предела текучести угловых зон профиля.

Рис. 1 - Сигма-профиль (слева - из работы Корсун Н.Д. и Простакишиной Д.А, справа - по ТУ 5285-004-42481025-04)

Fig. 1 – Sigma profile (on the left - from the work of Korsun N.D. and Prostushkina D.A., on the right - according to TС 5285-004-42481025-04)

Объект исследования – пластинки, вырезанные из разных зон сигма-профиля вдоль элемента.

Предмет исследования – предел текучести и временное сопротивление стали в различных зонах профиля.

Основные задачи исследования:

• -    изготовление образцов-пластинок из профиля;

• -    испытание образцов-пластинок на растяжение разрушающим методом;

• -    поиск способа учета различных значений предела текучести по зонам профиля элемента (в рамках нормативной методики расчета).

• 2    Materials and Methods

  2.1    Investigation of the characteristics of hardening zones

Испытания проводились на базе лаборатории Архитектурно-Строительного института, кафедры «Строительные конструкции и сооружения», Южно-Уральского Государственного Университета (НИУ).

Изготовление исследуемого профиля осуществлялось ООО «ИНСИ Стальные конструкции» г. Челябинск, Россия по ТУ 5285-004-42481025-04. Номенклатура профиля в соответствии с данным документом ПГС Сигма 300х80х3.

Из профиля изготавливались заготовки длиной 20 см (Рисунок 2), которые далее разрезались на полосы в соответствии со схемой на Рисунке 3.

Рис. 2 – Исходный профиль (сверху) и заготовка (снизу)

Fig. 2 – The initial profile (top) and the blank (bottom)

Рис. 3 – Схема нарезки заготовки на продольные полосы

Fig. 3 – The scheme of cutting the workpiece into longitudinal strips

Резка образца осуществлялась угловой шлифовальной машиной Makita GA5090X01 (Китай). Постобработка – выравнивание краев – выполнялась на точильно-шлифовальном станке ЗУБР ЗТШМ-150/686Л (Китай). Готовые к испытаниям образцы показаны на Рисунке 4.

Рис. 4 – Готовые к испытаниям образцы одной из заготовок

Fig. 4 – Ready-to-test samples of one of the blanks

Готовые образцы испытывались на растяжение на разрывной машине Tinius Olsen H100KU (Великобритания) (Рисунок 5).

Рис. 5 – Разрывная машина Tinius Olsen H100KU

Fig. 5 – Tinius Olsen H100KU Bursting Machine

Скорость нагружения образцов устанавливалась в зависимости от действующих в образце напряжений:

• 1.    10 мм/мин до напряжений 100 МПа

• 2.    5 мм/мин до напряжений 330 МПа

• 3.    3 мм/мин до разрушения

Регулировка скорости нагружения, а также вывод результатов в виде графиков напряжения-деформации осуществлялся через программное обеспечение, предоставляемое производителем в комплекте с установкой.

В процессе испытаний ввиду особенности геометрии образцов угловых зон, а также из-за наличия проскальзывания в зажимах на начальных этапах нагружения итоговый график имел ряд несоответствий стандартным диаграммам (Рисунок 6, 7). Однако данные эффекты проявлялись при малых значениях напряжений и не влияли на отслеживаемые характеристики материала. Также, ввиду сложности определения геометрических характеристик зон развития деформаций на полученных образцах, значения относительных деформаций не отслеживались. Значения предела текучести и временного сопротивления определялись, исходя из геометрии полученных графиков.

Рис. 6 – Типовой график напряжения-деформации для образца угловой зоны Fig. 6 – Typical stress-strain graph for an angular zone sample

Рис. 7 – Типовой график напряжения-деформации для образца рядовой зоны

Fig. 7 – Typical stress-strain graph for a sample of an ordinary zone

Обработка результатов испытаний производилась в соответствии с Российским государственным стандартом ГОСТ Р 8.736–2011 [34].

Для определения коэффициентов упрочнения в качестве исходных характеристик принимались значения по предоставленному в комплекте с профилем сертификату (Рисунок 8).

М мд гнилого j>cxw й МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ комбинат            Грузополучатель

СЕРТИФИКАТ КАЧЕСТВА № 121-40454

ЖЖШ^ЖВЖП

Сталь оцинкоозюгая

Наимеиовачие продукция

Упаковка РУЛОНЫ

W да заказа 202641 4663

Цех\стая отгрузки ЛПЦ11 /

Ultimate strength

Yield strength

Вагон № 55358142

Щ^Ж® й ЕеЛ^

455000, г. Магнитогорск, ул. Кирова 93

	Партия	[Ipsxa ЛрМ1		1 tn грел тасОйЗ Кым2 /	к	Среда кыва остер МШ	Лглл	год	Ср- мзСХЯ ■хярЗебр гена
	106149 106150	480 475	375	355	27.0 26.0	20.4 19.8	уд —В—	251.90 289.70	289.00 28200
	106151	475		350	260	19.8	УД	283 20	28200

Рис. 8 – Сертификат на прокат, применяемый при производстве профиля

Fig. 8 – The rental certificate used in the production of the profile

2.2 Adaptation of engineering methodology

В Российской нормативной базе расчет тонкостенных элементов производится в соответствии с методикой Свод правил Российской федерации СП 260.1325800.2016 [22]. Данная методика основана на методе эффективной ширины. В соответствии с нормативной методологией расчет делится на два этапа:

• 1.    расчет геометрических характеристик редуцированного сечения;

• 2.    проверка элемента по группам предельных состояний с применением приведённых характеристик сечения.

Приведенное сечение может быть получено путем исключения из профиля участков или же за счет изменения его толщины в отдельных зонах.

В данной работе, для учета зон упрочнения, предлагается следующий алгоритм:

• 1.    определение приведенного сечения, путем удаления участков пластин;

• 2.    учет краевых отгибов Сигма-профиля путем уменьшения толщины соответствующих участков;

• 3.    увеличение толщины участков, соответствующих зонам упрочнения, пропорционально отношению пределов текучести угловой и рядовой зоны.

При этом принимается ряд допущений:

• •    характеристики приведенного сечения на этапах (1) и (2) вычисляются из предположения, что предел текучести профиля одинаков в каждой точке и равен пределу текучести рядовой зоны;

• •    наращивание толщины профиля в угловых зонах идет «внутрь» профиля;

• •    размер угловых зон принимается по 15 мм в каждую сторону от угла.

Геометрические характеристики профиля вычислялись во встроенном редакторе профилей IDEA StatiCa 21.1 .

• 3 Results and Discussion

3.1    Tensile testing of samples

Обработанные результаты испытаний образцов приведены в Таблице 1. Также показаны коэффициенты упрочнения угловых зон и отношение временного сопротивления к пределу текучести для каждой зоны.

Таблица 1. Механические характеристики зон профиля

Table 1. Mechanical characteristics of the profile zones

Profile zone	Ry, MPa	Ru, MPa	k по Ry	k по Ru	Ru/Ry
90 ° angle	461.3±13.9	487.4±7.1	1.290	1.050	1.06

125 ° angle	444.8±8.1	471.3±5.8	1.244	1.010	1.04
ordinary zone	357.6±2.7	465.5±2.9			1.30

Значение предела текучести по результатам испытаний сходятся с сертификатом на прокат. Меньшее относительно сертификата значение временного сопротивления можно объяснить местными дефектами образцов, образовавшимися в процессе нарезки.

По результатам четко видно повышение предела текучести в зонах гиба ввиду эффекта наклепа и, соответственно, повышение хрупкости материала. Эффект повышения хрупкости угловых зон также можно видеть на разрушенных образцах по остаточным деформациям (Рисунок 9).

Рис. 9 - Разрушенные образцы (рядовой зоны - сверху, зона гиба 122 ° - по центру, зона гиба 90 ° - снизу)

Fig. 9 - Destroyed samples (ordinary zones - from above, bending zone 122 ° - in the center, bending zone 90 ° - from below)

Для сравнения полученных результатов была выбрана описанная ранее работа Корсун Н.Д. и Простакишиной Д.А [30] (Таблица 2).

Таблица 1. Коэффициенты упрочнения из работы [30]

Table 1. Hardening coefficients from work [30]

Profile zone	k по Ry	k по Ru
right angle	1.324	1.18
blunt angle	1.272	1.13
ordinary zone	1.06	1.05

Разница в коэффициентах упрочнения может быть следствием различия в радиусах гиба профиля. Также следует отметить, что в работе [30] полученные характеристики материала профиля сравниваются со значениями, указанными в ГОСТ 14918–2020. Однако в данном документе указаны минимальные, а не фактические характеристики проката определенной марки. Это скорее всего и стало причиной наличия упрочнения в рядовой зоне. В таком случае полученные результаты будут иметь минимальное различие с работой Корсун Н.Д. и Простакишиной Д.А.

3.2    Engineering calculation method

По результатам ручных расчетов по нормативной методике было определено, что Сигма-профиль приведенной конфигурации при толщине 3 мм не подвержен редукции, так как приведенная гибкость ниже определенной нормами границы. Приведенное сечение соответствует полному сечению профиля.

Геометрия профиля, полученная после приведения толщин угловых зон показана на Рисунке 10.

Рис. 10 – Приведенное сечение профиля с учетом зон упрочнения

Fig. 10 – The reduced section of the profile, taking into account the hardening zones

Геометрические характеристики приведенного профиля с учетом зон упрочнения и без них, а также их отношения приведены в Таблице 3.

Таблица 3. Геометрические характеристики профиля

Table 3. Geometric characteristics of the profile

Characteristics	Profile type		Comparison
	сommon	with hardening zones
A, mm2	1480.7	1681.2	1.14
Wel y , mm3	120920	139760	1.16
Wel z , mm3	16005	20409	1.28
i y , mm	110.7	112.4	1.02
i z, mm	24.98	26.94	1.08

Анализ полученных результатов дает понимание, что, при прочих равных, учет зон упрочнения для данного профиля, дает прибавку в несущей способности порядка 15%.

4 Conclusions

Основные выводы по работе:

• 1.    Получены новые экспериментальные данные о характеристиках зон упрочнения Сигма-профиля. В зоне гиба профиля, изготовленного из стали МП350 по ГОСТ 14918–2020, толщиной 3 мм при радиусе закругления 5 мм наблюдается повышение предела текучести стали на:

• •    29% при угле загиба 90 °

• •    24.4% при угле загиба 125 °

• 2.    Предложена адаптация нормативной инженерной методики расчета для учета эффекта упрочнения в угловых зонах тонкостенных холодногнутых профилей. Применение данной методики дает возможность повысить несущую способность профиля на 15%.

Полученные характеристики зон упрочнения хорошо соотносятся с более ранними исследованиями. В то же время различия в результатах дают понимание, о влиянии конкретных геометрических характеристик сечения на эффект наклепа в угловых зонах. Различия в коэффициентах упрочнения с более ранними работами (при одинаковых типах профиля) дают возможность сделать предположение о том, что на величину упрочнения влияют:

• •    радиусы загибов профиля

• •    толщина профиля

Выдвинутое предложение, касательно методики расчета тонкостенных холодногнутых профилей, требует дальнейшей проверки экспериментально или же методом конечных элементов на верифицированной модели. Данный способ учета зон упрочнения достаточно прост с точки зрения внедрения в инженерную практику и отлично вписывается в общий подход к расчету методом эффективной ширины.

В целом подобный подход можно применять и в рамках расчета по европейским и американским нормам.

• 5 Conflict of Interests

The authors declare no conflict of interest.