Исследование балок перекрытий реставрируемого комплекса зданий «Средние торговые ряды» на Красной площади г. Москва

ИССЛЕДОВАНИЕ БАЛОК ПЕРЕКРЫТИЙ РЕСТАВРИРУЕМОГО КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ «СРЕДНИЕ ТОРГОВЫЕ РЯДЫ» НА КРАСНОЙ ПЛОЩАДИ Г.МОСКВА

STUDY FLOOR BEAMS WERE RESTORED BY THE COMPLEX BUILDINGS "AVERAGE TRADING SERIES" ON THE RED SQUARE, MOSCOW

B.A. Белов, Ю.И. Густов V.A. Belov, U.I. Gustov

МГСУ

Исследованиями установлено: материалом балок можно считать техническое железо хорошей свариваемости, но с низкими значениями структурно-энергетических показателей.

Research has established: the material of beams can be regarded as technical iron good weldability, but with low values of structural and energetic parameters.

Реставрируемый комплекс зданий построен в 1889году.

Цель работы - оценка технологических и механических свойств материала балок перекрытий, используемых в комплексе реставрируемых зданий «Средние торговые ряды» по адресу: г. Москва, Красная площадь, дом 5.

Предметами исследования являются 8 образцов различных балок. Химический состав образцов определяли по ГОСТ 18895-97; показатели механических свойств при испытаниях на статическое растяжение - по ГОСТ 1497-84.

Задачи исследования - оценка свариваемости исследуемых металлов и структурно-энергетических показателей их надежности.

Свариваемость металлов образцов балок определяли по химическому эквиваленту углерода CE и по размерному эквиваленту углерода CE^. Полный эквивалент углерода CE вычисляли по зависимости [1]

CE = CEx+ CEp

Химический эквивалент углерода определяли по фактическому химическому составу образцов с учетом показателей активности конкретного элемента [2]

CEx= C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + V/14 + Cn/13 + P/2

Размерный эквивалент углерода вычисляли с учетом толщины t свариваемого изделия по формуле

CEp = 0,005t х CEx

За условную величину t принимали наибольшую толщину сортового и фасонного проката 26-40 мм [3]. Расчетные значения полного эквивалента углерода CE сравнивали с нормативными величинами CEH.

Структурно-энергетические (синергетические) критерии исследуемых металлов определяли на основании разработанной методики прочностно-пластических показате-

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

лей, получаемых при испытании на статическое растяжение. [4, 5] Исходным является уравнение относительных показателей прочности и пластичности в суммарной их форме о t /о в + 5/у =С= [

где 5c , 5Р- соответственно сосредоточенная и равномерная составляющие относительного удлинения 5. При условии неаддитивности величин (ö=öp+öc+öp x öc) решение (4) относительно öp дает выражение

öp=[

Экспериментально установлено [6],что в выражении (5) при от/ов>5/^ показатель степени при С принимается равным положительному значению относительного сужения у; при öT/öB <ö/y принимается (-у).

Указанные показатели пластичности и прочности позволяют рассматривать следующие дополнительные характеристики работоспособности металлов [7]

¥р= 5р/

Бв=бе/

где ¥р, ¥с-соответственно,равномерная и сосредоточенная составляющие относительного сужения SB -истинное временное сопротивление разрыву, SK-истинное сопротивление разрыву.

Приведенные характеристики механических свойств закономерно связаны с количествеными показателями структурно-энергетического состояния металла, разрабатываемыми в синергетике [7].

К ним относятся предельная удельная энергия, равная -в упругой области Wy=0.56Tey,

-от предела текучести до образования шейки Wp=

-от предела текучести до разрушения Wc=0.5

где £y,£p ,епр-соответственно упругая, равномерная и истинная предельная деформация

£у= бт/Б, Ep=ln[1/( 1-Тр)], £пр= ln [1/( 1-¥)]. Способность материала сопротивляться возникновению трещин при деформации количественно определяется безразмерным критерием зарождения трещины

Кзт=0.5

Критерий распространения трещин количественно определяет способность материала сопротивляться свободному движению трещин при деформации в условиях критического напряженного состояния

Крт=0.618 Wc бт.

Вероятность охрупчивания материалов определяется критерием хрупкости

Кхр=крт2/ КзТ бт

Результаты исследования свариваемости металлов по принятой методике показали следующее (табл.1):

Таблица 1

№ образца 1 2 3 4 5 6 7 8

CEx,% 0.123 0.124 0.122 0.122 0.120 0.125 0.123 0.121

CEp,% 0.016- 0.016- 0.016- 0.016- 0.016- 0.016- 0.016- 0.016-

0.024 0.024 0.024 0.024 0.024 0.024 0.024 0.024

CE,% 0.139- 0.140- 0.138- 0.138- 0.136- 0.141- 0.139- 0.137-

0.147 0.148 0.146 0.146 0.144 0.149 0.147 0.145

1. Значения химического эквивалента углерода СЕХ для всех образцов, при содержании углерода до 0,01% и примесей до 0,43% , меньше нормативной величины СЕН =0,25%, что свидетельствует о хорошей свариваемости металлов (первая группа свариваемости) без ограничений выбора способа сварки.

2. Полный эквивалент углерода СЕ, учитывающий размеры сортового и фасонного проката толщиной 26-40 мм, не превышает нормативной величины СЕН =0,25%,что указывает на хорошую свариваемость балок без ограничений выбора способа сварки и без предварительного подогрева свариваемых элементов.

3. При меньших толщинах сортового и фасонного пролета (10-25, 5-9 мм) свариваемость балок улучшается вследствие уменьшения СЕр и СЕ.

Значениям временного сопротивления разрыву ов и относительного удлинения 5 образцов соответствуют типы покрытых стержневых электродов Э38, Э42и Э42А (ГОСТ 9467-75), обеспечивающие относительное удлинение металла шва 5Э (табл. 2). Для указанных типов электродов можно рекомендовать марки электродов УОНИ-13/42 и УОНИ-13/45 или другие согласно типам электродов по возможностям исполнителя сварочных работ.

Таблица 2

Рекомендуемые типы и марки электродов

№ образца 1 2 3 4 5 6 7 8

Ов,МПа 384 345 418 354 394 407 395 352

Тип электрода Э42А Э42 Э42А Э38 Э42 Э42 Э42 Э42А

Марка электрода УОНИ 13/45 УОНИ 13/45 УОНИ 13/45 УОНИ 13/45 УОНИ 13/45 УОНИ 13/45 УОНИ 13/45 УОНИ 13/45

5,% 21,5 18,5 22,5 10 7,3 15,5 16,5 23,5

5Э,% 22 18 22 14 18 18 18 22

Показатели механических свойств металлов представлены в табл. 3.

По результатам табл. 3 можно сделать следующие выводы:

1. По совокупности наибольших значений синергетических критериев , Кзт, Крт, Кхр большей надежностью обладают металлы образцов N№1 и 3. Низкую надежность имеют металлы образцов N№4 и 5.

2. Металл образца №8 при умеренных значениях и Крт, при наибольшей величине Кзт характеризуется низкой надежностью по критерию хрупкости Кх вследствие меньшего предела текучести от. Остальные металлы занимают между указанными промежуточное положение.

3. Исследованные металлы по химическому составу и механическим свойством могут быть отнесены условно к аналогу технического железа. Значительно уступают по критериям 'с, К зт, Крт и Кх сталям ферритного класса, имеющим 'с=720- 1145 МПа; Кзт=1,6-2,39; Крт=(194-275>103 [МДж/м3]2; Кхр=(36-66)-106 [МДж/м3]3. Различие с современными строительными сталями еще существенней.

4. На основании п.3 металлические материалы балок рекомендуется заменить современными строительными свариваемыми сталями.

4/2010 М1 ВЕСТНИК

Таблица 3

Показатели механических свойств металлов

№ образца 1 2 3 4 5 6 7 8

От, МПа 249 229 284 263 306 291 281 176

Ов, МПа 384 345 418 354 394 407 395 352

5,% 21,5 18,5 22,5 10,0 7,3 15,5 16,5 23,5

5р,% 15,50 4,65 16,70 2,10 1,68 11,88 12,50 15,15

13,42 4,44 14,31 2,06 1,65 10,62 11,11 13,16

С 1,365 1,325 1,405 1,484 1,317 1,510 1,445 1,258

SB, МПа 443,5 361,0 487,8 361,4 400,6 455,4 444,4 405,3

SK, МПа 517,06 446,09 569,22 402,80 448,08 495,80 495,0 477,66

£пр 0,357 0,329 0,371 0,145 0,145 0,217 0,255 0,371

Wc, МПа 136,74 111,05 158,27 48,27 54,67 85,37 98,94 121,25

Кзт, 0,549 0,485 0,557 0,184 0,179 0,293 0,352 0,689

Крт10"3 3 2 [МДж/м ] 21,042 15,716 27,778 7,846 10,338 15,353 17,182 13,188

КХр/10"6 33 [МДж/м ] 2,12 1,46 3,19 0,835 1,28 1,81 1,95 0,94

Общие выводы

1. Исследованные металлы балок по химическому составу можно идентифицировать как техническое железо хорошей свариваемости (1-ая группа свариваемости) без ограничений выбора способа сварки и без предварительного подогрева.

2. Разработанная методика расчетного определения прочностно-пластических показателей позволяет оценивать надежность (работоспособность) металлических материалов и изделий по синергетическим (структурно-энергетическим)показателям.

3. По структурноэнергетическим показателям (предельной удельной энергии Wc, критериям зарождения трещины Кзт, развития трещины Крт, хрупкости Кхр) исследованные металлы уступают сталям соответствующего ферритного класса и в большей степени современным строительным сталям. На этом основании рекомендуется их полная замена. При невозможности замены балок требуется разработка и исследование конструкционно-технологических мероприятий по их укреплению.

По вопросам обследования строительных металлоконструкций обращаться на кафедру технологии металлов МГСУ или по почте: belov@mgsu.ru и tm.@mgsu.ru.

Литература

1. Абрамов В.В., Ажагури Л.В. Основы технологии сверки в строительстве и коммунальном хозяйстве. Раздел III. Изд-во МИКХИС, 2001. - 288 с.

2. Большаков В.И., Лукьянскова А.Н., Харченко В.И. и др. Металловедение и сварка строительных сталей, Киев, 1989 - 224 с.

3. Справочник по конструкционным материалам./Б.Н.Арзамасов и др. М; Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008 - 640 с.

4. Густов Ю.И., Густов Д.Ю. К развитию научных основ строительного металловедения.// Докл. X российско-польского семинара «Теоретические основы строительства», Варшава, 2001 г., 394 с. - с 309-314.

5. Белов В.А., Густов Д.Ю., Густов Ю.И. Прочностно-пластические показатели сварных металлоконструкций строительной техники.// Материалы международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2003». Волгоград-Волжский. 2003 - с. 29-31.

6. Густов Ю.И., Орехов А.А., Зайцева А.А. Экспериментальная проверка уравнения проч-ностно-пластических показателей металлов.// II научно-практический семинар «Новое в металловедении». Сборник докладов. Россия, Москва, МВЦ «Крокус Экспо», 7-я Международная выставка металлов в строительстве и архитектуре METALBUILD-2009/ М., МГСУ. - с. 23 - 25.

7. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж. и др. Синергетика и фракталы в металловедении. - М., Наука, 1994 - 383 с.

Literature

1. Abramov V.V., Ajaguri L.V. Bases of technology of verification in building and a municipal services. Section III. Publishing house MIKHIS, 2001. - 288 p.

2. Bolshakov V.I., Lukyanskova A.N., Harchenko V.I. and others. Metallurgical science and welding of building steels, Kiev, 1989 - 224 p.

3. A directory on constructional materials./B.N.Arzamasov and oth. M; Publishing house MGTU N.E.Bauman, 2008 - 640 p.

4. Gustov U.I. Gustov D.U. To development of scientific bases of building metallurgical science.// The report of the Russian-Polish seminar «Theoretical bases of building», Warsaw, 2001 - p.29-31

5. Belov V.A., Gustov D.U., Gustov U.I. strength-plastic indicators of a welded metalware building technics.//Materials of the international scientific and technical conference "Interstroymeh-2003".Volgograd-Voljskyi 2003 - p. 29-31.

6. Gustov U.I., Orekhov A.A., Zaiceva A.A., Experimental check of the equation of strength-plastic indicators metals.//II scientifically-practical seminar «New in metallurgical science». The collection of reports. Russia, Moscow, MVC «the Expo Crocus», 7th International exhibition of metals in building and architecture METALBUILD-2009/ M., MGSU. - p. 23 - 25.

7. Ivanova V.S.,Balankin I.S., Bunin I.J. and oth. Synergetrics and fractals in metallurgical science. - M, the Science 1994 - 383 p.

Ключевые слова: Прочность, пластичность, свариваемость, эквивалент углерода, критерии зарождения и распространения трещины, структурно-энергетические показатели надежности, химический состав.

Key words: strength, ductility, weldability, carbon equivalent, the criteria for initiation and crack propagation, the structural and energetic parameters of reliability, the chemical composition.

129337, Москва, Ярославское ш., 26, кафедра технологии металлов МГСУ.

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ».