PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

Influence of elevated temperatures on the behaviour of steel bridges

Identyfikatory
Warianty tytułu
PL
Wpływ wysokich temperatur na zachowanie sie mostów stalowych
Języki publikacji
EN
Abstrakty
EN
The subject of the paper is the behaviour of steel bridge structures at elevated temperatures. The influence of high temperature for mechanical and thermal properties of steel (such as yield stress, modulus of elasticity, thermal conductivity etc.) is shown. The results of laboratory tests of mechanical properties and microstructure of steel carried out on samples from bridge, which was under fire condition, are presented. The laboratory tests, concerning distribution of temperature over steel plate during and after heating condition were done too. Their results were compared with computer simulations carried out by finite element analyses system — ANSYS — and authors' own program written in Turbo Pascal language. Additionally, experiments and thermo-plastic computer analysis were carried out to determine efficiency of particular heat pattern for induce or removal of thermal deformations. Although conclusions are not fully satisfied this is next step for understanding of all processes which occur during heating and cooling of steel members.
PL
Mosty stalowe w ciągu swojego „życia" co najmniej kilkakrotnie znajdują się, bądź mogą się znaleźć pod działaniem wysokich temperatur. Elementy składowe konstrukcji są obrabiane w procesach termo-mechanicznych w hucie. Następnie są nagrzewane kilkakrotnie w procesie fabrykacji podczas prostowania i łączenia za pomocą spawania. Znacznie rzadziej, a być może nigdy, nie są traktowane termicznie w czasie ich eksploatacji. Z dwoma wyjątkami: podczas ewentualnego pożaru i gdy ewentualnie reperujemy most, stosując metodę prostowania termicznego. Generalnie, wiedza na temat zachowania się stalowych konstrukcji mostowych poddanych działaniu wysokich temperatur jest ograniczona. Stąd, wśród mostowców istnieją duże obawy przed stosowaniem metody prostowania termicznego w naprawie odkształconych z różnych powodów konstrukcji. Problemem jest także ocena przydatności do użytkowania mostu, który "przeżył" pożar. Panuje dość powszechne przekonanie o negatywnym wpływie wysokiej temperatury na właściwości mechaniczne i strukturę mikrokrystaliczną stali, a w konsekwencji na jej wytrzymałość zarówno doraźną jak i eksploatacyjną. Trudny jest więc do określenia wpływ nagrzewania na trwałość mostów. Większość wyżej wymienionych problemów to efekt mitów, jakie nagromadziły się wokół zagadnień związanych z nagrzewaniem i studzeniem stali. Rezultaty prowadzonych w nielicznych ośrodkach badań, a także doświadczenia niewielu firm stosujących metodę prostowania termicznego dowodzą, że problem, choć trudny merytorycznie i niełatwy do zbadania doświadczalnie, jest możliwy do opisania i rozwiązania, choć z wieloma ograniczeniami na razie niemożliwymi do uniknięcia. Należy podkreślić, że każdy przypadek pożaru czy kontrolowanego usuwania, bądź wywoływania odkształceń termicznych ma indywidualny charakter i z reguły trudno jest go uogólnić. Na wstępie artykułu przedstawiono ideę zachowania się konstrukcji stalowej pod działaniem wysokich temperatur. Następnie omówiono klasyfikację uszkodzeń i sposoby nagrzewania konstrukcji. Potem zaprezentowano odpowiednio pogrupowane czynniki wpływające na proces nagrzewania i stygnięcia elementów stalowych, takie jak parametry technologiczne, geometryczne (konstrukcji i sposobów nagrzewania), materiałowe oraz "przyspieszacze" i "opóźniacze". Znaczną część artykułu poświęcono zmianom właściwości termo-mechanicznych i mikrokrystalicznych stali w wyniku nagrzewania. Porównano niektóre z nich w stanach przed i po pożarze. Przeprowadzono również analizę stosowanych funkcji opisujących związek naprężenie-odkształcenie, moduł sprężystości podłużnej, granicę plastyczności i współczynnik rozszerzalności termicznej w normach stosowanych w Polsce, USA, Wielkiej Brytanii i Australii, a także proponowanych w Eurokodzie 3 (część 1.2). Opisano również funkcje określające zmienność ciepła właściwego oraz współczynników przewodnictwa, konwekcji i promieniowania w wysokich temperaturach. Kolejna część artykułu poświęcona jest opisowi wyników symulacji komputerowej zjawiska nagrzewania palnikiem płyty stalowej o kilku grubościach przy zastosowaniu różnych "wzorów" grzania, tzn. "klina" o różnych kątach wierzchołkowych i nagrzewania liniowego. Porównanie ich z rezultatami pomiarów przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych dowodzi, że autorski program komputerowy znakomicie nadaje się do zastosowania praktycznego. Przy okazji oceniono procentowy udział trzech zjawisk, tj. przewodnictwa, konwekcji i promieniowania w procesie wymiany ciepła podczas nagrzewania i stygnięcia. Jak widać wpływ tych dwóch ostatnich zjawisk jest relatywnie mały. Kilka następnych rozdziałów poświęconych jest określeniu efektywności wspomnianych wyżej rodzajów nagrzewania na wielkość wywoływanych (usuwanych) odkształceń termicznych. Na bazie opisanych wcześniej badań eksperymentalnych i analitycznych przygotowano cykl badań laboratoryjnych i analiz komputerowych w zakresie termoplastyczności. Do tego celu wykorzystano zarówno program własny, jak i system ANSYS bazujący na metodzie elementów skończonych. Eksperymenty przeprowadzano na zginanych belkach dwuteowych oraz elementach ściskanych i rozciąganych symulujących pręty kratownicy. Nagrzewane elementy były wstępnie, celowo zdeformowane tak, aby odzwierciedlać najczęściej spotykane uszkodzenia. Z wielu wniosków za najciekawszy można uznać stwierdzający, że najbardziej efektywne jest nagrzewanie "wąskim klinem", tj. o kącie wierzchołkowym 20° i o wysokości klina równej szerokości (wysokości) nagrzewanego elementu. Przy większych kątach nie dość, że uzyskiwane odkształcenia są mniejsze, to jeszcze pojawia się ich nierównomierność w nagrzewanym obszarze. Wniosek ten jest ważny zarówno dla belek jak i elementów krat. W tym ostatnim przypadku ustalono, że tylko do określonej wartości siły, zarówno ściskającej jak i rozciągającej, nagrzewanie nie stwarza zagrożenia dla konstrukcji. Niewątpliwie powiązane jest to ze smukłością pręta, ale precyzyjne określenie takiego związku wymaga dalszych badań. W celu uwiarygodnienia uzyskanych wyników badań przedstawiono rezultaty analizy termoplastycznej elementu mostu kratownicowego, który przeżył pożar. Zasymulowane nagrzewanie liniowe odkształconej poprzecznicy spowodowało jej powrót do pierwotnego kształtu. Opisano również przykład naprawy innego mostu kratowego uderzonego przez przepływający pod nim statek. W tym przypadku zastosowano nagrzewanie "prostokątem" wraz ze wspomaganiem mechanicznym w celu naprostowania pasa dolnego kraty i stężeń wiatrowych. Naprawa została poprzedzona analizą termowytrzymałościową. Przewidziane analitycznie wyniki potwierdziły się w praktyce. W artykule zasygnalizowano również problem trwałości stalowych konstrukcji mostowych, które były naprawiane metodą termiczną. Bazując na obserwacjach własnych i danych uzyskanych od służb utrzymaniowych na temat 15 mostów, stwierdzono, że prostowanie termiczne nie wpływa na ich trwałość. Udane realizacje naprawcze pokazują, że naprawa zdeformowanej stalowej konstrukcji mostowej metodą termiczną jest możliwa i bezpieczna. Nie ma znaczenia, czy usuwane odkształcenie zostało spowodowane mechanicznie, czy też było wywołane pożarem. Wpływ wysokich temperatur na zachowanie się mostów stalowych, choć może obniżyć ich parametry wytrzymałościowe, niekonieczne oznacza nakaz wyłączenia z eksploatacji. Jeśli nie została przekroczona przez dłuższy czas temperatura 723° C, to dalsza przyszłość mostu nie zależy od zmian właściwości termo-mechanicznych stali lecz od wielkości wywołanych deformacji. W zależności od ich wartości most albo może być eksploatowany bez potrzeby naprawy albo po wyprostowaniu uszkodzonych elementów najlepiej metodą termiczną.
Słowa kluczowe
Twórcy
autor
autor
  • Warsaw University of Technology, Institute of Roads and Bridges, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warszawa, H.Zobel@il.pw.edu.pl
Bibliografia
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-BTB2-0011-0074
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.