Influence of elevated temperatures on the behaviour of steel bridges

• Autorzy: Zobel H. , Alkhafaji T. , Golubińska A.

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

PL

temperatura wysoka; most stalowy; nagrzewanie

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2000
• Tom: Vol. 46, nr 4
• Strony: 637--663
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Zobel H.

• Warsaw University of Technology, Institute of Roads and Bridges

autor

Alkhafaji T.

• Warsaw University of Technology, Institute of Roads and Bridges

autor

Golubińska A.

• Warsaw University of Technology, Institute of Roads and Bridges

Bibliografia

• 1. T. ALKHAFAJI, H. ZOBEL, Repair of steel bridges by heating [in Polish], Report for State Committee for Scientific Research, Poland, Warszawa 1996.
• 2. ANSYS - Engineering Analysis System - 5.0A-5.5 Versions. Theoretical manual and User's manual, The Swanson Analysis Systems Inc. Houston, Pa. 1995-1999.
• 3. R.R. AVENT et al., Development of engineering design procedures for heat straightening repair of damaged structural steel in bridges, Raport for Louisiana Transportation Research Center done at the Louisiana State University, Baton Rouge 1991.
• 4. J.W. BALDWIN, D.L. GUELL, Permanent deflections and loss of camber in steel bridge beams, Final Report to Projects 12-1 and 12-6, Highway Research Board, NCHRP, National Academy of Science, Washington D.C., November 1971.
• 5. Eurocode 3: "Design of steel structures". Part 1.2: "Structural fire design".
• 6. A. GOLUBIŃSKA, Influence of elevated temperatures on the behaviour of steel bridges, Ph.D. Thesis, Warsaw University of Technology, Poland, March 2000.
• 7. R.E. HOLT, Primary concepts for flame bending, Welding Journal, 416-424, June 1971.
• 8. M. ŁAGODA, H. ZOBEL, Heat-mechanical straightening of plate girder bridge, Proceedings of the IV International Conference "Safety of Bridge Structures", Wrocław, pp. 345-350, September 1992.
• 9. K.L. MOBERG, Damage assesment and contraction straightening of steel structures, M.Sc. Thesis, University of Washington, Seattle 1979.
• 10. M. MYŚLIWIEC, Thermo-mechanical fundamentals of welding [in Polish], WNT, Warszawa 1972.
• 11. J.I. NICHOLLS, D.E. WEERTH, Investigation of triangular heats applied to mild steel plates, Engineering Journal of AISC, pp. 137-141, October 1972.
• 12. C.W. ROEDER, Experimental study of heat induced deformation, Journal of Structural Engineering, 112, ST10, 2247-2262, October 1986.
• 13. G.O. SHANAFELT, W.B. HORN, Guidelines for evaluation and repair of damaged steel bridge members, NCHRP, Report 271, TRB, National Research Council, Washington D.C. 1984.
• 14. S.P. SCHNEIDER, C.W. ROEDER, Analytical predictions of plastic deformations of heated steel, Journal of Structural Engineering, 114, 6, 1285-1302, June 1988.
• 15. H. ZOBEL, Thermal behaviour of steel beam bridges [in Polish], Warsaw University of Technology Publications - Research Paper for Civil Engineering, No 116, Warszawa 1993.
• 16. H. ZOBEL, Heat straightening of damaged steel footpath bridge, Archives of Civil Engineering, 39, 315-333, 1993.
• 17. H. ZOBEL, Determination of heat straightening parameters for repair of a steel pedestrian bridge, Proceedings of the IV International Bridge Engineering Conference, Vol. 2, pp. 26-32, San Francisco 1995.
• 18. H. ZOBEL, T. ALKHAFAJI, A. GOLUBIŃSKA, Heat straightening of steel bridge members, Proceedings of the VII International Conference "Structural Faults & Repair 97", Edinburgh, Scotland, Vol. 1, pp. 424-433, July 1997.
• 19. H. ZOBEL, T. ALKHAFAJI, A. GOLUBIŃSKA, Heat straightening - an unpopular method of repair of steel bridges, Proceedings of the IABSE Conference "Long span and high rise structures", pp. 377-378, Kobe, Japan, September 1998.
• 20. H. ZOBEL, T. ALKHAFAJI, A. GOLUBIŃSKA, Application of ANSYS for heat straightening problem, Proceedings of the 1998 ANSYS Conference, Pittsburgh, USA, August 1998.