Popis napěťově deformačního chování konstrukčních ocelí v oblasti nerovnoměrné deformace

• Foto

SOUČASNÝ STAV HODNOCENÍ VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ PRO OK
Konstrukční oceli používané pro ocelové konstrukce jsou ve většině případů navrhovány pro svůj budoucí účel na základě pravidel, která se ve většině případů opírají o výsledky statických zkoušek tahem při laboratorní teplotě. Na těchto výsledcích je pak založena většina standardů pro návrh ocelových konstrukcí.

Protože je zkouška tahem provedena staticky, při laboratorní teplotě odpovídá tento případ tvárnému chování oceli tedy oblasti horních prahových hodnot na obecné teplotní závislosti houževnatosti materiálu (viz obr. 1).

Tento případ hodnocení vlastností však nepokrývá křehkolomové chování oceli, které může nastat nejen snížením teploty exploatace navrhované konstrukce, ale také zvýšením rychlosti deformace či přítomností apriorních vad, popř. konstrukčních vrubů. Z tohoto důvodu byly vyvinuty metody lomové mechaniky, které byly implementovány do standardů pro návrhy ocelových konstrukcí [1–10].

V současné době platné standardy vyžadují, aby křehký lom byl znemožněn výběrem materiálu s dostatečnou houževnatostí v závislosti na podmínkách exploatace. Tento požadavek byl splněn včleněním tzv. „safety concept“ do standardu EN 1993-1-10 [5], který je založen na principech lomové mechaniky a vztažen k oblasti spodních prahových hodnot teplotní závislosti uvedené v levé části obrázku (obr. 1).

Houževnatost ocelových konstrukcí se pak posuzuje na základě kritéria nárazové práce (KV), popř. na základě určení tranzitních teplot popisující přechod z oblasti spodních prahových hodnot, tedy hodnot tzv. „lower-shelfu“, do tranzitní oblasti (T27J, T40J).

Tato data byla korelována na data získaná zkouškami lomové houževnatosti pomocí velmi dobře známé koncepce hlavní křivky lomové houževnatosti (Master curve) [9]. Tímto způsobem se bylo možné vyhnout časově i finančně značně náročnému zkoušení lomové houževnatosti, přesnost těchto korelací však byla úspěšně zpochybněna [11, 12].

Výsledkem výše uvedeného přístupu je pak soubor dat a tabelovaných materiálů, které jsou k dispozici pro jednoduchý návrh vhodného materiálu, a to i s ohledem na tloušťku stěny.

PŘÍSTUP PLASTICKÉHO HODNOCENÍ VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ OK
Od reálné ocelové konstrukce se však právem očekává, že v extrémním případě vystavení napětí vyššímu než mez pevnosti (tyto stavy např. vznikají při zemětřesení, požáru, či teroristickém útoku) se konstrukce sice plasticky deformuje, avšak bez rizika vzniku náhlého nestabilního lomu a umožní tak poskytnout potřebný čas k evakuaci lidí, či záchraně majetku. Tato problematika byla mj. řešena v rámci projektu RFS-PR 04035 „Modern Plastic Design for Steel Structures – PLASTOTOUGH“, který probíhal v letech 2005–2008 a na kterém se naše firma aktivně podílela.

Je však nutné si uvědomit, že z pohledu klasické situace při návrhu ocelových konstrukcí budov, které mají být například odolné vůči zemětřesení či požáru, je řídící veličinou eventuálního možného poškození deformace. Navrhovaný materiál tak musí mít ve svém chování nezbytnou plastickou rezervu.

Při uvažování skutečného limitního stavu se předpokládá, že napětí a deformace ve struktuře mají hlavní vliv. Struktura materiálu musí vykázat dostatečnou deformační kapacitu a materiál musí poskytnout dostatek plasticity v oblasti horních prahových hodnot. Obzvláště v situacích charakterizovaných značnými deformacemi (např. zemětřesení, nehody, sesuvy půdy, apod.) jsou ocelové konstrukce navrženy tak, že musí vykázat inelastické chování, které je schopno disipovat náhlý přísun energie např. při zemětřesení. Aby bylo možné garantovat dostatečnou úroveň plasticity v oblasti horních prahových hodnot, je zapotřebí mít k dispozici vhodný postup, který je schopen popsat disipaci (rozptýlení) energie v materiálu v oblasti horních prahových hodnot.

Ačkoliv je toto kritérium velkým požadavkem inženýrů zabývajících se návrhem ocelových konstrukcí, dosud stále neexistuje vhodný a univerzální standard pro praktickou aplikaci, který by dovoloval „plastický„ návrh konstrukce. V rámci národních standardů existují sice ojedinělé pokusy založeny na empirických korelacích (např. SEP 1390) tyto pokusy jsou však platné pouze pro vybraný experimentální materiál a bohužel je není možné zobecnit.

Z tohoto důvodu je nutné si uvědomit, že již v brzké době bude muset být nalezena vhodná metoda založena na kritériích pro tzv. „upper shelf“, která ale také bude brát v úvahu jak chování konstrukčního materiálu v oblasti spodních prahových hodnot, tak i v tranzitní oblasti [7]. Z pohledu metodického to znamená, že řídícím parametrem pro návrh a posouzení materiálu nemusí nutně být dosud zcela bez výjimky akceptované mezní zatížení vyjádřené mezí pevnosti materiálu. Tato mez se při zatížené konstrukci v podstatě nijak neprojeví. Při intenzivních deformacích způsobených např. zemětřesením může lokálně vzrůst zatížení do té míry, že dojde k překročení meze pevnosti, nicméně nedojde k destrukci nestabilním křehkým lomem, protože materiál je v oblasti svých horních prahových hodnot.

K tomu, aby bylo možné tuto rezervu plasticity začít prakticky využívat je tedy zapotřebí získat dostatek poznatků o napěťově deformačním chování ocelí pro ocelové konstrukce v oblasti nerovnoměrné plastické deformace, tj. v oblasti za mezí pevnosti až po finální porušení. Obecně je napěťově-deformační chování konstrukčního materiálu charakterizováno mezí kluzu, mezí pevnosti, tažností a kontrakcí za pokojové teploty, v sofi stikovanějších případech pak křivkou skutečné napětí–skutečná deformace, která umožňuje matematické modelování napěťovědeformačních charakteristik v oblasti rovnoměrné plastické deformace (tedy do smluvní meze pevnosti materiálu).

Na základě provedeného literárního rozboru a již dříve provedených prací byla navržena metodika pro studium plastického kritéria porušení při tahových zkouškách. Tato metodika spočívá v provedení tahové zkoušky do takové úrovně deformace, kdy zkušební tyč zůstává ještě celistvá, avšak v jejím středu již dochází ke vzniku dutin a kavit a jejich růstu, tj. těsně před poslední stadium plastického porušení, kterým je spojování dutin do mikrotrhlin a jejich vzájemné propojování.

K růstu kavit postačuje i relativně malá plastická deformace, tento růst je silně závislý na trojososti napětí během plastické deformace a na tvaru a velikosti částic, na kterých tyto dutiny vznikají. Je tedy možné předpokládat, že limitní stav plastického porušení bude určován zejména růstem kavit do iniciace.

Pro praktické provádění experimentů byla vypracována metodika provádění zkoušek, která se zjednodušeně dá shrnout do následujících bodů:

•  provedení zkoušky  tahem až do úplného přetržení zkušební tyče (jednu tyč je vždy nutné přetrhnou pro získání základních  pevnostních a plastických vlastností a také pro získání závislosti skutečné napětí – skutečná deformace),
• natažení další zkušební tyče do oblasti nerovnoměrné plastické deformace tak, že tato tyč je odlehčena před finálním porušením zkušebního tělesa,
• příprava metalografi ckého výbrusu v podélném směru a analýza příslušného stádia iniciace, resp. růstu a spojování defektů pomocí metod optické metalografie,
• je-li identifi kován vyšší stupeň poškození struktury (koalescence kavit nebo iniciace mikrotrhlin), je následující vzorek odlehčen při nižší úrovni deformace a postup je opakován.

Uvedenou metodou je možné přesně určit kritickou deformaci pro iniciaci mikrotrhlin pro každou geometrii zkušebních těles a každý materiál.

EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A TECHNIKA
Pro ověření uvedené metodiky byly provedeny experimentální práce na několika typech konstrukčních ocelích typu S355, S460 a S690, přičemž jednotlivé jakosti plechů byly studovány i v různých tloušťkách. V rámci výše uvedeného projektu PLASTOTOUGH byl studován rovněž vliv konstrukčních vrubů o poloměru R1 a R2 na napěťově-deformační charakteristiky. Experimentální práce byly založeny na provádění statických zkoušek tahem na zkušebních tyčích kruhového průřezu, tak aby v průběhu zkoušky mohlo býti snímáno skutečné zúžení krčku. Při této konfiguraci zkušebního zařízení se a priori předpokládá, že se rozměr krčku mění v čase a prostoru
rovnoměrně.

Na základě takto získaných dat na laboratorních vzorcích byly provedeny numerické simulace chování reálných konstrukcí, které byly následně ověřeny experimentálně na reálných profi lech používaných pro ocelové konstrukce, včetně svařovaných uzlů. Data získaná při analýze plechů z konstrukčních ocelí typu S355, S420 a S 690 byla rovněž doplněna o data z vyrobených profilů, která respektovala vliv jak procesu tváření, tak zejména finálního dochlazování na výslednou strukturu a vlastnosti.

EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY
Příklad napěťově-deformační křivky pro plech tloušťky 40 mm z oceli jakosti S 355 je uveden na obr. 2. Na tomto obrázku jsou rovněž uvedeny příklady stavu struktury v bodech napěťově-deformační křivky 2 a 3. Z obrázku je velmi dobře patrné, že v bodě 3 již vznikla trhlina kolmá ke směru působení síly, která vznikla příčným propojením řad podélně popraskaných vměstků, které byly ve struktuře jako důsledek ocelářského procesu (kontinuální lití bram rezultující v přítomnost centrální segregace).

Na obrázku 3 je prezentován vliv geometrie konstrukčního vrubu na tvar napěťovědeformační charakteristiky, byly studovány vruby o poloměru R1 a R2. Získané napěťově-deformační křivky v oblasti nerovnoměrné plastické deformace potvrdily všeobecně předpokládaný vliv koncentrace napětí, tj. posun křivek skutečné napětí do vyšších úrovní při současném snížení hodnoty mezní skutečné deformace, avšak poněkud překvapivě působila skutečnost, že vzájemný rozdíl mezi jednotlivými geometriemi studovaných vrubů již nebyl výrazný.

Tato cenná data byla využita následně v numerických simulacích, kde přispěla k výraznému zreálnění chování modelů. Na obrázcích 4 a 5 je pak uveden jeden z aplikačních výstupů řešeného projektu – numerický model napěťově deformačního chování reálné konstrukce a výsledek provedeného experimentu na reálném svaru dvou nosníků zatížených intenzivní plastickou deformací, která odpovídá např. zemětřesení.

ZÁVĚR
Je zřejmé, že stále složitější konstrukce budov si v budoucnu vyžádá přechod od dosud používaných a konzervativních přístupů v návrhu ocelových konstrukcí směrem k plnému využití potenciálu konstrukčních materiálů a tedy k aplikaci nikoliv napěťových kritérií, ale kritérií deformačních, založených na zcela přesném popisu napěťově- deformačního chování konstrukčního materiálu, a to zejména v oblasti nerovnoměrné plastické deformace. Tento poměrně nový přístup k navrhování ocelových konstrukcí (návrh takového standardu byl  výstupem projektu PLASTOTOUGH) by po úspěšné implementaci do standardů pro návrhy ocelových konstrukcí mohl vést k optimalizaci tlouštěk stěn ocelových konstrukcí tak, aby převažoval trojosý stav napětí, a tedy aby bylo napěťově deformačně chování dané konstrukce posunuto vždy směrem k oblasti horních prahových hodnot.

V rámci řešených projektů byla vyvinuta metodika stanovení napěťově-deformačních charakteristik v oblasti nerovnoměrné plastické deformace, která byla aplikována na širokém sortimentu ocelí pro ocelové konstrukce pokrývající různé pevnostní stupně (S355, S420 a S690). Tato metodika byla úspěšně ověřena a potvrzena pomocí numerických modelů a experimentálních zkoušek reálných ocelových konstrukcí. Autoři článku vyjadřují své poděkování za finanční podporu MŠMT v rámci programu Výzkumný záměr MSM 2587080701 a Evropské Unii v rámci programu RFS-PR 04035 Modern Plastic Design for Steel Structures-PLASTOTOUGH.

LITERATURA:
[1] Kander,, L.: Hodnocení základních a speciálních vlastností materiálů vyrobených nově navrženými technologiemi-aplikace nestandardních zkušebních a analytických metod. Dílčí zpráva D 38/2006. Ostrava, prosinec 2006
[2] ECSC Steel RTD Program 7210-SA/424/ 324/624/128 “Composite Bridge Design Improvement for High Speed Railways”, 1994-1998, Final Report July 1999, Contractors: CREA, CTICM, Grooting, SAES
[3] Sedlacek, G., Kühn, B., Höhler, S., Dahl, W., Langenberg, P., Brozetti, J.: Background Document to Eurocode 3 – Design of steel structures, Part 1–10: Selection of materials for fracture toughness, 2001
[4] DFG Gemeinschaftsforschungsvorhaben “Stahlgütewahl für geschweißte Stahlkonstruktionen in Bezug auf typisierte Konstruktionsdetails entsprechend den Ermüdungsfestigkeits-katalogen“, Abschlussberichte: Dahl, W., Bleck, W., Buchholz J., Da 85/78-2, Sedlacek, G., Höhler, S., Kühn, B., Se 351/28-2, Januar 2003
[5] prEN 1993-1-10: 2003: Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-10: Selection of materials for fracture toughness and through-thickness properties, Draft 2003
[6] Kühn, B.: Beitrag zur Vereinheitlichung der europäischen Regelungen zur Vermeidung von Sprödbruch, Dissertation RWTH Aachen, Mai 2004
[7] DIN EN 13445
[8] SEP 1390: Verein Deutscher Eisenhüttenleute: Aufschweißbiegeversuch, Juli 1996
[9] Wallin, K.: Methodology for selecting charpy toughness criterion for thin high strength steels, Parts1, 2 and 3, Jerkontorets Forskning, Nr. 4013/89, VTT Manufacturing Technology, VTT Espoo, 1994
[10] prEN 1993-1-9: 2003 : Eurocode 3: Design of steel structures, Part 19: Fatigue Strength of Steel Structures, Draft 2003
[11] Kálna, K.: Navrhovanie ocelových konštrukcií proti krehkému porušeniu. In Proc. Křehký lom 2007, Eds. Dlouhý, Ivo, Brno, 2007, s. 5, ISBN 978-80-254-0725-7
[12] Kander,L.: Hodnocení lomového chování konstrukčních ocelí a svarových spojů pomocí zkušebních těles Charpy s únavovou trhlinou, Disertační práce, VŠB – TU Ostrava, FS, Katedra mechanické technologie, 2000

• Kanvinde, A., Deierlein, G.: Prediction of ductile fracture in steel moment connections during earthquakes usingt micromechanical fracture models. 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, Paper No. 297
• Schluter,N., et all. Modelling of the damage in ductile steels. Computional Material Science 7 (1996) 27–33

Description of voltage deformation behaviour of steel structures in the area of uneven deformation
When designing steel structures (SS), the designers base their decision on material features which are the key factors for ensuring safe operation of that construction. However, modern approaches based on advance methods of material feature analysis show that in many cases the structures designed in line with current principles are overdesigned. The article describes new methods of fracture mechanics implemented into the standards for designing steel structures.

Autoři

• Ing. Kander Ladislav
• Ing. Kuboň Zdeněk