«

»

Suruburi de inalta rezistenta 10.9 solicitate la temperaturi inalte cu viteze de incercare diferite

Share

In contextul evaluarii robustetii structurilor metalice, un aspect important il constituie raspunsul imbinarilor. In situatia de incendiu, evaluarea robustetii structurale presupune ca imbinarile sunt supuse concomitent la temperaturi inalte si actiuni mecanice cu viteze mari de incarcare. In cazul imbinarilor mecanice, acest efect combinat se transmite la suruburi, a caror comportare trebuie determinata.

Articolul prezinta un studiu exploratoriu privitor la rezistenta suruburilor de inalta rezistenta grupa 10.9, determinata prin incercari de tractiune efectuate cu viteze de incarcare diferite, la temperatura normala, respectiv la 542°C. Studiul experimental a evidentiat ca, pentru viteze reduse de incarcare, factorul de reducere a rezistentei suruburilor in functie de temperatura recomandat in standarde poate fi neconservativ.

 

Este cunoscut faptul ca, odata cu cresterea temperaturii, proprietatile mecanice ale otelului structural scad, SR EN 1993-1-2: 2006 [1] oferind date privind variatia limitei de curgere in functie de temperatura prin factorul de reducere kyθ. Variatia rezistentei in functie de temperatura este diferita pentru suruburi, coeficientii de reducere ai rezistentei kbθ  fiind prezentati in acelasi standard, in Anexa D.

Caracteristicile mecanice ale suruburilor trebuie sa satisfaca conditiile impuse de ISO 898-1:2013 [2], in care se prezinta si metode de incercare a suruburilor pentru determinarea rezistentei la tractiune, Rm. Procedura de incercare la temperatura normala trebuie sa fie conforma cu standardul SR EN 6892-1 [3] care specifica trei regimuri pentru viteza de incercare. Desigur, realizarea incercarilor la temperatura inalta aduce considerente suplimentare, in special pentru conditiile de inregistrare si mentinere a temperaturii cat si pentru cele patru regimuri de viteze de incercare, acestea fiind specificate in SR EN 6892-2 [4].

Incercari anterioare pentru determinarea caracteristicilor suruburilor de inalta rezistenta grupa 8.8 la temperaturi inalte au fost realizate de Kirby [5], considerand o temperatura maxima de 800°C. Comportamentul materialului din suruburi grupa 10.9 a fost prezentat si de Lange [6], care a descris si modul in care factorii de reducere din Eurocode satisfac valorile obtinute prin incercari. Pang et al. [7] au aratat diferente intre comportarea suruburilor din grupele 8.8, 10.9 si 12.9 supuse la temperaturi de pana la 900°C cu doua viteze de incercare.

In cadrul proiectului de cercetare CODEC [8], care a avut ca scop evaluarea robustetii structurilor metalice, s-a desfasurat un amplu program experimental pe elemente T echivalente, incercate la temperatura normala si la 542°C, atat in regim cvasi-static, cat si cu viteza mare.

Prezentam, in continuare, rezultatele experimentale ale incercarilor de tractiune realizate la temperatura normala si la temperatura de 542°C pentru epruvete realizate din suruburi de inalta rezistenta M16, grupa 10.9 (utilizate pentru elementele T din cadrul proiectului CODEC mentionat), considerand viteze de incercare diferite. Incercarile la temperatura inalta subliniaza importanta vitezei de incarcare in determinarea rezistentei  suruburilor.

 

INCERCARI EXPERIMENTALE

Incercarile au fost realizate cu ajutorul masinii de incercat universale de 250 kN din dotarea laboratorului Departamentului de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor – Universitatea Politehnica Timisoara. Aceasta poate atinge o viteza de deplasare maxima a bacurilor de 400 mm/min.

Intr-o prima etapa au fost realizate incercari pe suruburi M16 grupa 10.9 neprelucrate, partial filetate, cu lungimea tijei de 70 mm, cu ajutorul unui dispozitiv similar cu cel exemplificat in ISO 898-1 [2], asa cum se arata in figura 1. Fata de dispozitivul recomandat, in locul piesei pentru fixarea tijei surubului, au fost folosite doua piulite pentru evitarea cedarii spirelor, fenomen observat in alte programe experimentale [5]. Acest tip de dispozitiv permite realizarea incercarii pe un surub asa cum este livrat de producator, insa posibilitatea de monitorizare a deformatiilor specifice este limitata, inregistrarile incluzand si deformatii ale dispozitivului.

Deformatiile specifice pot fi monitorizate cu ajutorul unui extensometru daca lungimea surubului permite o fixare a ansamblului astfel incat sa existe o lungime libera lth suficienta. In cazul de fata, lungimea suruburilor a fost aleasa in functie de grosimea pachetului de table ale elementelor T echivalente, incercate in cadrul proiectului de cercetare CODEC [8].

Denumirile epruvetelor folosite in cele ce urmeaza reprezinta: C – temperatura normala, H – temperatura de 542°C, NP – epruvete neprelucrate, NS – viteza de incercare normala (corespunzatoare regimului 2 [3-4]), HS – viteza de incercare mare. Pentru fiecare regim de solicitare au fost incercate doua epruvete.

 

Incercari la temperatura normala

Deoarece realizarea incercarilor de tractiune la temperatura inalta a suruburilor neprelucrate prezinta considerente speciale, s-au facut incercari pe epruvete prelucrate din suruburile existente (fig. 2), cu reducerea sectiunii la un diametru de 8 mm. Aceste epruvete pot fi incercate cu ajutorul pieselor de prindere pentru temperaturi inalte (fig. 1 c), care permit monitorizarea deformatiilor specifice cu ajutorul extensometrului pentru temperaturi inalte. Lungimea monitorizata, de 10 mm, este egala cu valoarea minima permisa de SR EN ISO 6892-2 [4].

Rezultatele obtinute pentru cele doua tipuri de epruvete (prelucrate si neprelucrate) sunt prezentate in figura 3 pentru viteza de incercare corespunzatoare regimului 2 (0,00025 s-1) din SR EN 6892-1 [3]. Aplicarea incarcarii a fost realizata in control de deplasare, viteza de incercare rezultata pentru epruvetele prelucrate fiind 0,00026 s-1.

Pentru suruburile neprelucrate (NP) s-a considerat aria nominala de 157 mm2, mentionata in ISO 898-1 [2] pentru suruburi M16. Din figura 3 se constata ca nu exista diferente semnificative intre rezistentele la tractiune obtinute pentru probele prelucrate / neprelucrate.

In vederea evaluarii efectului vitezei de incarcare, s-a impus viteza maxima capabila a masinii de incercat.

In figura 4, care prezinta, comparativ, rezultatele pentru suruburile neprelucrate, incercate cu viteza normala NS cat si cu viteza mare HS, se observa ca nu exista o diferenta semnificativa intre rezistentele la tractiune ale suruburilor. Aceeasi concluzie se desprinde si din figura 5, care prezinta, comparativ, rezultatele pentru epruvetele prelucrate incercate la viteze diferite.

 

Incercari la temperatura inalta

Incercarile la temperatura inalta s-au realizat doar pentru epruvete prelucrate. Pentru aceste incercari a fost aleasa temperatura de 542°C la care au fost realizate incercarile pe elemente T echivalente din cadrul proiectului CODEC [8]. Alegerea acestei temperaturi este relevanta din prisma recomandarilor SR EN 1993-1-2 [1] care permite o evaluare simplificata a nivelului de solicitare pentru situatia de incendiu. Astfel, factorul de reducere ηfi poate fi ales in mod simplificat cu valoarea 0,65. Aceasta valoare a factorului de reducere a limitei de curgere a otelului, k, corespunde unei temperaturi de 542°C.

In figura 6 sunt prezentate, comparativ, pentru temperatura normala si inalta, rezultatele pentru epruvetele prelucrate incercate la o viteza impusa de incercare corespunzatoare regimului 2 (0,00025 s-1). Asa cum s-a aratat anterior, viteza de incercare la temperatura normala rezultata pentru epruvetele prelucrate a fost de 0,00026 s-1. Pentru incercarea la temperatura de 542°C, viteza de incercare rezultata a fost de 0,00031 s-1.

Pentru evidentierea efectului vitezei de incercare in conditii de temperaturi inalte, in figura 7 se prezinta, comparativ, rezultatele incercarilor pentru care s-a impus viteza de incarcare normala (NS), respectiv cu viteza maxima capabila a masinii de incercat. Se observa ca exista diferente importante intre rezistentele obtinute.

 

SINTEZA REZULTATELOR EXPERIMENTALE

Tabelul 1 prezinta sinteza rezultatelor experimentale. Vitezele de incercare din tabel sunt cele rezultate din calcul, asa cum s-a aratat in sectiunea „Incercari experimentale”.

In functie de viteza de incercare au rezultat factorii de reducere pentru temperatura de 542°C prezentati in Tabelul 2. In stabilirea valorilor, s-a considerat rezistenta la tractiune la temperatura normala fu ca fiind valoarea medie rezultata din incercarea epruvetelor prelucrate (1.181 N/mm2).

Din rezultatele prezentate, se poate observa ca raportul dintre rezistenta la temperatura inalta si rezistenta la temperatura normala difera in mod semnificativ in functie de viteza de incercare.

Conform Anexei D din SR EN 1993-1-2 [1], factorul de reducere a rezistentei suruburilor la temperatura de 542°C este 0,411. Pentru o viteza redusa de incercare, raportul rezistentelor este mai mic de 0,411, ceea ce inseamna ca factorii de reducere recomandati in SR EN 1993-1-2 pot fi neconservativi pentru suruburi de inalta rezistenta.

 

Concluzii

Considerand solicitarile din imbinarile reale, in cadrul elementelor T echivalente, functie de modul de cedare, suruburile pot fi solicitate la eforturi axiale cu incovoiere. Pentru a obtine rezultate realiste, in cazul in care suruburile apartin unor imbinari supuse temperaturilor inalte si incarcarilor dinamice, comportarea materialului din suruburi trebuie luata in considerare in functie de viteza de solicitare.

Studiul exploratoriu realizat in laboratorul Departamentului de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor a evidentiat ca, pentru suruburile de inalta rezistenta gr. 10.9,  raportul dintre rezistenta la temperatura inalta si rezistenta la temperatura normala difera in mod semnificativ in functie de viteza de incercare. Pentru viteze reduse de incercare, factorii de reducere recomandati in SR EN 1993-1-2 (determinati pentru suruburi grupa 8.8) pot fi neconservativi pentru suruburile de inalta rezistenta 10.9. In prezent, este in desfasurare un amplu program experimental, care cuprinde incercari pe astfel de suruburi, solicitate la temperaturi si viteze de incercare diferite.

 

Bibliografie

[1] ASRO, SR EN 1993-1-2:2006 – Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-2: Reguli generale. Calculul structurilor la foc, 2006;

[2] ASRO, SR EN ISO 898-1:2013 Caracteristici mecanice ale elementelor de asamblare executate din otel carbon si otel aliat. Partea 1: Suruburi partial si complet filetate si prezoane de clase de calitate specificate. Filete cu pas grosolan si filete cu pas fin, 2013;

[3] ASRO, SR EN ISO 6892-1:2016 ver. eng. – Materiale metalice. Incercarea la tractiune. Partea 1: Metoda de incercare la temperatura ambianta, 2016;

[4] ASRO, SR EN ISO 6892-2:2018 ver. eng. – Materiale metalice. Incercare la tractiune. Partea 2: Metoda de incercare la temperatura ridicata, 2018;

[5] Kirby, B. R., The behaviour of high-strength grade 8.8 bolts in fire, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 33, No 1, p. 3–38, 1995;

[6] Lange, J., González, F., Behavior of High-Strength Grade 10.9 Bolts under Fire Conditions, Structural Engineering International, Vol. 22, No 4, p. 470–475, 2012;

[7] Pang, X.-P., et al., Physical properties of high-strength bolt materials at elevated temperatures, Results in Physics, Vol. 13, p. 1-11, 2019;

[8] CODEC, Structural conception and collapse control performance based design of multi-story structures under accidental actions, Executive Agency for Higher Education, Research, Development and Innovation Funding, Romania, PN II PCCA 55/2012.

 

(Lucrare prezentata in cadrul celei de-a 16-a „Conferinte Nationale de Constructii Metalice – CM16-2019”, Timisoara, 13-14 iunie 2019.)

 

Autori:

Ioan BOTH, Raul ZAHARIA – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor

 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 183 – august 2021, pag. 58

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: https://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2021/08/01/suruburi-de-inalta-rezistenta-10-9-solicitate-la-temperaturi-inalte-cu-viteze-de-incercare-diferite/

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa de email nu va fi publicata.