A maradó feszültségek belső, önkiegyenlítő feszültségek{0}}, amelyek az anyagon belül külső terhelés nélkül is fennállnak. A melegen hengerelt A572 H-gerendákban ezek a feszültségek a gyártási folyamat során bekövetkező nem-egyenletes hűtésből és fázisátalakulásból erednek. Eloszlásuk és nagyságuk nem-elhanyagolható hatással van a tag stabilitására és kifáradási élettartamára, amit a fejlett tervezésnél figyelembe kell venni.
1. A fennmaradó feszültségek eredete és tipikus mintája:
Amikor egy forró H{0}}gerenda kilép a simítómalomból, és lehűl a kifutó-ágyon, a peremvégek és a webközpont először lehűl és megszilárdul. Ezek a hűvösebb részek összehúzódnak, de korlátozza őket a még mindig -forró, műanyag a karimáknál-.
Ez a differenciális összehúzódás egy jellegzetes mintában rögzül:
Nyomósmaradék feszültség a karimavégeknél és a középső{0}}szalagnál.
Maradék húzófeszültség a karima{0}}szalag csomópontjainál (a "k-terület").
A jellemző nagyságok az anyag folyáshatárának (Fy) 10-30%-át is elérhetik. Az A572 Gr.50 esetében ez nagyjából 5-15 ksi-nek (35-100 MPa) felel meg.
2. Hatás a kihajlási viselkedésre (oszlopok és gerendák):
Oszlop kihajlása: A peremvégeken lévő nyomómaradék feszültség hatékonyan csökkenti az elem rugalmassági tartományát. Ha axiális terhelést alkalmazunk, ezek a tartományok kisebb mértékben engednekalkalmazottstresszt, mert már előre tömörítettek-. Ez csökkenti az effektív modulust, és csökkentheti a kritikus kihajlási terhelést, különösen a közepes karcsúsági tartományban (ahol a rugalmatlan kihajlás uralkodik). A modern oszloptervezési görbék (pl. az AISC oszlopgörbéje) empirikusan figyelembe veszik ezeknek a maradó feszültségeknek az átlagos hatását, a kezdeti geometriai tökéletlenségekkel együtt. A maradó feszültség mintázata és nagysága az egyik oka annak, hogy különböző oszlopgörbék léteznek a különböző típusú keresztmetszeteknél (pl. W-alakzatok és üreges szerkezeti metszetek).
A gerendák oldalirányú -torziós kihajlása (LTB): A maradó feszültségek kölcsönhatásba lépnek az alkalmazott hajlítási feszültségekkel. A nagy-tengelyhajlításnak kitett gerendában a karima csúcsánál jelentkező nyomómaradék feszültség növeli a hajlításból származó nyomófeszültséget. Ez kiválthatja a korábbi helyi engedést a karima csúcsainál, csökkentve a gerenda képességét, hogy elérje teljes képlékeny nyomatékkapacitását (Mp), és potenciálisan befolyásolja a rugalmatlan LTB szilárdságát. Az AISC specifikáció sugártervezési egyenletei ezt a hatást a korlátozó karcsúsági paramétereken (λp, λr) és a nyomatékgradiens tényezőjén (Cb) keresztül építik be.
3. Fáradtsági viselkedésre gyakorolt hatás:
A kifáradás progresszív és lokális szerkezeti károsodás, amely akkor következik be, amikor az anyagot ciklikus terhelésnek teszik ki. A maradék feszültségek kritikus tényező.
Kedvező hatás: A lehetséges repedéskiindulási helyeken (például a karima felületén) kialakuló maradék nyomófeszültség nagyon előnyös. Hatékonyan növelik a kifáradási ciklus átlagos feszültségét a kompresszió felé, megnehezítve a mikro-repedés kialakulását és továbbterjedését. Ez jelentősen megnövelheti a fáradtság élettartamát.
Káros hatás: Ezzel szemben a húzó maradó feszültségek a karima{0}}szalag csomópontjában (nagy-feszültségű terület) csökkentik a kifáradási szilárdságot. Hozzáadják az alkalmazott húzófeszültségeket, elősegítve a repedés kialakulását. Ez különösen fontos az AISC 360 3. függelékében vagy az AASHTO Bridge tervezési specifikációiban besorolt részleteknél, ahol a perem{6}}hálócsatlakozás gyakran B vagy C kategóriájú részlet.
Csökkentés: A ciklusok során nagy -fáradásnak kitett szerkezeteknél (pl. daru futópálya gerendái, hídelemek) az utólagos-előkészítési kezelések, például a sörétes vágás felhasználhatók a felületi réteg nyomósmaradék feszültségének előidézésére, felülírva a hengerelt húzófeszültségeket, és javítva a kifáradási teljesítményt.
4. Következmények a gyártásra és tervezésre:
Vágás és hegesztés: A termikus vágás (láng vagy plazma) és hegesztés új, gyakran súlyos, lokalizált maradó feszültségmezőket hoz létre, amelyek egy nagyságrenddel nagyobbak lehetnek, mint a hengerelt feszültségek. Ezeket figyelembe kell venni a csatlakozási részletek megtervezésekor, különösen a fáradtságra hajlamos{2}}tagok esetében.
Tervezési filozófia: A statikus terhelések melletti általános épülettervezésnél a hengerelt maradó feszültségek hatásait implicit módon az AISC specifikáció empirikusan levezetett képlete fedi le. A tervező nem számítja ki őket közvetlenül.
Fejlett elemzés: Speciális alkalmazások esetén (pl. szeizmikus teljesítmény értékelése fejlett végeselemes elemzéssel vagy rendkívül karcsú repülőgép-űrszerkezetek tervezése) szükség lehet a maradó feszültségmintázat explicit modellezésére a rugalmatlan kihajlás és a hiszterézis viselkedésének pontos előrejelzéséhez.
Táblázat: A maradék feszültségek hatásai és kezelése az A572 H-nyalábokban
| Vonatkozás | Az As{0}}maradék feszültségek hatása | Tervezési/gyártási szempontok |
|---|---|---|
| Oszlop erőssége | Csökkenti a kritikus kihajlási terhelést a közepes karcsúság érdekében. | Az AISC oszlopgörbékben figyelembe vették (pl. W-alakzatok görbéje). |
| Gerenda oldalirányú kihajlása | Elősegíti a korábbi engedést a karimás csúcsoknál, befolyásolva az LTB szilárdságát. | Beépül az AISC LTB-egyenleteibe (Fcr-számítás). |
| Fáradtság Élet | A feszítőfeszültségek a szalag{0}}peremcsatlakozásánál károsak. A felületeken kialakuló nyomófeszültség előnyös. | Az AISC 3. függeléke vagy az AASHTO szerinti kifáradás szempontjából kritikus. utókezelés (peening) alkalmazható. |
| Gyártás (hegesztés) | Új hegesztési feszültségek dominálnak; torzulást okozhat. | Használjon hegesztési sorrendet a torzítás minimalizálása érdekében; vastag szakaszokhoz feszültségmentesítés adható meg. |
Összefoglalva, a melegen hengerelt A572 H-gerendák maradó feszültségmintája a gyártási folyamat velejárója. Bár a legtöbb statikus épülettervezésnél nem elsődleges szempont (mivel a kódok internalizálták hatásukat), kritikus szempontokká válnak a karcsú elemek stabilitása, a szeizmikus terhelések alatti képlékeny viselkedés és a ciklikus terhelésnek kitett szerkezetek kifáradási élettartama szempontjából. Létezésük megértése lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy megalapozott döntéseket hozzanak a tagok kiválasztásával, a kapcsolat részleteivel és a lehetséges gyártás utáni kezelésekkel kapcsolatban.