WPŁYW ODDZIAŁYWAŃ POŻARU NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŚRUB KONSTRUKCYJNYCH O PODWYŻSZONEJ WYTRZYMAŁOŚCI

Wpływ oddziaływań pożaru na właściwości mechaniczne śrub konstrukcyjnych o podwyższonej wytrzymałości
Paweł Artur Król

W monografii zaprezentowano wyniki obszernych prac badawczych i towarzyszących im analiz wpływu oddziaływań środowiskowych symulujących nadzwyczajną sytuację pożaru, na proces ewolucji, istotnych z punktu widzenia bezpieczeństwa obiektów, własności mechanicznych śrub konstrukcyjnych o podwyższonej wytrzymałości, wykonanych ze stali ulepszonej termicznie w procesie produkcyjnym. Celem badań było dokonanie oceny wpływu symulowanych warunków pożarowych na rezydualne, po-pożarowe właściwości mechaniczne analizowanej stali, stosowanej do wytwarzania najbardziej popularnych i najszerzej stosowanych śrub konstrukcyjnych klasy 8.8. W pracy wykorzystano śruby ze stali stopowej z dodatkiem boru, o symbolu 32CrB3, nie objętej żadnymi dostępnymi dokumentami normalizacyjnymi. W badaniach wariantowano wartości maksymalnej temperatury w procesie wygrzewania, czas ekspozycji na dane warunki termiczne i zastosowany sposób chłodzenia. Próbki wygrzewano w temperaturze od 100°C do 1000°C przez okres odpowiednio 30′, 60′, 120′ i 240′, wynikający z przepisów techniczno-budowlanych, obowiązujących na terenie państw członkowskich Unii Europejskiej. W badaniach dodatkowo uwzględniono zróżnicowany sposób chłodzenia.

Spis treści
Ważniejsze oznaczenia i symbole użyte w treści pracy. 9
1. Wprowadzenie 15
1.1. Pożar i jego wpływ na konstrukcje 15
1.2. Statystyki katastrof i pożary obiektów o konstrukcji stalowej 16
1.3. Śruby konstrukcyjne – rys historyczny i współczesne metody ich wytwarzania 22
2. Wpływ ekspozycji pożarowej na zmiany w strukturze stali 27
2.1. Wstęp 27
2.2. Wpływ zawartości węgla na właściwości stali 28
2.3. Oddziaływanie ognia na powierzchnię stali 28
2.4. Przemiany strukturalne w stali podczas jej nagrzewania i chłodzenia 29
3. Projektowanie połączeń z uwzględnieniem oddziaływań pożaru 33
3.1. Wstęp 33
3.2. Temperatura węzłów w pożarze 35
3.3. Nośność obliczeniowa śrub w połączeniach zakładkowych w sytuacji pożarowej 39
3.3.1. Połączenia typu dociskowego (kategorii A) 39
3.3.2. Połączenia cierne w stanie granicznym użytkowalności (kategoria B) i połą-
czenia cierne w stanie granicznym nośności (kategoria C) 40
3.4. Nośność obliczeniowa śrub w połączeniach doczołowych w sytuacji pożarowej 41
3.4.1. Połączenia niesprężane i sprężane (kategorii D i E) 41
3.5. Nośność obliczeniowa śrub w normalnej sytuacji projektowej 41
4. Po-pożarowe właściwości mechaniczne śrub. 45
4.1. Wstęp 45
4.2. Przegląd literatury przedmiotu 48
4.3. Przedmiot, cel i zakres pracy 63
5. Analizy wspomagane komputerowo i badania eksperymentalne 67
5.1. Wstęp 67
5.2. Analizy nieniszczące 69
5.2.1. Analiza składu chemicznego i badania towarzyszące 70
5.2.2. Analizy obliczeniowe z wykorzystaniem oprogramowania JMatPro 72
5.3. Badania doraźnej nośności po-pożarowej śrub na zrywanie 78
5.3.1. Statyczna próba rozciągania zestawów śrubowych. Krzywe naprężenie – prze-
mieszczenie81
5.3.2. Współczynniki redukcyjne rezydualnej nośności po-pożarowej na zrywanie
– współczynniki retencji 89
5.3.3. Współczynniki odzysku. 94
5.3.4. Formy zniszczenia i charakter złomów 95
8 Spis treści
5.4. Badania doraźnej nośności po-pożarowej śrub na ścinanie 98
5.4.1. Statyczna próba ścinania śrub. Krzywe naprężenie–przemieszczenie 101
5.4.2. Współczynniki redukcyjne rezydualnej nośności po-pożarowej na ścinanie
– współczynniki retencji 107
5.4.3. Współczynniki odzysku. 110
5.4.4. Formy zniszczenia i charakter złomów 111
5.5. Badania twardości 116
5.5.1. Metodyka badań 117
5.5.2. Wyniki pomiarów i ich omówienie 118
5.5.3. Wnioski wynikające z pomiarów twardości 123
5.6. Badania udarności 124
5.6.1. Metodyka badań 127
5.6.2. Wyniki pomiarów i ich omówienie 128
5.6.3. Wnioski wynikające z badań udarności 135
5.7. Badania mikrostrukturalne 136
5.7.1. Metodyka badań 137
5.7.2. Wyniki analiz mikrostrukturalnych 139
5.7.3. Badania z wykorzystaniem dyfraktometru rentgenowskiego XRD 146
5.7.4. Analiza ilościowa mikrostruktury 147
5.7.5. Ogólne wnioski praktyczne wynikające z badań mikrostrukturalnych 149
5.8. Badania po-pożarowych właściwości mechanicznych w statycznej próbie rozciągania
próbek znormalizowanych 151
5.8.1. Metodyka badań 152
5.8.2. Krzywe naprężenie–odkształcenie 155
5.8.3. Uwagi dotyczące sposobu prezentacji wyników szczegółowych 158
5.8.4. Po-pożarowy moduł sprężystości podłużnej – , ,a postE
 159
5.8.5. Po-pożarowa granica plastyczności – , ,y postf
 162
5.8.6. Po-pożarowa nośność graniczna przy rozciąganiu – , ,u postf
 165
5.8.7. Po-pożarowe graniczne odkształcenie względne – , ,u post
 168
5.8.8. Po-pożarowe odkształcenie względne przy zerwaniu – , ,f post
 170
5.8.9. Po-pożarowe wydłużenie względne po zerwaniu – 5, , postA
 172
5.8.10. Po-pożarowe przewężenie względne po zerwaniu – , postZ
 174
5.8.11. Współczynnik odzysku – , ,b postr
 , powiązany z normowym współczynnikiem
nośności śrub w sytuacji pożarowej – ,bk
 177
5.8.12. Analiza przełomów i form zniszczenia 178
5.9. Ocena możliwości wykorzystania pomiarów wybranych właściwości mechanicznych
do szacowania wytrzymałości śrub na rozciąganie 183
6. Podsumowanie 187
7. Wnioski końcowe i proponowane kierunki dalszych badań 191
Bibliografia 195
Streszczenie 203
Abstract 205