mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2023.11.1780-1790mgssuvest-113Research ArticleПроектирование и конструирование строительных систем. Строительная механика. Основания и фундаменты, подземные сооруженияConstruction system design and layout planning. Construction mechanics. Bases and foundations, underground structuresВлияние усталостных трещин в стенке на прочность подкрановых балокEffect of fatigue cracks in the wall on the strength of crane beamsБелыйГ. И.BelyyG. I.

Григорий Иванович Белый — доктор технических наук, профессор, профессор-консультант кафедры железобетонных и каменных конструкций

190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4

РИНЦ ID: 272945

Grigory I. Belyy — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor-consultant of the Department of Reinforced Concrete and Stone Structures

4, 2nd Krasnoarmeyskaya st., St. Petersburg, 190005

ID RSCI: 272945

office@erkon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5186-8518КубасевичА. Е.KubasevichA. E.

Антон Евгеньевич Кубасевич — старший преподаватель кафедры металлических и деревянных конструкций

190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4

РИНЦ ID: 1060856, Publons: AAZ-6056-2021

Anton E. Kubasevich — senior lecturer of the Department of Metal and Wooden Structures

4, 2nd Krasnoarmeyskaya st., St. Petersburg, 190005

ID RSCI: 1060856, Publons: AAZ-6056-2021

antunemio@yandex.ruСанкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ)РоссияSaint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPbGASU)Russian Federation202330112023181117801790Copyright © Белый Г.И., Кубасевич А.Е., 20232023Белый Г.И., Кубасевич А.Е.Belyy G.I., Kubasevich A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/113Введение

Введение. На промышленных производствах с мостовыми кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы подкрановые балки эксплуатируются с повреждениями, значительную часть которых составляют усталостные трещины в стенке. При этом во многих случаях поврежденные подкрановые балки имеют запасы несущей способности, которые при начальной стадии развития трещин позволяют временно их эксплуатировать до ремонта или замены. Оценка влияния таких повреждений на прочность подкрановых балок в этих условиях становится актуальной.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для исследования напряженно-деформированных и предельных состояний подкрановых балок с усталостными трещинами в стенке применен метод численного моделирования с использованием конечно-элементного программного комплекса ANSYS. Анализ напряженно-деформированных состояний балок проведен в сечениях, соответствующих середине трещины, и в смежных с поврежденным отсеках.

Результаты

Результаты. Выявлены качественные и количественные зависимости изменения напряженно-деформированных и предельных состояний подкрановых балок от длины трещины, ее положения в отсеке при раздельном действии изгибающего момента и поперечной силы, а также при их совместном действии. Показано, что такое ослабление стенки приводит к существенной перегрузке сжатого пояса. Даны рекомендации по торможению развития трещин, позволяющие повысить эксплуатационную пригодность конструкции.

Выводы

Выводы. Предложены рекомендации по практическому расчету подкрановых балок на прочность с введением коэффициентов влияния трещины и алгоритм определения предельной длины трещины. Отмечена важность дальнейшего исследования влияния дефектов крепления рельса к поясу на несущую способность поврежденной балки. При этом необходима статистическая обработка величин отклонений геометрических несовершенств, приобретенных в процессе эксплуатации.

Introduction

Introduction. In industrial plants with overhead cranes of heavy and very heavy modes of operation, crane beams are operated with damage, a significant part of which are fatigue cracks in the wall. At the same time, in many cases, damaged crane beams have reserves of bearing capacity, which, at the initial stage of crack development, allow their temporary operation until repair or replacement. Assessment of the effect of fatigue cracks on the strength of crane beams under these conditions becomes actual.

Materials and methods

Materials and methods. To study the stress-strain and limit states of crane beams with fatigue cracks in the wall, the method of numerical modelling using the finite element software complex ANSYS is used. The analysis of the stress-strain states of the beams was carried out in the sections corresponding to the crack centre and in the adjacent to the damaged compartments.

Results

Results. Qualitative and quantitative dependences of changes in the stress-strain and limit states of crane beams on the crack length, its position in the compartment under separate action of bending moment and transverse force, as well as their joint action are revealed. It is shown that the weakening of the wall by a fatigue crack leads to significant overload of the compressed girdle. Recommendations on inhibition of crack development, allowing to increase serviceability of the structure.

Conclusions

Conclusions. Recommendations on practical calculation of crane beams for strength with the introduction of crack influence coefficients and an algorithm for determining the maximum crack length are proposed. The importance of further investigation of the effect of defects of rail to girdle fastening on the bearing capacity of the damaged beam is noted. At the same time, statistical processing of deviation values of geometric imperfections acquired in the course of operation is necessary.

подкрановая балкаусталостная трещиначисленное моделированиенапряженно-деформированное состояниегеометрические несовершенстваустойчивость стенкипрочность поврежденной балкиcrane beamfatigue cracknumerical modellingstress-strain stategeometric imperfectionswall stabilitystrength of the damaged beamReferencesАртюхов В.Н., Щербаков Е.А., Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. О состоянии подкрановых конструкций корпуса конверторного производства ОАО «Северсталь» // Промышленное и гражданское строительство. 2001. № 6. С. 31–34.Artyukhov V.N., Shcherbakov E.A., Goritskiy V.M., Shneyderov G.R. On the condition of under-crane structures of converter production at OAO “Severstal”. Industrial and Civil Engineering. 2001; 6:31-34. (rus.).Бабкин В.И., Жидков К.Е., Капырин Н.В., Мерзликин А.В. К вопросу долговечности сварных подкрановых балок // Вестник Липецкого государственного технического университета. 2016. № 1 (27). С. 46–49. EDN VSSNKT.Babkin V.I., Zhidkov K.E., Kapyrin N.V., Merzlikin A.V. On the issue of durability of welded under-crane beams. Bulletin of Lipetsk State Technical University. 2016; 1(27):46-49. EDN VSSNKT. (rus.).Еремин К.И., Нащекин М.В., Марков К.В., Горбунов А.Г. Повреждаемость подкрановых балок предприятий металлургической и горнорудной промышленности // Наука и безопасность. 2015. № 3 (16). С. 59–77. EDN TYNUTT.Eremin K.I., Nashchekin M.V., Markov K.V., Gorbunov A.G. Damageability of under-crane beams of metallurgical and mining industry enterprises. Science and Safety. 2015; 3(16):59-77. EDN TYNUTT. (rus.).Скляднев А.И., Сердюк В.В. Усталостная долговечность и мера повреждаемости верхней зоны стенки сварных подкрановых балок // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 11. С. 34–36. EDN JVVWQP.Sklyadnev A.I., Serdyuk V.V. Fatigue durability and damage measure of the upper zone of the wall of welded under-crane beams. Occupational Safety in Industry. 2004; 11:34-36. EDN JVVWQP. (rus.).Такки В.Ф., Егоров И.Ф., Туснина О.А. Повышение эксплуатационного ресурса подкрановых балок // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 12. С. 61–67. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.12.61-67. EDN UIUJGJ.Takki V.F., Egorov I.F., Tusnina O.A. Increasing the operational life of crane beams. Industrial and Civil Engineering. 2020; 12:61-67. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.12.61-67. EDN UIUJGJ. (rus.).Фын Сю-Цзюнь, Линь Синь-Шань, Фан Тиан. Исследование усталостных повреждений верхней зоны стенок стальных подкрановых балок // Промышленное и гражданское строительство. 1994. № 11–12. С. 33–35.Feng Xiu-Jun, Lin Xin-Shan, Fan Tian. Research of fatigue damages of the upper zone of steel under-crane beam walls. Industrial and Civil Engineering. 1994; 11-12:33-35. (rus.).Васюта Б.Н., Крылов И.И., Кукушко С.С. К вопросу определения параметров остаточного ресурса сварных подкрановых балок с усталостными повреждениями // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2006. № 6 (570). С. 114–120. EDN GZQGFW.Vasyuta B.N., Krylov I.I., Kukushko S.S. Towards the problem of determination of the resudual resource of welded crane beams with fatigue failure. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2006; 6(570):114-120. EDN GZQGFW. (rus.).Москвичев В.В., Чабан Е.А. Анализ развития усталостных трещин в подкрановых балках // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 7. С. 47–54. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-7-47-54Moskvichev V.V., Chaban E.A. Analysis of the fatigue cracks development in crane girders and assessment of their residual life. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2018; 84(7):47-54. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-7-47-54 (rus.).Кубасевич А.Е. Напряженно-деформированные и предельные состояния подкрановых балок с усталостными трещинами в стенке : дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2023. 165 с.Kubasevich A.E. Stress-strain and ultimate states of under-crane beams with fatigue cracks in the wall : thesis of candidate of technical sciences. St. Petersburg, 2023; 165. (rus.).Dong S.E., Chen Q. Probe on the stress of the support crack of welded crane beams // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 501–504. Pp. 710–716. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.501-504.710Dong S.E., Chen Q. Probe on the stress of the support crack of welded crane beams. Applied Mechanics and Materials. 2014; 501-504:710-716. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.501-504.710Rettenmeier P., Roos E., Weihe S. Fatigue analysis of multiaxially loaded crane runway structures including welding residual stress effects // International Journal of Fatigue. 2016. Vol. 82. Pp. 179–187. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.04.009Rettenmeier P., Roos E., Weihe S. Fatigue analysis of multiaxially loaded crane runway structures including welding residual stress effects. International Journal of Fatigue. 2016; 82:179-187. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.04.009Wardenier J., de Vries P., Timmerman G. Fatigue behaviour of a welded I-section under a concentrated compression (wheel) load // Journal of Constructional Steel Research. 2018. Vol. 140. Pp. 163–173. DOI: 10.1016/j.jcsr.2017.10.027Wardenier J., de Vries P., Timmerman G. Fatigue behaviour of a welded I-section under a concentrated compression (wheel) load. Journal of Constructional Steel Research. 2018; 140:163-173. DOI: 10.1016/j.jcsr.2017.10.027Ávila G., Palma E., De Paula R. Crane girder fatigue life determination using SN and LEFM methods // Engineering Failure Analysis. 2017. Vol. 79. Pp. 812–819. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.05.027Ávila G., Palma E., De Paula R. Crane girder fatigue life determination using SN and LEFM methods. Engineering Failure Analysis. 2017; 79:812-819. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.05.027Rykaluk K., Marcinczak K., Rowiсski S. Fatigue hazards in welded plate crane runway girders — locations, causes and calculations // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2018. Vol. 18. Issue 1. Pp. 69–82. DOI: 10.1016/j.acme.2017.05.003Rykaluk K., Marcinczak K., Rowiсski S. Fatigue hazards in welded plate crane runway girders — locations, causes and calculations. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2018; 18(1):69-82. DOI: 10.1016/j.acme.2017.05.003Xu B., Wu Q. Stress fatigue crack propagation analysis of crane structure based on acoustic emission // Engineering Failure Analysis. 2020. Vol. 109. P. 104206. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.104206Xu B., Wu Q. Stress fatigue crack propagation analysis of crane structure based on acoustic emission. Engineering Failure Analysis. 2020; 109:104206. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.104206Zai J., Cao J., Bell A.J. The fatigue strength of box girders in overhead travelling cranes // Journal of the Institution of Structural Engineers. 1994. Vol. 72. Issue 23. Pp. 401–405.Zai J., Cao J., Bell A.J. The fatigue strength of box girders in overhead travelling cranes. Journal of the Institution of Structural Engineers. 1994; 72(23):401-405.Веселов В.В. Оценка работоспособности эксплуатируемых стальных подкрановых балок : дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2005. 267 с.Veselov V.V. Evaluation of operability of used steel under-crane beams : thesis of candidate of technical sciences. St. Petersburg, 2005; 267. (rus.).Маркеев В.С., Борков П.В. Прогнозирование остаточного ресурса металлических подкрановых балок промышленных зданий длительного срока эксплуатации // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2021. № 10. С. 8–16. DOI: 10.34031/2071-7318-2021-6-10-8-16. EDN KBOFRU.Markeev V., Borkov P. Forecasting of the residual life of metal beams sub-crane of industrial buildings of long service life. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2021; 10:8-16. DOI: 10.34031/2071-7318-2021-6-10-8-16. EDN: KBOFRU. (rus.).Graciano C., Casanova E., Martínez J. Imperfection sensitivity of plate girder webs subjected to patch loading // Journal of Constructional Steel Research. 2011. Vol. 67. Issue 7. Pp. 1128–1133. DOI: 10.1016/j.jcsr.2011.02.006Graciano C., Casanova E., Martínez J. Imperfection sensitivity of plate girder webs subjected to patch loading. Journal of Constructional Steel Research. 2011; 67(7):1128-1133. DOI: 10.1016/j.jcsr.2011.02.006Kulka J., Mantic M., Fedorko G., Molnar V. Analysis of crane track degradation due to operation // Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 59. Pp. 384–395. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2015.11.009Kulka J., Mantic M., Fedorko G., Molnar V. Analysis of crane track degradation due to operation. Engineering Failure Analysis. 2016; 59:384-395. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2015.11.009Белый Г.И., Кубасевич А.Е. Несущая способность подкрановых балок с усталостными трещинами в стенке // Вестник гражданских инженеров. 2022. № 2 (91). С. 24–29. DOI: 10.23968/1999-5571-2022-19-2-24-29. EDN WCKLTW.Belyy G.I., Kubasevich A.E. Bearing capacity of crane beams with fatigue cracks in the wall. Bulletin of Civil Engineers. 2022; 2(91):24-29. DOI: 10.23968/1999-5571-2022-19-2-24-29. EDN WCKLTW. (rus.).Рафиев А.К., Марамов Ф.Б. Усиление подкрановых балок методом увеличения сечений // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. 2020. № 1 (49). С. 143–150. EDN CXCLUX.Rafiev A.K., Maramov F.B. Strengthening of crane runway beams with the method of increase in thicknesses. Polytechnic Herald. Series: Engineering Research. 2020; 1(49):143-150. EDN CXCLUX. (rus.).Рафиев А.К., Ашуров И.Ш. Усиление подкрановых балок методом изменения конструктивной схемы // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. 2020. № 3 (51). С. 99–107. EDN IBHRWU.Rafiev A.K., Ashurov I.S.H. Building strengthening of crane runway beams with the method of structural scheme alteration. Polytechnic Herald. Series: Engineering Research. 2020; 3(51):99-107. EDN IBHRWU. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.