Конструирование, работа и расчет сварных соединений

а). Стыковые соединения имеют небольшую концентрацию "σ" от внешних нагрузок, различия разделки кромок элементов не влияют на статическую прочность соединения и могут не учитываться.

Сварной шов в начале и в конце насыщен дефектами (в силу не установившего теплового режима сварки), поэтому торцы швов выводят на технологические планки, которые после сварки удаляются. При невозможности это сделать расчетная длина шва будет меньше фактической

l_w = b – 2·t, (5.1)

где 2·t – называется "непровар".

Надежными методами контроля являются физические (ультразвук, рентгеноскопия, просвечивание гамма-лучами).

Как правило, стыки МК выполняются прямыми, при невозможности физических методов контроля стык проектируют косым, т.к. большая длина шва компенсирует снижение качества шва. Наклон шва 60º к оси элемента гарантирует достаточную прочность. При работе соединения на сжатие контроль необязателен.

Для снижения концентрации напряжений следует делать при сварке элементов: разной ширины – скосы на элементе большей ширины; разной толщины – на элементе большой толщины. Без скосов СНиПом разрешается сваривать элементы, толщина которых отличается не более 4 мм.

а – прямой стык; б – косой стык; в, г – при разной ширине соединяемых элементов; д, е – при разной толщине соединяемых элементов; ж – однослойный с подваркой корня; 1 – технологические планки; 2 – подварочный шов   Рисунок 5.3 Виды сварных стыковых соединений

Расчет стыковых соединений при действии осевой силы N (рисунок 5.4) выполняют по формуле:

, (5.2)

где t – наименьшая толщина соединяемых элементов;

l_w – расчетная длина шва;

R_wy – расчетное сопротивление по пределу текучести (табл. 3 СНиП);

γ_с – коэффициент условий работы (табл. 6^* СНиП).

а – на продольную силу; б – на продольную силу с косым швом; в – на изгиб

Рисунок 5.4 – К расчету стыковых швов

Расчетные сопротивления сварных соединений R_wy, R_wu, R_ws, R_wf, и R_wz следует определять по формулам таблицы 3 СНиП.

При расчете соединений элементов из стали R_u/γ_u>R_y, при R_un>440 кН/мм² вместо R_wy следует принимать R_wy/γ_n. При отсутствии физических методов контроля R_wy=0,85R_y.

Косой шов с наклоном tgα=2:1 равнопрочен с основным металлом и не требует проверки прочности. При действии сдвигающей силы Q в стыковом шве возникают срезывающие напряжения τ_w и при сдвиге R_ws=R_s, если R_ws<R_s, то проверку выполняют по металлу шва.

При действии усилия N в косом шве возникают два вида напряжений (рисунок 5.4 б):

нормальные перпендикулярно шву

; (5.3)

касательные (сдвигающие) вдоль шва

. (5.4)

При одновременном действии σ_wx, σ_wy и τ_wxy прочность соединения проверяют по формуле

. (5.5)

При изгибе (рисунок 5.4 в) соединения проверка прочности производится по формуле

; (5.6)

где (5.7)

б). Угловые соединения:

- фланговые швы, вызывают неравномерность распространения напряжений как по ширине (большую), так и по длине соединения. Работают одновременно на срез и изгиб.

- лобовые швы передают усилия равномерно по ширине элемента и крайне неравномерно по толщине шва (особенно велики σ_w в корне шва). Уменьшить концентрацию σ_w достигается обработкой поверхности шва, увеличением пологости (1:1.5), применением вогнутого шва и увеличением провара.

Рисунок 5.5 – Фланговые швы

а) – траектория силовых линий; б) – распределение напряжений в сечении с-с с учетом концентрации напряжений; в) – сечение вогнутого лобового шва Рисунок 5.6 – Работа лобового шва

Разрушение фланговых и лобовых швов от осевых, изгибных и срезывающих напряжений происходит как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления.

Расчет выполняют по, указанным выше, двум сечениям, в зависимости от того, какое из них более опасно (рисунок 5.7).

1 – по металлу шва; 2 – по металлу границы сплаврения Рисунок 5.7 – Расчет сечения шва

Так как, доминирующим напряжением является срезывающее, то допускается производить расчет на срез, названный «условным» срезом.

Принимается площадь сечения шва при разрушении:

- по металлу шва (5.8)

- по металлу сплавления (5.9)

Если β_f·R_wf/0,45 β_z·R_un<1, то расчетным (опасным) является сечение по металлу шва и напряжение

(5.10)

Если β_f·R_wf/0.45 β_z·R_un<1, то проверка прочности выполняется по металлу границы сплавления, тогда

(5.11)

где β_f и β_z – коэффициенты, учитывающие проплавление металла и принимаются при стали с σ_т<530 МПа – по таблице 34* СНиП и при σ_т>530 МПа – β_f=0,7 и β_z=1.

γ_wf и γ_wz – коэффициенты условий работы шва, равные 1, во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I₁; I₂; II₂ и II₃, для которых γ_wf=0,85 для металла шва с R_wun=410 МПа и γ_wf=0,85 – для всех сталей.

При ручной сварке β_f=0,7.

Из формул (5.10) и (5.11) можно определить требуемый катет шва К_f, который не должен быть менее нормируемых минимальных значений таблицы 38* СНиП, а также определить требуемую длину угловых швов.

При действии на соединение момента в плоскости перпендикулярной плоскости швов, расчет их выполняется на условный срез

- по металлу шва ; (5.12)

- по металлу границы сплавления . (5.13)

При действии момента в плоскости расположения швов - по следующим формулам

- по металлу шва (5.14)

- по металлу границы сплавления (5.15)

x и y – координаты точки «А», наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения соединения.

При действии на соединение N, Q и М должны быть выполнены следующие условия

(5.16)

в). Комбинированные соединения – это стыковое соединение, усиленное накладками (рисунок 5.8). Применяется в случаях особой необходимости, так как возникает концентрация напряжений. При расчете их условно принимается, что напряжения в стыковом шве и в накладке одинаково.

Тогда, при расположении накладок с двух сторон, напряжение в шве определяется по формуле

(5.17)

где А_л и А_н – площади сечений листов и накладок, тогда усилие в накладке будет равно

, (5.18)

по которому можно определить требуемую длину угловых швов, приваривающих накладку с одной стороны

(5.19)

чем и определяются размеры накладок.

а – односторонней; б - двухсторонней Рисунок 5.8 – Усиление стыкового шва накладками