10.1.15. Расчет и конструирование сварных соединений

  • •Министерство образования и науки рф
  • •Основные требования, предъявляемые к металлическим конструкциям
  • •Сравнительная оценка жесткости изгибаемого элемента при различной компоновке сечения (условно стенка в двутавре исключена)
  • •1.3. Методика расчета металлических конструкций по предельным состояниям
  • •Общая характеристика предельных состояний
  • •Нагрузки и воздействия
  • •Коэффициенты надежности по нагрузке
  • •Нормативные и расчетные сопротивления материалов
  • •Учет условий работы
  • •Учет ответственности зданий и сооружений
  • •Коэффициенты условий работы
  • •1.3.6. Условия предельных состояний
  • •Вертикальные предельные прогибы fu элементов конструкций
  • •1.4. Организация проектирования
  • •1.5. Расчетная схема сооружения (конструкции)
  • •1.6. Сортамент
  • •1.6.1. Общая характеристика сортамента
  • •1.6.2. Сталь листовая
  • •Сталь листовая
  • •Сталь профильная
  • •Сортамент
  • •1.6.3. Уголковые профили
  • •1.6.4. Швеллеры
  • •1.6.5. Двутавры
  • •1.6.6. Трубы
  • •1.6.7. Вторичные профили
  • •1.6.8. Различные профили и материалы, применяемые в строительных металлических конструкциях
  • •1.6.9. Профили из алюминиевых сплавов
  • •Глава 2
  • •Стали для конструкций зданий и сооружений по гост 27772-88
  • •Нормируемые характеристики для категорий поставки
  • •Нормативные и расчетные сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе проката по гост 27772-88 для стальных конструкций зданий и сооружений
  • •Расчетные сопротивления проката смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки)
  • •Расчетные сопротивления сварных соединений
  • •Нормативные и расчетные сопротивления металла швов сварных соединений
  • •Глава 3
  • •3.1. Балочные клетки
  • •3.2. Расчет изгибаемых элементов в упругой стадии и с учетом развития пластических деформаций
  • •Классы напряженных состояний сечений при изгибе
  • •3.3. Расчет плоского стального настила
  • •Рекомендуемые толщины стального настила
  • •Значения коэффициентов f и z
  • •Минимальные катеты сварных швов kmin
  • •3.4. Расчет прокатной балки настила
  • •3.5. Расчет прокатной балки, работающей на косой изгиб
  • •Коэффициенты  для двутавровых балок с двумя осями симметрии
  • •3.6. Расчет и конструирование составной сварной главной балки
  • •3.6.1. Определение усилий
  • •3.6.2. Компоновка сечения
  • •Сортамент горячекатаных полос по гост 103-76*
  • •Стальлистовая горячекатаная (выборка из гост 19903-74*)
  • •Сталь широкополосная универсальная по (по гост 82-70*)
  • •3.6.3. Проверка прочности балки
  • •Наибольшие значения отношения ширины свеса сжатого пояса bef к толщине tf
  • •3.6.4. Изменение сечения балки по длине
  • •3.6.5. Проверка общей устойчивости балки
  • •3.6.6. Проверка местной устойчивости элементов балки
  • •Коэффициенты устойчивости при центральном сжатии
  • •Характеристики кривых устойчивости
  • •Значения коэффициента ссr в зависимости от значения δ
  • •Значения коэффициента c1
  • •Значения коэффициента c2
  • •Значения коэффициента ccr в зависимости от отношения a/hw
  • •3.6.7. Проверка жесткости балки
  • •3.6.8. Расчет соединения поясов балки со стенкой
  • •3.6.9. Конструирование и расчет опорной части главной балки
  • •3.6.10. Проектирование монтажного стыка главной балки
  • •Площади сечения болтов
  • •Нормы расстановки болтов в болтовых соединениях
  • •Коэффициенты трения  и надежности h
  • •Расчет стыка пояса. Раскладывая изгибающий моментMfна пару сил, определяем расчетное усилие в поясе:
  • •Коэффициенты стыка стенки балок 
  • •Глава 4
  • •4.1. Расчет прокатной колонны
  • •4.2. Расчет и конструирование сплошной сварной колонны
  • •Приближенные значения радиусов инерции IX и iy сечений
  • •Предельные условные гибкости
  • •4.3. Расчет и конструирование сквозной колонны
  • •4.3.1. Расчет колонны на устойчивость относительно материальной оси X-X
  • •4.3.2. Расчет колонны на устойчивость относительно свободной оси y-y
  • •4.3.3. Сквозная колонна с планками
  • •4.3.4. Сквозная колонна с треугольной решеткой
  • •4.4. Конструирование и расчет оголовка колонн
  • •4.4.1. Оголовок сплошной колонны
  • •4.4.2. Оголовок сквозной колонны
  • •4.5. Конструирование и расчет базы колонны
  • •4.5.1. Определение размеров опорной плиты в плане
  • •Расчетные сопротивления бетона Rb
  • •4.5.2. Определение толщины опорной плиты
  • •Коэффициенты 1 для расчета на изгиб плиты, опертой по четырем сторонам
  • •Коэффициенты  для расчета на изгиб плиты, опертой на три канта
  • •4.5.3. Расчет траверсы
  • •4.5.4. Расчет ребер усиления плиты
  • •Глава 5
  • •5.1. Общая характеристика и классификация ферм
  • •5.2. Порядок расчета стропильных ферм
  • •5.2.1. Определение нагрузок на ферму
  • •5.2.2. Определение усилий в стержнях фермы
  • •Расчетные усилия в стержнях фермы, кН (форма таблицы)
  • •5.2.3. Определение расчетных длин и предельных гибкостей стержней фермы
  • •Предельные гибкости сжатых элементов
  • •Предельные гибкости растянутых элементов
  • •Расчетные длины стержней ферм
  • •5.2.4. Выбор типа сечений стержней фермы
  • •Приближенные значения радиусов сечений элементов из уголков
  • •Подбор сечений элементов фермы
  • •Рекомендуемые толщины фасонок
  • •Коэффициент влияния формы сечения η
  • •5.2.6. Расчет и конструирование узлов фермы
  • •Подбор сечений элементов строительной фермы. Материал – сталь с245,
  • •Значения коэффициента α
  • •Максимальные катеты швов kf, max у скруглений прокатных профилей
  • •5.2.7. Сопряжение фермы с колонной
  • •Расчетные сопротивления срезу и растяжению болтов
  • •5.3. Расчет и конструирование решетчатого прогона
  • •Состав покрытия
  • •Расчетные значения веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли
  • •Глава 6
  • •6.1. Рекомендации по выбору конструктивной и расчетной схемы каркаса
  • •6.1.1. Разбивка сетки колонн
  • •Предельные размеры температурных блоков зданий
  • •6.1.2. Компоновка однопролетной рамы производственного здания
  • •Справочные данные по мостовым кранам нормального режима работы** (для учебного проектирования)
  • •Основные размеры элементов подкрановых балок
  • •6.1.3. Компоновка связей каркаса
  • •6.5. Связи покрытия
  • •Глава 7
  • •7.1. Расчетная схема рамы
  • •7.2. Определение расхода стали на несущие конструкции каркаса
  • •Нагрузки от конструкций и элементов покрытия на 1 м2 площади
  • •7.2.1. Прогоны
  • •Нагрузки на прогон от веса ограждающих конструкций покрытия
  • •Расход стали на прогоны
  • •7.2.2. Стропильные фермы
  • •2. Треугольная ферма.
  • •7.2.3. Подстропильные фермы
  • •7.2.4. Подкрановые балки
  • •7.2.5. Колонны каркаса
  • •7.3. Нагрузки, действующие на поперечную раму
  • •7.3.1. Постоянные нагрузки
  • •7.3.2. Снеговая нагрузка
  • •7.3.3. Нагрузки от мостовых кранов
  • •7.3.4. Ветровая нагрузка
  • •Нормативные значения ветрового давления wo
  • •Коэффициенты k для типов местности
  • •7.4. Назначение жесткостей элементов рамы
  • •7.4.1. Определение жесткости сквозного ригеля
  • •7.4.2. Определение жесткостей ступенчатой колонны
  • •Расчетные усилия в левой колонне раздельно по каждому виду загружения, кН, кН·м
  • •7.5. Статический расчет поперечной рамы
  • •7.5.1. Определение расчетных усилий в колонне
  • •7.5.2. Определение расчетных сочетаний усилий
  • •Расчетные усилия при невыгодных сочетаниях нагрузок
  • •7.5.3. Выбор расчетных комбинаций усилий для подбора сечений верхней и нижней частей колонны
  • •Глава 8
  • •8.1. Общие требования при проектировании конструкций
  • •8.2. Исходные данные для расчета колонны
  • •8.3. Компоновка сечения и расчет надкрановой части колонны
  • •8.3.1. Определение расчетных длин надкрановой части колонны
  • •Коэффициенты расчетной длины 1 и 2 для одноступенчатых колонн рам одноэтажных промышленных зданий
  • •8.3.2. Подбор сечения колонны
  • •8.3.3. Проверка устойчивости надкрановой части колонны
  • •Коэффициенты φe для проверки устойчивости внецентренно-сжатых сплошностенчатых стержней в плоскости действия момента
  • •Коэффициенты φe для проверки устойчивости внецентренно-сжатых сквозных стержней в плоскости действия момента
  • •Значения коэффициентов α и β
  • •8.3.4. Проверка местной устойчивости элементов сплошной колонны
  • •8.4. Компоновка сечения и расчет подкрановой части колонны
  • •8.4.1. Определение расчетных длин подкрановой части колонны
  • •8.4.2. Подбор сечения ветвей колонны
  • •8.4.3. Проверка устойчивости подкрановой части колонны
  • •8.5. Конструирование и расчет базы внецентренно-сжатой колонны
  • •8.5.1. Общие требования к базам колонн
  • •8.5.2. Определение размеров опорной плиты в плане
  • •8.5.3. Определение толщины опорной плиты
  • •8.5.4. Расчет траверсы
  • •8.5.5. Расчет анкерных болтов и пластин
  • •Расчетные сопротивления растяжению фундаментных болтов Rba
  • •Предельные усилия на растяжение одного фундаментного болта Fnр
  • •8.5.6. Особенности расчета общей базы внецентренно-сжатой колонны
  • •8.5.7. Расчет соединения надкрановой и подкрановой частей колонны
  • •8.5.8. Прикрепление подкрановой консоли к колонне
  • •Глава 9
  • •9.1. Особенности работы подкрановых балок
  • •9.2. Определение расчетных сил и усилий
  • •Продолжение рис. 9.1
  • •Расчетное значение поперечной силы от вертикальной нагрузки
  • •9.3. Подбор сечения балки
  • •Практические значения kw
  • •Опорные реакции:
  • •Расчетное значение нормативного изгибающего момента
  • •9.4. Проверка прочности и устойчивости балки
  • •Характеристики подкранового рельса по гост 4121-76*
  • •9.5. Расчет соединения поясов подкрановой балки со стенкой
  • •Формулы для расчета поясных соединений в составных балках
  • •Глава 10
  • •Введение
  • •10.1. Сварные соединения
  • •10.1.1. Сущность сварки
  • •10.1.2. Способы сварки металлических конструкций
  • •10.1.3. Ручная дуговая сварка плавящимся электродом
  • •Размеры электродов
  • •Диаметры электродов
  • •10.1.4. Автоматическая сварка под слоем флюса
  • •10.1.5. Механизированная сварка в среде углекислого газа
  • •Технические характеристики полуавтомата пдг-516 с вду-506
  • •Параметры режима двусторонней механизированной сварки
  • •10.1.6. Термическое воздействие сварки на металл, сварочные напряжения и деформации
  • •10.1.7. Мероприятия по уменьшению остаточных сварочных напряжений и деформаций
  • •10.1.8. Основные дефекты сварных соединений
  • •10.1.9. Дефекты в сварных швах
  • •10.1.10. Классификация сварочных дефектов
  • •Характерные дефекты и повреждения сварных соединений
  • •Дефекты в сварных соединениях и причины их возникновения
  • •10.1.11. Контроль качества сварных швов и соединений
  • •10.1.12. Техника безопасности при электродуговых способах сварки
  • •10.1.13. Виды сварных соединений
  • •Виды сварных соединений
  • •Допустимая наибольшая разность толщин деталей, свариваемых встык без скоса кромок
  • •10.1.14. Классификация сварных швов
  • •Минимальные катеты cварных швов
  • •Виды стыковых швов в элементах стальных конструкций
  • •10.1.15. Расчет и конструирование сварных соединений
  • •10.1.15.1. Стыковые соединения
  • •10.1.15.2. Нахлесточные соединения
  • •Значения коэффициентов f и z
  • •Максимальные катеты швов kf, max у скруглений прокатных профилей
  • •10.1.15.3. Комбинированные соединения
  • •10.1.15.4. Тавровые соединения
  • •10.1.15.5. Прикрепление угловыми швами несимметричных профилей
  • •Значения коэффициента α
  • •10.1.15.6. Проектирование монтажного стыка сварной балки
  • •10.1.15.7. Расчет сварного соединения на одновременное действие изгибающего момента м и перерезывающей силы q
  • •10.2. Болтовые соединения
  • •Диаметры отверстий болтов
  • •10.2.1. Размещение болтов в соединении
  • •Размещение болтов
  • •10.2.2. Срезные соединения на болтах нормальной точности
  • •Расчетные сопротивления срезу и растяжению болтов
  • •Расчетные сопротивления смятию Rвр элементов, соединяемых болтами
  • •Площади сечения болтов согласно ст сэв 180-75,
  • •Коэффициенты условий работы соединения
  • •10.2.3. Фрикционные соединения на высокопрочных болтах
  • •Механические свойства высокопрочных болтов по гост 22356 – 77*
  • •Коэффициенты трения  и надежности h
  • •2.4. Монтажный стык балки на высокопрочных болтах
  • •Коэффициенты стыка стенки балок 
  • •Приложение 1
  • •Исходные данные для статического расчета рамы по программе «Рама-1» (жесткое сопряжение ригеля с колоннами)
  • •Приложение 2
  • •Результаты статического расчета поперечной рамы одноэтажного однопролетного производственного здания
  • •Обозначения: Мл, Nл, Qл – усилия в левой колонне; Мп, Nп, Qп – усилия в правой колонне. Приложение 3
  • •Исходные данные для статического расчета рамы по программе «Рама-2» (вариант – шарнирное сопряжение ригеля с колоннами)
  • •Приложение 4
  • •9.3. Подбор сечения балки . . . . . . 286
  • •Металлические конструкции

>Примеры расчета сварных соединений

Примеры расчета сварных соединений

Расчет сварного соединения с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения шва

Консоль двутаврового профиля прикрепляется угловым швом путем обварки по периметру профиля. Размеры поперечного сечения показаны на рис. 1

Изгибающий момент $M = 75$ кНм. Материал консоли — листовая сталь марки 15ХСНД $R_ { yn } = 345$ МПа, $R_ { un } = 490$ МПа. Сварка выполняется полуавтоматом в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм марки Св-08Г2С в нижнем положении $R_ { wf } = 215$ МПа, $\beta _ { f } = 0,9$. Коэффициенты условий работы $\gamma _ { wf } =\gamma _ { c } = 1$.

Необходимо определить катет углового шва.

Решение

Сечение, по которому следует производить расчет сварного соединения для указанного сочетания стали, сварочной проволоки и способа сварки — по металлу шва. Расчет должен выполняться по формуле $M / W_ { f } \leqslant R_ { wf } \gamma _ { wf } \gamma _ { c } $.

Момент сопротивления расчетного сечения периметра швов

$W_ { f } =I_ { f } / y_ { max } $,

где момент инерции расчетного сечения $ I_f \approx \beta _f \left; $ $y_ { max } =h / 2 + k_ { f } $.

Для углового шва $k_ { f } = 10$ мм:

$I_ { f } = 0,9 { \ { } 2 \cdot 24^ { 3 } \cdot 1/12 + 2 \cdot 18 \cdot 1 ^ { 2 } + 2 (18 — 0,6) 1 ^ { 2 } { \ } } = 11946 см^ { 4 } $;

$y_ { max } = 25,6 / 2 + 1 = 13,8 см; W_ { f } = 11946,9 / 13,8 = 866 см^ { 3 } $.

Напряжение в шве:

$\tau _ { f } =М / W_ { f } = 75 \cdot 10^ { 3 } / 866 = 86,6$ МПа;

$\tau _ { f } / R_ { wf } = 86,6 / 215 = 0,4$.

Таким образом, при $k_ { f } $ = 10 мм напряжение условного среза в соединении $\tau _ { f } $ в 0,4 раза ниже расчетного сопротивления $R_ { wf } $. Следовательно, катет углового шва в соединении должен быть принят $k_ { f } $ = 4 мм.

Рис. 1. К примеру расчета сварного соединения с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов

$b_ { f } = 18 см; t_ { f } = 0,8 см; t_ { w } = 0,6 см; h_ { w } = 24 см; h = 25,6 см$

$l_ { 1 } = 30$ см; $l_ { 2 } = 20$ см

Проверка прочности соединения при $k_ { f } $ = 4 мм показывает правильность расчета:

$I_ { f } = 4764 см^ { 4 } ; y_ { max } = 13,2 см; W_ { f } = 361 см^ { 3 } ; \tau _ { f } =M / W_ { f } = 75 \cdot 10^ { 3 } / 361 = 208 < 215$ МПа.

Расчет сварного соединения с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения швов

Полоса прикрепляется двумя горизонтальными и одним вертикальным швом { рис. 2 } .

Изгибающий момент $M = 55$ кНм. Материал пластины — сталь марки ВСт3 $R_ { un } = 370$ МПа. Сварка выполняется покрытыми электродами типа Э46 $R_ { wf } = 200$ МПа, $\beta _ { f } = 0,7$. Коэффициенты условий работы $\gamma _ { wf } =\gamma _ { c } = 1$. Необходимо определить катет углового шва.

Решение

Для указанного сочетания стали, электродов и способа сварки расчетным сечением является сечение по металлу шва, поэтому расчет должен выполняться по формуле: $M/(I_ { fx } +I_ { fy } )\sqrt { x^2+y^2 } \leqslant R_ { wf } \gamma _ { wf } \gamma _c$

Рис. 2. К примеру расчета сварного соединения с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения швов

Центр тяжести периметра швов определяется по формуле

$x_ { \mbox { ц } } = (l^ { 2 } _ { 1 } — 0,5 l_ { 2 } k_ { f } ) / (2l_ { 1 } +l_ { 2 } )$.

При $k_ { f } = 10$ мм $х_ { \mbox { ц } } = (900 — 0,5 \cdot 20) / (60 + 20) = 11$ см.

Координаты точки $A$, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов, $х = 19$ см, $у = 10$ см.

Моменты инерции расчетного сечения соединения по металлу шва относительно его главных осей:

Для углового шва $k_ { f } = 10$ мм с учетом того, что расчетная длина шва принимается меньше его полной длины на 10 мм $(l_ { 1 } = 29 см)$:

$I_ { fx } = 0,7 { \ { } 20^ { 3 } \cdot 1/12 + 2 \cdot 29 \cdot 1 ^ { 2 } { \ } } = 4942 см^ { 4 } $;

$I_ { fy } = 0,7 { \ { } 2 + 20 \cdot 1 (11 + 1/2)^ { 2 } { \ } } = 5194 см^ { 4 } $;

Расстояние от центра тяжести периметра швов до точки $A$

$\sqrt { x^2+y^2 } =\sqrt { 11^2+10^2 } =21,5$ см.

Напряжения в соединении:

$\tau _ { f } = 55 \cdot 10^ { 3 } \cdot 21,5 / (4942 + 5194) = 117$ МПа.

$\tau _ { f } / R_ { wf } = 117 / 200 = 0,58$.

Таким образом, при $k_ { f } = 10$ мм напряжения в соединении $\tau _ { f } $ составляют 0,58 от расчетного сопротивления $(R_ { wf } )$. Следовательно, катет шва в соединении должен быть принят $k_ { f } = 5,8$ мм $\approx 6$ мм.

Проверка прочности соединения при $k_ { f } = 6$ мм показывает правильность расчета:

$I_ { fx } = 2864 см^ { 4 } ; I_ { fy } = 3078 см^ { 4 } ; \sqrt { x^2+y^2 } = 21,5$ см.

$\tau _ { f } = 55 \cdot 10^ { 3 } \cdot 21,5 / 5942 = 199 < 200$ МПа.

Расчет сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил

Полоса прикрепляется двумя горизонтальными и одним вертикальным швом { рис. 3 } . Продольная сила $N = 100$ кН, поперечная сила $Q = 38$ кН. Материал пластины — сталь марки ВСт3 $R_ { un } = 370$ МПа. Сварка выполняется покрытыми электродами типа Э46 $R_ { wf } = 200$ МПа, $\beta_ { f } = 0,7$. Коэффициенты условий работы $\gamma _ { wf } =\gamma _ { c } = 1$.

Необходимо определить катет углового шва.

Решение

Для указанного сочетания стали, электродов и способа сварки расчетным сечением является сечение по металлу шва. Поэтому расчет должен выполняться по формуле: $\tau _ { f } \leqslant R_ { wf } \gamma _ { wf } \gamma _ { c } $.

Принимаем $k_ { f } = 10$ мм.

1). Определяем напряжение в соединении от продольной силы $N\tau _ { N } =N / A_ { w } $, где расчетная площадь шва $A_ { w } = (2l_ { 1 } +l_ { 2 } ) k_ { f } \beta _ { f } $.

Рис. 3. К расчету сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил $l_ { 1 } = 30$ см; $l_ { 2 } = 20$ см; $l_ { 3 } = 81$ см

С учетом того, что расчетная длина шва принимается меньше его полной длины на 10 мм:

$A_ { w } = (2 \cdot 29 + 20) 1 \cdot 0,7 = 54,6 см^ { 2 } $,

$\tau _ { N } = 100 \cdot 10 / 54,6 = 18,3$ МПа.

2). Определяем напряжение в соединении от поперечной силы $Q$.

Результирующее напряжение $\tau _ { Q рез } $ является суммой векторов напряжения от силы $Q$, перенесенной в центр тяжести периметра швов $\tau _ { Q } $ и напряжения от момента $\tau _ { мQ } $:

$\tau _ { Q } =Q / A_ { w } = 38 \cdot 10 / 54,6 = 7$ МПа;

$ \tau _ { мQ } =M/(I_ { fx } +I_ { fy } ^ )\sqrt { x^2+y^2 } $

Центр тяжести периметра швов определяется по формуле

$x_ { \mbox { ц } } = (l^ { 2 } _ { 1 } — 0,5l_ { 2 } k_ { f } ) / (2l_ { 1 } +l_ { 2 } ) = (900 — 0,5 \cdot 20 \cdot 1) / (60 + 20) = 11$ см.

Координаты точки $А$, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов: $x = 19$ см, $у = 10$ см.

Моменты инерции расчетного сечения соединения по металлу шва относительно его главных осей:

$I_ { fx } \approx \beta _ { f } { \ { } l^ { 3 } _ { 2 } k_ { f } / 12 + 2l_ { 1 } k_ { f } ^ { 2 } { \ } } = \\ = 0,7 { \ { } 20^ { 3 } \cdot 1/12 + 2 \cdot 29 \cdot 1^ { 2 } { \ } } = 4942$ см$^ { 4 } $,

$I_ { fy } \approx \beta _ { f } { \ { } 2 + l_ { 2 } k_ { f } (x_ { \mbox { ц } } +k_ { f } / 2)^ { 2 } { \ } } = \\ = 0,7 { \ { } 2 + 20 \cdot 1 (11 + 1 / 2)^ { 2 } { \ } } = 5194$ см$^ { 4 } $.

Расстояние точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения соединения:

$\sqrt { x^2+y^2 } =\sqrt { 19^2+10^2 } =21,5$ см.

$\tau _ { мQ } = 38 \cdot 1 \cdot 10^ { 3 } / (4942 + 5194) 21,5 = 80,6$ МПа.

Результирующее напряжение от действия поперечной силы $Q$:

$\tau _ { Q { рез } } =\sqrt { \tau _ { Q } ^2 +\tau _ { мQ } ^2 +2\tau _ { Q } \tau _ { мQ } \cos \alpha } $ ,

где $\alpha $ — угол, определяемый размерами соединения { см. рис. \href { } { 16 } );

$\tau _ { Q { рез } } =\sqrt { 7^2 +80,6^2 +2\cdot 7\cdot 80,6\cdot 0,89 } =86,9$ МПа.

3). Определяем угол между векторами $\vec { \tau } _N $ и $\vec { \tau } _ { Q { рез } } $.

Угол $\phi $ определяют, пользуясь координатным методом на плоскости и свойством скалярного произведения двух векторов: $ \cos \varphi =\vec { a } \vec { b } /\left( { \left| { \vec { a } }\right|\cdot \left| { \vec { b } }\right| }\right), $ где $\vec { a } $ и $\vec { b } $ — векторы; $\vert \vec { a } \vert $ и $\vert \vec { b } \vert $ — длины векторов.

Поскольку скалярное произведение двух векторов равно сумме произведений соответствующих координат этих векторов $\vec { a } \cdot \vec { b } =x_ { 1 } x_ { 2 } +y_ { 1 } y_ { 2 } $ и длина вектора равна $ \left| { \vec { a } }\right|=\sqrt { x_1^2 +y_1^2 } ; \left| { \vec { b } }\right|=\sqrt { x_2^2 +y_2^2 } , \cos \varphi =\left( { x_1 x_2 +y_1 y_2 }\right)/\left( { \sqrt { x_1^2 +y_1^2 } \sqrt { x_2^2 +y_2^2 } }\right). $

В рассматриваемом примере координаты вектора $\vec { \tau } _N : х_ { 1 } = \tau _ { N } , y_ { 1 } = 0$; координаты вектора $\vec { \tau } _ { Q { рез } } : x_ { 2 } =\tau _ { yQ } sin \alpha , y_ { 2 } =\tau _ { yQ } cos \alpha +\tau _ { Q } $:

$\cos \varphi =\tau _ { мQ } \sin \alpha /\sqrt { (\tau _ { мQ } \sin \alpha )^2+(\tau _ { мQ } \cos \alpha +\tau _Q )^2 } = 80,6\cdot 0,46/\sqrt { (80,6\cdot 0,46)^2+(80,6\cdot 0,89+7,3)^2 } =0,43$

4). Определяем суммарное напряжение в соединении

$\tau _f =\sqrt { \tau _N^2 +\tau _ { Q { рез } } ^2 +2\tau _N \tau _ { Q { рез } } \cos \varphi } = \sqrt { 18,3^2+86,9^2+2\cdot 18,3\cdot 86,9\cdot 0,43 } =96,2$ МПа

$\tau _ { f } / R_ { wf } = 96,2 / 200 = 0,48$.

Таким образом, при $k_ { f } = 10$ мм суммарное напряжение в $0,48$ раза меньше расчетного сопротивления. Следовательно, катет шва в соединении следует принять $k_ { f } = 5$ мм.

$l_ { 1 } = 20$ см; $l_ { 2 } = 16$ см; $l_ { 3 } = 90$ см

Проверка прочности соединения при $k_ { f } = 5$ мм показывает правильность расчета:

$А_ { w } = 27,3 см^ { 2 } ; \tau _ { N } = 100 \cdot 10 / 27,3 = 36,6$ МПа;

$\tau _ { Q } = 38 \cdot 10 / 27,3 = 13,9 МПа; I_ { fx } = 2366 см^ { 4 } ; I_ { fy } = 2557$ см$^ { 4 } $;

$\tau _ { мQ } = 38 \cdot 10^ { 3 } \cdot 21,5 / 4923 = 166$ МПа;

$\tau _ { Q { рез } } =\sqrt { 13,9^2 +166^2 +2\cdot 13,9\cdot 166\cdot 0,89 } =179$ МПа; $cos \phi = 0,43$;

$\tau _f =\sqrt { 36,6^2+179^2+2\cdot 36,6\cdot 179\cdot 0,43 } =198 МПа < 200$ МПа.

Расчет сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил и момента

Консоль, подвергающаяся действию продольной и поперечной сил и момента, прикрепляется угловым швом по периметру соприкасающихся поверхностей { рис. 4 } .

Продольная сила $N = 195$ кН, поперечная сила $Q = 30$ кН, изгибающий момент $М = 24,5$ кНм. Материал консоли — сталь марки 18пс $R_ { un } = 370$ МПа, $R_ { wz } = 165$ МПа. Сварка выполняется полуавтоматом в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм марки Св-08Г2С в нижнем положении $R_ { wf } = 215$ МПа; $\beta _ { f } = 0,9; \beta _ { z } = 1,05$. Коэффициенты условий работы $\gamma _ { wz } =\gamma _ { c } = 1$.

Рис. 4. К расчету сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил и момента

Необходимо определить катет углового шва.

Решение

Сечение, по которому следует производить расчет сварного соединения для указанного сочетания стали, сварочной проволоки и способа сварки — по металлу границы сплавления. Принимаем $k_ { f } = 10$ мм.

1). Определяем напряжение в соединении от продольной силы $N:\tau _ { N } =N / A_ { w } $, где расчетная площадь шва $A_ { w } = 2 (l_ { 1 } +l_ { 2 } ) k_ { f } \beta _ { z } $.

С учетом того, что расчетная длина шва принимается меньше его полной длины на 10 мм $l_ { 1 } = 19,5$ см, $l_ { 2 } = 15,5$ см:

$A_ { w } = 2(19,5 + 15,5) \cdot 1 \cdot 1,05 = 73,5$ см$^ { 2 } $.

$\tau _ { N } = 195 \cdot 10 / 73,5 = 26,5$ МПа.

2). Определяем напряжение в соединении от поперечной силы $Q$.

Результирующее напряжение $\tau _ { Q рез } $ является суммой векторов напряжения от силы $Q$, перенесенной в центр тяжести периметра швов $(\tau _ { Q } )$ и напряжения от момента $(\tau _ { мQ } )$:

$\tau _ { Q } =Q / A_ { w } = 30 \cdot 10 / 73,5 = 4,1$ МПа; $ \tau _ { мQ } =M\sqrt { x^2+y^2 } /\left( { I_ { zx } +I_ { zy } }\right). $

Моменты инерции расчетного сечения соединения по металлу границы сплавления относительно его главных осей:

$I_ { zx } \approx \beta _ { z } { \ { } 2l^ { 3 } _ { 2 } k_ { f } / 12 + 2l_ { 1 } k_ { f } ^ { 2 } { \ } } = \\ = 1,05 { \ { } 2 \cdot 15,5^ { 3 } \cdot 1/12 + 2 \cdot 19,5 \cdot 1^ { 2 } { \ } } = 3439$ см$^ { 4 } $,

$I_ { zy } \approx \beta _ { z } { \ { } 2l^ { 3 } _ { 1 } k_ { f } / 12 + 2l_ { 2 } k_ { f } ^ { 2 } { \ } } = \\ = 1,05 { \ { } 2 \cdot 19,5^ { 3 } \cdot 1/12 + 2 \cdot 15,5 \cdot 1 ^ { 2 } { \ } } = 4717$ см$^ { 4 } $.

Расстояние точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения соединения:

$\sqrt { x^2+y^2 } =\sqrt { 10^2+8^2 } =12,8$ см.

$\tau _ { мQ } = 30 \cdot 10^ { 3 } \cdot 12,8 / 8156 = 47$ МПа.

Результирующее напряжение от действия поперечной силы в плоскости $XOY$:

$\tau _ { Q { рез } } =\sqrt { \tau _Q^2 +\tau _ { мQ } ^2 +2\tau _Q \tau _ { мQ } \cos \alpha } $ ,

где $\alpha $ — угол, определяемый размерами соединения (см. рис. \href { } { 17 } ).

$\tau _ { Q { рез } } =\sqrt { 4,1^2 +47^2 +2\cdot 4,1\cdot 47\cdot 0,78 } =50,3$ МПа.

3). Определение напряжения в соединении от момента $М$:

$\tau _ { м } =Мy_ { max } / I_ { zy } $;

$y_ { max } =l_ { 1 } / 2 + k_ { f } = 20 / 2 + 1 = 11$ см;

$\tau _ { м } = 24,5 \cdot 10^ { 3 } \cdot 11 / 4717 = 57$ МПа.

4). Результирующее напряжение от действия продольной силы $N$ и момента $М $ в плоскости $XOZ$:

$\tau _ { мN } =\sqrt { \tau _м^2 +\tau _N^2 } =\sqrt { 57^2 +26,5^2 } =62,8$ МПа.

5). Определение угла между векторами $\vec { \tau } _ { мN } $ и $\vec { \tau } _ { Q { рез } } $.

Угол $\phi $ определяют, пользуясь координатным методом в пространстве и свойством скалярного произведения двух векторов: $ \cos \varphi =\vec { a } \vec { b } /\left( { \left| { \vec { a } }\right|\cdot \left| { \vec { b } }\right| }\right), $ где $\vec { a } $ и $\vec { b } $ — векторы; $\vert \vec { a } \vert $ и $\vert \vec { b } \vert $ — длины векторов.

Поскольку скалярное произведение двух векторов равно сумме произведений соответствующих координат этих векторов $\vec { a } \cdot \vec { b } =x_ { 1 } x_ { 2 } +y_ { 1 } y_ { 2 } $ и длина вектора равна корню квадратному из суммы квадратов его координат $\left| { \vec { a } }\right|=\sqrt { x_1^2 +y_1^2 +z_1^2 } , \cos \varphi =\left( { x_1 x_2 +y_1 y_2 +z_1 z_2 }\right)/\left( { \sqrt { x_1^2 +y_1^2 +z_1^2 } \sqrt { x_2^2 +y_2^2 +z_2^2 } }\right)$.

В рассматриваемом примере координаты вектора $\vec { \tau } _ { мN } $:

$х_ { 1 } = \tau _ { N } ; y_ { 1 } = 0; z_ { 1 } =\tau _ { м } $;

координаты вектора $\vec { \tau } _ { Q { рез } } $:

6). Определяем суммарное напряжение в соединении

$\tau _z =\sqrt { \tau _ { мN } ^2 +\tau _ { Q { рез } } ^2 +2\tau _ { мN } \tau _ { Q { рез } } \cos \varphi } =\sqrt { 62,8^2+50,3^2+2\cdot 62,8\cdot 50,3\cdot 0,25 } =89,7$ МПа,

$\tau _ { z } / R_ { wz } = 89,7 / 165 = 0,54$.

Таким образом, при $k_ { f } = 10$ мм суммарное напряжение в 0,54 раза меньше расчетного сопротивления. Следовательно, катет шва в соединении следует принять $k_ { f } $ = 6 мм.

7). Проверяем прочность соединения при $k_ { f } = 6$ мм:

Проверка прочности соединения при $k_ { f } = 5$ мм показывает правильность расчета:

$А_ { w } = 2 (19,5 + 15,5) 0,6 \cdot 1,05 = 44,1$ см$^ { 2 } $;

$\tau _ { N } = 195 \cdot 10 / 44,1 = 44,2$ МПа;

$\tau _ { Q } = 30 \cdot 10 / 44,1 = 6,8$ МПа;

$I_ { zx } = 1983 см^ { 4 } ; I_ { zy } = 2754$ см$^ { 4 } $;

$\tau _ { мQ } = 30 \cdot 10^ { 3 } \cdot 12,8 / 4737 = 81$ МПа;

$\tau _ { Q { рез } } =\sqrt { 6,8^2 +81^2 +2\cdot 6,8\cdot 81\cdot 0,78 } =86,4$ МПа;

$\tau _ { м } = 24,5 \cdot 10^ { 3 } \cdot 10,3 / 2754 = 92$ МПа;

$\tau _ { мN } =\sqrt { 92^2 +44,2^2 } =102$ МПа;

$\cos \varphi =44,2\cdot 81\cdot 0,625/\left=0,25$;

$\tau _z =\sqrt { 102^2+86,4^2+2\cdot 102\cdot 86,4\cdot 0,25 } =149 < 165$ МПа.

Расчет сварного таврового соединения с разделкой кромок и неполным проваром прикрепляемого элемента на действие растягивающей силы

Элемент толщиной $t_ { m } = 30$ мм и длиной $l = 500$ мм, на которой действует сила $N = 2300$ кН, прикрепляется угловыми швами с разделкой кромок { рис. 5 } . Материал элемента — сталь марки 18Гсп $R_ { wz } = 175$ МПа. Коэффициенты условий работы $\gamma _ { wf } =\gamma _ { wz } = 1; \gamma _ { c } = 0,95$.

Рис. 5. К расчету таврового соединения с разделкой кромок элемента и неполным его проваром

Необходимо выбрать тип электрода для ручной сварки, обеспечивающей требуемую несущую способность соединения.

Расчет соединения производится по формуле, в которой расчетная длина шва $l_ { w } = 500 — 30 = 470$ мм, глубина разделки кромок $h = 10$ мм соединение типа Т9 по ГОСТ 5264-80,

$R_ { wf } \geqslant N / (2,6hl_ { w } \gamma _ { c } ) = 2300 \cdot 10 / (2,6 \cdot 1 \cdot 47 \cdot 0,95) = 198$ МПа.

Выбираем $R_ { wf } = 200$ МПа, соответствующее электродам типа Э46 и Э46А.

Производим проверку прочности по металлу границы сплавления по формуле $2300 \cdot 10 / 2,8 \cdot 1 \cdot 47 \cdot 0,95 = 184$ МПа.

Таким образом, применение электродов типа Э46 и Э46А обеспечивает необходимую несущую способность данного соединения.

Расчет сварного таврового соединения по основному металлу в сечении, перпендикулярном направлению растягивающей силы

Элемент $А$ длиной $l = 200$ мм, на который действует сила $N = 1200$ кН, прикрепляется швом с односторонней разделкой кромки к элементу Б { рис. 6 } . Оба элемента выполнены из листового проката стали марки 10ХСНД толщиной 20 мм $R_ { y } = 355$ МПа, $R_ { u } = 480$ МПа. Коэффициент условий работы $\gamma _ { с } = 1$. Необходимо рассчитать соединение по сечению $3-3$.

Рис. 6. К расчету таврового соединения по основному металлу в сечении, перпендикулярном направлению растягивающей силы

Расчет соединения производится по формуле, в которой длина шва $l_ { w } =l =200$ мм:

$R_ { th } = 0,5 \cdot 480 = 240$ МПа; $N / (1,15tl_ { w } ) = 1200 \cdot 10 / (1,15 \cdot 2 \cdot 20) = 260 > 240$ МПа.

Таким образом, необходимо увеличить толщину $t$ элемента А или длину шва $l_ { w } $. Увеличение необходимо произвести пропорционально соотношению между расчетными сопротивлениями соединяемых элементов следующим образом:

$t^ { A } = 1,74tR^ { A } _ { y } / R^ { \mbox { Б } } _ { u } $ или $l^ { A } _ { w } = 1,74l_ { w } R^ { A } _ { y } / R^ { \mbox { Б } } _ { u } $, где $t^ { A } (l^ { A } _ { w } )$ — толщина { длина } элемента А, выбираемая из условия обеспечения прочности элемента Б по сечению $3-3$.

Сварные соединения — наиболее совершенные и прочные среди неразъемных соединений. Они образуются под действием сил молекулярного сцепления, возникающих в результате сильного местного нагрева до расплавления деталей в зоне их соединения или нагрева деталей до пластического состояния с применением механического усилия.

Основные недостатки сварочных соединений: наличие остаточных напряжений из-за неоднородного нагрева и охлаждения; возможность коробления деталей при сваривании (особенно тонкостенных); возможность существования скрытых дефектов (трещин, шлаковых включений, непроваров), снижающих прочность соединений.

Виды сварки весьма разнообразны. Наиболее широко распространена электрическая сварка. Различают два основных вида электросварки: дуговую и контактную. По виду используемого источника теплоты имеется также газовая сварка. По способу защиты материала в зоне сварки применяют сварку в аргоне, под флюсом, в вакууме и т.д. По степени механизации различают ручную, полуавтоматическую и автоматическую сварку.

В зависимости от расположения свариваемых деталей различают следующие виды соединений: стыковые, нахлесточные, тавровые и угловые.

а) Стыковые при различной подготовке кромок

б) Нахлесточные соединения (фланговые, лобовые, комбинированные)

Рисунок 15

а) Тавровые соединения

б) Угловые соединения

Рисунок 16

Стыковые швы на прочность рассчитывают по номинальному сечению соединяемых элементов без учета утолщения швов. Для расчета швов используются те же зависимости, что и для целых элементов.

Напряжения растяжения (сжатия)

Рисунок 17

Допускаемое напряжение в сварных швах отмечают штрихом.

Напряжения от изгибающего момента в плоскости соединяемых элементов

Рисунок 18

Напряжение от изгибающего момента в плоскости соединяемых элементов и растягивающей (или сжимающей) силы

Рисунок 19

Нахлесточные соединения, как правило, выполняют угловыми швами. Угловые швы по расположению относительно нагрузки разделяют на: поперечные или лобовые, расположенные перпендикулярно направлению силы; продольные или фланговые, расположенные параллельно направлению силы; косые, расположенные под углом к направлению силы; комбинированные, представляющие собой сочетание перечисленных швов.

Разрушение угловых швов происходит по наименьшему сечению, совпадающему с биссектрисой прямого угла. Расчетная толщина шва k∙sin45°=0,7k. Угловой шов испытывает сложное напряженное состояние. Однако в упрощенном расчете такой шов условно рассчитывают на срез.

Рисунок 20

L — общая длина шва.

Допускаемые напряжения зависят от величины допускаемого напряжения основного материала.

В зависимости от способа сварки, качества и марки электродов φ=0,8…1; φ1=0,6…0,8.

F1∙a1-F1∙a2=0 Рисунок 21

Все угловые швы рассчитывают только по касательным напряжениям независимо от их расположения к направлению нагрузки. Комбинированные соединения лобовыми и фланговыми швами рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов.

Если соединяемая деталь асимметрична, то расчет прочности производят с учетом нагрузки, воспринимаемой каждым швом. Например, к листу приварен уголок, равнодействующая нагрузка проходит через центр тяжести поперечного сечения уголка и распределяется по швам обратно пропорционально плечам a1 и а2. Соблюдая условие равнопрочности, швы выполняют с различной длиной.

При нагружении соединения с лобовым швом моментом сил в плоскости стыка:

Рисунок 21

Соединения в тавр, нагруженные изгибающим моментом, рассчитывают как консольные, но с учетом особенностей сварки. В случае приварки балки без скоса кромок, сварные швы, как и все угловые, рассчитывают по касательным напряжениям. Расчетный момент сопротивления выражается через параметры опасных сечений сварных швов:

Если балка приварена со скосом кромок, то швы рассчитывают по нормальным напряжениям:

Прессовые соединения с гарантированным натягом >

Расчет и конструирование сварных соединений

Стыковое сварное соединение является наиболее простым и надежным. В стыковых швах при всех видах сварки плавлением концентрация напряжений имеет минимальные значения.

При действии на соединение статической нагрузки первоначальная концентрация напряжений в стыковом сварном шве не оказывает влияние на его прочность, так как из-за развития пластических деформаций происходит релаксация напряжений в точках концентрации. Поэтому расчет стыковых сварных соединений выполняют в предположении, что распределение напряжений в поперечном сечении сварного шва равномерно.

Тест на внимательность Только 5% пользователей набирают 100 баллов. Сколько баллов наберешь ты?

Узнать

Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение или

сжатие производится по формуле

N / (t lw ) ≤ Rwy γс,

где N – внешнее усилие, приложенное к соединению;

t – расчетная толщина шва, равная толщине наиболее тонкого из соединяемых элементов (местное утолщение в виде валика сварного шва в расчет не принимается); в том случае, если невозможно обеспечить полный провар по толщине свариваемых элементов путем подварки корня шва, например, при односторонней сварке или использовании остающейся стальной подкладки, в формуле вместо t следует принимать 0,7t;

lw – расчетная длина шва, равная полной ширине соединяемых элементов за вычетом 2t, учитывающих низкое качество шва в зонах зажигания (непровар) и прерывания (кратер) сварочной дуги. При условии выполнения шва с применением выводных технологических планок, позволяющих вывести начало и конец шва за пределы рабочего сечения шва, расчетная длина принимается равной полной его длине (после сварки технологические планки срезаются, а торцы шва зачищаются наждачным кругом);

Rwy – расчетное сопротивление сварного стыкового соединения, принимаемое по табл. 2.6;

γс – коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 1.3.

Расчетное сопротивление сварного стыкового шва зависит от способов контроля качества сварного шва. Расчетное сопротивление сварного стыкового шва Rwy равно расчетному сопротивлению основного металла Ry при сжатии, а также при растяжении, если применяются физические методы контроля качества сварных швов (об этом обязательно должна быть сделана запись в рабочих чертежах КМ). Если физические методы контроля качества шва, работающего на растяжение, не используются, то следует принимать Rwy = 0,85 Ry.

Так как расчетное сопротивление стали зависит от толщины проката, то в расчетах следует принимать Ry наиболее толстого из свариваемых элементов.

Расчет сварных стыковых соединений растянутых элементов конструкций из стали с соотношением Ru / γu > Ry, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, производится по формуле

N / (tlw) ≤ Rwu / γuγc,

где Ru – расчетное сопротивление проката по временному сопротивлению, (см. табл. 2.3);

γu – дополнительный коэффициент надежности, учитывающий повышенную опасность при расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления Ru и принимаемый для стали равным γu = 1,3;

Rwu – расчетное сопротивление сварного соединения по временному

сопротивлению (см. табл. 2.6).

Расчет сварных стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов (см. табл. 2.5), полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества растянутых швов.

Пример 10.1. Рассчитать и законструировать стыковое соединение листов шириной 500 мм, толщиной t1 = 10 мм и t2 = 14 мм при действии расчетного растягивающего усилия N = 1200 кН (рис. 10.26, а). Материал листов – сталь класса С245. Шов выполнен с полным проваром без применения физических методов контроля качества шва, концы шва не выведены на специальные технологические планки.

Стык выполняется ручной сваркой электродами Э42 (см. табл. 2.5).

В более толстом листе делаем скос с уклоном 1: 5, т.к. разность толщин соединяемых элементов t2 – t1 = 14 – 10 = 4 мм > 2 мм (см. табл. 10.9).

При минимальной толщине соединяемых листов t1 = 10 мм разделка кромок не требуется.

Листовой прокат из стали С245 толщиной tmax = t2 = 14 мм имеет расчетное сопротивление Ry = 240 МПа = 24 кН/см2 (см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения принимаем:

Rwy = 0,85Ry = 0,85 · 240 = 204 МПа.

Рис. 10.26. К расчету стыковых швов:

а – прямой шов; б – косой шов, выполненный с применением

выводных планок.

Расчетная длина шва lw = b – 2t1 = 50 – 2 · 1 = 48 см.

Проверяем прочность сварного стыкового шва:

σw = N / (t1 lw) = 1200 / (1 · 48) = 25 кН/см2 = 250 МПа > Rwy = 204 МПа.

Условие не выполняется, необходимо устройство косого шва.

Пример 10.2. Рассчитать и запроектировать сварное соединение косым швом встык с полным проваром и выводом начала и конца шва на технологические планки (рис. 10.26, б). Остальные условия см. пример. 10.1.

На практике косой стык устраивается с заложением 2:1, что соответствует углу α ≈ 63,5о.

Расчет прочности шва по нормальным напряжениям:

σw = N sin α / (t lw’) = 1200 ∙ 0,895 / (1 · 55,87) = 19,22 кН/см2 = 192,2 МПа <

< Rwy γc = 204 · 1 = 204 МПа,

где sin α = sin 63,5о = 0,895;

lw′ = lw / sin α = 50 / 0,895 = 55,87 см – расчетная длина косого шва.

Расчет прочности шва по касательным напряжениям:

τw = N cos α / (t lw′ ) = 1200 ∙ 0, 446 / (1 ∙ 55,87) = 9,58 кН/см2 = 95,8 МПа <

< Rws γc = 118,3 МПа,

где cos α = cos 63,5o = 0,446;

Rws = 0,58 Rwy = 0,58 · 204 = 118,3 МПа.

Прочность косого стыкового шва обеспечена как по нормальным, так и по касательным напряжениям.

При действии на соединение статической нагрузки проверка по приведенным напряжениям, как правило, не производится.

Сварные стыковые соединения, выполненные без физических способов контроля качества шва, при одновременном действии в одном и том же сечении нормальных и касательных напряжений при действии на соединение динамической нагрузки проверяются по формуле

Прочность сварного шва при скосе с заложением 2:1 не обеспечена. Уменьшаем угол наклона среза и принимаем его α = 45º (скос с заложением 1:1).

Производим повторную проверку.

Нормальные напряжения в шве

σw = N sin 45о / (t lw′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см2,

где lw′ = lw / sin 45о = 50 / 0,7 = 71,43 см.

Касательные напряжения в шве

τw = N cos 45o / (t lw′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см2.

Проверка приведенных напряжений

Прочность сварного шва обеспечена.

Пример 10.3. Проверить прочность соединения, выполненного стыковым швом, консольного листа сечением b×t = 300×8 мм к стенке стойки из тавра

15ШТ / ТУ 14-2-685-86 (толщина стенки s = 8 мм). К консоли приложена расчетная сосредоточенная сила F = 100 кН с эксцентриситетом e = 200 мм.

Конструкция относится ко второй группе и выполнена из стали С245. Сварка ручная с полным проваром шва при визуальном способе контроля качества шва. Условия работы – нормальные (рис. 10.27).

Расчетное сопротивление листового и фасонного проката из стали С245 толщиной до 20 мм Ry = 240 МПа = 24 кН/см2 (см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения (см. табл. 2.5):

– изгибу при визуальном способе контроля качества шва Rwy = 0,85Ry =

= 0,85 · 240 = 204 МПа = 20,4 кН/см2;

– сдвигу Rws = Rs = 139,2 МПа,

где Rs = 0,58 Ry = 0,58 · 240 = 139,2 МПа – расчетное сопротивление проката сдвигу.

Рис. 10.27. Прикрепление консольного листа стыковым швом

Расчетный изгибающий момент

M = Fe = 100 · 0,2 = 20 кН·м.

Поперечная сила

Q = F = 100 кН.

Момент сопротивления стыкового шва

Конструирование, работа и расчет сварных соединений

  1. E) Работа в цикле
  2. II. Работа над текстом и его оформление
  3. II. ХИМИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ, ПРИМЕНЕНИЕ В ВЕТЕРИНАРИИ
  4. IV. Работа над задачами.
  5. IV. Работа над задачами.
  6. IV. Работа над задачами.
  7. IV. Работа над задачами.
  8. IV. Работа над задачами.
  9. IV. Работа над новым материалом.
  10. IV. Работа над новым материалом.

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

lw = 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;

lw – расчетная длина шва;

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

γс – 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 Rwy, Rwu, Rws, Rwf, и Rwz следует определять по формулам таблицы 3 СНиП.

При расчете соединений элементов из стали Ru/γu>Ry, при Run>440 кН/мм2 вместо Rwy следует принимать Rwy/γn. При отсутствии физических методов контроля Rwy=0,85Ry.

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 τw и при сдвиге Rws=Rs, если Rws<Rs, 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 σwx, σwy и τwxy 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 σw в корне шва). Уменьшить концентрацию σw 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 βf·Rwf/0,45 βz·Run<1, то расчетным (опасным) является сечение по металлу шва и напряжение

(5.10)

Если βf·Rwf/0.45 βz·Run<1, то проверка прочности выполняется по металлу границы сплавления, тогда

(5.11)

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

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

При ручной сварке βf=0,7.

Из формул (5.10) и (5.11) можно определить требуемый катет шва Кf, 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 Ал и Ан – площади сечений листов и накладок, тогда усилие в накладке будет равно


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *