749 рск 21.03.2020

21.03.2020 Расчет сварных соединений при различных нагрузках и по допускаемым напряжениям

1. Изучить теоретическую часть

2. Составить опорный конспект

3. Ответить на контрольные вопросы

4. Сделать выводы по работе

Теоретическая часть

Расчет прочности сварных конструкций, работающих под пере­менными нагрузками, производится по марке металла, характе­ристике цикла r, эффективным коэффициентам концентрации на­пряжений К_э и продолжительности эксплуатации, определяемой числом циклов нагружений.

Следует подчеркнуть, что сварные соединения при переменных нагрузках рассчитываются, во-первых, с учетом прочности основ­ного металла, находящегося в зоне сварных швов, где в результате концентрации напряжений прочность существенно снижается, а во-вторых, с учетом прочности самого шва. Единая методика опреде­ления прочности сварных конструкций при переменных нагрузках отсутствует.

При проектировании строительных конструкций руководству­ются нормами СНиПа; разработаны нормативные данные для судо­строения, конструирования подъемно-транспортных машин, мосто­строения. Указанные нормы имеют некоторые различия, учитываю­щие особые условия работы.

При расчете по СНиПу основное внимание при переменных нагрузках уделяют расчету прочности основного металла в зоне сварных швов, считая, что прочность швов достаточно обеспечена расчетом на равнопрочность основному металлу при статическом нагружении. При этом эффективные коэффициенты концентрации напряжений учитываются косвенным путем. Каждый тип соедине­ния причисляется к одной из восьми условных групп. Номера этих групп для характерных сварных соединений приведены в табл.

Таблица - Эффективные коэффициенты концентрации напряжений для элементов конструкций в краностроении

  Характеристика сечения

  Группа элемента или соединения  

К_э

Основной металл с необработанной прокатной поверхностью и с прокатны­ми, обрезанными или обработанными ме­ханическим путем кромками в сечениях вне сварных швов, заклепок и болтов То же, но с кромками обрезанными газовой резкой: машинной ручной  

  2 1  

  1,0/1,0 1,2/1,2 1,8/1,4

Основной металл с необработанной прокатной поверхностью и обработанны­ми механическим путем кромками при разной ширине и радиусе перехода: r = 200 мм r = 10 мм  

  1 4

  1.0/1.0 2.0/1.6

Основной металл в месте перехода к необработанному стыковому шву с уси­лением, имеющим достаточно плавный переход: а) при стыковании листов одинако-­ вой толщины и ширины; б) при стыковании листов разной ширины или листов разной толщины с плавным переходом  

  1,8/1,4 2,5/2,0

Основной металл в месте перехода к стыковому шву обработанному в этом месте абразивным кругом или специаль­ной фрезой: а) при стыковании листов одинако- вой толщины и ширины б) при стыковании листов разной толщины или ширины  

  2 3  

  - -    

В строительных конструкциях расчет прочности наряду со СНиП II-23-81 производят с учетом расчетных сопротивлений R основного металла. Значения расчетных сопротивлений при переменных нагрузках умножают на коэффи­циент γ (γ ≤ 1):

в случае, если наибольшее напряжение растягивающее: γ =  , (4.47)

и, если наибольшее напряжение сжимающее: γ =  , (4.48)

где r - характеристика цикла; коэффициенты а, b и с.

Пример 1. Определить несущую способность прикрепления полосы шири­ной 200 мм и толщиной s = 10 мм к косынке лобовым швом длиной L₁ = 20 см и двумя фланговыми L₂ = 15 см; r - 0,2; сталь С235 (С 38/23); расчетное сопротивление R = 210 МПа для основного металла при растяжении и R_Y = 150 МПа при срезе для угловых швов. Допускаемое напряжение находим при условии, что коэф­фициент условий работы m = 0,9; коэффициент безопасности k= 1,1; число нагружений N  5·10⁶.

Допускаемые напряжения при статическом нагружении [σ]_Р = R·m/k = 210·0,9/1,1 = 172 МПа; в угловых сварных швах [τ']=R_ym/k= 150 • 0,9/1,1 = 122 МПа.

Согласно табл. 4.6, соединение относится к группе 8.

По табл. 4.7 находим коэффициенты с = 0,85 (N=5·10⁶); а = 4,8; b = 4,2;

γ= 0,85/(4,8 -0,2-4,2) =0,215, [σ]_Р·γ = 36,9 МПа.

Несущая способность сварного соединения по основному металлу в зоне сварных швов при данном циклическом нагружении:

P = b·s[σ]_Р·γ = 0,2·0,01· 36,9=0,0738 МН.

Проверяем равнопрочность сварных швов основному металлу при статиче­ском нагружении.

Для основного металла P₁ = b·s [σ]_Р = 0,2·0,01 ·172 =0,344 МН.

Для угловых швов при β = 0,7 и катете К = 1 см

Р₂ = βК(L₁+2L₂)[τ']= 0,7·0,01 (0,2 + 2·0,15)· 122 = 0,426 МН.

Так как Р₂Р₁ , то равнопрочность обеспечена и несущая способность сварного соединения при переменных нагрузках определяется найденным значением Р = 0,07380 Мн.

Пример 2. Проверить выполнение условия прочности сварного соединения в швах, прикрепляющих уголок 100х100х10 мм из стали С345 (С46/33) одним лобовым L_Л =10 см (размер уголка) и двумя фланговыми швами L_ФЛ1=20 см и L_ФЛ2= 8 см; Р = 250 кН; расчетное сопротивление на растяжение металла R = 290 МПа; на срез в угловых швах R_y = 200 МПа; число нагружений N = 10⁶. Характеристика цикла r = 0,6. Преобладающее напряжение сжимающее. Коэффициент условия работы m= 0,8, коэффициент безопасности k = 1,2.

Допускаемое напряжение в основном металле при статических нагружениях

[σ]_P = R·m/k = 290 • 0,8/1,2 = 193 МПа.

В угловом шве [τ']= R_y m/k = 200·0,8/1,2= 133 МПа.

Соединение относится к группе 8. Согласно табл. 4.6 и 4.7,

y = c/(b - a·r) =0,722.

Допускаемое напряжение в основном металле

[σ]_P ·γ= 193 • 0,722= 139,5 МПа.

Напряжение от силы Р в уголке (площадь сечения F = 19,6 см²) σ = P/F = 0,25/0,00l96= 127,5 МПа

При статическом нагружении несущая способность уголка

Р₁ = F· [σ]_P = 0,00196· 193 = 0,378 МН.

Соответственно несущая способность угловых швов

Р₂ = β·К(L_Л + L_Ф1 + L_Ф2)· [τ']= 0,7·0,01(0,1+ 0,2+ 0,08)·133 = 0,354 МН.

Так как Р₁ ≈ Р₂, то при переменных нагрузках проверка прочности сварных швов не требуется.

Выше приведена упрощенная методика расчета несущей способности при переменных (циклических) нагрузках.

СНиП II-23-81 «Стальные конструкции» предусматривает использование другой, более совершенной методики (Приложение п. 9. Расчет элементов стальных конструкций на выносливость):

σ_max ≤ α·R_v·γ_v, (СНиП II-23-81, стр. 35, формула 115),

где R_v - расчетное сопротивление усталости (СНиП II-23-81 табл. 32) в зависимости от временного сопротивления стали и группы элемента конструкции по концентрации напряжений (СНиП II-23-81 табл. 83) это минимальный уровень R_v для анализируемой конструкции;

α - коэффициент, учитывающий количество циклов нагружений (СНиП II-23-81 формулы 116 и 117);

γ_v - коэффициент, определяемый по (СНиП II-23-81 табл.33) в зависимости от вида напряженного состояния (растяжение или сжатие) и коэффициента асимметрии цикла нагружения - ρ.

Значения α и γ_v могут быть больше единицы увеличивая σ_max по сравнению с R_v.

Согласно СНиП 11-23—81, оценка несущей способности строительных конструкций и соединений производится по предельным состояниям.

Строительные конструкции следует рассчитывать на силовые воздействия, при которых они перестают удовлет­ворять заданным эксплуатационным требованиям.

Предельные состояния подразделяются на две группы.

К первой группе, соответствующей потере не­сущей способности или непригодности к эксплуатации, относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; хрупкое, вязкое, усталостное или иного характера разрушение; разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятного влия­ния внешней среды; качественное изменение конфигура - цни; резонансные колебания; состояния, при которых воз­никает необходимость прекращения эксплуатации в ре­зультате текучести материала, сдвигов в соединениях; пол­зучести и чрезмерного раскрытия трещин.

Ко второй группе относятся: предельные состоя­ния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструк­ций или снижающие долговечность их вследствие появле­ния недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний, трещин и т. д.

В строительных организациях в основу расчета по ме­тоду предельного состояния положены так называемые расчетные сопротивления R, значения которых равны от­ношению предела текучести от к коэффициенту надежности k„.

Для низкоуглеродистых сталей номинальное сопроти­вление R составляет примерно 0,9 от.

При расчете по этому методу находят величину допу­скаемых усилий в элементах. Допускаемые усилия опреде­ляют с учетом коэффициента надежности k„ и коэффициента условий работы т, учитывающих специфический характер

работы конкретных объектов рассматриваемой области

техники. Коэффициенты k„ и т определяют для стропиль­ных ферм зданий, резервуаров, трубопроводов и т. п. на основе всестороннего изучения работы конструкции.

Допускаемые усилия для элемента при продольной силе определяют по формуле

NMn

где А — площадь поперечного сечения.

Расчетное усилие N должно быть меньше или равно Ni0„.

Аналогичным путем находят допускаемый момент при нзгибе:

Mloa = RmW/kH, (3.2)

где W — момент сопротивления сечения.

Из формул (3.1) и (3.2) видно, что величина Rm/k„ представляет собой, по существу, допускаемое напряжение. Коэффициенты т и ku неодинаковы не только для разных изделий, но в некоторых случаях и для элементов одной конструкции. Таким образом, по этому способу для разных конструкций расчет производится по различным допускае­мым напряжениям.

Коэффициенты условий работы некоторых элементов, согласно СНиПу, имеют следующие значения; для балок и сжатых элементов ферм, перекрытий т=0,9 для сжатых основных элементов (кроме опорных) решетчатых ферм при их гибкости А.^60, т=0,8; для сжатых раскосов простран» ствснных решетчатых конструкций нз одиночных уголков плоских ферм т=0,75 для колонн жмлых и общественных зданий, а также в подкрановых балках дія кранов грузо­подъемностью более 5 т т=0,9.

Расчетные сопротивления R дія основного металла при­ведены в табл. 3.2, которые составляют приблизительно 0,95 от нормального значения предела текучести стт.

Для указанных марок сталей предназначены разные марки электродной проволоки и флюсов при автомати­ческой сварке, а также электродов — при ручной.

Для сварных стыковых соединений, работающих при напряжениях изгиба, растяжения, сжатия, в случае приме­нения автоматической, полуавтоматической или ручной сварки с последующим контролем швов физическими ме­тодами расчетные сопротивления принимаются равными расчетным сопротивлениям основного металла конструк­ции по пределу прочности и соответственно по пределу текучести.

При отсутствии физических методов контроля расчет­ные сопротивления принимаются равными 0,85 от предела текучести от.

При сдвиге в стыковых соединениях расчетные сопротив­ления в швах равны сопротивлениям на сдвиг в основном металле.

Для сварных угловых швов по металлу расчетное сопро­тивление составляет 0,55 от расчетного сопротивления по пределу прочности, по границе сплавления — 0,45 от рас­четного сопротивления.

В основу расчета машиностроительных конструкций и соединений положены допускаемые напряжения, которые устанавливаются в зависимости:

от свойств материалов (при улучшении механических свойств допускаемые напряжения повышаются);

от степени точности расчета прочности (чем точнее производится расчет прочности и полнее учитываются нагрузки, действующие на конструкцию, тем меньше при­нимаемый коэффициент запаса прочности, а следовательно, выше допускаемое напряжение);

от рода усилий (растяжение, сжатие, изгиб, срез); от качества технологического процесса (особенно при установлении допускаемых напряжений в сварных соеди­нениях);

от характера нагрузок (при переменных нагрузках допускаемое напряжение понижается по сравнению со статическими).

Допускаемое напряжение — это фактор технико-эко­номический.

Если напряжения в конструкции существенно заниже­ны относительно допускаемых о

Если, напротив, напряжения в конструкции а1,05 Ыр, 10 это означает, что несущая способность спроекти­рованной конструкции менее требуемой. При отсутствии особых обстоятельств (временный характер эксплуатации и др.) конструкцию следует признать неполноценной с по­зиции надежности.

Наиболее желательным является случай, при котором

Допускаемые напряжения при растяжении [а]р обычно называют основными. Допускаемые напряжения при дру­гих видах усилий определяют как производные от 1о)

В машиностроении в конструкциях, работающих под статическими нагрузками, в большинстве случаев допу­скаемые напряжения назначаются в зависимости от предела текучести от и определяются отношением 1о1р=ат/*, (*,= — 1,3. . .1,5); в более редких случаях — в зависимости от предела прочности — а і [о]р=ав/*, (*,=2,0. . .2,4).

При сжатии коротких элементов, в которых продольный изгиб не может иметь места, допускаемое напряжение 1о)сж принимается равным [о)р. При сжатии длинных элементов [о)сж принимается равным! o)p

Для стальных конструкций допускаемые напряжения на изгиб [о]„ принимаются равными [ст]р. При срезе допу­скаемое напряжение изменяется в зависимости, согласно положенной в расчет теории прочности. Обычно допускае­мое напряжение на срез определяется из соотношения [т|= = (0,5. . .0,6)[о]р. В других случаях — в зависимости от предела прочности ал.

Допускаемые напряжения в швах машиностроительных конструкций устанавливаются в зависимости от допускае­мых напряжений основного металла с учетом надлежащего подбора присадочного материала — электродов, электрон­ной проволоки, флюсов. Эго положение позволяет проекти­ровать сварные соединения, равнопрочные основному ме­таллу, не производя определения величины усилий, дей­ствующих на них; кроме того, при конструировании соеди­нений в этом случае нет необходимости учитывать многие переменные величины, влияющие на выбор коэффициентов запаса прочности разрабатываемой конструкции (степень точности расчета и т. п.).

С технологической стороны способ установления допу­скаемых напряжений в сварных соединениях вполне оправ­дан. При сварке автоматом под флюсом или в среде защит­ных газов, а также контактным способом механические свой­ства швов зависят в значительной степени от механических свойств основного металла и электродного, подбираемого к основному.

Прочность углового шва по наименьшему его попереч­ному сечению на срез составляет 0,6. . .0,65 от допускае­мого напряжения на листовой детали (о1р.

Наиболее существенными факторами, влияющими на механические свойства соединений н швов, а также на зна­чения допускаемых напряжений в них, являются качество выполнения и вид технологического процесса сварки.

Сварные соединений сталей, выполненные дуговой свар­кой, по определению допускаемых напряжений делятся на две группы.

К первой группе относятся швы низкоуглеро­

дистых сталей обыкновенного качества и низколегирован­ных, у которых механические свойства швов и зоны терми­ческого влияния соответствуют свойствам основного метал­ла.

Ко второй группе относят швы сталей со спе­циальными свойствами: высокопрочные, коррозионно-устойчивые и т. д., у которых свойства швов или металла око - лошовной зоны ниже свойств основного металла.

При сварке низкоуглероднетых сталей марки СтЗ, для которой допускаемое напряжение 1о1р=160 МПа, допускае­мые напряжения в швах, выполненных автоматической сваркой или ручной электродами Э42А, будут следующие: [о']р=160 МПа, [о')сж=160 МПа (без учета жесткости), (т']=100 МПа, где 1т'J—допускаемое напряжение в шве при срезе.

При стыковой контактной сварке, а также при стыковой сварке трением и холодным способом в соединении могут быть приняты те же допускаемые напряжения, что и в сты­ковых соединениях при сварке дуговым методом при усло­вии, если технологический процесс отработан и позволяет

получить стабильные высокие механические свойства сое­динений.

Для соединений, выполненных точечной контактной и шовной сваркой, допускаемые напряжения среза в точке устанавливаются в зависимости от свойств металла и отра­ботки технологического процесса. В точках и швах допу­скаемые напряжения среза для низкоуглеродистых и неко­торых низколегированных сталей могут составлять 0,5 от допускаемых напряжений (о)р основного металла при срезе и О. ЗІоїр при отрыве.

Для швов второй группы сталей допускаемые напряже­ния назначаются на основе специально проведенных экспе­риментов в условиях, соответствующих работе проектируе­мой сварной конструкции, видам соединений и т. д.

Аналогичным образом допускаемые напряжения назна­чаются на основе специальных экспериментов для соеди­нений сталей первой группы прн сварке холодным спосо­бом, трением, ультразвуком и другими специальными ме­тодами.

Определение действительного распределения напряже­ний с учетом их концентрации в элементах и соединениях бывает трудным и при оценке работы конструкции, нагру­женной статически, в большинстве случаев себя не оправ­дывает.

Излагаемые ниже методы расчета прочности ставят зада­чи оценить несущую способность, т. е. допускаемое усилие для проектируемых объектов и соединений, не определяя действительного распределения напряжений. Проектант принимает упрощенную схему напряженного состояния без учета концентрации напряжений, которая для него стано­вится руководящей. Несущая способность конструкции определяется по разрушающему напряжению

Контрольные вопросы

1. Предельные состояния подразделяются на какие группы?

2. Расчетные сопротивления сталей.

3. Напишите формулы для расчета.

4. Выводы.

21.03.2020 Расчет площади поперечного сечения шва для производства сварных изделий с заданными свойствами.

1. Изучить теоретическую часть

2. Составить опорный конспект

3. Ответить на контрольные вопросы

4. Сделать выводы по работе

Теоретическая часть

Стыковые - соединяются торцами (а). Имеют наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий, экономичны. Толщина элементов не ограничена. Соединение = прямым или ко­сым швом.

Ус иливают на­кладками – комбинир. (б).

Стыковые наиболее рациональны, но требуют дополнительной разделки кромок.

Работа и расчет стыковых швов

Прочность при растяжении или сжатии зависит от характеристик металла и шва.

При действии N распределение напряжений по длине шва принимается равно­мерным, рабочая толщина шва = меньшей из толщин элементов. Напряжение в шве (а)  Rсв — расчетное сопротивление сварного стыкового соединения сжатию или растяжению, у — коэффициент условий работы элемента.

Расчетное сопротивление стыкового соединения при сжатии соединения Rсв=R.

При Rсв ≤ Rосновного металла то шов делают косым (с проверкой) (б). Рассчёт косых швов: перпендикулярно шву

вдоль шва 

а и б — на продольную силу; в — на изгиб

При действии изгибающего момента (в) 

где  — момент сопротивления шва.

Соединения встык, работающие на нормаль­ные напряжения и срез, проверяют

1. 8.Сварные соединения с угловыми швами. Расчет и конструирование.

Угл овые - элементы расположены под углом (г).

Валиковые швы - эле­менты, расположенны в разных плоскостях.

Фланговые - параллельно осевому усилию.

Лобовые - перпендикулярно усилию (рассчитывают условно).

Работа и расчет соединений, выполненных угловыми швами

- соединения внахлестку.

Фланговые работают на срез и изгиб. Разрушение может происходить по металлу шва, по осн. металлу на границе его сплавления с металлом шва.

Велики напряжения в корне шва.

Рассматриваем воз­можность разрушения шва от условного среза:

По металлу шва 

По границе сплавления с металлом шва 

βш и βс — коэфф. глубины проплавления - в зависимости от вида сварки

Lш =L-10мм, RВш—расчетное сопротивление срезу металла шва;

Rувс—расчетное сопротивление срезу (условному) металла границы сплавления.

Удобнее определять необходимую длину швов, задаваясь их толщиной kш:  kш = меньшей из толщин элементов,

Толщина шва исходя из его возможной расчетной длины: 

Напряжения от силы сдвига и момента:

По металлу шва 

По металлу границы сплавления 

Площади швов должны быть распределены обратно пропорционально расстояниям от шва до оси элемента.

при общей требуемой площади швов - 

Площадь большего шва на «обушке» уголка 

Площадь меньшего шва на «пере» уголка 

1. 9.Достоинства и недостатки болтовых соединений. Виды болтов, применяемые в строительных мк. Разновидности болтовых соединений.

Болтовые = раньше сварных. Простота и надежность в работе.

Они более металлоемки, имеют накладки, ослабляют отверстиями.

Болты грубой и нормальной точности - отклоне­ния диаметра 1 мм и 0,52 мм (для бол­тов d≤30 мм). Они = из углеродистой стали. Класс прочности болтов (5.6). Первое число = 50 = временное сопро­тивление (σ_в кгс/мм2), а 5*6=30 — пре­дел текучести материала (σ_т кгс/мм2).

Отверстия на 2—3 мм больше диаметра болта - облегчает посадку болтов (преимущество). Но это повышает деформативность соеди­нения при работе на сдвиг. Эти болты = крепеж­ные.

Бо лты повышенной точности - из углеродистой стали. d отверстия = +0,3 мм от диаметра болта.

Болты сидят плотно и хорошо воспринимают сдвигающие силы. Сложность изготовления и постановки болтов = применяются редко.

Высокопрочные болты - из легированной стали, терми­чески обрабатывают. Они = нормальной точности, отверстия большего ди­аметра, но гайки затягивают спец-ключом. Силы трения пре­пятствуют сдвигу элементов относительно друг друга. Высокопрочный болт работает на осевое растяжение.

Необходима одинаковая толщина элементов, а то несущая спо­собность болта резко уменьшается.

Применяют клееболтовое. Преиму­щества - простота устройства; По качеству - не уступают сварке, но уступают ей по расходу металла.

Самонарезающие болты - на­личие резьбы. Материал - сталь термоупрочненная. d=6 мм для прикрепления профилированного настила к прогонам и элементам фах­верка. Преимущество - доступ к конструкции только с одной стороны.

Фундаментные (анкерные) болты - передачи растягивающих усилий с колонн на фундамент. Материал - стали марок ВСтЗкп2, 09Г2С и 10Г2С1.

Сварное нахлесточное соединение выполняют фланговыми, лобовыми или косыми угловыми швами. Угловые швы в конструкциях часто не предназначены для передачи нагрузок, т.к. обладают высокой концентрацией напряжений. Основными характеристиками углового шва являются  – катет и  – рабочая высота (определяет наименьшее сечение в плоскости, проходящей через биссектрису прямого угла, по которому происходит разрушение – срез), см. рис. 4.13. Обычно для шва  , оптимальная величина катета -  . Величина нахлестки  должна быть не менее  ( ).

Рис. 4.13.

Длину лобовых и косых швов в нахлесточном соединении не ограничивают, а длину фланговых швов  ограничивают интервалом  , т.к. в швах длинной менее 30 мм концентрация напряжений достаточна велика (особенно на концах шва), а при длинных швах существует высокая неравномерность в распределении касательных напряжений.

Условие прочности нахлесточного соединения выполненного фланговым швом (рис. 4.6.) имеет вид:

.

Применяют также комбинированные швы, состоящие из фланговых и лобовых и косые швы (рис. 4.7. и рис. 4.8.): ,

где  - периметр комбинированного шва;  - периметр косого шва.

Примеры расчета сварных нахлесточных соединений:

1). Соединение нагружено растягивающей силой  (рис. 4.14).

,

где  - момент сопротивления сечения шва при изгибе.

3). Соединение нагружено растягивающей силой F и изгибающим моментом  (рис. 4.16).

;

- для углового шва (рис. 4.3., б) расчет проводят по напряжениям среза:

задают в долях от допускаемого напряжения на растяжение основного металла  :

- при срезе.

При переменных нагрузках значения допускаемых напряжений снижают умножением на коэффициент  :

,

где  - эффективный коэффициент концентрации напряжений;  - коэффициент асимметрии цикла;  и  - числовые коэффициенты.

Верхние знаки в этой формуле принимают, если больше абсолютное значение растягивающего напряжения, а нижние - сжимающего.

Для углеродистых сталей принимают  и  , а для низколегированных  и  . Значение эффективных коэффициентов концентрации напряжений  для стали принимают в зависимости от типа сварного шва:

- для стыковых швов;

- для лобовых швов;

- для фланговых швов.

Пути повышения прочности сварных соединений:

- применение соответствующего типа сварки и электрода (в зависимости от вида нагрузки и расположения деталей);

- равномерное нагружение сварных швов (симметрично относительно действующей нагрузки);

- применение соответствующего профиля сварного шва (вогнутого, специального и т.д.);

- применение нескольких сварных швов (тем самым увеличиваем общую длину шва и соответственно уменьшаем действующие напряжения).

Контрольные вопросы

1. Перечислите порядок расчета стыковых швов.

2. Перечислите мероприятия по устранению остаточных напряжений.

3. Перечислите порядок расчета нахлесточных швов.

4. Перечислите мероприятия по устранению остаточных напряжений.

5. Выводы.

21.03.2020 Расчет элемента машиностроительной конструкции.

1. Изучить теоретическую часть

2. Составить опорный конспект

3. Ответить на контрольные вопросы

4. Сделать выводы по работе

Теоретическая часть

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При проектировании сварных соединений следует:

принимать минимально необходимое количество и минимальные размеры сварных швов;

предусматривать применение высокопроизводительных механизированных способов сварки;

предусматривать применение эффективных сварочных материалов (электродов, электродных проволок, защитных газов, флюсов);

предусматривать такое расположение и размеры сварных швов, при которых максимально сокращалась бы необходимость кантовки конструкций при их изготовлении, а также уменьшились бы размеры соединяемых деталей;

обеспечивать свободный доступ к местам наложения швов и удобное пространственное положение с учетом выбранного способа и технологии сварки и принятого метода неразрушающего контроля шва.

1.2. Сокращение массы наплавленного металла при проектировании сварных соединений и элементов конструкций достигается путем повышения расчетных сопротивлений соединений с угловыми швами за счет применения эффективной технологии сварки и электродных материалов; соблюдения требований по назначению минимально допустимых катетов угловых швов, устанавливаемых в зависимости от наибольшей толщины свариваемых элементов, вида сварки и механических свойств стали; применения односторонних угловых швов в поясах сварных двутавров, при приварке ребер жесткости, диафрагм и других деталей, а также уменьшения количества деталей в элементах конструкций или их размеров (применения односторонних ребер жесткости, исключения фасонок в решетчатых конструкциях или уменьшения их размеров в связи с повышением расчетных сопротивлений соединений с угловыми швами и др.).

1.3. При проектировании сварных соединений следует учитывать, что увеличение сечений швов по сравнению с регламентированными в главе СНиП II-23-81 не только не повышает работоспособность конструкций, но в ряде случаев снижает ее.

КОНСТРУИРОВАНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

4.1. Общие требования к конструкции сварных соединений, направленные на повышение их надежности и работоспособности, а также технологичности, изложены в пп. 12.2-12.3 и 12.6-12.8 главы СНиП II-23-81.

4.2. Одним из наиболее важных условий сокращения удельного расхода наплавленного металла в конструкциях при выполнении конструктивных и слабонагруженных угловых швов является назначение минимальных катетов швов в соответствии с табл. 38 главы СНиП II-23-81, размеры которых зависят от толщины свариваемых элементов, предела текучести стали, вида сварки и вида соединения.

4.3. При проектировании сварных соединений с угловыми швами необходимо учитывать, что количество наплавленного металла пропорционально квадрату катета шва. Поэтому завышение k_f даже на 1 мм приводит к значительному перерасходу наплавленного металла. Например, увеличение массы наплавленного металла в швах k_f = 10 мм по сравнению с k_f = 9 мм составляет почти 20 %, а в швах k_f = 6 мм по сравнению с k_f = 5 мм - более 40 %.

Из двух расчетных угловых швов с одинаковым расчетным сечением экономичнее по расходу наплавленного металла тот, который имеет меньший катет (и соответственно большую длину).

4.4 (12.9). Для прикрепления ребер жесткости, диафрагм и поясов сварных двутавров допускается применять односторонние угловые швы, катеты которых k_f следует принимать по расчету, но не менее указанных в табл. 38 главы СНиП II-23-81.

Применение односторонних угловых швов не допускается в конструкциях:

группы 1; эксплуатируемых в среднеагрессивной и сильноагрессивной средах; возводимых в климатических районах I₁, I₂, II₂ и II₃.

Указанные ограничения не распространяются на односторонние угловые швы, выполненные с проваром на всю толщину прикрепляемого элемента.

Общие положения о применении односторонних угловых швов в элементах конструкций изложены ниже в данном разделе пособия, примеры применения приведены в прил. 4.

4.5 (12.10). Для расчетных и конструктивных угловых швов в проекте должны быть указаны вид сварки, электроды или сварочная проволока, положение шва при сварке.

Положение шва при сварке необходимо указывать для расчетных угловых швов, так как оно определяет величину коэффициентов β_f и β_z, входящих в расчетные формулы. В случае, когда на стадии проектирования положение шва неизвестно, оно должно быть указано предположительно, а при разработке деталировочных чертежей (КМД) уточнено с соответствующей корректировкой величины k_f углового шва.

4.6. При применении прерывистых швов и электрозаклепок в соответствии с п. 12.13 главы СНиП II-23-81расстояние между соседними концами участков прерывистого шва должно составлять не более 18t для сжатых элементов и не более 24t для растянутых элементов (t - толщина наиболее тонкого из свариваемых элементов).

Расчет таврового соединения с разделкой кромок элемента с неполным его проваром (рис. 1) на действие продольной и поперечной сил рекомендуется производить по двум сечениям по формулам:

по металлу шва

N / (2,6 hl_w) ≤ R_wf γ_wf γ_c;                                                     (5)

по металлу границы сплавления

N / (2,8 hl_w) ≤ R_wz γ_wz γ_c,                                                    (6)

где h - глубина разделки кромок, значения которой следует принимать согласно соответствующему стандарту на основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений; l_w - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на t_m, или полной его длине в случае вывода концов шва за пределы стыка.

В формулах (5) и (6) учтено наличие двух швов в соединении.

Тавровые соединения с разделкой кромок (рис. 1) целесообразно применять в случаях, когда катеты швов должны быть k_f  14 мм. При этом назначение разделки кромок должно производиться с учетом технологических возможностей производства.

Пример расчета соединения в соответствии с рекомендациями настоящего пункта приведен в прил. 3 (пример 5).

Рис. 1. К расчету таврового соединения с разделкой кромок элемента и неполным его проваром

3.10. Тавровые соединения с лобовыми угловыми швами, рассчитываемые на действие растягивающей силы (пп. 3.3 и 3.9) по двум сечениям, следует рассчитывать также на растяжение по основному металлу в сечении, перпендикулярном направлению действия силы (рис. 2, сечение 3-3).

В соединении с двухсторонним швом без разделки кромок (рис. 2а) расчет по сечению 3-3 следует производить по формуле

N / (2,8 β_f k_f l_w) ≤ R_th γ_c;                                                     (7)

в соединении с двухсторонним швом и k-образной разделкой кромок расчет по сечению 3-3 следует производить по формулам:

при полном проваре прикрепляемого элемента (рис. 2, б)

N / (1,3 tl_w) ≤ R_th γ_c;                                                           (8)

при частичном проваре прикрепляемого элемента (рис. 2, в)

N / [2 (h + 0,15t) l_w] ≤ R_th γ_c;                                             (9)

в соединении с односторонним швом и разделкой кромок при полном проваре прикрепляемого элемента (рис. 2, г) расчет по сечению 3-3 следует производить по формуле

N / (1,15 tl_w) ≤ R_th γ_c.                                                         (10)

В формулах (7) - (10): l_w - длина шва, принимаемая равной его полной длине; t - толщина прикрепляемого элемента; h - глубина разделки кромок; R_th - расчетное сопротивление растяжению в направлении толщины проката, которое следует принимать R_th = 0,5 R_u.

Рис. 2. К расчету таврового соединения по основному металлу в сечении, перпендикулярном направлению растягивающей силы

Расчет соединений по сечению 3-3 не следует производить в следующих случаях:

в соединениях с двухсторонним угловым швом без разделки кромок (рис. 2, а), а также с разделкой кромок и частичным проваром прикрепляемого элемента (рис. 2, в) - при соблюдении соотношения между значениями временного сопротивления свариваемых элементов R^A_un ≤ R^Б_un;

в соединениях с двухсторонним угловым швом и k-образной разделкой кромок (рис. 2, б) - при соблюдении соотношения значений характеристик прочностных свойств R^A_yn ≤ 0,65 R^Б_un.

Расстояние между краями элементов решетки и пояса в узлах сварных ферм с фасовками следует принимать равным a = 6t - 20 мм, но не более 80 мм (t - толщина фасонки, мм) (рис. 3 Пособия).

4.8 (13.9). Между торцами стыкуемых элементов поясов ферм, перекрываемых накладками, следует оставлять зазор а не менее 50 мм (рис. 4 Пособия).

4.9. Сварные швы, прикрепляющие элементы решетки фермы к фасовкам, следует выводить на торец элемента на длину 20 мм (рис. 5). Лобовые швы по торцам элементов решетки применять не рекомендуется, поскольку из-за увеличения остаточных сварочных напряжений ухудшаются условия эксплуатации фасонки.

4.10 (13.10). В узлах ферм с поясами из тавров, двутавров и одиночных уголков крепление фасонок к полкам поясов встык следует осуществлять с проваром на всю толщину фасонки (рис. 6 Пособия).

В конструкциях группы 1, а также эксплуатируемых в климатических районах I₁, I₂, II₂ и II₃ стыковые швы, прикрепляющие фасонки к полкам поясов, следует выполнять согласно рис. 6б.

Рис. 3. Узел фермы с фасовками

Рис. 4. Стык поясов ферм с накладками

Рис. 5. Схемы выведения швов на торец элемента

Рис. 6. Узел фермы с фасовкой, привариваемой встык к элементу сечения пояса

а - для климатических районов II₄ и II₅; б - для климатических районов I₁, I₂, II₂, II₃.

4.11. В узлах ферм с поясами из двутавров, тавров и одиночных уголков, в которых фасонки прикреплены к полкам поясов стыковыми швами, допускается пересечение угловых швов нахлесточных соединений раскосов со стыковыми швами.

Конструкции сварных соединений в колоннах

4.12. В центрально-сжатых колоннах и стойках двутаврового сечения допускается применять односторонние поясные швы. При этом в узлах крепления связей, балок, распорок и других элементов в зоне передачи усилия следует применять двухсторонние поясные швы, выходящие за контуры прикрепляемого элемента (узла) на длину 30k_f с каждой стороны (рис. 7).

4.13 (13.13). Угловые швы, прикрепляющие фасонки соединительной решетки к колоннам внахлестку, следует назначать по расчету и располагать с двух сторон фасонки вдоль колонны в виде отдельных участков в шахматном порядке; при этом расстояние между концами таких швов не должно превышать 15 толщин фасонки (15t, рис. 8 Пособия).

Рис. 7. Расположение двухстороннего поясного шва в колонне в узле примыкания балки

Рис. 8. Расположение швов, прикрепляющих фасонку соединительной решетки колонны

Рис. 9. Монтажный стык колонны с накладками

В конструкциях, возводимых в климатических районах I₁, I₂, II₂ и II₃, а также при применении ручной дуговой сварки швы должны быть непрерывными по всей длине фасонки.

4.14. При прикреплении колонн к опорным плитам толщиной более 80 мм катеты угловых швов следует устанавливать по табл. 38 главы СНиП II-23-81, принимая толщину плиты равной 80 мм.

4.15. В монтажных стыках колонн, выполняемых на накладках со сварными швами, швы следует не доводить до стыка на 25 мм с каждой стороны (рис. 9) или обеспечить зазор в стыке не менее 50 мм. Накладки рекомендуется применять прямоугольной формы.

Конструкции сварных соединений в балках

4.16 (13.25). Поясные швы сварных балок, а также швы, присоединяющие к основному сечению балки вспомогательные элементы (например, ребра жесткости), должны выполняться непрерывными. При этом допускается применение односторонних поясных швов в сварных двутавровых балках, несущих статическую нагрузку, и швов, прикрепляющих вспомогательные элементы.

4.17. При применении односторонних поясных швов в сварных двутавровых балках должны быть выполнены следующие требования:

расчет устойчивости стенок балок должен быть произведен в соответствии с требованиями пп. 7.2 и 7.3 главы СНиП II-23-81;

расчетная нагрузка должна быть приложена симметрично относительно поперечного сечения балки (СНиП II-23-81, п. 13.26);

устойчивость сжатого пояса балки должна быть обеспечена в соответствии с п. 5.16а главы СНиП II-23-81, а именно путем применения сплошного жесткого настила, непрерывно опирающегося на сжатый пояс балки и надежно с ним связанного (плиты железобетонные, плоский и профилированный металлический настил,волнистая сталь и т.п.);

в местах приложения к поясу балки сосредоточенных нагрузок, включая нагрузки от ребристых железобетонных плит, должны быть установлены поперечные ребра жесткости (СНиП II-23-81, п. 13.26).

В ригелях рамных конструкций у опорных узлов следует применять двухсторонние поясные швы, протяженность которых должна быть не менее высоты сечения ригеля (рис. 10).

В балках и ригелях рамных конструкций, рассчитываемых согласно требованиям пп. 5.18-5.23 главы СНиП II-23-81 (с учетом развития пластических деформаций), применение односторонних поясных швов не допускается.

4.18 (13.28). В сварных двутавровых балках конструкций групп 2-4 следует, как правило, применять односторонние ребра жесткости с расположением их с одной стороны балки.

Расчет устойчивости одностороннего ребра жесткости следует производить согласно требованиям пп. 7.10-7.13 главы СНиП II-23-81.

В балках с односторонними поясными швами ребра жесткости на стенке следует располагать со стороны, противоположной расположению односторонних поясных швов (рис. 11).

4.19 (13.27). Ребра жесткости сварных балок должны быть удалены от стыков стенки на расстояние не менее 10 толщин стенки. В местах пересечения стыковых швов стенки балки с ребром жесткости швы,прикрепляющие ребро к стенке, следует не доводить до стыкового шва на 40 мм (рис. 12 Пособия).

Рис. 10. Расположение двухстороннего поясного шва в опорном узле ригеля

Рис. 11. Расположение односторонних ребер жесткости в балке с односторонними поясными швами

Рис. 12. Взаимное расположение стыковых швов и ребер жесткости на стенке балки

Рис. 13. Примыкание ребер жесткости к элементам сечения сварной балки

4.20. Торцы вертикальных ребер жесткости сварных балок в местах примыкания их к поясам [(за исключением нижних торцов опорных ребер, а также ребер, располагаемых со стороны, противоположной односторонним поясным швам (см. рис. 11)] должны иметь скосы, размеры которых рекомендуется принимать 40×40 мм (рис. 13).

В табл. 1 и 2 в скобках указаны марки проволок, рекомендуемых в дополнение к табл. 55 главы СНиП II-23-81.

Звездочкой * отмечены марки проволок, которые рекомендуется применять при специальном обосновании.

Расчет угловых сварных швов на прочность обязателен при любом напряженно- деформированном состоянии элемента. Как уже отмечалось при рассмотрении основных видов сварных швов, и при растяжении, и сжатии, и при изгибе, и в любом другом напряженном состоянии рассматриваемого элемента конструкции на одном из катетов углового сварного шва всегда будут действовать касательные напряжения.

При этом на второй катет сварного шва могут действовать растягивающие (сжимающие) нормальные напряжения и (или) касательные напряжения в зависимости от напряженно деформированного состояния рассматриваемого элемента конструкции и положения шва в пространстве.

В целом основные положения, принимаемые при расчете угловых сварных швов, такие же как и при расчете остальных элементов конструкции.

Так как сопротивление металла сдвигу или срезу при действии касательных напряжений значительно меньше сопротивления растяжению, сжатию или изгибу при действии нормальных напряжений, то расчет угловых сварных швов (расчет на условный срез) сводится к определению касательных напряжений, которые должны быть меньше расчетного сопротивления.

Предполагается, что разрушение углового сварного шва может произойти в двух плоскостях: по металлу шва и по границе сплавления, поэтому расчет угловых швов производится для этих двух сечений:

Рисунок 529.3. Расчетные сечения угловых швов

А теперь рассмотрим возможные напряженные состояния элементов, соединяемых угловыми швами, более подробно.

Расчет угловых сварных швов производится по следующим формулам:

Основные виды сварных соединений с угловыми швами.

И лобовые и фланговые швы рассчитываются на условный срез

т_wf = N/(β_fk_fl_w) ≤ R_wfγ_c (531.1)

где N - значение продольной растягивающей (или сжимающей) силы, приложенной по оси, совпадающей с центром тяжести сечения (без эксцентриситета). Может измеряться в кгс, тс, Н, кН;

β_f - безразмерный коэффициент, определяемый по следующей таблице:

"Стальные конструкции")

Примечание: почему при расчетах я рекомендую пользовать именно этой таблицей, а не таблицей из актуализированной редакции указанного СНиПа, достаточно подробно объясняется в статье, посвященной рассмотрению основных видов сварных швов.

k_f - катет углового шва. Принимается по конструктивным требованиям или согласно расчету. Измеряется в мм или см.

l_w - суммарная длина угловых швов с учетом непровара в начале и в конце шва. Например, если рассчитывается один угловой шов длиной l, то его расчетная длина составит:

l_w = l - 2t (529.1.1)

где t - толщина наименьшей из свариваемых деталей.

В целом произведение β_fk_fl_w - это и есть площадь рассматриваемого сечения.

R_wf - расчетное сопротивление срезу по металлу шва. Определяется по следующей таблице:

Таблица 530.2. Расчетные сопротивления сварных соединений (согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции")

Примечания:

1. Значения коэффициентов надежности по металлу шва γ_wm следует принимать:

γ_wm = 1,25 - при R_wun ≤ 490 Н/мм² (4900 кг/см²);

γ_wm = 1,35 - при R_wun ≥ 590 Н/мм² (5900 кг/см²)

Значения R_wun и R_f определяются по следующей таблице:

(согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции")

Примечание:

В ныне неактуальном СНиП II-23-81* и старых справочниках, таблица вида 530.2 сопровождалась следующими примечаниями:

1. Для угловых швов, выполняемых ручной сваркой, значения R_wun принимают равными значениям временного сопротивления разрыву металла шва (σ_в) согласно ГОСТ 9467-75*.

Приводить здесь таблицу из ГОСТа, по которой можно определить временное сопротивление разрыву шва, я не буду. Просто скажу, что в маркировке электродов это значение уже указано в кгс/мм². Например:

- для электродов Э38 R_wun = σ_в = 38 кгс/мм² (3800 кгс/см²)

- для электродов Э42А R_wun = σ_в = 42 кгс/мм² (4200 кгс/см²) и так далее вплоть до Э150 (сейчас такие марки электродов даже и не рассматриваются).

На мой взгляд это учень удобно, тем не менее сейчас все принято выражать в единицах системы СИ, что и отображено в таблице 531.1.

γ_с - коэффициент условий работы элементов конструкций и соединений, принимаемый по следующей таблице:

Коэффициенты условий работы элементов и соединений стальных конструкций (согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции")

т_wz = N/(β_zk_fl_w) ≤ R_wzγ_c (531.2)

где β_z - безразмерный коэффициент, определяемый по таблице 529.2.

R_wz - расчетное сопротивление металла на границе сплавления, определяемое по таблице 530.2, где R_un - нормативное сопротивление проката, определяемое по следующей таблице:

(согласно ГОСТ 27772-88 для стальных конструкций зданий и сооружений)

Тут добавлю, что при центральном растяжении или сжатии элемента из свариваемых деталей во фланговых швах на обеих катетах шва будут действовать касательные напряжения. В лобовых швах на одном из катетов будут действовать растягивающие или сжимающие нормальные напряжения, имеющие такое же значение, как и касательные напряжения на втором катете.

Я это все к тому, что иногда в справочниках напряжения, определяемые для других видов напряженно-деформированного состояния обозначаются как нормальные, т.е. литерой "σ". Формально тут большой ошибки нет и делается это больше для того, чтобы различать напряжения, возникающие при действии изгибающего момента и других возможных воздействий. Но все равно нельзя забывать, что расчет производится именно на условный срез, т.е. на действие касательных напряжений, имеющих, впрочем, такое же значение, как нормальные на втором катете. А вот направления действия касательных напряжений действительно могут быть разными, что мы вскоре и увидим.

Расчет сварных соединений с угловыми швами при действии изгибающего момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов

Т.е. в данном случае имеется в виду, что через рассматриваемые швы можно провести одну плоскость и эта плоскость будет перпендикулярна плоскости действия момента. К положению плоскости, в которой может произойти разрушение шва, данная формулировка никакого отношения не имеет.

Как правило  такая ситуация возникает при расчете сварного соединения втавр двухсторонними швами (рисунок 529.2.г)) или односторонними швами (рисунок 529.3). При этом угловые швы рассчитываются на условный срез

2.1. по металлу шва (сечение 1 на рисунке 529.3):

М/W_f ≤ R_wfγ_c (531.3)

2.2. по металлу границы сплавления (сечение 2 на рисунке 529.3):

М/W_z ≤ R_wzγ_c (531.4)

где М - значение изгибающего момента, определяемое по эпюре "М".

W_f и W_z - моменты сопротивления расчетных сечений сварного соединения по металлу шва и по границе сплавления с металлом соответственно.

Например при соединении втавр двухсторонними швами моменты сопротивления составят:

W_f = 2(β_fk_fl_w²/6) = β_fk_fl_w²/3 (531.3.1)

W_z = 2(β_zk_fl_w²/6) = β_zk_fl_w²/3 (531.4.1)

Как правило, разделив момент М на момент сопротивления W, мы определяем нормальные напряжения, поэтому в некоторых старых учебниках и справочниках (например: А.П.Мандриков, Примеры расчета металлических конструкций, М.-1991) формулы (531.3) и (531.4) имеют другую форму записи, примерно такую:

σ_wf = М/W_f ≤ R_wfγ_c (531.3.2)

σ_wz = М/W_z ≤ R_wzγ_c (531.4.2)

Но сути это не меняет.

Примечания:

1. В СНиП II-23-81* и старых справочниках значение расчетного сопротивления R_wf и R_wz при всех возможных расчетных случаях дополнительно умножалось на коэффициенты условий работы шва γ_wf или γ_wz соответственно.

Значение этих коэффициентов принималось равным 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I₁ (согласно ГОСТ 16350-80: очень холодный, среднемесячная температура воздуха в январе от -50 до -30), I₂ (холодный, температура от -30 до -15), II₂ (арктический восточный, температура от -28 до -18) и II₃ (арктический западный, температура от -30 до -2), для которых γ_wf = 0.8 при R_wun = 410 МПа и γ_wz = 0.85 для всех сталей.

На мой взгляд данное ограничение значения расчетного сопротивления вводилось с целью уменьшения риска хрупкого разрушения сварного соединения при низких температурах. Сейчас оно не действует, но думаю, знать о нем надо.

2. Вообще-то это примечание следовало сделать при рассмотрении первого раздела, но он и так получился перенасыщенным информацией, поэтому оставлю это примечание здесь.

Расчет угловых швов при действии изгибающего момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости швов и действии продольной силы N

Подобная ситуация часто встречается при расчете разного рода опорных площадок, поэтому я выделил ее в отдельный раздел, хотя в СП 16.13330.2011 такой вариант загружения отдельно не рассматривается.

Тем не менее, при загружении опорной площадки некоторой силой, приложенной с эксцентриситетом, возникает следующая ситуация, которую я решил проиллюстрировать картинкой из все того же А.П.Мандрикова:

Рисунок 531.1.

В этом случае угловые швы рассчитываются на условный срез

3.1. по металлу шва:

(т_wf² + σ_wf²)^1/2 ≤ R_wfγ_c (531.5)

3.2. по металлу границы сплавления:

(т_wz² + σ_wz²)^1/2 ≤ R_wzγ_c (531.6)

где значение касательных напряжений определяется в зависимости от рассматриваемого сечения по формулам (531.1) и (531.2), а значение условно нормальных напряжений - по формулам (531.3.2) и (531.4.2) соответственно.

Примечание:

Конечно же согласно требований ныне действующих нормативных документов более правильно вести речь только о касательных напряжениях относительно осей хи у. Т.е. т_wf = т_y, σ_wf = т_х и так далее, но как уже говорилось, на окончательные результаты расчета это ни как не влияет, при этом старый подход выглядит более наглядным.

4. Расчет угловых швов при действии изгибающего момента М в плоскости сварных швов

Подобная ситуация часто встречается при расчете стыковых соединений с накладками, т.е. при одновременном использовании и лобовых и фланговых швов (см. рисунок 529.2.в)), а также при соединении внахлест лобовыми или фланговыми швами (см. рисунок 529.2.а) и б)). Это означает, что как и в предыдущем случае касательные напряжения действуют как вдоль оси х, так и вдоль оси у. Соответственно задача сводится к определению равнодействующей этих двух напряжений. Расчет в этом случае выполняется по следующим формулам:

4.1. по металлу шва:

т_М = М(х² + у²)^1/2/(I_fx + I_fy) ≤ R_wfγ_c (531.7)

4.2. по металлу границы сплавления:

т_М = M(x² + y²)^1/2/(I_zx + I_zy) ≤ R_wzγ_c (531.8)

где х и у - координаты рассматриваемой точки сварного соединения относительно главных осей х-х и у-у. Как правило рассматриваемая точка максимально удалена от центра тяжести О расчетного сечения.

I_fx, I_fy, I_zx, I_zy - моменты инерции рассматриваемых сечений швов относительно главных осей.

Так как рассчитываемые швы находятся в одной плоскости с действующим моментом, то для определения указанных моментов инерции необходимо кроме катета, длины шва и соответствующих коэффициентов также знать расстояние между швами, чего не требовалось при рассмотрении швов, находящихся в плоскости, перпендикулярной плоскости действия момента.

В нормативных документах вопросу определения моментов инерции для угловых сварных швов внимания не уделяется, но на мой взгляд это достаточно сложный вопрос и вообще его рассмотрению следует посвятить отдельную статью, а пока ограничимся следующим примером:

При соединении внахлест только лобовыми швами и при расстоянии между центрами тяжести лобовых швов, равном l (центры тяжести и расстояние l на рисунке 529.2.а) не показаны), значения моментов инерции для сечения металла шва составят:

I_fx = 2β_fk_fl_w³/12 = β_fk_fl_w³/6 (531.9)

I_fу = 2β_fk_f³l_w/12 + 2(l/2)²β_fk_fl_w = β_fk_f³l_w/6 + l²β_fk_fl_w/2 (531.10)

5. Расчет угловых швов при действии момента М, продольной N и поперечной V сил в плоскости сварных швов

Это наиболее общий случай напряженно-деформированного состояния, проиллюстрированный в СП 16.13330.2011 следующим образом:

Расчетная схема сварного соединения с угловыми швами в общем случае загружения.

Расчет в этом случае выполняется по следующим формулам:

5.1. по металлу шва:

т_f ≤ R_wfγ_c (531.11)

5.2. по металлу границы сплавления:

т_z ≤ R_wzγ_c (531.12)

где т_f и т_z - касательные напряжения в рассматриваемой точке расчетного сечения сварного соединения по металлу шва и по металлу границы сплавления, определяемые по формуле:

т = ((т_N + т_Мх)² + (т_V + т_Му)²)^1/2 (531.13)

где т_N и т_V - касательные напряжения, определяемые по формулам (531.1) и (531.2), а т_Мх и т_Му - горизонтальная и вертикальная составляющие касательных напряжений при действии момента, определяемые по следующим формулам:

т_Мх = Мх/I_y (531.14)

т_Му = Му/I_х (531.15)

Но и это еще не все. При проектировании строительных конструкций необходимо также соблюдать конструктивные требования, предъявляемые к сварным соединениям.

Контрольные вопросы

1. Правила проектирования сварных соединений.

2. Расчетные сопротивления сварных соединений.

3. Отчего зависит несущая способность сварных соединений с угловыми швами.

4. Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение и сжатие.

5. Расчет угловых швов при центральном растяжении.

6. Расчет сварных соединений с угловыми швами при действии изгибающего момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов.

7. Расчет угловых швов при действии изгибающего момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости швов и действии продольной силы N.

8. Расчет угловых швов при действии изгибающего момента М в плоскости сварных швов.

9. Выводы.