Проектирование центрально сжатых стальных элементов

Стержневые элементы проектируют из одиночного фасонного металлопроката либо объединяют его в группы обычно по два профиля в одном элементе (2), (рис. 6.19). Наибольшее распространение получили составные стержни из спаренных швеллеров или уголков, образующих тавровое или крестовое сечение. Для обеспечения совместной работы уголков (швеллеров) устанавливают прокладки – «сухарики» из листовой стали, расстояние между которыми не должно превышать 40 i для сжатых элементов и 80 i для растянутых (i – радиус инерции относительно собственной оси, параллельной прокладке, одного швеллера или одного уголка при тавровом сечении; при крестовом сечении – минимальный радиус инерции уголка). В пределах длины сжатого стержня должно быть установлено не менее двух прокладок. Одна прокладка, поставленная в середине стержня, оказывается бесполезной, поскольку в этом месте сдвигающая сила при изгибе стержня отсутствует.

Определив требуемую площадь поперечного сечения, вы можете подобрать по сортаменту нужный профиль.

Гибкость стержня не должна превышать предельного значения.

 

В металлических конструкциях широко применяются работающие на центральное сжатие колонны и стержни. Колонны применяются для поддержания междуэтажных перекрытий и покрытий здания. Стержни работают в составе конструктивных элементов и комплексов тяжелых решетчатых ферм и рам. Их расчет и конструирование производиться одинаково.

Целью проектирования центрально сжатого элемента является определение его геометрических размеров сечения.

При выборе типа колонны необходимо стремиться получить наиболее экономичное решение, учитываю величину нагрузки, удобство примыкания поддерживаемых конструкций, условия эксплуатации, возможность изготовления и наличие сортамента.

Прежде всего, надо решить принимать ли колонну сплошной или сквозной.

Выбор условий раскрепления колонны в двух ортогональных плоскостях.

Проверку по прочности следует делать только для тех элементов, у которых ослаблено сечение, а в большинстве случаев несущая способность колонны определяется ее устойчивостью.

нагрузка на элемент

площадь сечения элемента

расчетное сопротивление стали сжатию по пределу текучести

коэффициент условия работы

коэффициент продольного изгиба, в зависимости от гибкости

Задавшись типом сечения колонны, определяем требуемую площадь сечения:

Задавшись гибкостью элемента и найдя соответствующий коэффициент продольного изгиба, определяем в первом приближении требуемую площадь и требуемый радиус инерции соответствующей заданной гибкости.

расчетная длинна колонны, зависит от способа раскрепления колонны

Зависимость радиуса инерции от типа сечения колонны приближенно выражается формулами: , отсюда определяют требуемые генеральные размеры сечения колонны: и . Требуемые размеры корректируются также по конструктивным и производственным соображениям. коэффициент для определения соответствующих радиусов инерции для наиболее распространенных сечений. Установив генеральные размеры b и h, подбирают толщину поясных листов и стенки исходя из требуемой площади колонны .

Откорректировав значения А, b, h производим проверку сечения:

и напряжения:

 

 

6. Виды сварных швов. Конструктивные требования к сварным соединениям

Вид сварного соединения определяется взаимным расположени­ем свариваемых элементов. Различают стыковые, угловые, тавровые и нахлесточные соединения (рис. 4.4).

Стыковые соединения (рис.4.4, а) наиболее рациональны по рас­ходу присадочного металла и удобны для контроля качества сварного шва. Для обеспечения равномерного сквозного проплавления выби­рают рациональную форму подготовки кромок (рис.4.5). Разделку кромок применяют в том случае, когда односторонняя или двусто­ронняя сварка не позволяет обеспечить полный провар. Форма подготовки кромок зависит от толщины свариваемого металла и способа сварки.

Нахлесточные соединения (рис. 4.4, 6) просты в сборке, обеспечи­вают возможность подгонки размеров за счет регулирования вели­чины нахлестки, не требуют подготовки кромок. Недостатками нахлесточных соединений являются изменение на­правления силового пото­ка и возможность образо­вания щели между эле­ментами. Неравномерное распределение силового потока вызывает концен­трацию напряжений, и поэтому такие соединения не рекомендуется применять в конструкциях воспринимающих переменные или динамические нагрузки, а также эксплуатируемые при низ­ких температурах; проникновение влаги в щель между соединяемы­ми элементами может привести к щелевой коррозии и разрушению сварных швов за счет распирающего воздействия продуктов корро­зии.

Угловые и тавровые соединения ("рис. 4.4, в, г) применяют при из­готовлении сварных стержней (двутавров, швеллеров) и других кон­структивных элементов. Для качественного выполнения сварного шва также предусматривают различные формы подготовки кромок (рис. 4.5, б, в).

Сварные соединения, выполненные контактной сваркой, определя­ются видом сварки. При точечной сварке соединение нахлесточное (рис.4.6, а). Точечной контактной сваркой соединяют элементы, имеющие малые толщины - от долей до нескольких миллиметров.

Однако не рекомен­дуется выполнять то­чечные соединения элементов, отношение толщин которых > 3.

В сварном точечном соединении при­няты следующие обо­значения (рис.4.6):

d- диаметр точки; t -шаг точек; t₁-t₁- рас­стояние от центра сварной точки до края детали в направ-лени действия внешнего усилия N; t₂ - расстояние от центра сварной точки до сво­бодной кромки в направлении, перпендикулярном действию силы N. Значния t₁ и t₂ нормируются с учетом технологических факторов.

Точки в сварном соединении следует располагать таким образом, чтобы они работали преимущественно на срез, а не на отрыв.

Шовная контактная сварка допускает возможность соединять элементы от весьма малых толщин до суммарной толщины 4... 6 мм из сталей и алюминиевых сплавов. При шовной сварке между со­единяемыми элементами образуется шов путем постановки ряда то­чек, перекрывающих друг друга.

Стыковая контактная сварка эффективно используется при сварке изделий в массовом производстве - арматуры железобетонных конструкций, стержней решетчатых и сплошных конструктивных элементов при безотходной технологии производства. Контактным способом получают стыковые соединения элементов с круглыми, квадратными, прямоугольными трубчатыми, профильными сечения­ми. Наиболее хорошо соединяются элементы одинакового попереч­ного сечения.

Для получения качественных контактных стыковых соединений диаметры d₁ и d₂ соединяемых элементов круглого поперечного се­чения, а также толщины труб s₁ и s₂, не должны отличаться друг от друга более чем на 15 % (рис.4.6 ).

Расчет на прочность стыков, выполненных контактной стыковой сваркой и воспринимающих статическую нагрузку, обычно не про-

изводят. При этом считают, что стык равнопрочен стали сваривае­мых элементов.

Классификация сварных швов производится по различным при­знакам в зависимости от условий изготовления и эксплуатации сварных конструкций.

По форме поперечного сечений швы подразделяют на стыковые и угловые. Стыковые швы выполняют в сварных стыковых соединени­ях, угловые швы используют в угловых, тавровых и нахлесточных соединениях.

По форме разделки кромок свариваемых элементов швы подразде­ляются на: без разделки; V - образные; U - образные; К - образные; Х-образные.

По положению в пространстве швы в момент их выполнения подразделяют на нижние, вертикальные, горизонтальные и потолоч­ные (рис. 4.7). Такое деление вызвано технологическими особенно­стями выполнения швов, оказывающими влияние на качество швов и их прочность. Наиболее просто выполняются швы в нижнем по­ложении и наиболее трудно - в потолочном. Поэтому при конструи­ровании сварных соединений необходимо стремиться обеспечивать возможность выполнения сварных швов в нижнем положении, осо­бенно в условиях монтажа.

По назначению сварные швы делят на рабочие, предназначенные для восприятия или передачи расчетных усилий, и связующие, предназначенные для соединения частей элементов конструкций в одно целое.

По протяженности швы бывают сплошные и прерывистые. Пре­рывистые швы применяют в тех случаях, когда сплошные швы яв­ляются слабо нагруженными или в соединениях не требуется созда­ние герметичности.

Конструктивные требования к сварным соединениям

Надежная работа сварных соединений обеспечивается не только правильным выбором сварочных материалов и качественным вы­полнением проекта, но и обеспечением высокого качества исполне­ния сварных соединений. Чтобы сварной шов был выполнен с вы­соким качеством, необходимо обеспечить удобные условия произ­водства сварочных работ. Наиболее удобно выполнять сварные швы в нижнем положении. Удобство доступа к месту сварки электродом или держателем электродной проволоки определяет качество сварного шва. Поэтому разработаны специаль­ные габаритные схемы выполнения сварочных работ при ручной и механизированной видах сварки. При конструировании сварных со­единений необходимо учитывать эти схемы, так как в противном случае сварные швы не могут быть выполнены. На рис. 4.21, а представлена габаритная схема при выполнении автоматической сварки трактором ТС-17М, а на рис.4.21, 6 - ручной сварки.

Необходимо также предусматривать такое расположение сварных швов, чтобы максимально сокращалась необходимость кантовки конструкции при ее изготовлении.

Чтобы уменьшить сварочные деформации конструкции при ее изготовлении, необходимо стремиться к наименьшему объему на­плавленного металла. Швы должны иметь толщину, соответствую­щую расчету. Следует избегать пересечения швов, близкого их рас­положения друг к другу.

Толщину стыковых швов принимают равной меньшей из толщин соединяемых элементов. При выполнении стыковых швов на дета­лях больших толщин для обеспечения их качества необходимо пре­дусматривать разделку кромок соединяемых элементов. При сварке листов разной толщины или ширины следует делать односторонний или двусторонний скос кромок с уклоном не более 1:5, что обеспе­чивает плавное распределение силового потока. Устройство стыков без скосов по толщине разрешается при разнице толщин листов не более 4 мм и не более 1/8 толщины тонкого листа

Сварные стыковые соединения листовых деталей следует, как правило, выполнять прямыми с полным проваром и с применением выводных планок. В монтажных условиях допускается односторон­няя сварка с подваркой корня шва или сварка на остающейся сталь­ной подкладке. В последнем случае в расчетах следует принимать толщину шва, равную 0,7 t, где t - наименьшая толщина сваривае­мых деталей.

Катеты угловых швов k_f должны приниматься по расчету, но быть не менее значений, представленных в табл. 4.5. Это вызвано необходимостью обеспечить расчетную глубину проплавления угло­вого шва, что предусмотрено методикой расчета сварных соедине­ний с угловыми швами.

Минимальные катеты угловых швов необходимо назначать при выполнении связующих (не расчетных) швов.

Максимальный катет угловых швов k_f = 1,2 t, где t - наименьшая толщина соединяемых элементов.

При сварке вдоль кромок прокатных профилей, имеющих скругления, наибольшую толщину углового шва k_f при статической и ди­намической нагрузках рекомендуется принимать не более указанных ниже:

Швы различной толщины выполняют сварочным током разной силы, поэтому для упрощения сварочных работ в одной отправочной марке следует иметь не более двух-трех типоразмеров швов.

В нахлесточных соединениях длина нахлестки должна быть не менее пяти толщин наиболее тонкого из свариваемых элементов. При этом наименьшая расчетная длина углового шва l_f должна быть не менее 4k_f и не менее 40 мм. Это конструктивное требование вы­звано тем, что в начале и конце шва имеют место дефекты - непро­вар и кратер.

В конструкциях, воспринимающих статические нагрузки, соот­ношения размеров катетов угловых швов следует принимать, как правило, 1:1. При разных толщинах свариваемых элементов допуска­ется принимать швы с разными катетами. При этом катет, примы­кающий к более тонкому элементу, должен быть не более 1,2 t, где t - толщина этого элемента, а катет, примыкающий к более толстому элементу, - не менее указанного в табл.4.5.

В конструкциях, работающих на динамические и вибрационные нагрузки, а также в конструкциях так называемого северного испол­нения (климатические районы I₁, I₂, II₂ и II₃), угловые швы следует выполнять вогнутыми с соотношением катетов 1:1,5, причем боль­ший катет должен быть направлен вдоль действующего усилия. Вогнутые швы должны специально оговариваться в проекте.

Примечания: 1. В конструкциях из стали с пределом текучести более 53 кН/см², а также из всех сталей при толщине элементов свыше 80 мм минимальные катеты угловых швов принимаются по специальным техническим условиям.

2 В конструкциях группы 4 минимальные катеты односторонних угловых швов следует уменьшать на 1 мм при толщине свариваемых элементов до 40 мм включи­тельно и на 2 мм - при толщине элементов более 40 мм.

3. К механизированным видам сварки относятся автоматическая и полуавтома­тическая.

При проектировании сварных соединений необходимо назначить катеты угловых швов такими, чтобы их можно было заварить за один проход, так как устройство многослойного шва тре­бует значительных затрат на зачистку поверхности уже выполнен­ных сварных швов от шлака и брызг.

Рис. 4.4. Типы сварных соединений

 

Рис. 4.6. Соединения контактной сваркой

 

 

Рис. 4.5. Форма подготовки кромок свариваемых элементов

Рис. 4.7. Классификация сварных швов по положению в пространстве

 

Рис. 4.21. Ограничение габаритов сечений по условиям сварки