Основні конструктивні вимоги

Класифікація зварних швів

За конструктивними ознаками розрізняють стикові, кутові, прорізні шви.

Стиковими швами з'єднують елементи, які розміщені в одній площині. Ці шви створюють найменші концентрації напружень, але при з'єднуванні елементів значної товщини, для забезпечення повного провару, необхідні додаткові обробки граней.

 

Рис. 4.1. Стикові шви

Кутові шви утворюються при наплавленні у куті між гранями елементів. Шви, паралельні лінії дії зусиль, називають фланговими, а перпендикулярні – лобовими.

 

Флангові шви Лобові шви

Рис. 4.2. Типи кутових швів

Кутові шви створюють значні концентрації напружень.

Прорізні шви утворюються при заповненні металом прорізів та отворів у з'єднуваних елементах. До цього виду належать електрозаклепки, які утворюються завдяки проплавленню наскрізь одного з елементів.

За призначенням шви поділяють на робочі (розрахункові), які передають зусилля близькі до їх несучої здатності, та конструктивні, що служать для фіксації елементів.

За протяжністю розрізняють шви суцільні та переривисті.

За положенням у просторі під час зварювання шви поділяють на нижні, вертикальні, стельові.

 

Рис. 4.3. Положення швів у просторі:

І – нижнє; ІІ – вертикальне; ІІІ – стельове.

Найпродуктивнішим є автоматичне зварювання. Воно поширене для з¢єднання елементів балок (так звана зварка “в човник”). Автоматичне зварювання виконується під шаром флюсу.

Напівавтоматичне зварювання в середовищі вуглекислого газу чи аргону менш продуктивне, але при цьому можливе виконання швів будь-якого просторового положення.

Види зварних з¢єднань

Є такі види з¢єднань:

1) стикові виконують за допомогою стикових швів –

2) таврові та кутові з¢єднання виконуються кутовими швами

При динамічних навантаженнях такі з¢єднання повинні бути з повним проваром зварних швів.

3) з¢єднання внапуск утворюють з допомогою кутових швів

Такі з¢єднання не потребують підготовки елементів і дуже прості. Але на відміну від стикових з¢єднань, з¢єднання внапуск мають значні концентрації напружень, що погіршує їхню роботу при динамічних навантаженнях.

Для усіх зварних з¢єднань найчастіше застосовуються суцільні шви. Застосування переривистих швів, прорізних швів та електрозаклепок обмежене. Їх можна використовувати у несучих конструкціях, на які діють статичні навантаження, а також у допоміжних елементах (тобто у конструкціях, які належать до 4 групи).

Стикові з¢єднання

Такі з¢єднання мають найменші концентрації напружень і матеріаломісткість. Найчастіше стикові шви застосовуються при з¢єднанні листового металу, але можна таким способом з'єднувати і профільну сталь. На початку і на кінці швів може бути непровар металу. Щоб цього уникнути, кінці шва виводять на тимчасові технологічні планки, які після закінчення зварювання зрубують.

 

Рис. 4.4. Стикове з'єднання за допомогою тимчасових технологічних планок

Для зменшення концентраторів напружень, які пов'язані зі зміною товщини, треба зняти метал шва, який виступає за межі товщини з'єднуваних елементів.

Завдання розрахунку – забезпечити необхідну міцність шва. При дії осьових зусиль (N) напруження у шві перевіряють за вимогами СНиП II-23-81 п. 11.1.

t_min – найменша товщина елементів, що з'єднуються; l _w – розрахункова довжина шва;

а) при наявності тимчасових вивідних планок l _w = l

б) інакше l _w = l -2×t_min

R_wy – розрахунковий опір металу шва. Його значення приймають за рекомендаціями норм (таблиця 3 СНиП):

R_wy = R_y – для стиску або для розтягу при наявності фізичних методів контролю якості шва; R_wy = 0,85 R_y – для розтягу і згину без фізичних методів контролю якості шва.

Якщо конструкція розраховується з допущенням пластичних деформацій, то замість R_wy треба вживати розрахунковий опір металу шва за межею міцності R_wu та коефіцієнт надійності g_u.

R_wu = R_w (розрахунковий опір за межею міцності) – при наявності фізичних методів контролю.

Якщо напруження у шві перевищують характеристики міцності металу шва, стиковий шов виконують навскіс.

Кут закладення шва приймають 1:2. Таке з¢єднання при правильному підборі матеріалів для зварювання і повному проварові товщини не потребує розрахунку.

Не треба розраховувати з¢єднання з перпендикулярними швами при виведенні швів на тимчасові технологічні планки та при фізичних методах контролю якості шва. У цьому випадку і площа і розрахунковий опір металу шва відповідають основному металу.

При дії на шов згинальних моментів

Де - момент опору шва.

У випадку роботи шва на зріз розрахунок виконують за середніми значеннями дотичних напружень

Де - розрахунковий опір металу шва на зріз дорівнює розрахунковому опору металу на зсув.

При одночасній дії нормальної сили і згинального моменту напруження є алгебраїчною сумою

Коли у з¢єднанні одночасно діють нормальні та дотичні напруження, то перевірка виконується за приведеними напруженнями

1,15 – коефіцієнт, що враховує зміну міцності матеріалу при складному напруженому стані

З'єднання на болтах

У будівництві використовують болти грубої і нормальної точності, підвищеної точності та високоміцні. Крім того, використовують спеціальні анкерні болти та самонарізні болти, які використовуються для кріплення профільованого настилу до прогонів.

Діаметр болтів 10-48 мм. Довжина болтів зумовлена товщиною елементів, що з'єднується і змінюється у широких межах 30-300 мм.

Болти грубої та нормальної точності використовують у монтажних з'єднаннях для фіксації елементів. Встановлюють болти в отвори, діаметр яких більший за діаметр болтів на
2-3 мм. Отвори формують в окремих з'єднуваних деталях шляхом пробивання чи свердлення.

При дії великих зсувних зусиль використовують болти підвищеної точності та високоміцні болти.

Отвори для болтів підвищеної точності повинні відповідати діаметру болтів. Можливе відхилення +0,3 мм. Цим досягається щільний контакт між болтом і стінкою отвору. Отвори в цих з'єднуваних деталях повинні співпадати, тому отвори просвердлюють у зібраному пакеті або використовують кондуктори, які забезпечують точне розміщення отворів.

Залежно від міцності матеріалу болти грубої, нормальної та підвищеної точності об΄єднують у класи, які позначають двома числами, розділеними крапкою. Наприклад: 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 8.8; 10.9. Перше число, помножене на 100, приблизно позначає найменше значення межі міцності (МПа), а добуток першого числа на друге, збільшений у 10 разів, значення межі текучості (МПа).

Приймають клас болтів згідно з рекомендаціями норм відповідно до напруженого стану, умов роботи (розтяг або зсув) та кліматичних особливостей району будівництва, табл. 57 СНиП II-23-81*. Клас міцності гайок повинен відповідати міцності болтів.

Під головки болтів грубої, нормальної та підвищеної точності та гайки обов'язково повинні встановлюватися круглі шайби. У місцях прилягання головки болтів до похилих площин ставлять косі шайби.

Болти грубої, нормальної та підвищеної точності виготовляють з маловуглецевих сталей (наприклад, 20, 35X, 40X, 38XА). Високоміцні болти виготовляють лише з високоміцних сталей 40X ”селент”, 35X2AФ (леговані хромом, азотом, ванадієм). Застосовують їх у з'єднаннях, які працюють на зсув. Найбільш часто використовуються болти діаметром 20, 24, 30 мм. Позначають болти так М20, М24, М30.

Анкерні (фундаментні) болти передають зусилля розтягу на фундамент. Діаметр анкерних болтів 12-140 мм. Сталь ВСт3КП2, 09Г2С, 10Г2С1.

Класифікація зварних швів

За конструктивними ознаками розрізняють стикові, кутові, прорізні шви.

Стиковими швами з'єднують елементи, які розміщені в одній площині. Ці шви створюють найменші концентрації напружень, але при з'єднуванні елементів значної товщини, для забезпечення повного провару, необхідні додаткові обробки граней.

 

Рис. 4.1. Стикові шви

Кутові шви утворюються при наплавленні у куті між гранями елементів. Шви, паралельні лінії дії зусиль, називають фланговими, а перпендикулярні – лобовими.

 

Флангові шви Лобові шви

Рис. 4.2. Типи кутових швів

Кутові шви створюють значні концентрації напружень.

Прорізні шви утворюються при заповненні металом прорізів та отворів у з'єднуваних елементах. До цього виду належать електрозаклепки, які утворюються завдяки проплавленню наскрізь одного з елементів.

За призначенням шви поділяють на робочі (розрахункові), які передають зусилля близькі до їх несучої здатності, та конструктивні, що служать для фіксації елементів.

За протяжністю розрізняють шви суцільні та переривисті.

За положенням у просторі під час зварювання шви поділяють на нижні, вертикальні, стельові.

 

Рис. 4.3. Положення швів у просторі:

І – нижнє; ІІ – вертикальне; ІІІ – стельове.

Найпродуктивнішим є автоматичне зварювання. Воно поширене для з¢єднання елементів балок (так звана зварка “в човник”). Автоматичне зварювання виконується під шаром флюсу.

Напівавтоматичне зварювання в середовищі вуглекислого газу чи аргону менш продуктивне, але при цьому можливе виконання швів будь-якого просторового положення.

Види зварних з¢єднань

Є такі види з¢єднань:

1) стикові виконують за допомогою стикових швів –

2) таврові та кутові з¢єднання виконуються кутовими швами

При динамічних навантаженнях такі з¢єднання повинні бути з повним проваром зварних швів.

3) з¢єднання внапуск утворюють з допомогою кутових швів

Такі з¢єднання не потребують підготовки елементів і дуже прості. Але на відміну від стикових з¢єднань, з¢єднання внапуск мають значні концентрації напружень, що погіршує їхню роботу при динамічних навантаженнях.

Для усіх зварних з¢єднань найчастіше застосовуються суцільні шви. Застосування переривистих швів, прорізних швів та електрозаклепок обмежене. Їх можна використовувати у несучих конструкціях, на які діють статичні навантаження, а також у допоміжних елементах (тобто у конструкціях, які належать до 4 групи).

Стикові з¢єднання

Такі з¢єднання мають найменші концентрації напружень і матеріаломісткість. Найчастіше стикові шви застосовуються при з¢єднанні листового металу, але можна таким способом з'єднувати і профільну сталь. На початку і на кінці швів може бути непровар металу. Щоб цього уникнути, кінці шва виводять на тимчасові технологічні планки, які після закінчення зварювання зрубують.

 

Рис. 4.4. Стикове з'єднання за допомогою тимчасових технологічних планок

Для зменшення концентраторів напружень, які пов'язані зі зміною товщини, треба зняти метал шва, який виступає за межі товщини з'єднуваних елементів.

Завдання розрахунку – забезпечити необхідну міцність шва. При дії осьових зусиль (N) напруження у шві перевіряють за вимогами СНиП II-23-81 п. 11.1.

t_min – найменша товщина елементів, що з'єднуються; l _w – розрахункова довжина шва;

а) при наявності тимчасових вивідних планок l _w = l

б) інакше l _w = l -2×t_min

R_wy – розрахунковий опір металу шва. Його значення приймають за рекомендаціями норм (таблиця 3 СНиП):

R_wy = R_y – для стиску або для розтягу при наявності фізичних методів контролю якості шва; R_wy = 0,85 R_y – для розтягу і згину без фізичних методів контролю якості шва.

Якщо конструкція розраховується з допущенням пластичних деформацій, то замість R_wy треба вживати розрахунковий опір металу шва за межею міцності R_wu та коефіцієнт надійності g_u.

R_wu = R_w (розрахунковий опір за межею міцності) – при наявності фізичних методів контролю.

Якщо напруження у шві перевищують характеристики міцності металу шва, стиковий шов виконують навскіс.

Кут закладення шва приймають 1:2. Таке з¢єднання при правильному підборі матеріалів для зварювання і повному проварові товщини не потребує розрахунку.

Не треба розраховувати з¢єднання з перпендикулярними швами при виведенні швів на тимчасові технологічні планки та при фізичних методах контролю якості шва. У цьому випадку і площа і розрахунковий опір металу шва відповідають основному металу.

При дії на шов згинальних моментів

Де - момент опору шва.

У випадку роботи шва на зріз розрахунок виконують за середніми значеннями дотичних напружень

Де - розрахунковий опір металу шва на зріз дорівнює розрахунковому опору металу на зсув.

При одночасній дії нормальної сили і згинального моменту напруження є алгебраїчною сумою

Коли у з¢єднанні одночасно діють нормальні та дотичні напруження, то перевірка виконується за приведеними напруженнями

1,15 – коефіцієнт, що враховує зміну міцності матеріалу при складному напруженому стані

Основні конструктивні вимоги

1. Правильний підбір матеріалів для зварювання (табл. 55 СНиП додаток 2).

2. Повний провар товщини з'єднуваних елементів, для чого використовують підварювання кореня шва та зварювання на металевій підкладці, що залишається. Ці способи найчастіше застосовують при зварюванні в умовах монтажу.

3. Використання механізованих способів зварювання, що дають найвищу якість шва.

4. При динамічних навантаженнях напливи металу шва, які виступають за межі поверхні з'єднуваних елементів, рекомендується знімати механічною обробкою.

5. Використання тимчасових вивідних планок.

З¢єднання на кутових швах

З¢єднання кутовими швами виконуються внапуск, в тавр, кутом, за допомогою накладок. З¢єднання може бути виконане фланговими чи лобовими швами, а також їх поєднанням.

З¢єднання внапуск

 

Рис. 4.5. До розрахунку кутових швів

У з¢єднаннях на флангових швах характер розподілу напружень як по ширині з¢єднання, так і по довжині – нерівномірний. Основна частина зусилля передається поблизу кінців шва і при довгих флангових швах їхня середня частина не бере участь у передачі зусиль. Руйнування швів відбувається від кінців до середини. Лобові шви передають зусилля по ширині з'єднуваних елементів більш рівномірно. Найбільша концентрація напружень спостерігається у корені шва біля щілини. Зменшити напруження можна збільшенням глибини провару або шляхом влаштування пологих (а) та вгнутих швів (б).

 

Рис. 4.6. Методи зменшення концентрації напружень в кутових швах

Ще одним шляхом зменшення напружень у лобових швах є механічна обробка елементів з метою плавного переходу від одного елемента до іншого.

 

Рис. 4.7

Внаслідок значних концентрацій напружень у шві його руйнування є крихким.

Руйнування флангових і лобових швів може відбуватися:

· за наплавленим металом (переріз 1-1)

· за межею сплавлення металу шва з основним металом (переріз 2-2)

 

Рис. 4.8. До розрахунку кутових швів

Розрахунок кутових швів відбувається залежно від умовного зрізу металу на одній з площин перерізу (тобто за наплавленим металом або за межею сплавлення).

Розрахунок на умовний зріз за наплавленим металом шва

.

Розрахунок на умовний зріз за межею сплавлення

,

де N – зусилля (розтягуючи або стискуючи), які діють в елементах; К_f – катет шва;
l _w = (l- 2K_f) – розрахункова довжина кутового шва з урахуванням непровару на кінцях шва, l – геометрична довжина шва; b_f, b_z – коефіцієнти переходу від катета шва K_f до ширини відповідної площини руйнування.

Значення коефіцієнтів b_f та b_z залежить від виду зварювання, положення шва у просторі, катета шва, діаметра дроту для зварювання. Значення коефіцієнтів вміщені у СНиП II– 23-81* табл. 34 стор. 39. Діапазон зміни коефіцієнтів становить b_f=0,7…1,10; b_z=1,0…1,15.

g_wf, g_wz – коефіцієнти умов роботи шва дорівнюють 1, якщо з¢єднання працює при температурах вищих -40°С. При нижчих температурах g_wf = g_wz = 0,85.

R_wf, R_wz – розрахункові опори металу шва відповідно за наплавленим металом та межею сплавлення.

Формули для розрахунку цих опорів наведені у табл. 3 та 4 СНиП II-23-81*.

Згідно з нормами приймають такі розрахункові опори

;

R_wun – нормативний опір наплавленого металу шва, який залежить від типу електродів чи марки зварювального дроту (табл. 4, СНиП II-23-81*); R_un – нормативний опір основного металу за межею міцності (тимчасовий опір); g_wm – коефіцієнти умов роботи металу шва; g_wm = 1,25 при значеннях R_wun £ 490 МПа; g_wm = 1,35 при значеннях R_wun > 490 МПа

Значення розрахункових опорів металу шва (R_wf) з¢єднань з кутовими швами наведені у табл. 56 СНиП II-23-81* відповідно до типу електрода та марки зварювального дроту. Значення R_wf змінюється від 180 МПа до 340 МПа.

Перевіряючи міцність флангових швів, необхідно пам'ятати, що розрахункова довжина не повинна перевищувати граничних значень

Матеріали для зварювання вибирають згідно з табл. 55 СНиП II-23-81* залежно від групи конструкцій, сталей, які зварюються, виду зварки.

У формулах невідомі значення K_f та l _w. Однієї з цих величин треба надати значення, а значення іншої величини знайти.

 

З¢єднання в тавр

Рис. 4.9

Під дією нормальної сили (а) робота з¢єднання аналогічна з¢єднанню лобовими швами, а поперечної (б) – фланговими. Розрахунок виконується за наведеними вище формулами.

При дії згинального моменту у швах напруження розподіляються нерівномірно. Умови перевірки міцності відповідно за наплавленим металом та за межею сплавлення:

;

W_f, W_z – моменти опору перерізу шва

;

де n – кількість швів (звичайно n=2)

При поєднанні нормальної та поперечної сили зі згинальним моментом виконують геометричне підсумування дотичних напружень, викликаних цими зусиллями.

Перевірка міцності має вигляд:

;

де

При з¢єднанні кутовими швами несиметричних профілів, треба щоб лінія дії навантаження йшла через центр ваги з¢єднання.

 

Рис. 4.10