Общая характеристика сварных соединений в стальных конструкциях: работа, расчет, конструирование.

В процессе возведения сооружений элементы металлических конструкций необходимо соединять между собой. Эти соединения осуществляются с помощью электросварки, болтовых и заклепочных соединений.

Сварные соединения. Это самый распространенный вид соединений на строительных площадках. Он обеспечивает надежность, прочность и долговечность соединений, обеспечивает плотность соединений (водо- и газонепроницаемость), при применении высокопроизводительного оборудования способствует сокращению сроков и стоимости строительства. Основным видом сварных соединений является электродуговая сварка, основанная на возникновении электрической дуги между свариваемыми элементами и электродом. Дуга обеспечивает высокую температуру, порядка тысяч градусов по Цельсию и благодаря этому происходит расплавление электрода и проплавление металла свариваемых деталей. Получается общая сварочная ванна жидкого металла, который при охлаждении превращается в сварной шов. Около 70% всех сварочных работ выполняется с помощью ручной дуговой сварки (РДС). Этот вид сварки требует минимум оборудования: сварочные трансформаторы, электрические кабели, электроды с соответствующей обмазкой и организацию сварочного поста. Обмазка электрода во время сварки расплавляется и частично испаряется образуя жидкий шлак и газовое облако вокруг места сварки. Это обеспечивает устойчивое горение дуги, защиту зоны сварки от атмосферного воздуха и очистки металла шва от вредных примесей (фосфора и серы). Недостаток этого вида сварки – сравнительно низкая производительность. Для получения более качественных швов и повышения производительности труда применяется автоматическая (АДС) и полуавтоматическая сварка под слоем флюса и в среде углекислого газа. При этих видах сварки сварной электрод в виде проволоки автоматически подается в зону сварки, туда же подается флюс или углекислый газ. Эти вещества выполняют ту же функцию, что и обмазка электрода. При полуавтоматической сварке, движение электрода вдоль шва осуществляется вручную. Для сварки тонких листов (до 3 мм) применяется либо контактная точечная сварка либо валиковая. В зависимости от расположения стыкуемых элементов различают соединения встык, внахлестку, в угол и комбинированные стыки. В стыковых соединениях стыкуемые элементы находятся в одной плоскости, а в нахлесточных перекрывают друг друга. Основные типы сварных соединений представлены на рис.1. В зависимости от того какие кромки сопрягаемых элементов свариваются а) б) в) г)

Рисунок 1 - Виды сварных соединений:

а – встык, прямой и косой швы; б - внахлестку с фланговыми швами; в – внахлестку с лобовыми швами; г – стык с накладками с фланговыми швами

д) е) з) ж)

Продолжение рис 1;

д – стык с накладкой с лобовыми швами; е – с накладкой комбинированный; з – стык угловой в тавр; ж – стык в угол

 

Различают лобовые и фланговые швы, а в зависимости от положения в пространстве во время выполнения сварочных работ - швы нижние, горизонтальные, потолочные, и вертикальные, рис 2.

Рисунок 2 - Положение: а – стыковых и б – угловых сварных швов впространстве; 1 – нижний шов, 2 – горизонтальный, 3 – вертикальный, 4 - потолочный

 

Элементы металлических конструкций из алюминия свариваются с помощью аргоно-дуговой сварки.

Расчет сварных соединений зависит от типа стыка и от ориентации шва по отношению к действующим усилиям. Расчет стыковых швов на действие осевой силы выполняется по формуле:

N / (t ℓ_w) ≤ R_wyΎ_c,

где N – расчетное значение усилия; t - наименьшая толщина свариваемых листов;

ℓ_w - расчетная длина шва, R_wy - расчетное сопротивление стыковых сварных соединений и Ύ_c - коэффициент условий работы. Расчетная длина шва равна его физической длине за вычетом начального участка шва – кратера и конечного участка – непровара. В этих зонах процесс сварки нестабилен и качество шва не удовлетворяет требованиям. В данном случае ℓ_w = ℓ - 2t. Разрушение лобовых и фланговых швов происходит от усилий среза, см. рис.3. Срез может происходить по двум плоскостям – по металлу шва и по металлу на границе сплавления, сечения 1 и 2 рис.

Рисунок 3 - Схема среза сварных швов: а – разрушение фланговых швов, в – лобовых

Прочность по металлу шва проверяется по формуле:

N / (β_fk_f ℓ_w) ≤ R_wfΎ_wΎ_c,

а по границе сплавления по соотношению:

N / (β_zk_f ℓ_w) ≤ R_wzΎ_wzΎ_c,

где ℓ_w - расчетная длина шва; k_f – катет шва; Ύ_w и Ύ_wz – коэффициенты условий работы шва; Ύ_c - коэффициент условий работы; R_wf - расчетное сопротивление сварного шва сдвигу; R_wz - расчетное сопротивление по границе сплавления; β_f и β_z - коэффициенты зависящие от вида сварки, диаметра сварочной проволоки, высоты катета шва и предела текучести стали.

Рисунок 4 - К расчету сварного соединения с угловым швом: 1 – сечение по металлу шва; 2 – сечение по границе сплавления

 

При конструировании сварных швов в стальных конструкциях необходимо соблюдать ряд конструктивных требований. Толщина свариваемых элементов не должна быть менее 4 мм и не превышать 25 мм. Минимальная расчетная длина углового шва не должна быть менее 40 мм, а максимальная не более 85 β_fk_f. Толщина сварного шва ограничена максимальным значением его катета k_f ≤ 1,2 t, где t - наименьшая толщина соединяемых элементов.