Принципы расчета сварных соединений

Оценка несущей способности конструкций и соединений произ­водится по предельным состояниям.

Так, согласно СНиП, строительные конструкции и основания следует рассчитывать на силовые воздействия по методу предель­ных состояний, при которых конструкция, основание, здание или сооружение перестают удовлетворять заданным эксплуатацион­ным требованиям и требованиям при возведении.

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 не­благоприятных влияний внешней среды; качественное изменение конфигурации; 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 конструкции или сни­жающие долговечность их вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний, тре­щин и т. п.

В строительных организациях в основу расчета по методу пре­дельного состояния положены так называемые нормативные сопротивления. В качестве нормативного сопротивления принято наи­меньшее значение предела текучести стали. С учетом неоднород­ности свойств стали расчетные сопротивления R получают делением значений нормативных сопротивлений на коэффициент безопасно­сти по материалам k_H. Для низкоуглеродистой стали расчетное сопротивление R составляет примерно 0,9 σ_т.

При расчете по этому методу находят величины допускаемых усилий в элементах. Допускаемые усилия определяют с учетом коэффициента надежности k_H и коэффициента условий работы m, учитывающих специфический характер работы конкретных объектов рассматриваемой области техники, коэффициенты k_H и m 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      

N _доп ≤ R · m · F / k_H,                                           (4.1)

где F - площадь поперечного сечения. Расчетное усилие N должно быть ≤ N _доп. Аналогичным путем находят допускаемый момент при изгибе

M _доп ≤ R · m · W / k_H,                                                   (4.2)

где W - момент сопротивления сечения.

Легко видеть, что величина R · m / k_H представляет собой, по существу, допускаемое напряжение. Коэффициенты m  и k_H 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 m = 0,9;

- для сжатых основных элементов (кроме опорных) решетчатых ферм при их гибкости λ≥ 60, m = 0,8;

- для сжатых раскосов пространственных решетчатых конструкций из одиночных уголков, прикрепляемых к поясам одной полкой, m = 0,9;

- для сжатых элементов из одиночных уголков плоских ферм m = 0,75;

- для колонн жилых и общественных зданий, а также в подкрановых балках для кранов грузоподъемностью G > 5 т m = 0,9.

Ниже, в табл. 4.1 даны значения расчетных сопротивлений R прокатной стали.

                                                                                       Таблица 4.1

          Классы стали для строительных конструкций

Класс стали	Временное сопротивление,   σв МПа			Предел текучести,   σт, МПа		Относительное удлинение   δ5, %
С235	380			230		25
С285	440			290		21
С345	460			345		21
С390	520			390		19
С440	600			440		16
С590	700			550		12
С750	850			750		10

 

                                                                                                                                                                  

Примечание. При отсутствии выраженной площадки текучести за предел текучести принимается напряжение, соответствующее остаточному относительному удлинению 0,2 % (σ₀,₂).

В табл. 4.2 приводятся расчетные сопротивления металла сварных соединений.

                                                                                                              Таблица 4.2

Расчетные сопротивления металла сварных соединений в стальных строительных конструкциях (МПа)

Тип шва	Род усилия	С235	С285	С340	С390	С440	С590	С750
Стыковой	Сжатие, R ^св сж	210	260	290	340	380	440	530
Стыковой	Растяжение, R ^св р	210	260	290	340	380	440	530
Стыковой	Растяжение, R ^св р (полуавтомат и  РДС)	180	220	250	-	-	-	-
Стыковой	Срез, R ^св ср	130	150	170	200	230	260	310
Угловой	Срез по металлу шва, R ^св уш	180	200	200	210	240	280	340
Угловой	Срез по границе сплавления, R ^св ус	180	200	210	230	270	300	360

 

Расчетные сопротивления R основного металла различных алюминиевых сплавов, применяемых в строительстве, при сжатии, растяжении, изгибе имеют следующие значения, МПа:

АМц … 40                             АВТ1 (с термообработкой) … 160 - 175

АМг … 60 - 70                     В92Т (с термообработкой) … 190 - 260

АМг6 … 140

Расчетные сопротивления металла сварных швов алюминиевых конструкций приведены в табл.4.3.

 

   Таблица 4.3

Расчетные сопротивления R, МПа, швов алюминиевых сплавов

Тип шва	Род усилия	Амц	Амг	Амг6	АВТ1	В92Т
Стыковой	Сжатие и растяжение	40	70	140	110/90	170/150
Стыковой	Срез	30	50	105	70	120
Угловой	Срез	25	45	80	50	90

 

 Примечание. Цифры, указанные в числителе, относятся к сварке плавящимся электродом, в знаменателе – вольфрамовым.

 

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

1) от свойств материалов - при улучшении механических свойств допускаемое напряжение повышается;

2) 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;

3) от рода усилий (растяжение, сжатие, изгиб и срез);

4) от качества технологического процесса - это обстоятельство имеет особенно большое значение при установлении допускаемых напряжений в сварных соединениях;

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

Допускаемые напряжения при растяжении [σ]_р обычно называют основными. Допускаемые напряжения при других видах усилий определяются как производные от [σ]_р.

При сжатии коротких элементов, в которых продольный изгиб не может иметь места, допускаемое напряжение [σ]_сж принимается равным [σ]_р. При сжатии длинных элементов [σ]_сж принимается равным [σ]_рφ, где φ - коэффициент продольного изгиба, зависящий от гибкости сжатого элемента.

Для стальных конструкций допускаемые напряжения на изгиб [σ]_и принимаются равными [σ]_р. При срезе допускаемое напряжение принимается в зависимости от теории прочности, положен­ной в расчет.

Обычно допускаемое напряжение на срез [τ] = (0,5 - 0,6) [σ] _p.

Как правило, при статических нагрузках допускаемое напряжение [σ]_р = σ _T / n ₂, где n ₂ - коэффициент запаса прочности, при­нимаемый обычно равным 1,4-1,6. При переменных нагрузках допускаемое напряжение принимают равным [σ]_р ·γ, где коэффи­циент γ ≤ 1.

Допускаемые напряжения в швах машиностроительных кон­струкций устанавливаются в зависимости от допускаемых напряже­ний основного металла. Это положение позволяет проектировать сварные соединения, равнопрочные основному металлу, не производя определения величин усилий, действующих в 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 такой способ установления допускаемых напряжений в сварных соединениях вполне оправдан, так как при сварке автоматом под флюсом, в среде защитных газов, контактным способом и в других случаях механические свойства швов зависят в значительной степени от механических свойств основного металла.

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

Сварные соединения сталей, выполненные дуговой сваркой, по определению допускаемых напряжений делят на две группы.

К первой группе относятся швы низкоуглеродистых сталей обыкновенного качества и низколегированных, у которых механические свойства швов и околошовной зоны соответствуют свойствам основного металла.

Ко второй группе относят швы сталей со специальными свой­ствами: высокопрочных, коррозионноустойчивых и т.д., у которых свойства швов или металла околошовной зоны ниже свойств основного металла.

 

Рекомендуемые допускаемые напряжения для швов первой группы приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Допускаемые напряжения для швов соединений низкоуглеродистых

сталей обыкновенного качества и низколегированных

                       

Род усилия	Тип шва	Технологический процесс сварки	Допускаемое напряжение
Растяжение, сжатие	Стыковой	Дуговая автоматическая и полу- атоматическая под флюсом и в СО2	[σ] р
То же	Стыковой	Дуговая электродами Э42А, Э46А, Э50А	[σ] р
То же	Стыковой	Контактная	[σ] р
То же	Стыковой	Электроннолучевая	[σ] р
То же	Стыковой	Диффузионная	[σ] р
Срез	Угловой	Дуговая автоматическая и полу- атоматическая под флюсом и в СО2	0,8 [σ] р
Срез	Стыковой	То же	0,65 [σ] р

 

При сварке низкоуглеродистой стали марки Ст3, для которой допускаемое напряжение [σ]_р = 160 МПа, допускаемые напряжения в швах, выполненных автоматической сваркой или электродами Э42А, будут следующие: [σ']_р = 160 МПа, [σ']_сж = 160 МПа; [τ'] = 100 МПа, где [τ'] - 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, выполняемых 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 быть приняты 0,4 от допускаемых напряжений [σ]_р основного ме­талла и 0,3[σ]_р 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 соединения сталей первой группы при 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 (схема) для него становится руководящей. Несущая способ­ность конструкции определяется или по разрушающему напряже­нию σ_в и коэффициенту запаса n ₁, или по напряжению σ_т, вызываю­щему текучесть, и коэффициенту запаса n ₂, который меньше n₁. Расчеты проводятся на основе элементарных методов сопротивле­ния материала.

Более глубокий анализ напряженного состояния, имеющего ме­сто в сварных объектах, и определение коэффициентов концентра­ции напряжений в них осуществляются на базе теории упругости и пластичности. Такие пути определения напряжений бывают не­обходимы при оценке прочности конструкции под переменными нагрузками для установления с позиций механики материалов условий распространения возникших в изделиях трещин, а также при учете собственных напряжений, вызванных сварочным про­цессом.