Председатель цикловой комиссии

 

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Свердловской области «Екатеринбургский политехникум»

(ГБПОУ СО «ЕПТ»)

 

Согласовано:

Председатель цикловой комиссии

________________/Савчук Т.В.

«___» ______________2016 г.

Утверждаю:

Заместитель директора по учебно-методической работе

_________________/_Попова Т.В.

 «___» ______________2016 г.

 

 

МДК 02.01. Основы расчета и проектирование сварных конструкций

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ курсовой работы РАБОТЫ

по образовательной программе 150415 Сварочное производство

Заочная форма обучения

 

Екатеринбург, 2016

Содержание

Предисловие                                                                            1

Введение                                                                                  3

Раздел 1. Общие сведения о                                           6

сварных конструкциях

Тема 1.1.Классификация сварных                                  6

конструкций
Тема 1. 2. Материалы, применяемые в                               11

сварных конструкциях
Тема 1.3. Основы расчета сварных                                   29

конструкций на прочность
Раздел 2. Сварные соединения                                      41

Тема 2. 1. Виды сварных соединений и                              41

типы сварных швов
Тема 2. 2. Работа сварных соединений                    -     51

при различных нагрузках и

воздействиях
Тема 2. 3. Расчет и конструирование                                 70

сварных соединений
Раздел 3. Сварные конструкции                                   97

ТемаЗ. 1. Рациональное проектирова-                               97

ние и технологичность

сварных конструкций
Тема 3. 2. Каркасы промышленных                                   100

зданий
Тема 3.3. Сварные балки                                                    103

Тема 3. 4. Сварные колонны                                               137

Тема 3:5. Сварные фермы                                                   159

Тема 3. 6. Трубопроводы                                                    197

Раздел 4. Листовые и машино-                                      213

строительные конструкции

Тема 4. 1. Листовые конструкции                                       213

Тема 4.2. Сварные детали и узлы ма-                               244

шин

Список использованных источни-                                      268

ков

Предисловие

Данное методическое пособие составлено на основе учебной программы по МДК 02.01. Основы расчета и проектирование сварных конструкций специальности «Сварочное производство» .

В настоящее время не существует ни одной отрасли машиностроения и строительства, в которых бы не применялись сварные конструкции, причем, объем производства их постоянно возрастает. Соответственно возрастает и потребность в квалифицированных специалистах для этой области. В функции техника-технолога входит не только разработка технологического процесса изготовления сварных конструкций, а непосредственное участие в их проектировании при отработке вопросов технологичности сварных конструкций. Кроме того, прочные знания по предмету помогут специалисту технически грамотно решить многие производственные задачи, возникающие в процессе изготовления сварных конструкций.

содержит сведения о материалах, применяемых для изготовления сварных конструкций и методах расчета сварных соединений на прочность и выносливость; охватывает вопросы рационального проектирования и принципы расчета конкретных металлоконструкций.

В результате студенты должны знать:

- материалы, применяемые для изготовления сварных конструкций;

- расчетные сопротивления и допускаемые напряжения основного металла и металла шва;

- механические свойства сварных швов при различных видах нагрузок и различных температурах;

- методы расчета сварных конструкций;

- конструктивные требования, предъявляемые к сварным
швам и конструкциям;

а также уметь:

- пользоваться нормативной и справочной литературой;

- правильно выбирать материал для изготовления сварной
конструкции;

- производить расчеты сварных соединений на прочность и
выносливость;

- производить конструирование и расчет основных видов
сварных конструкций.

Введение

Сварка является наиболее прогрессивным способом соединения металлических конструкций. Высокая производительность и качество работ, а также экономическое использование металла обеспечивают преимущественное использование сварки при изготовлении разнообразных металлоконструкций, в том числе и строительных.

Большой вклад в развитие и совершенствование сварочных процессов и оборудования внесли отечественные ученые и инженеры. В 1802 г. профессор физики, а впоследствии академик В. В. Петров (1761-1834) впервые в мире получил электрическую дугу и указал на возможность ее практического использования для плавления металлов. Применение электрической дуги для сварки металлов было осуществлено в 1882 г. русским изобретателем Н. Н. Бенардосом (1842-1905).

В 1888 г. горный инженер и металлург Н. Г. Славянов (1854-1897) изобрел независимо от Бенардоса другой способ электросварки, применив в качестве возбудителя дуги металлический электрод.

В нашей стране электросварка металлов возродилась только после Великой Октябрьской социалистической революции. Начало было положено в 1920 г. профессором В. П. Вологдиным (1881-1953), возглавлявшим электросварочную лабораторию Дальневосточного университета во Владивостоке.

Первые работы по изучению распределения напряжений и исследованию прочностей сварных конструкций проводились в 20-е годы в Научно-техническом комитете Народного комиссариата путей сообщения (НТК НКПС) под руководством профессора Н. С. Стрелецкого (1885-1967), поставившего вопрос о применении сварки в мостостроении.

В 1929-1930 гг. сварку начали применять в больших объемах при строительстве промышленных объектов. Первая крупная строительная сварная конструкция, изготовленная в нашей стране, предназначалась для Днепровской ГЭС.

Со второй половины 1931 г. усиленно распространяется сварка металлических конструкций легких цехов. С 1932 г. переход от клепки к сварке для ряда строительных конструкций стал не только рекомендуемым, но и обязательным. Институт норм и стандартов строительной промышленности Высшего Совета Народного Хозяйства (ВСНХ) СССР выпустил альбом сварных конструкций под редакцией Н. С. Стрелецкого, который долгое время был настольной книгой проектировщиков.

В 1934 г. Центральным бюро стандартизации Главстройпрома Нарком-тяжпрома СССР были разработаны Технические условия и нормы проектирования промышленных зданий (ТУ и Н) - «Металлические конструкции и сооружения». Они являлись документом, стимулировавшим дальнейшее развитие и применение сварных строительных конструкций в нашей стране.

В 1935 г. в Ленинграде при реставрации покрытия Таврического дворца над круглым залом был сооружен первый в СССР сварной купол системы Шведлера диаметром 18 м, состоящий из 20 ребер и 5 ярусов. Ребра, кольца и раскосы купола были составлены из 3 стальных полос, сваренных в крестовое сечение. Сварной купол диаметром 36,5 м и высотой 14, 4 м, состоящий из 12 ребер и 4 ярусов, был возведен над зданием цирка в Макеевке (Донбасс).

До 1934-1935 гг. сварочный процесс выполнялся вручную электродами с ионизирующими покрытиями, т. е. тонкими покрытиями из растворенного в жидком стекле мела, которые обеспечивали  стабильность дуги и не гарантировали требуемую прочность шва. В связи с этим качество сварных соединений оказывалось невысоким. К тому же свариваемые конструкции были изготовлены исключительно из низкоуглеродистой стали.

Для сварки ответственных конструкций с 1935 г. начинают широко применять электроды с высококачественными толстыми покрытиями, разработанными в ведущих научно-исследовательских институтах и на крупнейших заводах.

С 1940 г. успешно развивается автоматическая и полуавтоматическая сварка под слоем флюса.

Сварка под флюсом получила широкое распространение в период Великой Отечественной войны и в послевоенные годы при изготовлении сварных конструкций, имеющих швы большой протяженности (двухтавровых балок, сплошностенчатых колонн, газгольдеров постоянного объема и т. п. ). На заводах началось внедрение поточно-массового производства сварных конструкций. В это же время осваивается сварка легированных сталей и сплавов цветных металлов.

Крупным достижением конца 40-х - начала 50-х годов стало широкое внедрение сварочных работ в строительстве металлических каркасов высотных зданий в Москве, причем впервые в практике многоэтажного строительства была применена монтажная сварка.

С 1954 по 1966 г. в Ленинградском инженерно-строительном институте проведены научные работы по исследованию материалов, соединений, технологии сварки и формы профилей в связи с перспективой развития алюминиевых строительных и крановых конструкций. В результате этих работ в 1968 г. в Ленинграде сооружен первый в СССР опытный сварной алюминиевый пешеходный мост в виде пространственной двухшарнирной арки (авторы - И. Н. Артемьева и Л. А. Носков).

В 50-60-е годы дальнейшее развитие получили механизированные способы сварки. Был создан ряд поточных линий.

За последние годы значительных успехов достигло внедрение таких высокопроизводительных способов сварки, как электрошлаковая, сварка в среде активного (углекислого) или инертного газа (аргона, гелия, азота), а также контактная сварка. Вышли из стадии лабораторных исследований новые сварочные процессы: холодная сварка, сварка трением, токами высокой частоты (индукционная), ультразвуковая, электронно-лучевая, плазменная, лазерная.

В настоящее время около 98% стальных строительных конструкций в РФ выполняют сварными. Примерами сооружений являются цельносварные телевизионные башни высотой 315 м в Ленинграде (1962 г.), каркас Дворца спорта «Юбилейный» в Ленинграде на 6200 зрителей (1967 г.). В 1965 г. на Криворожском металлургическом комбинате им. В. И. Ленина вступает в строй первая, самая крупная по тому времени доменная печь объемом 2000 м³. Затем на других заводах было возведено еще 9 таких печей. В 1965 г. на заводе им. Ильича в г. Жданове задута печь объемом 2300 м³, а на Криворожском металлургическом комбинате - 2700 м . Впоследствии в Советском Союзе возводится несколько доменных печей объемом 3000 м³, а в 1971 г. коллектив института Гипромез совместно с 16 другими проектными организациями закончил проектирование чугуноплавильного агрегата на 3200 м , который в следующем году был сооружен на Новолипецком металлургическом заводе. За скоростное строительство создатели печи удостоены в 1981 г. Государственной премии СССР.

Особое место занимают большепролетные пространственные покрытия олимпийских спортивных объектов в Москве. Универсальный крытый стадион на 45 тыс. зрителей спорткомплекса «Олимпийский» является уникальным сооружением, не имеющим аналогов в мировой практике.

Применение изделий повышенной заводской готовности является генеральным направлением индустриализации строительства и вместе с тем большим резервом снижения его материалоемкости и трудоемкости.

В настоящее время создаются легкие унифицированные несущие и ограждающие металлические конструкции, изготовляемые на высокомеханизированных поточных линиях.

В поточном автоматизированном процессе производства важное место занимают новые виды сварки: высокоплавление, сварка лучом и др. Трудовые затраты при изготовлении легких металлических конструкций снижаются на 25-30% по сравнению с традиционными конструкциями. Сравнительно небольшие габариты унифицированных элементов позволяют перевозить их, как правило, в контейнерах любым видом транспорта. Благодаря этому возможна доставка конструкций в отделение и труднодоступные районы.

Общие сроки строительства производственных зданий с применением легких металлоконструкций сокращаются в ряде случаев в 1, 5 раза. Объясняется это уменьшением объема работ по устройству нулевого цикла благодаря снижению нагрузок на фундамент и высокой степени заводской готовности элементов каркаса и стенового заполнения.

Здания из легких металлических конструкций имеют, наконец, современный, выразительный архитектурный вид. Они без труда поддаются ремонту и допускают замену отдельных конструктивных элементов.

Курсом предмета «Сварные конструкции» предусматривается изучение наиболее употребляемых в машиностроении и строительстве элементов сварных конструкций, методов их проектирования, основных вопросов их сборки и сварки.

Раздел 1. Общие сведения о сварных конструкциях.

Тема 1.1.Классификация сварных конструкций.

Большое разнообразие сварных конструкций не позволяет осуществить единую их классификацию, поэтому существует несколько методов классификации.

Сварные конструкции, применительно к работам выполняемых организациям Минстроя России, подразделяются на три категории: металлоконструкции, машиностроительные конструкции и трубопроводы (рис. 1. 1.)

Рис. 1. 1. Классификация сварных конструкций

К строительным металлическим конструкциям отнесены сварные конструкции, порядок расчета, проектирования, изготовления и монтажа которых регламентированы соответствующими главами СниПа и другими нормативными документами. К машиностроительным сварным конструкциям отнесены конструкции, расчет и конструирование которых производится на машиностроительных заводах, а изготовление или доизготовление и монтаж осуществляются организациями министерства. Трубопроводы различных назначений выделены в третью категорию конструкций.

В свою очередь, каждая из категорий подразделяется на группы конструкций. Парис. 1.2. Приведена упрощенная классификация сварных строительных металлоконструкций. Как следует из рис. 1. 2 строительные металлоконструкции разделены на шесть групп: каркасы промышленных зданий, которые являются основным видом конструкций, производимых на заводах министерства; сплошностенчатые листовые конструкции; мачты и опоры; обслуживающие конструкции; сетки и каркасы арматуры для железобетона и пр. Каждая из приведенных групп состоит из нескольких подгрупп.

Так, каркасы промышленных зданий состоят из колонн, ферм, связей, балок и ограждающих конструкций. Ограждающие конструкции не несут основных нагрузок, а только как бы «ограждают» (защищают) внутреннее помещение здания. К ним относятся панели, витражи, оконные переплеты, ворота и т. д.

Рис. 1.2. Классификация строительных металлических конструкций

К сплошным листовым конструкциям относятся: различные емкостные сварные конструкции, основными из которых являются резервуары всех типов (вертикальные сварные - РВС, изотермические, траншейные и горизонтальные сварные - РГС, а так же газгольдеры постоянного и переменного объема); диафрагмы и мембраны (в основном - перекрытия большепролетных зданий и сооружений): конструкции вентиляционных систем, включая сварные воздуховоды, а также большая часть конструкции доменного комплекса (кожух доменной печи, воздухонагреватели, пылеуловители и т. д.).

Отдельной подгруппой стоят решетчатые высотные сооружения и опоры. К ним относятся телевизионные, радио- и радиорелейные мачты, мачты линий электропередач (ЛЭП), а также опорные конструкции.

Назначение обслуживающих конструкций следует из их названия: они обеспечивают возможность эксплуатационному персоналу выполнять свои функции при соблюдении правил безопасности. В эту группу конструкций входят лестницы, площадки и ограждения.

В самостоятельную группу выделены сетки и каркасы арматуры железобетона, а также прочие конструкции (кронштейны, подвески, опоры трубопроводов и другие мелкие конструкции).

Машиностроительные сварные конструкции условно разделены на пять групп (рис. 1. 3.). К первой из них относятся емкостные конструкции, среди которых можно выделить несколько групп: сосуды и аппараты; котлы, емкости и оборудование специального назначения. Сосуды (как правило, пустотелы) и аппараты (с внутренними устройствами) работают под давлением. Емкости имеют различную вместимость (от долей до сотен кубометров) и назначение (декомпозеры, хранилища сырья и готовой продукции, отстойники и т. д.) К оборудованию специального назначения отнесены различные печи (в том числе вращающиеся), конверторы, миксеры и другое аналогичное оборудование.

К группе разных конструкций относятся рамы под оборудование (насосы, компрессоры, приводные и натяжные станции и т. п.), а также так называемые этажерочные (опорные) конструкции, несущие оборудование и трубопроводы.

К нестандартному оборудованию условно отнесены конструкции всевозможных бункеров, течек, затворов, кожухов оборудования и других многочисленных конструкций, поставка которых входит в обязанности заказчика.

Трубопроводы представляют собой устройства для транспортировки жидких, газообразных и сыпучих веществ при различных давлениях и температурах. За небольшим исключением, трубопроводы являются сварными конструкциями и классифицируются в соответствии с рис. 1. 4. Магистральные трубопроводы транспортируют жидкость и газы от места их добычи к месту переработки или потребления. Отличительная особенность магистральных трубопроводов - их большая протяженность, измеряемая сотнями и тысячами километров, и постоянный диаметр, достигающий 1420 мм и более.

Рис. 1.3. Классификация машиностроительных сварных конструкций

Рис. 1.4. Классификация трубопроводов

Промысловые трубопроводы предназначены для сбора нефти и газа от скважин (включая герметизацию нефтяных скважин), и доставку нефти к нефтесборным пунктам, а газов к компрессорным станциям. Они имеют сравнительно небольшой диаметр (100. . . 377 мм) и малую протяженность.

К технологическим трубопроводам относятся трубопроводы промышленных предприятий, по которым транспортируют сырье, полуфабрикаты и готовую продукцию, а также материалы, обеспечивающие введение технологического процесса и отходы производства.

Энергетические трубопроводы, или трубопроводы энергетических блоков обеспечивают работы тепловых и атомных электростанций и групповых котельных установок.

Санитарно-технические трубопроводы служат для создания комфорта в жилых домах, объектах культурно-бытового назначения и промышленных предприятий (хозяйственно-питьевые трубопроводы, газопроводы, трубопроводы горячей воды и канализации). Для этих трубопроводов характерны малые диаметры труб и большой удельный вес резьбовых соединений.

В последнее время расширяется применение пластмасс в качестве конструкционных материалов, которые заменяют металлы там, где это возможно и целесообразно. Следует отметить, что пластмассы используются в строительных конструкциях при изготовлении воздухопроводов и вентиляционных камер, работающих в агрессивных средах, а также применяются в качестве наполнителя при изготовлении ограждающих многослойных панелей типа «сэндвич».

В машиностроительных сварных конструкциях пластмассы в основном применяются при изготовлении емкостей для хранения агрессивных жидкостей, а также нестандартного оборудования для тех же условий эксплуатации.

Весьма перспективны пластмассы как конструкционный материал для санитарно-технических и технологических трубопроводов для давлений до 1. . . 1, 6 MПa и температур среды до 60. . . 80°С.

Тема 1. 2. Материалы, применяемые в сварных конструкциях

Основным материалом, используемым для изготовления сварных конструкций, является сталь. По содержанию углерода С стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,25. . . 0,66%) и высокоуглеродистые (0,65. . . 2,14%). Применение низкоуглеродистых сталей характерно для строительных конструкций и трубопроводов, среднеуглеродистых - для машиностроения, высокоуглеродистая сталь - инструментальная.

Для придания сталям различных служебных свойств в их состав добавляют различные легирующие примеси, при этом стали называют легированными. По количеству легирующих примесей они подразделяются на низколегированные, с содержанием легирующих элементов в сумме до 2,5%, средне-легированные (2,5. . . 10%) и высоколегированные (свыше 10%). В строительных металлических конструкциях используют низколегированные стали, в трубопроводах - все группы легированных сталей.

Наиболее широко в строительных конструкциях применяют углеродистую сталь обыкновенного качества по ГОСТ 380-94. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств сталь подразделяется на три группы: А - по механическим свойствам; Б - по химическому составу; В — по механическим свойствам и химическому составу.

По степени раскисления при выплавке стали разделяются на спокойные, полу спокойные и кипящие. Спокойными называют стали, раскисленные добавлением кремния и алюминия. Спокойные стали обладают более стабильными свойствами, поэтому их применяют в ответственных конструкциях. Полуспокойные стали занимают промежуточное положение и по механическим свойствам ближе к спокойным сталям. Кипящие стали имеют неоднородный состав, склонны к хрупким разрушениям и обозначаются путем добавления соответствующих букв в марке стали: для кипящих «кп», для спокойных - «сп» и для полуспокойных - «пс».

Сталь, поставляемая по группе В, подразделяется на 6 категорий в зависимости от нормируемых показателей и различается по ударной вязкости (см. таблицу 1.1)- Основными нормируемыми показателями для всех марок стали являются: временное сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение, сопротивление изгибу в холодном состоянии, химический состав. Кроме того ударная вязкость нормируется для 3-й категории, при температуре 20°С; для 4-й категории - при -20°С; для 5-й категории - при -20°С и после механического старения, а для 6-й - после механического старения маркировка малоуглеродистых сталей ВСтЗ

В - гарантия поставки стали по механическим свойствам и химическому составу

СтЗ -марка стали

Ст - способы раскисления - спокойная

5 - категория нормируемых показателей (6 категорий)

 

 

 

 

Таблица 1.1