10.1.15. Расчет и конструирование сварных соединений

10.1.15.1. Стыковые соединения

Стыковое сварное соединение является наиболее простым и надежным. В стыковых швах при всех видах сварки плавлением концентрация напряжений имеет минимальные значения.

При действии на соединение статической нагрузки первоначальная концентрация напряжений в стыковом сварном шве не оказывает влияние на его прочность, так как из-за развития пластических деформаций происходит релаксация напряжений в точках концентрации. Поэтому расчет стыковых сварных соединений выполняют в предположении, что распределение напряжений в поперечном сечении сварного шва равномерно.

Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение или

сжатие производится по формуле

N / (t l_w ) ≤ R_wy γ_с,

где N – внешнее усилие, приложенное к соединению;

t – расчетная толщина шва, равная толщине наиболее тонкого из соединяемых элементов (местное утолщение в виде валика сварного шва в расчет не принимается); в том случае, если невозможно обеспечить полный провар по толщине свариваемых элементов путем подварки корня шва, например, при односторонней сварке или использовании остающейся стальной подкладки, в формуле вместо t следует принимать 0,7t;

l_w – расчетная длина шва, равная полной ширине соединяемых элементов за вычетом 2t, учитывающих низкое качество шва в зонах зажигания (непровар) и прерывания (кратер) сварочной дуги. При условии выполнения шва с применением выводных технологических планок, позволяющих вывести начало и конец шва за пределы рабочего сечения шва, расчетная длина принимается равной полной его длине (после сварки технологические планки срезаются, а торцы шва зачищаются наждачным кругом);

R_wy – расчетное сопротивление сварного стыкового соединения, принимаемое по табл. 2.6;

γ_с – коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 1.3.

Расчетное сопротивление сварного стыкового шва зависит от способов контроля качества сварного шва. Расчетное сопротивление сварного стыкового шва R_wy равно расчетному сопротивлению основного металла R_y при сжатии, а также при растяжении, если применяются физические методы контроля качества сварных швов (об этом обязательно должна быть сделана запись в рабочих чертежах КМ). Если физические методы контроля качества шва, работающего на растяжение, не используются, то следует принимать R_wy = 0,85 R_y.

Так как расчетное сопротивление стали зависит от толщины проката, то в расчетах следует принимать R_y наиболее толстого из свариваемых элементов.

Расчет сварных стыковых соединений растянутых элементов конструкций из стали с соотношением R_u / γ_u > R_y, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, производится по формуле

N / (tl_w) ≤ R_wu / γ_uγ_c,

где R_u – расчетное сопротивление проката по временному сопротивлению, (см. табл. 2.3);

γ_u – дополнительный коэффициент надежности, учитывающий повышенную опасность при расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления R_u и принимаемый для стали равным γ_u = 1,3;

R_wu – расчетное сопротивление сварного соединения по временному

сопротивлению (см. табл. 2.6).

Расчет сварных стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов (см. табл. 2.5), полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества растянутых швов.

Пример 10.1. Рассчитать и законструировать стыковое соединение листов шириной 500 мм, толщиной t₁ = 10 мм и t₂ = 14 мм при действии расчетного растягивающего усилия N = 1200 кН (рис. 10.26, а). Материал листов – сталь класса С245. Шов выполнен с полным проваром без применения физических методов контроля качества шва, концы шва не выведены на специальные технологические планки.

Стык выполняется ручной сваркой электродами Э42 (см. табл. 2.5).

В более толстом листе делаем скос с уклоном 1: 5, т.к. разность толщин соединяемых элементов t₂ – t₁ = 14 – 10 = 4 мм > 2 мм (см. табл. 10.9).

При минимальной толщине соединяемых листов t₁ = 10 мм разделка кромок не требуется.

Листовой прокат из стали С245 толщиной t_max = t₂ = 14 мм имеет расчетное сопротивление R_y = 240 МПа = 24 кН/см² (см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения принимаем:

R_wy = 0,85R_y = 0,85 · 240 = 204 МПа.

Рис. 10.26. К расчету стыковых швов:

а – прямой шов; б – косой шов, выполненный с применением

выводных планок.

Расчетная длина шва l_w = b – 2t₁ = 50 – 2 · 1 = 48 см.

Проверяем прочность сварного стыкового шва:

σ_w = N / (t₁ l_w) = 1200 / (1 · 48) = 25 кН/см² = 250 МПа > R_wy = 204 МПа.

Условие не выполняется, необходимо устройство косого шва.

Пример 10.2. Рассчитать и запроектировать сварное соединение косым швом встык с полным проваром и выводом начала и конца шва на технологические планки (рис. 10.26, б). Остальные условия см. пример. 10.1.

На практике косой стык устраивается с заложением 2:1, что соответствует углу α ≈ 63,5^о.

Расчет прочности шва по нормальным напряжениям:

σ_w = N sin α / (t l_w') = 1200 ∙ 0,895 / (1 · 55,87) = 19,22 кН/см² = 192,2 МПа <

< R_wy γ_c = 204 · 1 = 204 МПа,

где sin α = sin 63,5^о = 0,895;

l_w^′ = l_w / sin α = 50 / 0,895 = 55,87 см – расчетная длина косого шва.

Расчет прочности шва по касательным напряжениям:

τ_w = N cos α / (t l_w′ ) = 1200 ∙ 0, 446 / (1 ∙ 55,87) = 9,58 кН/см² = 95,8 МПа <

< R_ws γ_c = 118,3 МПа,

где cos α = cos 63,5^o = 0,446;

R_ws = 0,58 R_wy = 0,58 · 204 = 118,3 МПа.

Прочность косого стыкового шва обеспечена как по нормальным, так и по касательным напряжениям.

При действии на соединение статической нагрузки проверка по приведенным напряжениям, как правило, не производится.

Сварные стыковые соединения, выполненные без физических способов контроля качества шва, при одновременном действии в одном и том же сечении нормальных и касательных напряжений при действии на соединение динамической нагрузки проверяются по формуле

Прочность сварного шва при скосе с заложением 2:1 не обеспечена. Уменьшаем угол наклона среза и принимаем его α = 45º (скос с заложением 1:1).

Производим повторную проверку.

Нормальные напряжения в шве

σ_w = N sin 45^о / (t l_w′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см²,

где l_w′ = l_w / sin 45^о = 50 / 0,7 = 71,43 см.

Касательные напряжения в шве

τ_w = N cos 45^o / (t l_w′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см².

Проверка приведенных напряжений

Прочность сварного шва обеспечена.

Пример 10.3. Проверить прочность соединения, выполненного стыковым швом, консольного листа сечением b×t = 300×8 мм к стенке стойки из тавра

15ШТ / ТУ 14-2-685-86 (толщина стенки s = 8 мм). К консоли приложена расчетная сосредоточенная сила F = 100 кН с эксцентриситетом e = 200 мм.

Конструкция относится ко второй группе и выполнена из стали С245. Сварка ручная с полным проваром шва при визуальном способе контроля качества шва. Условия работы – нормальные (рис. 10.27).

Расчетное сопротивление листового и фасонного проката из стали С245 толщиной до 20 мм R_y = 240 МПа = 24 кН/см² (см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения (см. табл. 2.5):

– изгибу при визуальном способе контроля качества шва R_wy = 0,85R_y =

= 0,85 · 240 = 204 МПа = 20,4 кН/см²;

– сдвигу R_ws = R_s = 139,2 МПа,

где R_s = 0,58 R_y = 0,58 · 240 = 139,2 МПа – расчетное сопротивление проката сдвигу.

Рис. 10.27. Прикрепление консольного листа стыковым швом

Расчетный изгибающий момент

M = Fe = 100 · 0,2 = 20 кН·м.

Поперечная сила

Q = F = 100 кН.

Момент сопротивления стыкового шва

W_w = tl_w² / 6 = 0,8 · 28,4² / 6 = 107,54 см³,

где l_w = b – 2 t = 30 – 2 · 0,8 = 28,4 см – расчетная длина шва с учетом непровара в начале шва и кратера в конце шва.

Определяем:

– нормальные напряжения в шве

σ_w = M / W_w = 2000 / 107,54 = 18,6 кН/см²;

– касательные напряжения в шве

τ_w = 1,5 Q / (t l_w) = 1,5 · 100 / (0,8 · 28,4) = 6,6 кН/см²;

Проверяем прочность шва по приведенным напряжениям:

Прочность соединения обеспечена.