Расчет на усталостную прочность строительных конструкций
Основное внимание уделяется расчету предела прочности основного металла
в зоне сварных швов.
Расчет предельно допустимого напряжения проводят по расчетным сопротивлениям,
которые определяют в зависимости от типа сварного соединения и концентрации
напряжений.
Максимальное расчетное сопротивление по усталости имеет стыковое соединение
(минимальная концентрация напряжений), минимальное расчетное сопротивление –
для нахлесточного соединения только с фланговыми швами (максимальная
концентрация напряжений).
где
– коэффициент, учитывающий ожидаемое
количество циклов нагружения;
– коэффициент асимметрии цикла.
Расчет на усталостную прочность деталей машин
Для деталей машин допускаемое напряжение определяется по формуле
где n – коэффициент запаса, принимаемый в пределах 1,4…1,6;
Кэ – эффективный коэффициент концентрации напряжений для
рассматриваемого типа соединений.
Проектирование сварной стойки.
Стойкой называется конструкция, работающая, в основном, на сжатие или
растяжение. При конструировании стоек, работающих на растяжение достаточно
провести расчет на статическую или усталостную прочность. Для стоек, работающих
на сжатие, помимо расчета на прочность проводится расчет на устойчивость.
Типы стоек в зависимости от приложения нагрузки:
Центрально-сжатые стойки – направление действующих нагрузок совпадает с
центральной осью сечения стойки, при расчете учитывается только продольная сила;
Внецентренно сжатые стойки – направление действующих нагрузок не совпадает
с центральной осью сечения стойки, при расчете учитывается продольная сила
и изгибающий момент.
Тип стойки определяется путем расчета относительного эксцентриситета:
– напряжения изгиба;
– напряжения сжатия;
М – изгибающий момент;
W – момент сопротивления сечения; А – площадь поперечного сечения;
Р – действующая сила.
В случае, если m<0,1, то изгиб не учитывается, стойка считается центрально-сжатой;
если 0,1<m<5, то изгиб учитывается, стойка считается внецентренно сжатой
Расчет стойки на статическую прочность проводится по формулам
для центрально-сжатых стоек, N
– продольная сила
для внецентренно сжатых стоек.
Расчет центрально-сжатой стойки на устойчивость проводится по формуле:
где φ – коэффициент, показывающий, на сколько необходимо уменьшить действующие
напряжения, чтобы не произошло потери устойчивости.
Проектирование сварной балки
Балкой называют конструкцию, работающую в основном на изгиб
Показателем экономичности сечения балки служит параметр W/A, где W – момент
сопротивления сечения; А – площадь поперечного сечения. Чем больше это
отношение, тем эффективнее сечение работает на изгиб.
Увеличить отношение W/A можно путем увеличения толщины полок и уменьшения
толщины стенки, однако чрезмерное уменьшение толщины стенки может привести
к потере местной устойчивости.
Кроме расчета на статическую и усталостную прочность, общую и местную
устойчивость, балки в обязательном порядке рассчитываются на жесткость
Под жесткостью здесь понимается обеспечение требуемого прогиба балки.
прогиб задается в виде отношения f/l, где f – допустимый прогиб, l – длина балки.
При проектировании балки следует учитывать, что требование жесткости может
быть обеспечено при высоте балки не менее определенной величины.
При этом высота балки влияет на ее металлоемкость, чем ниже балка, тем меньшая
площадь поперечного сечения требуется для обеспечения требуемой прочности.
Поэтому, как правило, определение высоты балки является первым этапом
ее проектирования.
После определения высоты балки задают толщину стенки
Общая устойчивость балки оценивается путем уменьшения допускаемых напряжений
на коэффициент φ. Этот коэффициент зависит от геометрических характеристик
сечения.
Местная устойчивость рассчитывается для вертикальной стенки, в случае
невыполнения условия местной устойчивости можно увеличить толщину стенки или
ввести ребра жесткости
Основные принципы проектирования сварных конструкций
1 Выбор наилучших конструктивных форм
2 Целесообразно вместо пространственных решетчатых конструкций использовать
оболочковые; применять гнутые или гофрированные тонколистовые, а также
сотовые элементы;
3 Выбор металла открывает большие возможности снижения массы изделия.
Наибольшая экономия металла может быть получена при использовании прочных
и высокопрочных сталей, а также сплавов(алюм, титан.)
Повышение прочности металла нередко сопровождается ухудшением его свариваемости или снижением сопротивления разрушению. Поэтому экономия металла за счет повышения его прочности целесообразна только при учете всех этих факторов. Большие перспективы имеет применение композиционных материалов, например двухслойных сталей.
4 Необходимо стремиться к наиболее рациональному варианту расчленения
конструкции на элементы. Намечая расположение сварных соединений,
проектировщик не только задает форму и размеры отдельных заготовок,
но и в значительной степени предопределяет решение ряда конструктивных
и технологических вопросов (методы получения заготовок, типы соединений,
приемы сварки и др.).
5 Выбор метода сварки необходимо проводить с учетом свариваемости
металла заготовок.
6 Назначение типа сварного соединения необходимо проводить с учетом
обеспечения удобства выполнения сборочно-сварочных операций.
7 При проектировании сварных конструкций необходимо использовать типовые
и стандартизованные сварные детали и узлы, что позволяет снижать их стоимость
и затраты на технологическую подготовку производства.
8 Для предотвращения образования чрезмерных сварочных деформаций сварные
соединения необходимо располагать симметрично. Режимы сварки должны
обеспечивать симметричность сечения шва в зоне термического влияния.
В некоторых случаях целесообразно применять предварительный изгиб деталей перед сваркой с таким расчетом, чтобы после нее изделие приняло заданную форму. Сварочные деформации тем больше, чем больше сечения швов
9 В процессе сварки вследствие усадочных явлений в шве происходит
укорочение конструкции и ее искривление.
10 В сварной конструкции не допускают резких (ступенчатых) переходов по толщине
металла, отклонений от симметричности расположения элементов по толщине
и переходов форм конструкции (малых радиусов закругления вырезов).
Основные принципы проектирования сварных деталей машин
1 Диапазон применяемых марок сталей широк: наряду с низкоуглеродистыми
и низколегированными сталями применяют высоколегированные. Иногда заготовки
подвергают термической обработке до сварки. К качеству конструкций
предъявляются высокие требования.
2 В деталях машин размеры элементов нередко определяются условиями
не прочности, а жесткости. В этом случае рабочие напряжения принимаются
значительно ниже допускаемых.
3 В деталях машин большое значение имеет точность изготовления. Остаточные
напряжения в сварных конструкциях, находящихся в эксплуатации, с течением
времени меняют свое значение. Вследствие этого в конструкции появляются
деформации. Поэтому сварные изделия, изготовляемые и обрабатываемые
по высшим квалитетам точности, необходимо после сварки подвергать
термической обработке.
4 В зонах сварных соединений некоторых низколегированных сталей происходит
процесс замедленного распада аустенитной структуры, вызывающий
деформирование соединения в течение некоторого времени. В процессе
эксплуатации сварных соединений из низкоуглеродистой и аустенитной стали
изменения размеров обычно не происходит. Существуют разные мероприятия
для устранения этого вредного явления. Одно из них — применение рациональной
термической обработки изделия после сварки.
5 Механическую обработку сварных деталей машин следует, как правило,
производить после отпуска, так как удаление части сечения вызывает
перераспределение остаточных напряжений и искажение ранее
обработанных поверхностей
6 «Горячий монтаж», т. е. сборку и сварку механически обработанных заготовок
без последующей механической обработки готовой детали, можно применять
только при тщательной обработке технологии сварки.
7 Детали машин часто воспринимают действие динамических нагрузок. Это требует
проектирования конструкций с возможным устранением
концентраторов напряжений.