12.Работа малоуглеродистой стали под нагрузкой. Диаграмма «о-s», стадии работы.

Рис. 1. Диаграмма растяжения стали

В стальных конструкциях в основном применяется мягкая малоуглеродистая сталь 3 с содержанием углерода до 0,22%, которая по терминологии ГОСТ может быть разных марок (табл.1 и 2). Она хорошо сваривается, почти не закаливается и потому является весьма удобной для работы в элементах конструкций.

Работа малоуглеродистой стали под статической нагрузкой хорошо характеризуется известной диаграммой растяжения (рис. 1), на которой четко проявляются основные точки: предел пропорциональности (s_пц), ограничивающий упругую работу  стали; предел текучести (s_т) на площадке текучести, характеризующий пластическую работу стали; предел прочности или временное сопротивление (s_в), характеризующий предельную нагрузку, воспринимаемую испытуемым элементом, а также относительное удлинение e при разрыве (по оси абсцисс), область самоупрочнения за площадкой текучести и др. Предел текучести определяет границу напряжений, при которых деформации оказываются еще настолько малыми, что можно пользоваться методами расчета по упругой стадии работы материала. На площадке текучести обрывается однозначная связь между напряжениями и деформациями, определяющая сопротивление материала (одному напряжению соответствует много значений деформации — сталь течет); поэтому на площадке текучести сопротивление материала временно исчерпывается, и, таким образом, предел текучести является пределом расчетных напряжений. Относительное удлинение при разрыве характеризует пластичность стали. Склонность стали к переходу в хрупкое состояние характеризуется ударной вязкостью; поскольку эта склонность в значительной степени зависит от структуры стали, ее чистоты и однородности, ударная вязкость характеризует также и структуру стали.

13. Сварные соединения, общая характеристика, классификация. Рас­чет и конструирование сварных соединений.

Основным видом соединений металлическйх строительных конструк­ций является сварка. Она почти полностью заменила другие виды сое­динений при изготовлении конструкций и широко применяется как на заводе, так и при монтаже на строительной площадке. Сварка упрощает конструктивную форму соединения, дает экономию металла, позволяет применять высокопроизводительные механизированные способы, что значительно уменьшает трудоемкость изготовления конструкций. Свар­ные соединения обладают не только прочностью, но и водо- и газонепро­ницаемостью, что особенно важно для листовых конструкций.

Однако возникающие при сварке внутренние остаточные напряже­ния в соединении усложняют его работу и в ряде случаев при действии динамических нагрузок и низких температур способс^твуют хрупкому разрушению. Выполнение сварки часто бывает затруднено при монтаже конструкций и соединении нескольких листов в пакеты. Оба эти обсто­ятельства в ряде случаев затрудняют применение сварки и заставляют обратиться к традиционным болтовым видам соединений.

В строительстве применяется главным образом электродуговая свар­ка: ручная, автоматическая, полуавтоматическая, а также электрошла- ковая. Реже применяется контактная и газовая сварка. Другие виды сварки при сборке и монтаже строительных конструкций пока не полу­чили распространения.

1. Ручная электродуговая сварка универсальна и широко распрост­ранена, так как может выполняться в любом пространственном положе­нии. Она часто применяется при монтаже в труднодоступных местах, где механизированные способы сварки не могут быть применены. Меньшая глубина проплавления основного металла и меньшая производитель­ность ручной сварки из-за пониженной силы применяемого тока, а так­же меньшая стабильность ручного процесса по сравнению с автоматиче­ской сваркой под флюсом являются недостатками ручной сварки.

Электроды, применяющиеся для ручной сварки, подразделены на несколько типов по значению временного сопротивления металла шва. Например, электрод типа Э42 позволяет получить шов, имеющий а_в^ ^410 МПа (42 кге/мм²), и применяется для сварки сталей, имеющих а_в^430 МПа; электрод типа Э50 дает соответственно а_в^490 МПа и применяется для сварки сталей, имеющих а_в^520 МПа. Добавление к названию электрода буквы А означает, что данные электроды дают ме­талл, обладающий повышенной пластичностью, характеризуемой отно­сительным удлинением и повышенной ударной вязкостью.

2.Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом осу­ществляется автоматом с подачей сварочной проволоки d = 2—5 мм без покрытия. Дуга возбуждается под слоем флюса, флюс расплавляется, легирует расплавленный металл содержащимися в нем примесями н надежно защищает его от соприкосновения с воздухом. Металл получа­ется чистым с ничтожными количествами вредных примесей — кислоро­да, азота и др. Благодаря хорошей теплозащите расплавленный металл под слоем флюса остывает медленно, хорошо освобождается от пузырь­ков газов и шлака и отличается значительной плотностью и чистотой. Большая сила тока (600—1200 А и более), применяющаяся при автома­тической сварке, и хорошая теплозащита шва обеспечивают глубокое проплавление свариваемых элементов и большую скорость сварки. Та­ким образом, хорошее качество швов и высокая производительность яв­ляются большими достоинствами автоматической сварки под флюсом, и ее применение желательно во всех соединениях, где это возможно.

К недостаткам относится затруднительность выполнения этой свар­ки в вертикальном и потолочном положении и в стесненных условиях, что ограничивает ее применение на монтаже.

Для коротких швов с успехом применяется полуавтоматическая свар­ка шланговым полуавтоматом. Процесс сварки ведется голой проволо­кой d^3 мм под флюсом в нижнем положении или порошковой прово­локой, свернутой в трубочку стальной лентой, внутри которой запрессо­ван флюс, в любом положении. Сварка порошковой проволокой должна найти себе широкое применение при монтаже конструкций.

1. Электрошлаковая сварка представляет собой разновидность свар­ки плавлением; этот тип сварки удобен для вертикальных стыковых швов металла толщиной от 20 мм и более. Процесс сварки ведется голой электродной проволокой под слоем расплавленного шлака, сварочная ванна защищена с боков медными формирующими шов ползунами, ох­лаждаемыми проточной водой. Качество шва, выполняемого этим спосо­бом, получается очень высоким.

Сварка в среде углекислого газа ведется голой электродной про­волокой d —1,4—2 мм на постоянном токе обратной полярности. Угле­кислый газ при высокой температуре активно взаимодействует со сталью, окисляя ее, что компенсируется повышенным содержанием рас- кислителей в электродной проволоке. Сварка в среде углекислого газа,

Виды сварных соединений

Различают следующие виды сварных соединений: стыковые, вна­хлестку, угловые и тавровые (впритык) (рис. 5.1).

Рис. 6.1. Виды сварных соединений

а — стыковые; 6 — внахлестку (/ — лобовые: 2 — фланговые швы); в — комбинированные; г — угловое; д — тавровое

Стыковыми называют соединения, в которых элементы соединяются торцами или кромками и один элемент является продолжением другого (см. рис. 5.1, а). Стыковые соединения наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий, отличаются экономичностью и удобны для контроля. Толщина сварива­емых элементов в соединениях такого вида почти не ограничена. Стыко­вое соединение листового металла может быть сделано прямым или ко­сым швом. Стыковые соединения профильного металла применяются реже, так как затруднена обработка их кромок под сварку.

Соединениями внахлестку называются такие, в которых поверхности свариваемых элементов частично находят друг на друга (см. рис. 5.1,6). Эти соединения широко применяют при сварке листовых конструкций из стали небольшой толщины (2—5 мм), в решетчатых и некоторых других видах конструкций. Разновидностью соединений внахлестку являются соединения с накладками, которые применяют для соединения элемен тов из профильного металла и для усиления стыков.

Иногда стыковое соединение профильного металла усиливают на­кладками, и тогда оно называется комбинированным (см. рис. 5.1, в).

Соединения внахлестку и с накладками отличаются простотой обра­ботки элементов под сварку, но по расходу металла они менее эконо­мичны, чем стыковые. Кроме того, эти соединения вызывают резкую концентрацию напряжений, из-за чего они нежелательны в конструкци­ях, подвергающихся действию переменных или динамических нагрузок и работающих при низкой температуре.

Угловыми называют соединения, в которых свариваемые элементы расположены под углом (см. рис. 5.1,г).

Тавровые соединения (соединения впритык) отличаются от угловых тем, что в них торец одного элемента приваривается к поверхности дру­гого элемента (см. рис. 5.1,5). Угловые и тавровые соединения выполня­ются угловыми швами, широко применяются в конструкциях и отлича­ются простотой исполнения, высокой прочностью и экономичностью.

В ответственных конструкциях, в тавровых соединениях (например, в швах присоединения верхнего пояса подкрановой балки к стенке) же­лательно полное проплавление соединяемых элементов.

Сварные швы

Сварные швы классифицируют по конструктивному признаку, назна­чению, положению, протяженности и внешней форме.

По конструктивному признаку швы разделяют на стыковые и угло­вые (валиковые). В табл. 5.2 показаны виды швов и необходимая форма разделки кромок соединяемых элементов различной толшины для обес­печения качественного соединения при автоматизированной и ручной сварке.

Стыковые швы наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений, но они требуют дополнительной разделки кромок. При сварке элементов толщиной больше 8 мм для проплавления металла по всей толщине сечения необходимы зазоры и обработка кро­мок изделия (табл. 5.2). В соответствии с формой разделки кромок швы бывают V, U, X и К-образные. Для V- и U-образных швов, свариваемых с одной стороны, обязательна подварка корня шва с другой стороны для устранения возможных непроваров (рис. 5.2, а), являющихся источни­ком концентрации напряжений.

Начало и конец шва имеют непровар и кратер, являются дефектны­ми и их желательно выводить на технологические планки за пределы рабочего сечения шва, а затем отрезать (рис. 5.2,6).

При автоматической сварке принимаются меньшие размеры раздел­ки кромок швов вследствие большего проплавления соединяемых эле­ментов (табл. 5.2). Чтобы обеспечить полный провар шва, односторон­няя автоматическая сварка часто выполняется на флюсовой подушке, на медной подкладке или на стальной остающейся подкладке.

При электрошлаковой сварке разделка кромок листов не требуется, но зазор в стыке принимают не менее 14 мм.

Угловые (валиковые) швы наваривают в угол, образованный эле­ментами, расположенными в разных плоскостях. Применяющаяся при этом разделка кромок изделия показана в табл. 5.2.

Угловые швы, расположенные параллельно действующему осевому усилию, называют фланговыми, а перпендикулярно усилию — лобовыми.

Швы могут быть рабочими или связующими (конструктивными), сплошными или прерывистыми (шпоночными). По положению в про­странстве во время их выполнения они бывают нижними, вертикальны­ми, горизонтальными и потолочными (рис. 5.3). Сварка нижних швов

наиболее удобна, легко поддается механизации, дает лучшее качество шва, а потому при проектировании следует предусматривать возмож­ность выполнения большинства швов в нижнем положении. Вертикаль­ные, горизонтальные и потолочные швы в большинстве своем выполня­ются при монтаже.