Прочность сварных соединений

1.Визначте необхідний клас міцності сталі.

2.Як зміниться необхідна міцність, якщо збільшити товщину?

3.Як зміниться необхідна міцність, якщо збільшити діаметр d?

Задача 2.1.19. Зварний фланець штанги бурової установки зі сталі 09Г2 (див. рис. 2.1.11) передає крутний момент Мкр і осьову силу Т. Розміри з'єднання: d = 200 мм, t = 8 мм, Мкр = 50 кН·м.

1.Визначте допустиму величину осьової сили.

2.Як зміниться допустима сила, якщо збільшити крутний момент?

3.Як зміниться допустима сила, якщо збільшити діаметр d?

Задача 2.1.20. Зварний фланець штанги бурової установки зі сталі 09Г2 (див. рис. 2.1.11) передає крутний момент Мкр і осьову силу Т. Розміри з'єднання: d = 200 мм, t = 12 мм, Т = 100 кН, Мкр = 100 кН·м.

1.Перевірте міцність з'єднання.

2.Чи буде забезпечена міцність, якщо збільшити крутний момент?

3.Чи буде забезпечена міцність, якщо зменшити товщину?

Задача 2.1.21. Зварна двотаврова балка (рис. 2.1.12) зі сталі Ст3 завантажена силою Т. Розміри: l = 10 м, b = 200 мм, h = 300 мм, s1 = 15 мм, s2 = 10 мм, с = 3 м,

Т= 50 кН.

1.Перевірте міцність зварного з'єднання.

2.Як зміниться напруження в стику, якщо збільшити розмір с?

3.Як зміниться напруження в стику, якщо зменшити товщину стінки?

81

Задача 2.1.22. Зварна двотаврова балка (див. рис. 2.1.12) зі сталі 09Г2 завантажена силою Т. Розміри: l = 12 м, b = 250 мм, h = 350 мм, s1 = 12 мм, s2 = 8 мм,

с= 4 м, Т = 70 кН.

1.Перевірте міцність зварного з'єднання.

2.Як зміниться напруження в стику, якщо збільшити довжину l?

3.Як зміниться напруження в стику, якщо зменшити товщину паска?

T

bxs1

Рис. 2.1.12. Зварна двотаврова балка

Задача 2.1.23. Зварна двотаврова балка (див. рис. 2.1.12) зі сталі 10ХСНД завантажена силою Т. Розміри: l = 14 м, b = 200 мм, h = 350 мм, s1 = 12мм, s2 = 10 мм, с = 6 м, Т = 80 кН.

1.Перевірте міцність зварного з'єднання.

2.Як зміниться напруження в стику, якщо збільшити довжину l?

3.Як зміниться напруження в стику, якщо зменшити ширину паска?

2.1.10. Контрольні питання

1.Осьове допустиме навантаження у стиковому з'єднанні труби дорівнює Р. Яке навантаження витримає з'єднання, якщо збільшити товщину труби в 2 рази?

2.Осьове допустиме навантаження у стиковому з'єднанні труби дорівнює Р. Яке навантаження витримає з'єднання, якщо збільшити діаметр труби в 2 рази?

3.Осьове допустиме навантаження у стиковому з'єднанні труби дорівнює Р. Яке навантаження витримає з'єднання, якщо збільшити довжину труби в 2 рази?

4.Допустимий згинальний момент у стиковому з'єднанні труби дорівнює М. Яке навантаження витримає з'єднання, якщо збільшити товщину труби в 2 рази?

5.Допустимий згинальний момент у стиковому з'єднанні труби дорівнює М. Яке навантаження витримає з'єднання, якщо збільшити діаметр труби в 2 рази?

6.Допустимий крутний момент у стиковому з'єднанні труби дорівнює Мкр. Яке навантаження витримає з'єднання, якщо збільшити товщину труби в 2 рази?

7.Допустимий крутний момент у стиковому з'єднанні труби дорівнює Мкр. Яке навантаження витримає з'єднання, якщо збільшити діаметр труби в 2 рази?

8.Допустимий крутний момент у стиковому з'єднанні труби дорівнює Мкр. Яке навантаження витримає з'єднання, якщо збільшити довжину труби в 2 рази?

9.На яке навантаження може працювати стикове з'єднання?

10.На які напруження розраховується стикове з'єднання під час роботи його

на осьове навантаження?

82

11.На які напруження розраховується стикове з'єднання під час роботи його на поперечне навантаження?

12.На які напруження розраховується стикове з'єднання під час роботи його на згинальний момент?

13.На які напруження розраховується стикове з'єднання під час роботи його на крутний момент?

14.Чому дорівнюють результуючі напруження в стиковому з'єднанні у разі одночасної дії осьової сили і згинаючого моменту?

15.Чому дорівнюють результуючі напруження в стиковому з'єднанні у разі одночасної дії поперечної сили і згинального моменту?

16.Чому дорівнюють результуючі напруження в стиковому з'єднанні у разі одночасної дії осьової і поперечної сил і згинального моменту?

17.Чому дорівнюють результуючі напруження в стиковому з'єднанні у разі одночасної дії осьової сили і крутного моменту?

18.Чому дорівнюють результуючі напруження в стиковому з'єднанні у разі одночасної дії поперечної сили і крутного моменту?

19.Чому дорівнюють результуючі напруження в стиковому з'єднанні у разі одночасної дії згинального і крутного моментів?

20.Чому дорівнюють результуючі напруження в стиковому з'єднанні у разі одночасної дії осьової і поперечної сил і згинального і крутного моментів?

2.2. Розрахунок міцності і проектування таврових з'єднань без скосу крайки

2.2.1. Загальна характеристика з'єднання

Утаврових з'єднаннях крайка однієї деталі торкається до поверхні іншої

із'єднуються кутовим швом. При цьому всі таврові з'єднання можна поділити на дві групи. До першої відносяться з'єднання без скосу крайки, що дотикається, тобто без гарантованого повного проплавлення (наприклад з'єднання типу Т1

іТ3), до другої – з'єднання зі скосом крайки, що дотикається, який гарантує повне проплавлення. Приклади таврових з'єднань показані на рис. 2.2.1.

83

Таврові з'єднання зварної конструкції – це в різній мірі завантажені з'єднання. У сполучних з'єднаннях, тобто тих, що не передають робоче зусилля від одного елемента до іншого, використовуються, як правило, з'єднання без скосу крайок. При цьому розмір катета не розраховується, а призначається за рекомендаціями ГОСТ, що подані у додатках до них, або відповідно до галузевих норм за товщиною елементів, що з'єднуються (табл. 2.2.1). Робочі з'єднання, що передають навантаження, повинні розраховуватися на міцність, їх виконують як зі скосом, так і без скосу крайок.

Таблиця 2.2.1. Мінімальний* катет кутового шва, мм (для сталей із границею плинності до 400 МПа)

* Максимальний катет кутового шва за ГОСТ не повинний перевищувати 1,2 товщини більш тонкого елемента (1,2smin) і мінімальну товщину (smin) – за Правилами Регістру

Під час проектування і виборі типу з'єднання (зі скосом або без скосу крайок), якщо немає спеціальних обмежень, перевагу варто віддавати з'єднанням без скосу крайки як більш простим, менш трудомістким, вони потребують менших витрат електроенергії і зварювальних матеріалів. У цьому випадку необхідна міцність (у тому числі і рівноміцність з основним металом) забезпечується призначенням відповідного катета шва.

2.2.2. Розрахунковий переріз з'єднання без скосу крайок

Форма і розміри розрахункового перерізу таврового з'єднання під час розрахунку його міцності визначаються за наступними основними принципами. У розрахунковий переріз, як правило, включається вся довжина шва. Для спрощення форми розрахункового перерізу короткі ділянки шва можна в нього не включати. Товщина залежить від типу таврового з'єднання.

У з'єднанні без скосу крайок поперечний переріз шва має складну форму, однак у розрахунках міцності він спрощується, а у реальний переріз шва вписують правильний прямокутний трикутник (рис. 2.2.2). За розрахункову товщину а приймається довжина бісектриси прямого кута, тому що цей переріз буде мінімальним у разі ідеального трикутного перерізу шва. У такому разі розрахункова товщина шва дорівнює 0,7k, тобто опуклість шва і проплавлення основного металу в розрахунковий переріз не включаються. При наявності увігнутості на поверхні розрахункова товщина відповідно зменшується.

84

Іноді дозволяється у разі гарантованого глибокого проплавлення (наприклад під час однопрохідного зварювання під флюсом) розрахункову товщину перерізу а приймати рівною k (Правила Регістру).

Рис. 2.2.2. Поперечний переріз кутового шва опуклого (а), увігнутого (б) і з різними катетами (в)

На рис. 2.2.3 наведені приклади розрахункових перерізів таврових з'єднань без скосу крайки (типу Т3), побудовані виходячи з зазначених принципів. Як видно з рисунка, розрахункові перерізи зварного з'єднання істотно відрізняються від перерізів за основним металом.

Рис. 2.2.3. Перерізи таврових з'єднань пластини (а), балки (б) і труби (в) за основним металом і за розрахунковими з'єднаннями без скосу крайки (Т3)

Таврові з'єднання можуть працювати на усі види навантаження, тобто на роз- тяг–стиск осьовим (вздовж осі зварного вузла) навантаженням Р, на згин під дією згинального моменту М, на зріз поперечною силою Q або крутним моментом Мкр.

85

2.2.3. Розрахунок таврових з'єднань без скосу крайки під дією подовжнього (осьового) навантаження

Під час дії осьового навантаження Р розрахунковий переріз приймають під кутом 45° до площини дії сил (за бісектрисою прямого кута), тому в ньому діють дотичні і нормальні напруження (рис. 2.2.4). Розрахунок таких з'єднань виконується на середні сумарні напруження, що умовно приймаються як дотичні τр.

У разі дії лише осьового навантаження напруження порівнюються з до-

пустимими, тобто умова міцності має вигляд Р ≤ [τ′].

a

a

Рис. 2.2.5. Епюри напружень від осьового навантаження в таврових з'єднаннях

2.2.4. Розрахунок міцності таврових з'єднань без скосу крайки під дією згинального моменту

Під дією згинального моменту М в розрахунковому перерізі також утворюються нормальні і дотичні напруження, розрахунок же ведеться на середні сумарні, вони умовно вважаються дотичними τM. При цьому вважається, що за шириною перерізу напруження розподілені рівномірно, а за висотою (за висоту

86

опору розрахункового перерізу шва відносно осі, що перпендикулярна площині згину.

У разі дії лише зги-

нального моменту М напруження τM порівнюються з допустимими, тобто умова міцності має вигляд

М ≤ [τ′].

Wшв

2.2.5. Розрахунок таврових з'єднань без скосу крайки під дією поперечного навантаження

Під час дії поперечної сили Q у розрахунковому перерізі утворюються дотичні напруження τQ. Для розрахунку вважається, що напруження τQ розподілені рівномірно, але тільки в межах перерізу вертикальних швів (швів, спрямованих уздовж поперечної сили Q), тобто

Q

τQ = FQ ,

де FQ – площа частини розрахункового перерізу з'єднання, рівнобіжної поперечній силі. Для з'єднання пластини (див. рис. 2.2.3,а) FQ = 2ah, для з'єднання таврової балки (див. рис. 2.2.3,б) FQ = 2ahb). У випадку, якщо з'єднання має складні

87

криволінійні обриси, за довжину вертикального шва приймається довжина вертикальної проекції швів. Наприклад, для з'єднання труби (див. рис. 2.2.3,в) довжина вертикальної проекції швів дорівнює діаметру, тоді площа FQ = D 2a. Товщина розрахункового перерізу а = 0,7k.

У разі дії лише поперечної сили Q напруження τQ порівнюються з допустимими, тобто умова міцності має такий вигляд:

Q

τQ = FQ ≤ [τ′].

2.2.6. Розрахунок таврових з'єднань без скосу крайки під дією крутного моменту

При роботі на крутіння під дією крутного моменту таврове з'єднання розраховується на дотичні τкр напруження, величина яких у будь-якій точці розрахункового перерізу приймається прямо пропорційною відстані від цієї точки до центра ваги перерізу (див. рис. 2.2.3,в). Тому величина цих напружень може бути знайдена за формулою

τкр = Мкр ri .

Ip

Максимальні напруження діють у найбільш віддаленій від центра ваги точці перерізу, їх величина може бути знайдена за формулою

τкр = Mкр .

Wр

Пластини і балки відкритого профілю (таврові і двотаврові) на крутіння працюють погано, тому для такого навантаження їх звичайно не застосовують. У разі роботи на крутіння використовуються елементи замкнутого профілю. Оптимальними, а відповідно і найбільш розповсюдженими в цих випадках є труби, що мають розрахункові перерізи у вигляді кільця.

Увипадку дії лише крутного моменту розраховані напруження порівнюються

здопустимими на зріз у зварному з'єднанні, тобто умова міцності має вигляд

Mкр ≤ [τ].

Wр

2.2.7. Розрахунок таврових з'єднань без скосу крайки під час одночасної дії кількох видів навантаження

Якщо на з'єднання діє одночасно декілька видів навантаження, то з допустимими порівнюються лише результуючі напруження, знайдені як сума складових у небезпечних точках. Принципи визначення результуючих напружень аналогічні тим, що використовувалися в стикових з'єднаннях (див. п. 2.1.7). Тобто складові

88

напруження знаходяться з урахуванням принципу незалежності дії сил. Спосіб підсумовування залежить від взаємного напрямку дії складових – за однією віссю підсумовуються алгебраїчно (τрез = τ1 + τ2), а за взаємоперпендикулярним –

геометрично ( τрез = τ12 + τ22 ).

Так у разі одночасної дії на з'єднання пластини (див. рис. 2.2.3,а) осьової

іпоперечної сил та згинального моменту умова міцності буде мати вигляд

τрез = (τр + τМ )2 + τQ2 ≤ [τ′].

Уз'єднанні таврової балки (див. рис. 2.2.3,б) під час одночасної дії осьової і поперечної сил та згинального моменту небезпечною може бути одна з трьох точок 1, 2 або 3 (див. рис. 2.2.3,б). У таких випадках необхідно скласти умову міцності для кожної точки окремо

Деяку особливість має розрахунок таврового з'єднання у випадках, коли один зі з'єднуваних елементів працює в площині малої жорсткості (рис. 2.2.7).

Рис. 2.2.7. З'єднання балки зі стійкою таврового (а) і коробчатого (б) перерізів

У наведених прикладах полиця стійки має в місці з'єднання малу жорсткість, тому що працює на вигин із площини листа. У таких випадках у розрахунковий переріз необхідно включати довжину не за всією шириною полиці b, а лише її частину (так звану ефективну довжину шва).

89

Рекомендаціями МІЗ пропонується

bеф = (7 ÷ 10)s1 + s2 – для двотаврового перерізу (див. рис. 2.2.7,а); bеф = (5 ÷ 7)s1 + 2s2 – для коробчатого перерізу (див. рис. 2.2.7,б). Перші значення в дужках відповідають розтягу, а другі – стиску.

Для забезпечення достатньої жорсткості і підвищення працездатності таких з'єднань бажано ставити додаткові ребра жорсткості (косинці), як показано пунктиром на рис. 2.2.7.

Умови міцності дозволяють перевіряти міцність готового з'єднання, знаходити допустиме навантаження, підбирати клас міцності сталі, визначати необхідний катет шва під час проектування зварної конструкції. В останньому випадку необхідно стежити, щоб катет не виходив за межі, передбачені ГОСТ для товщин, що з'єднуються (див. табл. 2.2.1). Якщо катет менше встановленого мінімуму, його збільшують до необхідної величини. У випадку перевищення максимуму 1,2smin необхідно застосувати з'єднання зі скосом крайок або змінити конструкцію вузла.

2.2.8. Приклад розрахунку таврового з'єднання без скосу крайки

На обух зі сталі Ст3 (σТ = 240 МПа), приварений до плити без скосу крайки катетом k = 5 мм із двох сторін (з'єднання типу Т3), діє сила натягу троса Т = 75 кН під кутом α = 60° (рис. 2.2.8). Розміри вузла: l = 150 мм, h = 50 мм, c = 30 мм, s = 8 мм. Коефіцієнт запасу міцності прийняти 1,5.

1.Перевірити міцність зварного з'єднання обуха із плитою.

2.Чи буде забезпечена міцність, якщо збільшити кут α?

3.Чи буде забезпечена міцність, якщо збільшити силу натягу троса до 85 кН?

90