книги из ГПНТБ / Брудка Я. Легкие стальные конструкции

3. СОЕДИНЕНИЯ

3.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

При решении соединений (стыков и узлов) легких элементов нужно учитывать те факторы, которыми руководствуются проектант и изгото­ витель элементов обычных стальных конструкций:

силы, действующие в соединяемых сечениях; сечения с наименьшей прочностью в соединяемых частях;

прочность на срез стенок балок, поясов и заключенных между ними частей стыка;

эксцентриситет; концентрацию напряжений;

деформируемость частей стыка во время изготовления и эксплуата­ ции.

Контроль соединений, выдерживающих усилия в стыках или узлах, проводится для легких элементов на таких же принципах, как в обыч­ ных конструкциях. Нужно только тщательно учитывать второстепен­ ные силы, которые могут вызвать дополнительные деформации соединя­ емых частей. Величины этих деформаций при использовании тонкостен­ ных профилей могут быть значительно большими, чем в конструкциях из горячекатаных профилей. Эти вопросы в большой мере связаны с формой соединяемых частей, в связи с чем надо рассматривать их инди­ видуально. Некоторые общие рекомендации будут приведены в разде­ ле 8.1. Здесь же рассматриваются только два характерных примера.

На рис. 3-1, а показан узел стержня из гнутого профиля лоткового сечения. Крепления полок имеют тенденцию деформироваться внутрь профиля при сжатии (рис. 3-1,6) и наружу при растяжении (рис. 3-1,а). Эту деформацию можно предотвратить, установив накладку (рис. 3-1,г).

На рис. 3-2 показано растягиваемое соединение, в котором даже не­ большая сила вызывает отделение двух прилегающих друг к другу плоскостей, возникновение больших деформаций, а в результате — зна­ чительную перегрузку соединителей (в данном случае болтов). Такое решение неправильно.

Надо формировать соединение таким образом, чтобы в нем не про­ изошла потеря местной устойчивости или деформация профиля, вызван­ ная местным приложением сил. Усилие следует передавать на стык по­ степенно, а тонкие стенки — ужесточать.

Широко применяемым видом соединения являются сварка плавле­ нием или давлением и болтовые соединения. Поскольку в легких элементах чаще всего не ограничивается минимальная толщина стенки с учетом способа соединения, то технология сварки и болтового соедине­

51

ния должна быть приспособлена к небольшой толщине листового метал­ ла и профилей. Применяются и другие способы соединения, кратко опи­ санные в 3.5—3.7.

Приводимые ниже сведения и рекомендации относятся прежде всего к соединениям элементов, работающих при постоянных или преимущест­ венно постоянных нагрузках. Это чаще всего проявляющиеся нагрузки в легких конструкциях.

Предел выносливости соединений легких элементов, особенно из гну­ тых профилей, известен только частично. В элементах, подвергающихся динамическим нагрузкам, нужно также учитывать старение стали, под­ вергавшейся холодной обработке давлением, и выбирать для профилей спокойную сталь, чтобы исключить с этой стороны опасность растрески­ вания.

3.2.СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

3.2.1.Общие вопросы

В легких стальных конструкциях принципы выполнения правильных сварных соединений зависят прежде всего от рода используемого профи­ ля. В случае применения для конструкций прокатных профилей (напри­ мер, уголков, тавров, швеллеров, стержней круглого сечения и т. п.) принципы выполнения соединений только незначительно отличаются от принципов выполнения соединений в обычных стальных конструкциях. Разница определяется только стремлением к возможно большему упро­ щению производства элементов конструкций на заводе. Несмотря на упрощения или даже отступления от критериев правильного выполнения соединений, необходимая несущая способность их сохраняется. Но при использовании холодноформованных тонкостенных профилей из тонкого листового металла способы выполнения соединений в обычных стальных строительных конструкциях различны.

Нередко встречаются решения, известные до сих пор прежде всего в строительстве легких машин, транспортных машин (например, авто­ мобилей, мотоциклов или самолетов) и кораблей.

52

Благодаря незначительным размерам поперечных сечений стержней, выдерживающих небольшие усилия, швы в соединениях, как правило, короткие и имеют небольшую толщину. Поэтому сварку должны вести очень тщательно, чтобы предотвратить пористость, подрезы или сплав­ ление отверстий. Правда, тонкостенность элементов в стыке позволяет легче избежать внутренних дефектов шва (например, шлаковых включе­ ний в шве, непровары), но тонкие швы, как правило, пористые. Хорошо выполненный тонкий шов имеет прочность большую, в пересчете на 1 см3, чем так же хорошо выполненный толстый шов. Однако дефекты встречаются довольно часто, и тогда во время разрушения стыка они играют большую роль, чем в соединениях обычных стальных конст­ рукций.

Сталь во многих волокнах гнутых или холоднотянутых профилей имеет измененную структуру вследствие наклепа. При выполнении свар­ ного соединения вводится тепло, которое вызывает изменения в структуре стали, подвергавшейся обработке давлением. Эти изменения появляются при нагревании свыше 200—300° С. Основаны они на регенерации крис­ таллографической сетки, вследствие чего происходит определенное воз­ вращение первоначальных механических свойств.

При неправильном изготовлении профилей сталь может приобрести хрупкость. Об этом следует помнить при выполнении швов на углах. На основе проведенных испытаний и многолетней практики было отмечено что сталь марки St3, подвергнутую холодной пластической обработке, можно сваривать без особых трудностей, если толщина стенки профиля не превышает 4 мм.

В данной работе не описываются конструкции, выполненные из холод­ ногнутых профилей, изготовленных из листового металла толщиной бо­ лее 5 мм, поскольку такие профили до сих пор не нашли широкого при­ менения в строительстве.

Сварка листового металла толщиной более 4 мм, не подвергнутого холодной пластической обработке, не встречает никаких трудностей. Тех­ нология сварки такого металла ничем не отличается от сварки обычных стальных конструкций. Сварка листового металла толщиной менее 4 мм, подвергавшегося или не подвергавшегося холодной пластической обра­ ботке, требует технологии, приспособленной прежде всего к быстрому отведению тепла из стыка, быстрому застыванию сварочной ванны и к необходимой большей скорости плавления электродов по сравнению с этими же операциями, имеющими место при соединении листового ме­ талла толщиной 4 мм. Поэтому в сварном деле для соединения тонкого листового металла разработаны соответствующая техника и технология.

Согласно испытаниям, проведенным Высшим техническим училищем в Дармштадте [95], сварка не ликвидирует полностью изменений струк­ туры стали, подвергнутой холодной пластической обработке в профилях толщиной до 4 мм. В связи с кратковременностью действия теплоты первоначальные механические свойства не восстанавливаются. В резуль­ тате проведенных исследований повышены допускаемые напряжения не только для материала профилей, но и для швов, соединяющих эти про­ фили.

53

Согласно исследованиям, проведенным Высшим техническим учили­ щем в Дармштадте [65] и в Варшавском политехническом институте [125], явления естественного старения в профилях и искусственного ста­ рения в сварных стыках проявляются довольно сильно, но не приводят к ухудшению несущей способности тонких элементов, подвергнутых хо­ лодной пластической обработке, работающих при статических нагруз­ ках. Для элементов из металла толщиной до 3 мм можно вообще не опа­ саться растрескивания, вызванного старением после холодной обработки давлением. Зато для элементов из металла толщиной более 3 мм это яв­ ление нужно учитывать на тех же принципах, какие установлены для элементов обычных стальных конструкций.

С точки зрения прочности, нагрев при сварке уменьшает в околошовной зоне последствия холодной обработки давлением. Несмотря на то что в сварном стыке понизился предел текучести, его несущая способ­ ность не уменьшилась. Это происходит потому, что участки стыка с бо­ лее высоким пределом текучести препятствуют свободной деформации участков стыка с меньшим пределом текучести. В результате этого про­ исходит определенное пластическое перераспределение материала, при­ водящее к такому местному упрочнению материала, при котором весь элемент выдерживает увеличенную нагрузку без излишних местных де­ формаций.

Указанное явление особенно сказывается в стыках при т о ч е ч н о й и э л е к т р о д у г о в о й с в а р к а х в защитном инертном газе или СОг.

Качественных сварных швов можно достичь прежде всего на заводах по изготовлению легких стальных конструкций, где работают сварщики высокой квалификации, постоянно занимающиеся сваркой тонкого лис­ тового металла, и на заводах, изготовляющих тонкостенные профили с высокими и неизменно сохраняющимися прочностными характеристи­ ками.

Нормами PN/B-03202 [152] допускается сварка элементов толщиной не менее 2 мм — такой стык считают прочным. На основании новейших исследований толщину стыка можно снизить до 1 мм.

До недавнего времени считалось, что лучшим методом соединения гнутых профилей с толщиной стенок до 4 мм является к о н т а к т н а я с варка . Однако в последние годы вследствие внедрения в сварку но­ вых типов электродов отмечено, что шо в н а я с в а р к а по прочности

ипо технологии выполнения не уступает контактной.

3.2.2.Соединение со стыковыми и угловыми швами

Существует несколько методов сварки тонкого листового металла, из которых должны быть упомянуты прежде всего газовая, ручная дуговая электродом с покрытием, дуговая автоматическая или полуавтоматиче­ ская (в защитном газе СОг или в защитных инертных газах), стыковая контактная.

Газовая сварка — старейший способ, однако он малопроизводителен и не очень эффективен для соединения гнутых профилей в строительных элементах с большим числом угловых швов; из-за неудовлетворительного

54

качества элементы, свариваемые таким способом, после сварки сильно деформируются.

Дуговая ручная сварка электродом с покрытием — наиболее распро­ страненный в настоящее время способ, применяющий специально пред­ назначенные для сварки тонкого листового металла электроды с об­ мазками.

Необходимо следить за тем, чтобы швы не были пористыми, посколь­ ку этот недостаток при сварке тонкого листового металла больше всего сказывается на уменьшении прочности соединения. Предотвратить это можно прежде всего путем обучения сварщиков, контроля их работы и высушивания электродов непосредственно перед сваркой. Если необ­ ходимо высокое качество шва, следует применять массивные медные подкладки. Иногда роль медной подкладки может выполнять часть сва­ рочного аппарата, если она достаточно массивна по сравнению со сва­ риваемыми элементами. Если при выполнении стыка конструкции невоз­ можен доступ к краям стыкового шва, то в проекте необходимо преду­ смотреть применение стальной подкладки, оставляемой там после выполнения шва. Это также повышает качество стыка.

Дуговая автоматическая или полуавтоматическая сварка в защитном газе СОг в несколько раз более производительна, чем дуговая ручная сварка электродом с покрытием. В принципе этим способом можно осу­ ществлять такие же соединения, как электродом с покрытием. Однако при прокладке коротких швов производительность всего в 2 раза выше. Следовательно, применять такой способ целесообразно в стыках с длин­ ными швами.

Дуговая автоматическая или полуавтоматическая сварка в защит­ ном газе имеет много достоинств: высокое качество шва; возможность уменьшения толщины угловых швов благодаря большой глубине рас­ плавления; видимость дуги, что позволяет легко управлять ею; отсутст­ вие шлака на поверхности шва; большую легкость вертикальной сварки.

К недостаткам этого способа относятся прежде всего необходимость применения проволоки с увеличенным содержанием марганца и кремния с целью восстановления металла из сварочной ванны и невозможность вести сварку при ветре, так как струя двуокиси углерода отклоняется и не защищает в достаточной мере металл в стыке.

Дуговая автоматическая или полуавтоматическая сварка в защитных инертных газах. Это способ аналогичен сварке в двуокиси углерода, но более дорогой из-за применения струи аргона или гелия. Сварку можно проводить с помощью неплавящегося вольфрамового электрода (метод, обозначенный символом TIG) или непрерывного плавящегося электро­ да (метод, обозначенный символом MIG). При сварке углеродистых ста­ лей он не дает особых преимуществ по сравнению со сваркой в защите двуокиси углерода. Более выгоден рассматриваемый способ при сварке легированных термически упрочненных сталей, из которых для строи­ тельных конструкций могут применяться марки хромокремнемарганцевой стали.

Другие способы дуговой сварки при выполнении стыковых и угло­ вых швов в конструкциях из гнутых профилей не применяются.

55

Для соединения конструкций из прокатных профилей и стержней круглого или квадратного сечения при коротких стыковых или угловых швах обычно используют р у ч н у ю д у г о в у ю с в а р к у э л е к т р о д о м с по крыт ие м.

Стыковую контактную сварку листового металла толщиной менее 2 мм можно применять только во второстепенных элементах. Тогда на материале не снимают фаску, а загибают края листов металла (рис. 3-3).

Шов, называемый отбортованным стыковым швом, получается путем

Отбортованные стыковые швы, выполненные в защитной атмосфере аргона, считают несущими. Их применяют также и для соединения лис­ тового металла толщиной более 2 мм. Подготовка краев к сварке долж­ на быть такой, как показано на рис. 3-5. Шов получается путем плавления отогнутых бортов, добавления круглого или плоского стержня либо пу­ тем плавления самих бортов соединяемого материала.

Элементы с толщиной стенок до 3 мм сваривают стыковой контакт­ ной сваркой с одной стороны без обработки кромок (рис. 3-6,а). При толщине профиля до 5 мм применяют двустороннюю сварку (рис. 3-6,6). Швы должны иметь наплыв, постепенно переходящий в материал про­ филя. С целью достижения хорошего провара граней надо делать зазор между кромками в соответствии с рисунком. Этот стык считается несу­ щим и может работать на постоянную и переменную нагрузки. >

При стыковых соединениях профилей с толщиной стенок 4—20 мм де­ лают швы в форме буквы V. Если при сварке нет доступа к граням, то кромки материала скашивают под острым углом (рис. 3-7). Стык может работать на постоянные нагрузки. Если сделать подкладку из тонкого листового металла и оставить ее постоянно, то стык сможет выдерживать также переменные нагрузки. Если при сварке есть доступ к граням, то кромкам материала придают форму скоса с порогом (вертикальная

56

часть кромки). Такой стык делают для элементов конструкций, рабо­ тающих на постоянные и переменные нагрузки.

В тавровых стыках с толщиной соединяемых элементов 4—20 мм применяют стыковые швы в форме 7г буквы V. Кромки материала ска­ шивают так же, как при выполнении швов в форме буквы V в стыковых соединениях.

Соединение листового металла под углом производится со скашива­ нием кромок или без него, в зависимости от толщины (рис. 3-8).

Стыковые швы других видов в легких конструкциях не встречаются, так как они служат для соединения элементов из плоского металла или профилей толщиной более 12 мм.

Угловые швы, выполняемые в тавровых соединениях вручную либо внахлестку (или с накладками), можно применять при толщине листо­ вой Стали или профилей от 3 мм и выше. В этом случае толщину шва принимают равной a = 0 ,7 g (где g — минимальная толщина соединяемых элементов). Если угловые швы выполняются автоматически или полуав­ томатически (например, в защитной атмосфере двуокиси углерода), то толщина соединяемых элементов может быть менее 3 мм. В этом случае принимают толщину шва равной a = g . Соединения с угловыми швами, выполняемыми вручную, при толщине соединяемых элементов менее 3 мм считают второстепенными. Угловые швы в разных типах соедине­ ний следует применять так, как показано на рис. 3-9.

Соединение стержней круглого и квадратного сечения с помощью стыковых швов показано на рис. 3-10. Круглые стержни диаметром d^ . 15 мм сваривают без подготовки краев. Круглые стержни диамет­ ром 15 мм и квадратные подготовляют к сварке путем скашивания кромок в форме буквы X. Высота порога не должна превышать 4 мм. Зазор равен 2—3 мм. Не следует применять острые кромки, поскольку это приводит к большому расходу присадочного металла электрода.

Соединения стержней круглого сечения с металлическими листами или профилями решаются обычно с помощью угловых швов. Поэтому соединения, показанные на рис. 3-11, а, б, в, применяют в легких конст­ рукциях повсеместно, а показанные на рис. 3-11, г, д — довольно редко.

На рис. 3-12 показано поперечное сечение стыка двух стержней круг­ лого сечения, соприкасающихся друг с другом по всей длине сварки.

В образующиеся углубления укладываются швы, которые своей формой

ихарактером работы в стыке близки к угловым швам. Максимальная толщина шва необходима тогда, когда его лицевой слой совпадает с плоскостью, касательной к стержням. Максимальная толщина получен­ ного таким образом углового шва меньше радиуса сечения стержня, так как в центральной части стыка остается непроваренная полоса. Чтобы уложить шов в желобок как можно глубже, для выполнения его перво­ го слоя следует брать тонкий электрод, например диаметром b = 3,25 мм. При таком положении можно в соответствии с рисунком рассчитать ши­ рину непроваренной полосы h и максимальную толщину шва амакс.

Практически получаются следующие величины: h— 0,4di и амако = 0,3с?1 (d\ — диаметр более тонкого стержня).

58

—Т

ни квадратного сечения

д>3мн

59