книги из ГПНТБ / Брудка Я. Легкие стальные конструкции

толщиной до 3 мм. Роликовый шов имеет форму продольной полосы, со­ стоящей из сварных точек, находящих одна на другую.

Сварная точка обычно имеет чечевицеобразную форму и крупнозер­ нистое строение, как литье. Такая структура возникает вследствие быст­ рого отведения тепла из свариваемого элемента. В зоне воздействия теп­ ла возникает очень тонкий слой большой твердости, а в сварной точке —

2 — профиль

Рис. 3-26. Схема линейной (шовной) сварки давлением

а — продольное сечение через место сварки; б — по­ перечное сечение; / и 2 — дисковые электроды

1

§

70

большое усадочное напряжение. Однако давление, применяемое во вре­ мя сварки, вызывая пластическую деформацию остывающей сварной точки, в значительной степени уменьшает это напряжение.

Предельную нагрузку стыков, получаемых с помощью точечной свар­ ки, можно определить на основе исходного или повышенного предела текучести листового металла во время холодной гибки профиля, если не отмечено явное разупрочнение вследствие тепловых процессов соедине­ ния (положительное воздействие здесь оказывает давление на соеди­ няемые части).

Прочность сварных стыков зависит от свойств использованного мате­ риала и от электротепловых процессов, происходящих во время выпол­ нения стыка. Число свариваемых элементов и расстояния между свар­ ными точками оказывают значительное влияние на токопрохождение.

С целью получения хорошего шва необходимо отдельно для каждого агрегата определить оптимальные условия работы (силу тока, давление, время сварки, электроды) и вписать это в журнал сварки.

Дефекты сварных точек — подгар, недостаточное проваривание, тре­ щины и слишком большие углубления от электрода и т.п.— недопусти­ мы (подгар элементов возникает вследствие большой длительности на­ гревания места соединений тонких листов металла). Обнаруживаются дефекты путем наружного осмотра и испытаний на прочность пробных полосок. С помощью наружного осмотра определяются: одинаковы ли расстояния между соседними сварными точками, круглы ли углубления от электродов, одинакова ли их глубина, равномерно ли размещены кольца цвета побежалости вокруг каждой точки. Средняя глубина вмя­ тины от электрода не должна превышать 20% толщины наиболее тонко­ го листа металла.

И с п ы т а н и е на р а с т я ж е н и е проводится, как показано на рис. 3-27, на образцах стыков из металла толщиной 2 мм в количестве,

ных условиях. Выполнять их по времени надо так, чтобы каждый стык приходился на десять свариваемых узлов. Первые пробные три стыка выполняют и испытывают до начала производственной сварки. Она не включается в дальнейшее число проб, запланированное для текущего контроля. Стыки рассекают на пять полосок пилкой (но не ножницами)

прочности стали в соединяемых листах металла). Это испытание отлича­ ется от испытания, предусматриваемого нормами [161], поскольку здесь не предъявляются требования еще и к минимальной несущей способно­ сти, что очень важно для легких стальных элементов, в которых можно использовать сталь разных марок, а не только St3, как это предусмот­ рено нормами [160].

Перед началом сварки и при каждом изменении ее технологических параметров необходимо проводить и с п ыт а н и е на н е р а в н о м е р ­ ный отрыв. Испытание заключается в отрывании одного листа ме­

71

талла от другого в зажатом в тисках образце стыка, состоящем из пяти сварных точек (рис. 3-28). Результат испытания считается положитель­ ным, если сварная точка «выкалывается» из одного листа, но целиком остается в другом. При отрицательном результате следует скорректиро­ вать условия сварки и повторить испытание.

Диаметр сварной точки должен быть определен путем предваритель­ ных испытаний. Условный диаметр определяется в зависимости от тол­ щины наиболее тонкого из соединяемых элементов. При проектировании стыков можно пользоваться формулами:

при g ^ 3 мм

d = 1,2 g + 4 лш;

ПРИg > 3 мм

d = l , 5g + 5 мм,

где g — толщина наиболее тонкого элемента.

Диаметр сварной точки при выполнении расчетов округляют до мил­ лиметров. Для определения условного диаметра сварной точки при

мм рекомендуется пользоваться формулой

d = b V ~ g .

Распределение нагрузки на отдельные сварные точки в стыке можно определить так же, как и при использовании заклепочных соединений. Стыки, соединяемые точечной сваркой, должны в основном выдержи­ вать нагрузку силой, лежащей в плоскости стыка. Стык, подвергающийся воздействию перпендикулярной этой плоскости силы или скручиваю­ щего момента, характеризуется неодинаковой прочностью, поэтому трудно оценить правильно несущую способность стыка.

Точечное сварное соединение, подвергающееся действию силы, ле­ жащей в плоскости стыка, рассчитывают исходя из предположения, что его разрушение может произойти вследствие отрыва сварных точек или появления условных сминающих напряжений вокруг сварной точки. Рас­ четы производят по формулам:

ке; Nt — предельная нагрузка на сварную точку при сдвиге; Nd — предельная нагрузка на сварную точку при условном давлении.

Формулы определения предельной нагрузки на сварную точку имеют такой же вид, как применяемые при расчете заклепок или болтов.

Для односрезных соединений:

Nt = ^ kisNd = gdkds,

4

для двусрезных соединений:

Nt = Y k«’ N^ S i d k ds,

J2

где d — диаметр сварной точки; g — толщина соединяемого элемента; g \ — толщина наиболее тонкого из соединяемых элементов; ki, — допускаемое сдвигающее напряже­ ние сварной точки; kds— допускаемое условное давление на сварную точку.

Допускаемое сдвигающее напряжение принимается таким же, как для угловых швов, в зависимости от допускаемого растягивающего нап­ ряжения для исходного материала. Величина допускаемого давления устанавливается как дополнительное условие и дифференцируется в за­ висимости от типа стыка.

Принимаются следующие значения допускаемых напряжений k свар­ ных точек (где k — допускаемое напряжение основного металла):

где kai — допускаемое напряжение на сдвиг сварной точки (£Os= 0,4 k).

Значение напряжения kQs необходимо постоянно проверять при изго­

щего момента или скалывающего усилия, производится так же, как для заклепочных соединений.

Стыки с рельефной сваркой давлением рассчитывают аналогично стыкам с точечной сваркой.

В стыке в направлении действия силы размещают по меньшей мере две сварные точки и не более пяти точек в одном ряду. В несущих сты­ ках расстояния между сварными точками (рис. 3-30) должны быть сле­ дующими:

в направлении действия силы

е = (3 -f- 6) d;

от края элемента до сварной точки в направлении действия силы

е1 = (2,5 ч- 4,5) d-

от края элемента до сварной точки в направлении, перпендикуляр­ ном к направлению действия силы,

е2 = (2 + 4)d.

В стыках с прихватными швами расстояния между сварными точка­ ми должны быть равны:

в стыках без элементов жесткости, подвергающихся сжатию е = 8 d или е —20 g (d — диаметр сварной точки, g — толщина наиболее тонко­ го листа металла в стыке);

встыках с элементами жесткости, подвергающихся сжатию е = 1 2 d

или е —30 g ,‘

встыках без элементов жесткости, подвергающихся растяжению,

е— 12d или 6=30,?;

встыках с элементами жесткости, подвергающихся растяжению, е =

—18 d или е= 45 g.

Принимается меньшая из двух приведенных величин. Расстояние от края до сварной точки не должно превышать половины величины рас­ стояния между двумя сварными точками.

Пример 3-3. Рассчитать сварной стык двух листов металла с накладками, подвер­ гающийся воздействию растягивающей силы Р =5000 кгс.

Допускаемые напряжения для металла и сварных точек:

k = 1600 кгс/см2;

kts =0,65-1600 = 1040 кгс!см2-,

kds = 2,5-1600 = 4000 кгс!см2.

Соединение двухсрезное. Сечение листов металла 80X4 мм\ сечение накладок

80X2,5 мм.

Напряжение в металле и накладках равны:

74

Расчетный диаметр сварной точки принимается 7 мм. Предельная нагрузка сварных точек равна:

Сварные точки, роликовые швы и швы, полученные при рельефной сварке, на рисунках надо обозначать в соответствии с рекомендациями,

указанными в нормах PN-64/M-01139 [159].

3.4.БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Влегких стальных конструкциях болтовые соединения делают в мон­ тажных стыках, выполняемых на стройке, что значительно ускоряет монтаж конструкции. В стандартизированных конструкциях такие сое­ динения выполняют во время сборки мелких элементов на стройке, что позволяет смонтировать конструкцию, затратив времени на монтаж на 30% меньше, чем при сварке.

При соединении листов металла толщиной менее 4 мм можно приме­ нять болты с накатанной резьбой по всей длине стержня [25]. В этом случае давление болта на стенку отверстия осуществляется нарезкой.

Монтажные отверстия для болтов, пробиваемые или просверливае­

мые в листовом металле толщиной 4 мм и более и развертываемые во время монтажа, должны иметь диаметр меньше на 0,5 мм.

Согласно требованиям норм PN-67/B-06200, выход резьбы стержня болта должен быть целиком погружен в подкладную шайбу и кончаться за пределами соединяемых элементов. Допускается углубление нарезки болта на два витка.

При подборе диаметров болтов в соответствии с толщиной соединяе­ мых элементов можно пользоваться рекомендациями, приводимыми для заклепок. Однако лучше болты применять больших диаметров и не сле­ дует использовать тоньше 10 мм.

Проектирование стыков производится теми же способами, что и для обычных стальных строительных конструкций.

Испытания, проведенные в США, показали, что если расстояние между болтами велико, то разрушение стыка происходит при меньшей нагрузке, чем определяемая прочностью металла в ослабленном сече­

нии. Поэтому американские нормы [148] рекомендуют, чтобы напряже­ ния в таком сечении были меньше допускаемых или установленных по формуле:

большими, чем в обычных элементах стальных конструкций, например: расстояние между болтами

е = 3,5 d;

расстояние от края элемента до оси болта в направлении, параллель­ ном направлению действия силы,

ех = 2,5 d;

расстояние от края элемента до оси болта в направлении, перпенди­ кулярном направлению действия силы,

е2 ■■=2d.

Максимальные расстояния необходимо устанавливать в соответствии с нормами PN-62/В-03200.

3.5.ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Влегких стальных конструкциях заклепочные соединения использу­ ют в немногочисленных случаях:

в стыках стальных элементов высокой прочности 80—100 кгс/мм2, так как обычно сталь этих марок трудносвариваемая или несвариваемая вообще;

в заводских стыках, выполненных в основном с помощью точечной

сварки давлением в тех их частях, где число листов металла превышает 3 или если их суммарная толщина больше 15 мм;

в монтажных стыках, если нужно давать очень много болтов. Но да­ же в этом случае для уменьшения размеров соединительных деталей вы­ годно применять болты из высокопрочной стали (без сжатия стыка), а не заклепки.

В других решениях заклепочные соединения применять не следует. Общие принципы проектирования и расчета заклепочных соединений тонких листов металла такие же, как и толстых. Заклепки диаметром

Расстояния между заклепками в стыке должны быть такими же, как между болтами. Для расчета заклепки берется диаметр отверстия в сое­ диняемых элементах.

76

З а к л е п о ч н ы е с о е д и н е н и я с п р о б и т ы м и о т в е р с т и я ­ ми характеризуются меньшей прочностью, чем со с в е р л е н ыми о т в е р с т и я ми . Снижение прочности особенно велико при повторяю-, щейся статической нагрузке.

Заполнение отверстия и прижатие листов металла друг к другу при холодной клепке достигаются вследствие давления, оказываемого кле­ почным аппаратом, и пластической осадки стержня. Степень заполнения заклепочного отверстия зависит от формы замыкающей головки заклеп­ ки. Лучшие результаты достигаются при формировании плоских замы­ кающих головок. При холодной клепке достигается лучшее заполнение отверстия, чем при горячей, так как во время остывания заклепка всег­ да подвергается некоторой усадке. Заклепки, выполняемые способом холодной клепки, также имеют предварительное растягивающее напря­ жение в стержне, возникающее вследствие отрыва головок пакетом ли­ стов, упруго сжатых при клепке.

3.6. КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Склеивание металлов впервые было применено в авиационной про­ мышленности около 30 лет назад. В строительстве до недавнего време­ ни склеивание для соединения конструктивных материалов применялось только от случая к случаю. В течение последних 10 лет многие научные учреждения разных стран занимались вопросами широкого применения

с к л е и в а н и е м но сравнению с другими методами соединения имеет следующие достоинства:

равномерное распределение напряжений в соединении, достигаемое благодаря действию усилия на всю плоскость прилегания материалов, если только соединяемые листы металла не слишком тонки. В противо­ положность другим способам соединений можно легко проектировать стыки, в которых проявляются небольшая концентрация напряжений или дополнительные предварительные напряжения. Это особенно вы­ годно в элементах, подвергающихся динамической нагрузке;

снижение массы элементов вследствие уменьшения количества фа­ совок и накладных деталей, но только по сравнению со сварными или заклепочными соединениями;

полную защиту от коррозии прилегающих друг к другу плоскостей; возможность соединения стали с другими конструктивными материа­

лами или заполнителями.

Кл е е в ы е с о е д и н е н и я имеют следующие недостатки, ограничи­ вающие пригодность данного метода для соединения легких элементов:

поверхности соединяемых элементов должны быть подготовлены для: склеивания, что обходится дороже, чем подготовка элементов к соеди­ нению другими методами;

стоимость оборудования для склеивания значительно выше стоимо­ сти оборудования для сварки плавлением или давлением. Оборудование

77

для склеивания до сих пор еще остается малоуниверсальным, поэтому склеивание может быть рентабельно только при изготовлении типовых элементов большими сериями;

при пожаре происходит значительное снижение прочности клеевых соединений.

В настоящее время клеевые соединения в легких строительных кон­ струкциях можно использовать только после предварительного проведе­ ния научно-исследовательской организацией пробных испытаний.

Клей, применяемый для соединения металлических конструкций, должен удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивать достаточную динамическую и статическую прочность соединений при температуре от —50 до +100° С;

быть стойким против старения и выкрашивания, воздействия окру­ жающей среды, а также против различных химических агентов и влаго­ устойчивым;

исключать воздействие, вызывающее коррозию металла в стыке; быть рассчитанным на длительный срок годности при хранении и при­

годности в состоянии, подготовленном для склеивания; быть безопасным клеевым компонентом для человеческого организ­

ма, что очень важно для соблюдения правил безопасности труда на заводе.

Желательно приготовлять и применять клей при температуре массы, немногим отличающейся от температуры окружающей среды. Давление, необходимое во время процесса схватывания, тоже должно быть не­ велико.

Сфера применения склеивания:

крепление элементов, работающих в комплексных конструкциях (например, из искусственных материалов, дерева, бетона и т. п.), к стальным деталям, причем эти элементы могут играть роль несущих, заполняющих, обшивки или изоляции;

выполнение стыков элементов из трудносвариваемой стали, в которых заклепочные соединения приводят к увеличению массы конструкции на­ столько, насколько она снижается благодаря высоким механическим свойствам материала;

крепление элементов жесткости к оболочкам из тонкого листового металла;

выполнение стыков в элементах из волнистой стали.

Запрещается склеивать все элементы жесткости, обеспечивающие устойчивость конструкции в зданиях, в которых существует опасность пожара.

Общие условия применения склеивания:

1.Склеиваемые поверхности должны быть чистыми и свободными от всего, что могло бы затруднить склеивание и уменьшить сцепляемость клея со сталью или другим материалом. Окалина, ржавчина, жир и вла­ га должны быть устранены. Укладывать клей надо тщательно, чтобы по всей поверхности стыка толщина слоя клея не превышала допускаемые отклонения.

2.При склеивании очень тонких листов металла отклонения в укла­

78

дывании клея можно частично устранять благодаря большому давле­ нию, удерживаемому во время всего процесса затвердевания клея.

Надо строго придерживаться заводских инструкций по приготовле­ нию клея, его применению и уходу за стыками во время схватывания. Изготовителем указываются: состав смеси, температура, влажность ок­ ружающей среды, сроки годности, способы укладки, давление, недопу­ стимость ударов, толчков и т. п.

3. Клеевые соединения должны работать на сдвиг. Следует избегать таких нагрузок на клееные конструкции, которые вызывали бы возник­ новение растягивающих сил, крутящих и даже больших изгибающих мо­ ментов. Прочность на изгиб еще недостаточно хорошо исследована, за­ то прочность на отрыв очень мала по сравнению с прочностью на сдвиг.

Прочность клеевых соединений оценивают на основании следующих принципов:

прочность на сдвиг стыка должна быть пропорциональна величине склеиваемой поверхности;

удельная прочность определяется на основании испытаний соедине­ ний, выполненных в лаборатории или на заводе легких конструкций, на образцах из того же металла, какие используются для конструкции. Нормативное ее увеличение определяют так же, как и предел текуче­ сти,— формулами (2-3) — (2-5). Предельное напряжение рассчитывают путем деления удельной прочности на коэффициент запаса прочности.

Если изготовитель дает минимальную прочность клея, полученную в его лаборатории на стандартных образцах, то в качестве предельного напряжения можно принять величину, равную 2/з этой прочности.

Удельная прочность определяется на момент первого (которое мож­ но отметить) скольжения листов.

Получаемые величины удельной прочности на сдвиг при использова­ нии различной техники склеивания колеблются от 100 до 600 кгс/см2.

Лабораторные испытания проводят в условиях, гораздо лучших, чем существующие на заводах легких конструкций. Этот факт снижает средний показатель, увеличивая разброс показателей механических свойств испытываемых образцов.

3.7. ДРУГИЕ ВИДЫ СОЕДИНЕНИЙ

Другие виды соединений используются довольно редко. Их получа­ ют, применяя механический зажим, сцепление, винты для механических листов и т. п.,— это, как правило, стыки, охраняемые патентными за­ явками.

В последние годы большое распространение при изготовлении легких

многие недостатки, присущие каждому из этих методов соединения. Эти стыки особенно выгодны в соединениях, подвергающихся усталостным нагрузкам.

79