Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине Металлические конструкции для студентов специальности 1-70 02 01 – «Промышленное и гражданское строительство»

изготовления и удобны при ремонте заклепочных соединений, особенно в условиях действующих предприятий. К недостаткам следует отнести высокую трудоемкость и большую стоимость, что обусловлено необходимостью термообработки (закалки и отпуска) готовых изделий, обработки контактных поверхностей соединяемых элементов и контроля натяжения болтов.

Расчет сдвигоустойчивых соединений на высокопрочных болтах

Расчетные формулы получены, исходя из двух основных положений: сдвигу соединяемых элементов относительно друг друга препятствуют силы трения; сами болты работают только на растяжение. В настоящее время экспериментально и теоретически исследованы соединения, в которых высокопрочные болты работают на растяжение и на срез. Однако, результаты указанных исследований не вошли в нормативные документы, и поэтому в данном разделе не рассматриваются.

Сила трения, создаваемая одним болтом, определяется по формуле:

где b - коэффициент условий работы болтового соединения, учитывающий неравномерность распределения сдвигающего усилия между болтами, а также неточность натяжения болтов; Abn - площадь сечения нетто болта; - коэффициент трения, зависящий от способа обработки контактных поверхностей соединяемых элементов; ns - количество контактов соединяемых элементов между собой; h - коэффициент надежности, зависящий от вида нагрузки (статическая или динамическая), способа обработки поверхностей, разности между номинальными диаметрами отверстий и болтов, способа контроля натяжения болтов (по крутящему моменту или по углу поворота гайки); Rbh - расчетное сопротивление растяжению:.

Rbh = 0.7 Rbun, (5.8)

где Rbun - временное сопротивление металла болта после термообработки. Множитель "0.7" обусловлен тем, что в металле болта действуют не только

напряжения растяжения, но и касательные напряжения, возникающие в процессе закручивания гаек, т.е. в этом случае проверка прочности болта должна производиться по приведенному напряжению:

Как показывают экспериментальные исследования, левую часть формулы (5.9) можно принять равной 1.35 , тогда: 0.7Rbun. Требуемое количество болтов определяется по формуле: n = N/Qbh.

59

Проверка соединяемых элементов на прочность с учетом ослаблений отверстиями под болты имеет одну особенность по сравнению с аналогичной проверкой для соединений на обычных болтах. Она заключается в том, что сила, действующая в проверяемом сечении, уменьшается на половину усилия, приходящегося на болты, расположенные в этом сечении. Это уменьшение обусловлено тем, что сдвигающая сила передается с одного соединяемого элемента на другой не через болты, как это имеет место в соединениях на обычных болтах, а через силы трения (см. рис. 5.4). Проверочная формула имеет вид:

где Np = N np 0.5/n; n - общее количество болтов в соединении; np - количество болтов в проверяемом сечении; Ac - условная площадь проверяемого сечения. Ac=An при динамической нагрузке. При статической нагрузке Ac=A, если An 0.85А, и Ac=1.18 An, если An<0.85А (A, An - площадь сечения брутто и нетто). При действии в сечении изгибающего момента структура проверочной формулы сохраняется, но вместо силы (N) подставляется изгибающий момент (М), а вместо условной площади (Ac) - условный момент сопротивления (Wc), который определяется через " Wn" и "W" также, как и условная площадь.

Рис. 5.4. Схема передачи усилия с одного соединяемого на другой: а- схема соединения; б- эпюры усилий в верхней и нижней пластинах в соединении на обычных болтах; б- тоже на высокопрочных болтах.

60

При соблюдении указанного условия прочность фланца, изготовленного из стали с Run ≥ 460 МПа и с толщиной, приведенной в таблице будет обеспеченной. При этом прочность металла болтов (Rbun) должна быть не более 1100 МПа.

Сварные соединения

В настоящее время сварка является основным видом соединений при изготовлении металлических конструкций. Примерно 90% всех металлоконструкций изготавливаются сварными. По способу механизации сварку подразделяют на ручную. автоматическую и полуавтоматическую. При ручной сварке в качестве сварочных материалов используют электроды с защитным покрытием, которые подразделяются по типам: Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э60, Э70. Буква "Э" обозначает "электрод", а цифра указывает временное сопротивление наплавленного металла электрода в кН/см2. Если к обозначению типа электрода. добавляется буква "А", то это свидетельствует о повышенной пластичности наплавленного металла электрода. Такие электроды используются для сварки конструкций работающих на динамические нагрузки.

При автоматической и полуавтоматической сварке используются сварочная проволока без каких-либо защитных покрытий или порошковая проволока. В первом случае, для защиты дуги и жидкого металла от окружающего воздуха, используют флюс (гранулированный порошок) или защитный газ. Во втором случае защитные функции выполняет порошок, располагаемый во внутренней полости порошковой проволоки. Выбор сварочных материалов осуществляется по нормативным документам в зависимости от прочности металла и условий эксплуатации конструкций.

При расчете различают сварные соединения со стыковыми и угловыми швами. Стыковые швы соединяют элементы, расположенные в одной плоскости, при этом, касательная "а-а" в средней точке внешней поверхности сварного шва параллельна этой плоскости (рис. 5.5 а, б). Угловые швы соединяют элементы, расположенные в разных (рис. 5.5 в, г) или в одной (рис. 5.5 д) плоскости, но, при этом, касательная "а- а" в средней точке внешней поверхности сварного шва не параллельна плоскостям соединяемых элементов. На чертежах сварные швы, выполняемые на заводеизготовителе, обозначают "ресничками", а на монтажной площадке - "крестиками".

62

растянутых элементов применение физических методов контроля является обязательным. Расчетное сопротивление стыкового шва сдвигу всегда принимается равным расчетному сопротивлению сдвигу металла соединяемых элементов.

Рис. 5.6. Стыковые соединения: а- без выводных планок; б- с выводными планками (1).

При одновременном действии в отдельных точках сварного шва нормальных и касательных напряжений проверка прочности производится по приведенному напряжению:

Все вышеприведенные формулы действительны при выполнении двух условий: выбор сварочных материалов должен соответствовать требованиям нормативных документов и стыковой шов должен быть двусторонним и с полным проплавлением.

Расчет сварных соединений с применением угловых швов

Экспериментальные исследования показывают, что сварные соединения с угловыми швами могут разрушаться в двух местах: по продольному сечению шва и по продольному сечению совпадающему с границей сплавления металла шва и основного металла. На рис. 5.7 указанные сечения обозначены соответственно буквами "f" и "z". Основной геометрической характеристикой поперечного сечения шва является катет. Катет углового шва - это катет наибольшего прямоугольного треугольника вписанного во внешнюю часть сварного шва.

На рис. 5.7 катеты сварного шва обозначены "kf1" и " kf2". Как правило, сварные швы имеют одинаковые катеты (kf1= kf2), но в некоторых случаях, например, когда

64

толщины соединяемых элементов существенно отличаются или когда нагрузка является динамической катеты шва могут иметь разные значения.

Рис. 5.7. Поперечное сечение углового шва

В проверочных формулах в качестве геометрических характеристик используются толщины сварного шва: по сечению шва и по границе сплавления, обозначаемые, соответственно, через " f kf" и " z kf " (см. рис. 5.7). В качестве kf принимается меньшее: kf1-c или kf2, где «с» зазор между соединяемыми элементами допускаемый по нормативным документам на сварные соединения.

Значения коэффициента f зависят от глубины проплавления: чем больше глубина проплавления, тем больше значение " f". В свою очередь, глубина проплавления прямо зависит от плотности сварочного тока, которая больше при автоматической сварки и меньше при ручной. Поэтому наибольшее значение коэффициенты " f " будут иметь при автоматической сварке, наименьшее при ручной и промежуточные при полуавтоматической. Другим фактором, определяющим значение f, является катет сварного шва: чем больше катет, тем меньше f. Аналогичная зависимость отмечается и для коэффициента z.

Ниже приведены проверочные формулы, основанные на предположении, что угловые швы работают только на срез. Прочность сварного соединения, работающего на сдвиг (см. рис. 5.8 а), проверяется по формулам:

по металлу шва:

по границе сплавления:

65

Рис, 5.8.Схемы сварных соединенийс угловыми швами.

В дальнейшем приводятся проверочные формулы, относящиеся только к сечениям по металлу шва. Проверка прочности сварного соединения, работающего на срез, растяжение и изгибающий момент (см. рис. 5.8 б) производится по формуле:

где σ р -равнодействующее напряжение определяемое геометрически.

Для получения проверочных формул по границе сплавления необходимо в формулах (5.18) и (5.19) поменять индекс "f" на индекс "Z".

Обозначения, принятые в формулах (5.16), (5.17), (5.18), (5.19):

lw - расчетная длина сварного шва, принимаемая равной фактической длине шва, уменьшенной на 10 мм. Указанное уменьшение учитывает снижение прочностных характеристик в начале и в конце сварного шва. Например, для сварного соединения на рис. 5.9б lw = b-10 мм; Rwf - расчетное сопротивление металла сварного шва, зависящее от прочности металла сварочной проволоки; Rwz - расчетное сопротивление металла по границе сплавления, зависящее от прочности металла

66

соединяемых элементов: Rwz= 0.45 Run; Run - нормативное сопротивление металла соединяемых элементов, назначенное по временному сопротивлению; wf, wz - коэффициенты условий работы сварного шва, зависящие от климатического района и временного сопротивления металла шва; Jfx, Jfy (Jzx, Jzy) - моменты инерции, определяемые относительно оси "х" и "у" для фигуры, образованной сварным швом. При этом, за толщину сварного шва принимается f kf и z kf соответственно, для определения момента инерции по сечению шва и по границе сплавления; x, y - координаты точки, наиболее удаленной от центра тяжести фигуры, образованной сварным швом.

Если на сварное соединение, изображенное на рис. 5.8в, кроме изгибающего момента, действуют другие усилия (поперечная или нормальная сила), то напряжения от каждого усилия определяются отдельно, и проверка прочности производится по равнодействующему напряжению, определяемому геометрическим способом. При этом, направление напряжения от изгибающего момента ( M) принимается перпендикулярным к радиусу, соединяющему центр тяжести с точкой, в которой определяется напряжение (см. рис. 5.8в).

Конструктивные требования к сварным соединениям

Образование сварных соединений сопровождается появлением сварочных напряжений и деформаций. На рис. 5.9 штриховой линией показана возможная форма тавра после выполнения сварных швов. Для уменьшения сварочных напряжений и деформаций следует придерживаться следующих рекомендаций: катеты сварных швов назначать по возможности минимально допустимыми; не допускать пересечения сварных швов и близкого их расположения; располагать сварные швы симметрично относительно центра тяжести сечения. Сварочные напряжения и деформации могут быть уменьшены также с помощью технологических мероприятий: правильным выбором параметров сварки и очередности выполнения сварных швов.

67

Рис. 5.9. Деформации таврового элемента, вызванные продольной и поперечной усадкой сварных швов

Другим отрицательным следствием сварки является концентрация напряжений в основном металле в местах расположения сварных швов. Для уменьшения этого явления следует ограничивать наименьшее значение как катета шва, так и расчетной длины. Наименьшее значение катета зависит от наибольшей толщины соединяемых элементов (чем больше толщина, тем больше катет), от глубины проплавления (при автоматической сварке меньше, чем при ручной) и от прочности металла соединяемых элементов (чем выше прочность, тем больше катет). Наименьшее значение катета шва, обусловленное технологией сварки равно 3 мм для автоматической и полуавтоматической сварки и 4мм для ручной сварки. Катеты швов могут иметь только целые значения, при этом до 10 мм они могут иметь как четные, так и нечетные значения, а свыше 10 мм, только четные. Расчетная длина сварного шва должна быть не меньше 40 мм или 4 kf.

Согласно нормативным документам ограничиваются также максимальное значение катета и максимальная длина флангового углового шва. Первое ограничение связано с тем, что чрезмерное увеличение катета, не повышая несущую способность соединения, может привести к прожогу основного металла, к увеличению концентрации напряжений и, кроме того, требует дополнительных трудозатрат и увеличивает расход сварочных материалов и электроэнергии. Согласно норм, катет сварного шва не должен быть более 1.2 t, где t - меньшая толщина соединяемых элементов. При расположении шва вдоль закругленной кромки, например, вдоль полки уголка, наибольшее значение катета уменьшается и составляет 0.9 от толщины уголка.

С другой стороны,для сокращения трудозатрат катеты сварных швов следует назначать такими,чтобы их можно было выполнить за один проход,так как при многопроходном шве требуется зачистка каждого предыдущего слоя наплавленного металла от шлака и брызг.С этой точки зрения,оптимальный размер катета следует принимать равным 6- 8мм. При сварке "в лодочку" размер катета сварного шва выполняемого за один проход увеличивается примерно в полтора раза для ручной и полуавтоматической сварки и в два разадля автоматической.

Ограничение максимальной длины флангового шва связано с неравномерным распределением напряжений вдоль длины сварного шва (см. рис. 5.10). Наибольшие напряжения возникают по краям сварного шва, уменьшаясь к его середине. При слишком длинных швах их средняя часть оказывается не вовлеченной в работу, и тогда несущая способность сварного шва с увеличением его длины не возрастает (см. рис. 5.10 б). Согласно норм расчетная длина сварного углового шва не должна

68