10.1.15. Расчет и конструирование сварных соединений

10.1.15.1. Стыковые соединения

Стыковое сварное соединение является наиболее простым и надежным. В стыковых швах при всех видах сварки плавлением концентрация напряжений имеет минимальные значения.

При действии на соединение статической нагрузки первоначальная концентрация напряжений в стыковом сварном шве не оказывает влияние на его прочность, так как из-за развития пластических деформаций происходит релаксация напряжений в точках концентрации. Поэтому расчет стыковых сварных соединений выполняют в предположении, что распределение напряжений в поперечном сечении сварного шва равномерно.

Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение или

сжатие производится по формуле

N / (t l_w ) ≤R_wy γ_с,

где N– внешнее усилие, приложенное к соединению;

t– расчетная толщина шва, равная толщине наиболее тонкого из соединяемых элементов (местное утолщение в виде валика сварного шва в расчет не принимается); в том случае, если невозможно обеспечить полный провар по толщине свариваемых элементов путем подварки корня шва, например, при односторонней сварке или использовании остающейся стальной подкладки, в формуле вместоtследует принимать 0,7t;

l_w – расчетная длина шва, равная полной ширине соединяемых элементов за вычетом 2t, учитывающих низкое качество шва в зонах зажигания (непровар) и прерывания (кратер) сварочной дуги. При условии выполнения шва с применением выводных технологических планок, позволяющих вывести начало и конец шва за пределы рабочего сечения шва, расчетная длина принимается равной полной его длине (после сварки технологические планки срезаются, а торцы шва зачищаются наждачным кругом);

R_wy – расчетное сопротивление сварного стыкового соединения, принимаемое по табл. 2.6;

γ_с– коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 1.3.

Расчетное сопротивление сварного стыкового шва зависит от способов контроля качества сварного шва. Расчетное сопротивление сварного стыкового шва R_wyравно расчетному сопротивлению основного металлаR_yпри сжатии, а также при растяжении, если применяются физические методы контроля качества сварных швов (об этом обязательно должна быть сделана запись в рабочих чертежах КМ). Если физические методы контроля качества шва, работающего на растяжение, не используются, то следует приниматьR_wy = 0,85 R_y.

Так как расчетное сопротивление стали зависит от толщины проката, то в расчетах следует принимать R_yнаиболее толстого из свариваемых элементов.

Расчет сварных стыковых соединений растянутых элементов конструкций из стали с соотношением R_u/γ_u>R_y, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, производится по формуле

N / (tl_w) ≤R_wu /γ_uγ_c,

где R_u– расчетное сопротивление проката по временному сопротивлению, (см. табл. 2.3);

γ_u– дополнительный коэффициент надежности, учитывающий повышенную опасность при расчете конструкций с использованием расчетного сопротивленияR_uи принимаемый для стали равнымγ_u= 1,3;

R_wu– расчетное сопротивление сварного соединения по временному

сопротивлению (см. табл. 2.6).

Расчет сварных стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов (см. табл. 2.5), полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества растянутых швов.

Пример 10.1. Рассчитать и законструировать стыковое соединение листов шириной 500 мм, толщинойt₁= 10 мм иt₂= 14 мм при действии расчетного растягивающего усилияN= 1200 кН (рис. 10.26,а). Материал листов – сталь класса С245. Шов выполнен с полным проваром без применения физических методов контроля качества шва, концы шва не выведены на специальные технологические планки.

Стык выполняется ручной сваркой электродами Э42 (см. табл. 2.5).

В более толстом листе делаем скос с уклоном 1: 5, т.к. разность толщин соединяемых элементов t₂–t₁= 14 – 10 = 4 мм > 2 мм (см. табл. 10.9).

При минимальной толщине соединяемых листов t₁= 10 мм разделка кромок не требуется.

Листовой прокат из стали С245 толщиной t_max=t₂ = 14 мм имеет расчетное сопротивлениеR_y = 240 МПа = 24 кН/см² (см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения принимаем:

R_wy= 0,85R_y = 0,85 · 240 = 204 МПа.

Рис. 10.26. К расчету стыковых швов:

а – прямой шов; б – косой шов, выполненный с применением

выводных планок.

Расчетная длина шва l_w =b– 2t₁ = 50 – 2 · 1 = 48 см.

Проверяем прочность сварного стыкового шва:

σ_w=N/ (t₁ l_w) = 1200 / (1 · 48) = 25 кН/см²= 250 МПа >R_wy= 204 МПа.

Условие не выполняется, необходимо устройство косого шва.

Пример 10.2. Рассчитать и запроектировать сварное соединение косым швом встык с полным проваром и выводом начала и конца шва на технологические планки (рис. 10.26,б). Остальные условия см. пример. 10.1.

На практике косой стык устраивается с заложением 2:1, что соответствует углу α≈ 63,5^о.

Расчет прочности шва по нормальным напряжениям:

σ_w=N sinα/ (t l_w')= 1200 ∙ 0,895 / (1 · 55,87) = 19,22 кН/см²= 192,2 МПа <

< R_wy γ_c = 204 · 1 = 204 МПа,

где sinα=sin63,5^о= 0,895;

l_w^′=l_w /sinα= 50 / 0,895 = 55,87 см – расчетная длина косого шва.

Расчет прочности шва по касательным напряжениям:

τ_w=N cosα/ (t l_w′ ) = 1200 ∙ 0, 446 / (1 ∙ 55,87) = 9,58 кН/см²= 95,8 МПа <

< R_ws γ_c = 118,3 МПа,

где cosα =cos63,5^o= 0,446;

R_ws = 0,58R_wy= 0,58·204 = 118,3 МПа.

Прочность косого стыкового шва обеспечена как по нормальным, так и по касательным напряжениям.

При действии на соединение статической нагрузки проверка по приведенным напряжениям, как правило, не производится.

Сварные стыковые соединения, выполненные без физических способов контроля качества шва, при одновременном действии в одном и том же сечении нормальных и касательных напряжений при действии на соединение динамической нагрузки проверяются по формуле

Прочность сварного шва при скосе с заложением 2:1 не обеспечена. Уменьшаем угол наклона среза и принимаем его α = 45º(скос с заложением 1:1).

Производим повторную проверку.

Нормальные напряжения в шве

σ_w=N sin45^о/ (t l_w′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см²,

где l_w′ =l_w/sin45^о= 50 / 0,7 = 71,43 см.

Касательные напряжения в шве

τ_w =Ncos45^o/ (t l_w′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см².

Проверка приведенных напряжений

Прочность сварного шва обеспечена.

Пример 10.3. Проверить прочность соединения, выполненного стыковым швом, консольного листа сечениемb×t= 300×8 мм к стенке стойки из тавра

15ШТ / ТУ 14-2-685-86(толщина стенкиs = 8 мм). К консоли приложена расчетная сосредоточенная силаF= 100 кН с эксцентриситетомe= 200 мм.

Конструкция относится ко второй группе и выполнена из стали С245. Сварка ручная с полным проваром шва при визуальном способе контроля качества шва. Условия работы – нормальные (рис. 10.27).

Расчетное сопротивление листового и фасонного проката из стали С245 толщиной до 20 мм R_y= 240 МПа = 24 кН/см²(см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения (см. табл. 2.5):

– изгибу при визуальном способе контроля качества шва R_wy = 0,85R_y=

= 0,85 · 240 = 204 МПа = 20,4 кН/см²;

– сдвигу R_ws =R_s = 139,2 МПа,

где R_s = 0,58R_y= 0,58 · 240 = 139,2 МПа – расчетное сопротивление проката сдвигу.

Рис. 10.27. Прикрепление консольного листа стыковым швом

Расчетный изгибающий момент

M = Fe= 100 · 0,2 = 20 кН·м.

Поперечная сила

Q = F= 100 кН.

Момент сопротивления стыкового шва

W_w = tl_w²/ 6 = 0,8 · 28,4²/ 6 = 107,54 см³,

где l_w = b –2 t = 30 – 2 · 0,8 = 28,4 см – расчетная длина шва с учетом непровара в начале шва и кратера в конце шва.

Определяем:

– нормальные напряжения в шве

σ_w=M/W_w = 2000 / 107,54 = 18,6 кН/см²;

– касательные напряжения в шве

τ_w = 1,5Q/ (t l_w) = 1,5 · 100 / (0,8 · 28,4) = 6,6 кН/см²;

Проверяем прочность шва по приведенным напряжениям:

Прочность соединения обеспечена.