4. Расчет сварных соединений

4.1. Расчет угловых сварных швов.

Узловые соединения могут быть рассчитаны либо по расчетным усилиям, либо по несущей способности. При выполнении расчета по первому варианту узловые соединения оказываются менее прочными, чем присоединенные к узлу элементы, т.к. сечение присоединенных элементов подбирается, как правило, с некоторым недонапряжением (по сортаменту принимается ближайшая к расчетной, но не меньшая, площадь сечения элемента). Для обеспечения равнопрочности элементов узла узловые соединения предпочтительно рассчитывать по несущей способности.

Соединение элементов в узлах фермы выполняется угловыми швами полуавтоматической или ручной сваркой. Применять автоматическую сварку нецелесообразно из-за большого количества коротких сварных швов с катетами различной величины.

Прочность сварного углового шва при действии на него осевой силы рассчитывается по двум условиям:

по прочности металла шва:

по прочности металла на границе сплавления:

где N - расчетное усилие или несущая способность;

; - соответственно, коэффициенты глубины проплавления металла по шву и по границе сплавления. Величины этих коэффициентов зависят от вида сварки, положения шва, катета шва и составляют:

Для принятых в проекте условий = 0,7; = = 1,0.

К_ш - катет шва;

- расчетная длина сварного шва;

- расчетное сопротивление металла шва, принимаемое в проекте равным 180 МПа;

- - расчетное сопротивление металла на границе сплавления, принимаемое равным 160 МПа;

соответственно, коэффициенты условий работы сварного соединения, принимаемые равными 1,0 при температуре воздуха выше минус 40°С;

- коэффициент условий работы элемента.

Определяющим расчетным условием будет условие, имеющее наименьшее значение.

В настоящем проекте расчет выполняется по прочности металла сварного шва, т.к.

=180·0,7=126 Мпа

=160·1,0=160 Мпа

4.2 Контруктивные требования

При проектировании сварных соединений необходимо соблюдать следующие требования:

- катет углового шва должен быть не менее 4 мм;

- при приварке элементов фермы, выполненных из проката, катет углового шва вдоль обушка не должен превышать 1,2 t_min,

где t_min - наименьшая из толщин соединяемых элементов;

- при приварке прокатных элементов вдоль кромок, имеющих скругления (вдоль пера уголка), катет углового шва согласовывается с размерами профиля проката и не должен превышать

при t ≤ 6 мм ≤ t — 1 мм

npb t = 7÷16 мм ≤ t - 2 мм

при t> 16 мм ≤ t - 4 мм

где t - толщина полки уголка.

- в зависимости от толщины свариваемых элементов толщину углового шва следует принимать не менее:

Толщина свариваемых элементов (мм)	5	6-10	11-16	17-22	23-32
Катет шва (мм)	4	5	6	7	8

- расчетная длина углового шва должна быть не менее 4 и не менее 40 мм;

- расчетная длина углового шва должна быть не более 85 (для условий принятых в настоящем проекте - 85 = 85·0,7 = 60);

- во избежание концентрации усадочных сварочных напряжений концевые части уголков раскосов и стоек должны отстоять от сварных поясных швов на величину 40÷50мм.

4.3. Расчет присоединенных элементов в узле

Суммарная площадь швов для одного уголка, привариваемого к фасонке, принимается по минимальному значению расчетных условий и составляет:

Для равномерного распределения нагрузки между сварными швами элемента фермы суммарную площадь сварных швов необходимо распределить обратно пропорционально расстояниям от оси элемента до пера или до обушка уголка.

Площадь сварного шва у обушка:

где - ширина полки уголка;

- расстояние от оси центра тяжести уголка до обушка.

Площадь сварного шва у пера:

Для определения расчетной длины сварного шва необходимо, в соответствии с конструктивными требованиями, назначить катет этого шва. Тогда длина сварного шва определится по формуле:

где - коэффициент глубины проплавления металла ( = 0,7 - для условий, принятых в проекте).

При изготовлении фермы удобно все швы в узле иметь с одинаковыми катетами, но такое решение может привести к увеличению размеров фасонки, что связано с неравномерным распределением усилия в элементе между обушком и пером уголка и следовательно различной длине сварного шва. Поэтому в ряде случаев рационально катет шва у обушка назначать большим, чем у пера уголка. Для всей фермы желательно ограничиться тремя-четырьмя катетами сварных швов.

Необходимо помнить, что конструктивная длина сварного шва принимается на 10мм больше расчетной.

Катеты сварного шва принимаются кратными 1мм, длины сварных швов - 10мм.

Результаты расчетов необходимо свести в таблицу. Результаты расчетов узловых сварных соединений приведены в таблице 6.

4.4. Расчет поясных узловых швов.

Расчет поясных узловых швов выполняется для поясов, непрерывно проходящих через рассматриваемый узел, т.е. определяются длины и катеты швов на фасонке привариваемой к поясам, состоящим из парных уголков.

Поясные швы промежуточных узлов нижнего пояса воспринимают сдвигающее усилие, равное разности усилий в примыкающих (слева и справа) панелях пояса. Расчетная площадь всех четырех швов (два у обушка и два у пера уголка) определяется по формуле:

Эта площадь распределяется между швами у обушков и перьев уголков в отношении

Если длина фасонки уже определилась при конструировании присоединенных к узлу элементов (стоек и раскосов), то длина поясного шва составит:

Где – длина фасонки.

Катеты швов определятся по формуле:

Если длина фасонки неизвестна, принимается минимальная величина катета шва по максимально допустимой расчетной длине шва, равной 60 .

Площадь двух швов у перьев уголка составит:

Катет шва у пера уголка:

Окончательно катет шва принимается с соблюдением соответствующих конструктивных требований. По принятому катету шва вычисляется длина сварного шва у пера уголка, которая должна быть не менее

В процессе конструирования узла необходимо убедиться в том, что рассчитанные сварные швы размещаются на фасонке. В противном случае расчет выполняется вновь уже по известной длине узловой фасонки (первый вариант расчета).

Аналогично рассчитываются поясные швы у обушка по формулам:

В верхнем поясе фермы поясные узловые швы, кроме сдвигающих усилий, равных разности продольных сил слева и справа от узла, воспринимают вертикальную сдвигающую силу от узловой нагрузки (Fg + Fp). Пренебрегая малым углом наклона верхнего пояса к горизонту, суммарную сдвигающую силу (геометрическую сумму двух слагаемых) приближенно вычисляют как диагональ прямоугольника. Расчетная площадь всех четырех сварных швов вычисляется по формуле:

Дальнейший расчет выполняется также как для нижнего пояса.

Для наложения сварного шва фасонка выпускается за обушки уголков на 10-15мм. Для опирания железобетонных плит покрытия при толщине поясных уголков менее 10мм (при шаге ферм 6,0м) полки уголков усиливаются накладками толщиной 12мм, привариваемыми к поясу только продольными швами. Для постановки этих накладок в выступах фасонок необходимо сделать вырезы, чтобы на участках накладок фасонка не выступала за обушки уголков. В этом случае длины фасонки и сварного шва принимаются с учетом выреза.

Конструкции промежуточных узлов фермы приведены на рис. 3.

4.5. Конструирование и расчет опорного узла

Конструктивное решение опорного узла связано с конструкцией здания. В данном проекте наружные стены выполнены кирпичными, что обуславливает свободное шарнирное опирание на стены здания концевых узлов фермы. Обычно, между кирпичной стеной здания и опорной плитой фермы размещается железобетонная подушка. Поэтому площадь опорной плиты определяется прочностью бетона на смятие. Опорная плита фермы, выполняемая, как правило, квадратной в плане, передает на железобетонную подушку усилие, равное опорной реакцией F_А, тогда площадь опорной плиты

где 6÷8 МПа - расчетное сопротивление бетона на смятие;

а и в - размеры плиты в плане.

Толщина опорной плиты в рамках настоящего проекта не рассчитывается и принимается равной 20 см.

Конструкция опорного узла фермы представлена на рис. 4.

Опорные ребра жесткости, обеспечивая жесткость узла, распределяют опорную реакцию по площади опорной плиты. Таким образом, опорная реакция от опорной плиты передается горизонтальными сварными швами узловой фасонки и двух ребер жесткости.

Расчетная длина этих швов составляет:

вдоль фасонки

вдоль ребер жесткости

- толщина фасонки;

3 см - ширина углового выреза (30x40мм) в ребре жесткости для пропуска сварного шва фасонки.

Катет горизонтальных швов

На ребра жесткости передается только часть (F_p) опорной реакции (F_A), пропорциональная длине горизонтальных сварных швов, прикрепляющих ребра к опорной плите, которая равна

С ребер жесткости на фасонку эта часть опорной реакции передается четырьмя вертикальными швами, суммарная расчетная площадь которых составляет

При известной высоте ребра жесткости (h_p), определенной при конструировании, требуемый катет вертикального шва определяется по формуле:

Где

4 см – высота углового выреза в ребре жесткости.

Стойка фермы к опорному узлу примыкает с небольшим эксцентриситетом, что допускается как исключение, учитывая незначительные усилия воспринемаемые опорной стойкой. Стойка прикрепляется четырьмя сварными швами у перьев уголков. Все швы работают в равных условиях, длина каждого сварного шва стойки принимается одинаковой и определяется по формуле:

После расчета необходимо построить рассчитываемый узел на миллиметровке в соответствующем масштабе.

Все результаты расчетов должны быть перенесены на схему данного узла.