книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

Г л а в а 8

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ С УЧЕТОМ УСЛОВИЙ РАБОТЫ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА

Несущую способность сварных конструкций определяют в зависимости от напряжений, вызывающих текучесть. Напряжения находят методами науки о сопротивлении материалов, теории упругости и пластичности. В сложнонапряжен­ ном поле определяют эквивалентные напряжения и сравнивают их с допускаемы­ ми. Нередко расчет ведут по заданным нагрузкам.

Коэффициент запаса прочности относительно предела текучести в случае дей­ ствия статических сил устанавливается равным 1,35— 1,50 и более. При примене­ нии упрощенных приемов расчета коэффициент запаса повышается, при более полном учете сил уменьшается. На допускаемые напряжения влияют специфичес­ кие условия работы, анализ эксплуатационных условий и т. д. Коэффициент запаса прочности — фактор технико-экономический.

Для строительных конструкций используют термин расчетное сопротивле­ ние R. Расчетное сопротивление определяют либо путем деления ат на коэффи­ циент запаса kr (по наступлении текучести), либо делением ов на коэффициент запаса kB(по разрушающему напряжению). Коэффициент запаса > fcT. Расчет­ ное сопротивление R принимают равным ~~ 0,9 предела текучести металла согласно табл. 1.

При расчете прочности допускаемое продольное усилие на элемент

N= R — F.	(1)
п
Допускаемый момент на элемент
M - . R — N .	(2)
п	v

где п — коэффициент возможной перегрузки; т — коэффициент условий работы, учитывающий особенности работы целых конструкций и отдельных элементов.

Произведение R — представляет собой величину допускаемого напря­

жения [о]р> которое является дифференцированным и установлено обобщением опытного материала.

Коэффициенты условий работы элементов согласно СНиП имеют следующие значения: т = 0,9 в колоннах жилых и общественных зданий, а также в подкра­ новых балках под краны грузоподъемностью > 5 т; т = 0,8 в сжатых основных элементах ферм при их гибкости X > 80, т = 0,75 в сжатых элементах ферм из одиночных уголков.

При расчете сварных конструкций по нормативам Министерства строитель­ ного, дорожного и коммунального машиностроения коэффициенты условий

работы изделий рекомендуется находить по				соотношению	т = тгт2т3, где /л*
учитывает	степень	ответственности узла.	В	узлах ответственного назначения
тг = 0,9;	в менее	ответственном тг = 1 ;	т2= 0,9 -ь 1		определяется возмож­

ностью дополнительной деформации тонкостенных элементов; та= 0,75 -ь 0,90 учитывает наличие дополнительных напряжений от изгиба в односторонне прикре*

пленных	элементах (угловых			профилях,			швел­
лерах и	т. д.).				прикрепления,
Чем меньше эксцентриситет
тем больше т 3. При неблагоприятном						сочетании
трех указанных		факторов	т снижается				до 0,6.
По	нормам	ВНИИПТМАШа				принимают
следующие значения расчетных					сопротивлений
для сталей:
Сталь .	СтЗ 09Г2 09Г2С 10Г2С1 15ХСНД						10ХСНД
Расчетное
■сопротив­
ление,	. 2100 2600 2600		2900		3400		4000
•кг с/см2
Приведенные		значения		рекомендуется сни­

жать с увеличением толщины металла, с учетом влияния геометрических размеров на качество проката.

Согласно нормам для расчета и изготовления металлоконструкций, принятым во Франции, допускаемое напряжение в изделиях из низко­

углеродистой	стали	варьируют	в пределах
2/3 — 3/4 от	предела	текучести.	При расчете
■сварных строительных		металлоконструкций из

стали обыкновенного качества [о]р = 1600кгс/см2 ■без учета ветровых нагрузок и 1800 кгс/см2 с учетом ветровых нагрузок.

Согласно стандарту ГДР (стальные несущие конструкции) допускаемое напряжение в сталях ■при статических нагрузках принимают 0,75 от предела текучести.

Расчетные сопротивления в сварных сое­ динениях приведены в табл. 2.

Допускаемые напряжения в сварных швах в машиностроительных конструкциях установ­ лены в зависимости от рода усилия и техноло­ гического процесса сварки в функции [о]р до­ пускаемого напряжения в основном металле при работе на растяжение (табл. 3).

Согласно нормам, принятым в Австралии, допускаемые напряжения в стыковых швах при статической нагрузке принимают равными до­ пускаемым напряжениям основного металла при условии, что предел текучести шва равен пре­ делу текучести основного металла.

Согласно нормам ГДР при расчете сварных ■соединений были установлены допускаемые на­ пряжения, приведенные в табл. 4.

Соединения, выполненные контактной свар­ кой, рассчитывают по допускаемым напряже­ ниям, установленным для стыковых соединений, сваренных электродуговой автоматической свар­ кой.

Допускаемые напряжения для точечных соединений, выполненных контактной сваркой, установлены техническими условиями в зави­ симости от рода материала,

2 . Расчетны е сопротивления,	кгс/см2
				Сталь класса
Напряженное состояние		С” /.,	С“ /«>	С“ /.3	С**/40	С” /4.	С” /.о	С” /7.
Сжатие		2100	2600	2900	3400	3800	4400	5300
Растяжение:		2100	2600	2900	3400	3800	4400	5300
автоматическая сварка,
полуавтоматическая	и	(2600)	(3000)	(3100)
ручная с физическим кон­
тролем качества	и	1800	2200	2500	-	-	-	-
полуавтоматическая
ручная сварка		1500	1800	2000	2200	2400	2800	3400
Срез угловых швов
Срез всех остальных швов		1300	1500	1700	2000	2300	2600	3100

Допускаемое усилие на точку при сварке стали толщиной s обыкновенного качества согласно нормам, принятым в Австралии, следующее:

smin* мм	0,30	° ’40	0,50	0,60	° ’80	1,00	1,2	1,6	2,0	2,5	3,0	4,0
р, кго	28	39	62	68	105	148	196	230	445	635	835	1280

Допускаемые напряжения при расчете проплавных электрозаклепок не дол­

жны превышать	0,5 от	при работе	конструкций под статической нагрузкой.
			Допускаемые напряжения и pa-
в. Д опускаем ы е напр яж ения		в сварных	счетные сопротивления В К О Н СТруК -
ш вах в функции	|o p j		циях, работающих под переменными

		Виды		ос ^		нагрузками,		см. гл. 4.
				(0	«с
				*	о
		сварки		- о *
				К ftjо.				РАСЧЕТ СВАРНЫХ
	Род	Ручная
Тип шва								СОЕДИНЕНИЙ
	усилия		с под­ варкой корня Автоматическ! полуавтомата электродыMIс
		без об­ работки						ОСНОВНЫХ ТИПОВ
								НА СТАТИЧЕСКУЮ
								ПРОЧНОСТЬ
Стыковые	Растяже­	0.8	0.9	1.0		При	действии		продольной силы в
	ние	0.9	1.0	1.0		стыковых соединениях,				выполненных
	Сжатие					дуговой	сваркой,		контактной,		элек­
						тронно-лучевой и			т. д.,	распределение
Стыковые и	Срез	0.6	0.65	0.65		напряжений по длине и толщине шва
угловые						принимают		равномерным. Напряже­
						ния в стыковых соединениях при
П р и м е ч а н и е ,		[о)	-- допускае-			сжатии	и растяжении
мое напряжение в основном металле при
растяжении.							а==~|^"^[а]р/.сж»				(3)
где N — продольная сила			в соединении;			/ — длина шва; s — наименьшая					тол­
щина элементов; 1о)р'. сж — допускаемое напряжение								стыкового		соединения при
напряжении	сжатия или растяжения.
При отсутствии вывода концов шва за пределы стыка рекомендуется расчет­
ную длину	шва принимать на			10 мм меньше его			полной длины.

Сварные стыковые соединения, работающие на изгиб, рассчитывают по фор­ муле,^ установленной для целого сечения. При одновременном действии напря­

жений Ojgt Оу и т раем*» производят по формуле
у ^ + ^ - « ,^ + 3 ^ 1 ,1 5 [оГр.	(4)

4. Д опускаем ы е напр яж ени я для ста л е й , кгс/мм*

Тип шва и способ	Вид нагрузки
контроля

Без учета	С учетом основ­
	ных и дополни­
основных	тельных на­
нагрузок	грузок

St-37 St-52 St-37 St-52

Стыковой шов, рентгенов­	Растяжение	осевое	и	16,0	24,0	16,0	24,0
ский контроль:	при изгибе			9.0	13,5	Ю.5	15,5
100%	Срез
50%	Растяжение	осевое	и	14,0	21,0	16,0	24,0
	при изгибе			9.0	13.5	10.5	15,5
	Срез
То же, без рентгеновского	Растяжение	осевое	и	11,0	17,0	13.0	19,0
контроля	при изгибе			9,0	13.5	10,5	15,5
	Срез
Угловые швы	Срез			9,0	13,5	10.5	15,5

Напряжение в угловых и косых швах
т== Р	(5)
№
К — катет углового шва; Р = 0,7 -f- 1 — коэффициент, учитывающий	глубину
проплавления; [т'] — допускаемое напряжение в угловом шве.

При одновременном действии в одном и том же сечении углового шва срезы­ вающих напряжений в двух направлениях равнодействующая этих напряжений

	TP “	K TÎ + t ‘ -	(6)
	Для сварных нахлесточных соединений из двух фланговых швов, направлен­
	ных вдоль усилия,	Р
	т		(7)
		2$К1
	В комбинированном соединении	Р
	Т“	(WL*

где L — полная длина угловых швов нахлесточного соединения.

Сварные швы, прикрепляющие уголок, рассчитывают с учетом усилий, пере­ даваемых фланговыми швами. При напряжениях в лобовом и фланговых швах, равных т, полная требуемая длина швов, прикрепляющих уголок,

	/ ' “ ЬК|т'|			(8)
=	Требуемая длина обоих фланговых швов, приваривающих	уголок, £фл =
	L — /лоб. Длина шва, примыкающего к обушку равнобокого		уголка,	/х =
=	0,7 1фл. Длина противоположного флангового шва /2 = 0,3 £фл. Длина флан­
гового шва /а может быть более требуемом.		в	плоскости	его
	Сварные швы, прикрепляющие элемент и расположенные

действия, рассчитывают на изгибающий момент М по одному из трех способов.

1. По полярному моменту инерции, предполагая, что элемент может повора­ чиваться вокруг геометрического центра соединения (рис, 1, а).

При этом расчетное напряжение

Т=а j	r maxf	(9)
J	р

где Jр — полярный момент инерции; Jp = Jy + Jz\Jy — момент инерции соеди­ нения относительно оси Y — У; Jz — момент инерции относительно оси Z — Z; гтах — расстояние от центра до наиболее удаленной точки шва,

Рис. 1. Схемы для определения напряжений по способам:

а — полярного момента инерции; б — осевого момента инерции; в — расчленения соеди­ нения на составляющие

2.По осевому моменту инерции, предполагая, что напряжения в швах про­

порциональны расстоянию до нейтральной оси элемента (рис. 1,6 ). При этом

	T e	М	(10)
		Ушах*
	Если вместе с Ai на соединения в	направлении Y — Y действует поперечная
	сила Q, то напряжения
	Т -	Л .	« 1 )
	«	р/СА ’

где h — длина вертикального шва. Результирующие напряжения

(12)

При действии сил О и N (в направлении Z —Z ) результирующие напря­ жения

	V { X+ XN Y + XQ < Iт'	!•	(13)
где	N
	XN ~PKL'		*
L — длина	периметра швов, входящих в соединение.
3.	По принципу расчленения соединения	на составляющие. Чаоть момента

воспринимается вертикальными швами, другая часть— горизонтальными. Рас­ четные напряжения

М	^ , _ /1
т = р/СЛ2/6 + рк (Л + k) ^ 1т ••		(15)
где h + К — расстояние между швами	(рис. 1, а).

При действии М, Q и N результирующие напряжения

< | 6 >

Напряжения элемента двутаврового профиля, приваренного швами, рас­ положенными в плоскости перпендикулярной к оси элементов,

^= Г Уп,ах^И'1.

(17)

J X

где Jх — момент инерции швов, расположенных по периметру, с учетом коэф­ фициента р.

При действии М и Q напряжения на уровне верхнего листа

(18)

где Лв и sB — соответственно высота и толщина вертикального листа.

В соединении, показанном на рис. 2, напряжения можно определять, условно предполагая, что они достигают одинаковых значений т в вертикальных и гори­ зонтальных угловых швах, а также в стыковых швах.

При этом

М

2Р/СЛ1/6+ 4р/С (а —

K

l .

(19)

К) (Лв — К ) + 2Fr

где а — длина продольного

углового шва;

Fr — площадь сечения

горизонталь­

ного

листа;

sr — толщина

горизонталь­

ного

листа.

Для элемента с открытым профилем

(двутавр, тавр), приваренным по контуру

угловыми швами,

работающими

на кру­

чение,

Л 1п

(20)

■

р “ * < | т Ч

a2v/(?aj

* т а х — наибольший

катет шва.

и

а

равно

0,3

для

двутаврового

1,0 — для уголкового профиля;

V — коэффициент, зависящий от отно­

Рис.

2. Схема для расчета соедине-

шения Ki/ai;

может

быть

приближенно

ний

балок при изгибе

принят

равным 0,33;

Ki

и

ai — соответ­

ственно

катет и длина /-го шва.

Рекомендуемый диаметр точек при контактной сварке приведен в табл. 5.

Для практических целей используют следующее выражение:

d = 1,4 (У 0,01/2+ / s — 0,1/).

(21)

Рекомендуемые параметры сварных точечных соединений низкоуглеродистых

и легированных сталей приведены в табл. 6.

Соединение, сваренное точечной контактной сваркой, работающее на продоль­

ное усилие, рассчитывают по условию, что усилие на одну точку

Ni =

у

,

(22)

где

N — продольное

усилие в соединении;

г — число точек,

5. Минимальный диаметр ядра точки			d, мм
Толщина	Низкоуг-	Коррози­
наиболее лероди- онно-стой­ Лег­
тонкой	стые н	кие и жа­	кие
детали	низколеги­ ропрочные		спла­
пакета,	рованные	стали,	вы
мм	стали	титан
0.3	2.0	2.5	Го
ОД	2.5	2.5
0.6	2.5	3.0	Гб
0.8	3.0	3.5
1.0	3.5	4.0	4,0
1.2	4.0	4Д	5,0
1.5	5.0	5Д	6.0
2.0	6.0	6.5	7.0
2Д	6.5	7,0	8.0
3.0	7.0	8.0	9.0
4.0	9.0	10.0	12.0

и.Рекомендуемые параметры точечных соединений, мм

Толщинанаибо­ тонкойлее дета­ пакетали	Минимальная			Рекомен­		Минимальное расстояниеот центрасварной доточкикромки нахлестки
	од­при норяд­ швеном	при двухряд­ швеном		рядами сварных точек	сварны­ точ­ми (шаг)ками
	ширина на­			дуемое
	хлестки		или	расстоя­
	отбортовки			ние между
о д	10		16	6	15	6
0.8	10		18	8	18	5
1.0	12		20	8	20	6
1.2	14		22	8	22	7
1.5	16		24	8	25	8
2.0	18		28	10	30	9
3.0	20		37	16	40	10
4,0	24		42	18	50	12

Допускаемые усилия на точку определяются при расчете ее на срез, В точке с одной плоскостью среза расчетные напряжения

т

(23)

в точке с двумя плоскостями среза

2N

(24)

где d — диаметр ядра точки; I | — допускаемое напряжение при срезе, которое можно принимать равным 0,4 |ор |или на основе результатов экспериментов.

При расчете точки на отрыв нормальное напряжение

	о	4N	(25)
		nd2

|о'0 | принимают, как правило, на основе данных экспериментов еще более низ­ ким, чем при испытании на срез.

При работе i точек (рис, 3, а) для передачи момента усилия на точку

м

iïij2'	(26)

где у — расстояние от точки до нейтральной оси.

При совместном действии М и Q результирующее усилие на точку (рис. 3.5)

№р= | / +	NQ ^Q/Î. Соединение		(рис. 3, в) может быть рассчитано по
формуле		М
	N		(27)

Zrf Гтлх’

где гi — расстояние от /-й точки до геометрического центра соединения. Напряжения в паяных соединениях встык

	о	N_	(28)
		F
	где |а' |р — допускаемое напряжение паяных швов при растяжении		(сжатии);
	F — площадь сечения основного элемента.

Напряжения в паяных соединениях внахлестку	(рис. 4, а)
т ~ £ < | т Ч	(2°)

где |т' | — допускаемое напряжение при срезе в паяном шве; F = la — площадь спая: / и а — соответственно длина и ширина спая.

)'

Рис. 3. Схемы для расчета элементов, соединенных точками:

а — на изгиб; 6 — на изгиб и поперечную силу; в — на изгиб по способу Jp

N

Рис. 4. Схемы для расчета паяных соединений

В соединениях труб (рис. 4, б) напряжение

N

т (30)

п dl

В изгибаемых элементах (рис. 4, в) в спае под действием силы Q касательные напряжения

(31)

где Q — расчетная поперечная сила; S = Fry — статический момент площади горизонтального листа относительно центра тяжести сечения; у — расстояние от центра горизонтального листа до центра тяжести сечения; J — момент инерции всего сечения элемента; s„ — толщина вертикального листа.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

При проектировании сварных металлоконструкций следует руководствоваться следующими общими положениями:

—выбирать рациональные системы и схемы конструкций на основе опти­ мизации;

—правильно назначать вид материалов: сталей, цветных сплавов;

—обеспечивать прочность при минимальных затратах металла, что в значи­ тельной мере обеспечивает экономичность;

’— по возможности использовать типизированные схемы конструкций и профили элементов;

—применять экономичные профили проката, а также гнутые и штампован­ ные элементы, трубчатые профили;

—применять прогрессивные системы конструкций (оболочковые, с предва­ рительным натяжением), обеспечивать монтаж крупными блоками и т. д.;

—предусматривать противокоррозионную защиту объектов;

—параллельно с конструкцией проектировать технологические методы ее изготовления, предусматривать возможность комплексной автоматизации и меха­ низации изготовления, применять прогрессивные процессы дуговой и контактной сварки, а также специальных методов сварки, например, радиочастотной, взры­ вом, электрошлаковой и т. д.;

—при проектировании учитывать особые свойства сварных соединений; устранять концентрацию напряжений, вести борьбу с остаточными напряжениями, деформациями, хрупкими разрушениями, разрушениями в процессе сварки, при необходимости предусматривать термическую обработку;

—при расчете учитывать силовые факторы, их сочетание, с использованием ЭВМ определять усилия в сложных статически неопределимых системах, а также

вотдельных случаях по методу пластических деформаций;

—при проектировании сварных соединений при дуговой сварке учитывать целесообразность укладки швов на горизонтальной плоскости при минимальном числе кантовок и удобном подходе к швам; избегать концентрации большого числа швов в одном месте;

—разделку кромок под сварку предусматривать с учетом технологического

процесса согласно ГОСТ 8713—70 «Швы сварных соединений, автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом»; ГОСТ 14771—76 «Швы сварных соеди­

нений, электродуговая сварка в среде защитных газов»;				ГОСТ 5264—69 «Швы
сварных соединений; ручная, дуговая сварка»;
— толщина К угловых швов должна быть не менее 4 мм, если толщина основ­
ного металла > 4 мм и не более 1,2 smi			; зависимость /CmJn от толщины соединяе­
мых элементов дана в гл. 1;			флангового шва / mIn = 4/С, но		не менее
— минимальная		расчетная длина
40 мм; наибольшая		расчетная длина флангового шва 60/С за исключением слу­
чаев, если усилие на фланговый шов передается на всем его				протяжении;	расстоя­
ние между лобовыми швами в нахлесточных соединениях				> 5s, где s — толщина
соединяемых частей;
— отношение катетов угловых швов, как правило, составляет 1/1; в кон­
струкциях, испытывающих вибрационные нагрузки, работающих при					Т ниже
—40 °С, и	в конструкциях из сталей С60/45 и С85/75 отношение катетов целе­
сообразно	назначать	1/1,5;

— устройство стыков без полного перекрытия швами не допускается; при стыковой сварке элементов разных толщин обеспечивать плавный переход от smin Ksmax » предусматривать скосыс уклоном не более 1/5; исключение допускается для соединений, у которых разность толщин < 4мм, а уступ меньше 1/8 smin.

Применение комбинированных соединений, у которых часть усилия воспри­ нимается швами, а другая часть заклепками, не допускается.

Вконструкциях из сталей С60/45 и более прочных сталей, работающих при

Т^ 40 °С, стыковые швы, как правило, соединяют двусторонней сваркой.

БАЛКИ

Наиболее часто применяют сварные балки двутаврового (рис. 5, а) и короб­ чатого (рис. 5, б и а) профилей; более редко — профилей, указанных на рис. 5, Поперечные сечения балок иногда изменяют по длине, если последняя значитель*

на. В некоторых случаях изменяют толщину или ширину горизонтальных листов (рис. 6, а). Применяют несколько пар горизонтальных листов, если толщина каждого из них > 3 0 —35 мм. При этом в менее нагруженных участках число

	и	1
игЩ т		y/V|//yQr
	X	^ а
:5*	\
	\!.. . . . . .

\ *

аèz]

( З р г ZZZZ4

ч

. .ч. . .

а)	в)	г)

Рис. 5. Поперечные сечения сварных балок

листов уменьшают (рис. 6, б). Иногда изменяют высоту вертикальных листов (рис. 6, в).

В балках предельная величина —у — регламентируется нормами, где / таХ —

наибольший прогиб; / — пролет балки.

Рис. 6. Балки с переменными поперечными сечениями, в которых изменяются:

а — толщина листов; б — число листов в поясах; в — высота балки

Нормы жесткости для балок разных назначений различны, например, жест­ кость подкрановых балок обычно больше, чем балок в междуэтажных перекры­ тиях.

Предельные прогибы изгибаемых элементов строительных конструкций промышленных зданий приведены ниже.

				Элементы конструкции	Предельные прогибы
	Подкрановые балки и фермы				в долях пролета
					1/500
	при	ручных		кранах ............................................................
	при	электрических кранах грузоподъемностью < 50 т			1/600
	то же, грузоподъемностью > 50 т				1/750
	Монорельсовые			пути ...........................	1/400
	Балки	рабочих площадок производственных зданий:			1/400
	главные, при отсутствии рельсовых путей
	прочие		. .	..............................	1/250
	при	наличии		узкоколейных путей	1/400
	то же, ширококолейных путей				1/600
	Балки междуэтажных перекрытий:				1/400
	главные		. . .
	прочие				1/250
	Балки покрытий и чердачных перекрытий:				1/250
	главные		фермы
	прогоны . .			. . . .	1/200