Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ПРИНЦИП РАСЧЕТА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ И ДОПУСКАЕМЫМ НАПРЯЖЕНИЯМ

Согласно СНиП 11-23—81, оценка несущей способности строительных конструкций и соединений производится по предельным состояниям.

Строительные конструкции следует рассчитывать на силовые воздействия, при которых они перестают удовлет­ворять заданным эксплуатационным требованиям.

Предельные состояния подразделяются на две группы.

К первой группе, соответствующей потере не­сущей способности или непригодности к эксплуатации, относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; хрупкое, вязкое, усталостное или иного характера разрушение; разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятного влия­ния внешней среды; качественное изменение конфигура - цни; резонансные колебания; состояния, при которых воз­никает необходимость прекращения эксплуатации в ре­зультате текучести материала, сдвигов в соединениях; пол­зучести и чрезмерного раскрытия трещин.

Ко второй группе относятся: предельные состоя­ния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструк­ций или снижающие долговечность их вследствие появле­ния недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний, трещин и т. д.

В строительных организациях в основу расчета по ме­тоду предельного состояния положены так называемые расчетные сопротивления R, значения которых равны от­ношению предела текучести от к коэффициенту надежности k„.

Для низкоуглеродистых сталей номинальное сопроти­вление R составляет примерно 0,9 от.

При расчете по этому методу находят величину допу­скаемых усилий в элементах. Допускаемые усилия опреде­ляют с учетом коэффициента надежности k„ и коэффициента условий работы т, учитывающих специфический характер

работы конкретных объектов рассматриваемой области

техники. Коэффициенты k„ и т определяют для стропиль­ных ферм зданий, резервуаров, трубопроводов и т. п. на основе всестороннего изучения работы конструкции.

Допускаемые усилия для элемента при продольной силе определяют по формуле

NMn < RmA/kH, (3.1)

где А — площадь поперечного сечения.

Расчетное усилие N должно быть меньше или равно Ni0„.

Аналогичным путем находят допускаемый момент при нзгибе:

Mloa = RmW/kH, (3.2)

где W — момент сопротивления сечения.

Из формул (3.1) и (3.2) видно, что величина Rm/k„ представляет собой, по существу, допускаемое напряжение. Коэффициенты т и ku неодинаковы не только для разных изделий, но в некоторых случаях и для элементов одной конструкции. Таким образом, по этому способу для разных конструкций расчет производится по различным допускае­мым напряжениям.

Коэффициенты условий работы некоторых элементов, согласно СНиПу, имеют следующие значения; для балок и сжатых элементов ферм, перекрытий т=0,9 для сжатых

основных элементов (кроме опорных) решетчатых ферм при их гибкости А.^60, т=0,8; для сжатых раскосов простран» ствснных решетчатых конструкций нз одиночных уголков плоских ферм т=0,75 для колонн жмлых и общественных зданий, а также в подкрановых балках дія кранов грузо­подъемностью более 5 т т=0,9.

Расчетные сопротивления R дія основного металла при­ведены в табл. 3.2, которые составляют приблизительно 0,95 от нормального значения предела текучести стт.

Для указанных марок сталей предназначены разные марки электродной проволоки и флюсов при автомати­ческой сварке, а также электродов — при ручной.

Для сварных стыковых соединений, работающих при напряжениях изгиба, растяжения, сжатия, в случае приме­нения автоматической, полуавтоматической или ручной сварки с последующим контролем швов физическими ме­тодами расчетные сопротивления принимаются равными расчетным сопротивлениям основного металла конструк­ции по пределу прочности и соответственно по пределу текучести.

При отсутствии физических методов контроля расчет­ные сопротивления принимаются равными 0,85 от предела текучести от.

При сдвиге в стыковых соединениях расчетные сопротив­ления в швах равны сопротивлениям на сдвиг в основном металле.

Для сварных угловых швов по металлу расчетное сопро­тивление составляет 0,55 от расчетного сопротивления по пределу прочности, по границе сплавления — 0,45 от рас­четного сопротивления.

В основу расчета машиностроительных конструкций и соединений положены допускаемые напряжения, которые устанавливаются в зависимости:

от свойств материалов (при улучшении механических свойств допускаемые напряжения повышаются);

от степени точности расчета прочности (чем точнее производится расчет прочности и полнее учитываются нагрузки, действующие на конструкцию, тем меньше при­нимаемый коэффициент запаса прочности, а следовательно, выше допускаемое напряжение);

от рода усилий (растяжение, сжатие, изгиб, срез); от качества технологического процесса (особенно при установлении допускаемых напряжений в сварных соеди­нениях);

от характера нагрузок (при переменных нагрузках допускаемое напряжение понижается по сравнению со статическими).

Допускаемое напряжение — это фактор технико-эко­номический.

Если напряжения в конструкции существенно заниже­ны относительно допускаемых о<0,95 (о)р и нет убедитель­ных мотивов подобного занижения (требования жесткости, устойчивости и т. д.), то спроектированная таким путем кон­струкция имеет излишнюю несущую способность, а следо­вательно, излишнюю массу материала и неэкономична.

Если, напротив, напряжения в конструкции а>1,05 Ыр, 10 это означает, что несущая способность спроекти­рованной конструкции менее требуемой. При отсутствии особых обстоятельств (временный характер эксплуатации и др.) конструкцию следует признать неполноценной с по­зиции надежности.

Наиболее желательным является случай, при котором <т=Ыр. Это условие обеспечивает экономичность и тре­буемую прочность.

Допускаемые напряжения при растяжении [а]р обычно называют основными. Допускаемые напряжения при дру­гих видах усилий определяют как производные от 1о)„.

В машиностроении в конструкциях, работающих под статическими нагрузками, в большинстве случаев допу­скаемые напряжения назначаются в зависимости от предела текучести от и определяются отношением 1о1р=ат/*, (*,= — 1,3. . .1,5); в более редких случаях — в зависимости от предела прочности — а„ і [о]р=ав/*, (*,=2,0. . .2,4).

ри сжатии коротких элементов, в которых продольный изгиб не может иметь места, допускаемое напряжение 1о)сж принимается равным [о)р. При сжатии длинных элементов [о)сж принимается равным! o)p<p, где <р — коэффициент продольного изгиба, зависящий от гибкости сжатого эле­мента, а также от предела текучести.

Для стальных конструкций допускаемые напряжения на изгиб [о]„ принимаются равными [ст]р. При срезе допу­скаемое напряжение изменяется в зависимости, согласно положенной в расчет теории прочности. Обычно допускае­мое напряжение на срез определяется из соотношения [т|= = (0,5. . .0,6)[о]р. В других случаях — в зависимости от предела прочности ал.

Допускаемые напряжения в швах машиностроительных конструкций устанавливаются в зависимости от допускае­мых напряжений основного металла с учетом надлежащего подбора присадочного материала — электродов, электрон­ной проволоки, флюсов. Эго положение позволяет проекти­ровать сварные соединения, равнопрочные основному ме­таллу, не производя определения величины усилий, дей­ствующих на них; кроме того, при конструировании соеди­нений в этом случае нет необходимости учитывать многие переменные величины, влияющие на выбор коэффициентов запаса прочности разрабатываемой конструкции (степень точности расчета и т. п.).

С технологической стороны способ установления допу­скаемых напряжений в сварных соединениях вполне оправ­дан. При сварке автоматом под флюсом или в среде защит­ных газов, а также контактным способом механические свой­ства швов зависят в значительной степени от механических свойств основного металла и электродного, подбираемого к основному.

Прочность углового шва по наименьшему его попереч­ному сечению на срез составляет 0,6. . .0,65 от допускае­мого напряжения на листовой детали (о1р.

Наиболее существенными факторами, влияющими на механические свойства соединений н швов, а также на зна­чения допускаемых напряжений в них, являются качество выполнения и вид технологического процесса сварки.

Сварные соединений сталей, выполненные дуговой свар­кой, по определению допускаемых напряжений делятся на две группы.

К первой группе относятся швы низкоуглеро­

дистых сталей обыкновенного качества и низколегирован­ных, у которых механические свойства швов и зоны терми­ческого влияния соответствуют свойствам основного метал­ла. Рекомендуемые допускаемые напряжения для швов этой группы приведены в табл. 3.3.

Ко второй группе относят швы сталей со спе­циальными свойствами: высокопрочные, коррозионно-устой­чивые и т. д., у которых свойства швов или металла око - лошовной зоны ниже свойств основного металла.

При сварке низкоуглероднетых сталей марки СтЗ, для которой допускаемое напряжение 1о1р=160 МПа, допускае­мые напряжения в швах, выполненных автоматической сваркой или ручной электродами Э42А, будут следующие: [о']р=160 МПа, [о')сж=160 МПа (без учета жесткости), (т']=100 МПа, где 1т'J—допускаемое напряжение в шве при срезе.

При стыковой контактной сварке, а также при стыковой сварке трением и холодным способом в соединении могут быть приняты те же допускаемые напряжения, что и в сты­ковых соединениях при сварке дуговым методом при усло­вии, если технологический процесс отработан и позволяет

получить стабильные высокие механические свойства сое­динений.

Для соединений, выполненных точечной контактной и шовной сваркой, допускаемые напряжения среза в точке устанавливаются в зависимости от свойств металла и отра­ботки технологического процесса. В точках и швах допу­скаемые напряжения среза для низкоуглеродистых и неко­торых низколегированных сталей могут составлять 0,5 от допускаемых напряжений (о)р основного металла при срезе и О. ЗІоїр при отрыве.

Для швов второй группы сталей допускаемые напряже­ния назначаются на основе специально проведенных экспе­риментов в условиях, соответствующих работе проектируе­мой сварной конструкции, видам соединений и т. д.

Аналогичным образом допускаемые напряжения назна­чаются на основе специальных экспериментов для соеди­нений сталей первой группы прн сварке холодным спосо­бом, трением, ультразвуком и другими специальными ме­тодами.

Определение действительного распределения напряже­ний с учетом их концентрации в элементах и соединениях бывает трудным и при оценке работы конструкции, нагру­женной статически, в большинстве случаев себя не оправ­дывает.

Излагаемые ниже методы расчета прочности ставят зада­чи оценить несущую способность, т. е. допускаемое усилие для проектируемых объектов и соединений, не определяя действительного распределения напряжений. Проектант принимает упрощенную схему напряженного состояния без учета концентрации напряжений, которая для него стано­вится руководящей. Несущая способность конструкции определяется по разрушающему напряжению <х„ и коэффи­циенту запаса по прочности k„ или по напряжению от, вы­зывающему текучесть, и коэффициенту запаса по текучести kt, который меньше k„. Расчеты проводятся па основе эле­ментарных методов сопротивления материала.

Более глубокий анализ напряженного состояния, имею­щего место в сварных объектах, и определение коэффициен­тов концентрации напряжений в них осуществляют на базе теории упругости и пластичности. Такие пути определения напряжений бывают необходимы при оценке прочности конструкций под переменными нагрузками, для установ­ления с позиции механики разрушения условий распрост­ранения возникших в изделиях трещин, а также при учете собственных напряжений, вызванных сварочным процессом.