Принципы расчета сварных соединений

Оценка несущей способности конструкций и соединений произ­водится по предельным состояниям.

Так, согласно СНиП, строительные конструкции и основания следует рассчитывать на силовые воздействия по методу предель­ных состояний, при которых конструкция, основание, здание или сооружение перестают удовлетворять заданным эксплуатацион­ным требованиям и требованиям при возведении.

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 не­благоприятных влияний внешней среды; качественное изменение конфигурации; 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 конструкции или сни­жающие долговечность их вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний, тре­щин и т. п.

В строительных организациях в основу расчета по методу пре­дельного состояния положены так называемые нормативные сопротивления. В качестве нормативного сопротивления принято наи­меньшее значение предела текучести стали. С учетом неоднород­ности свойств стали расчетные сопротивления R получают делением значений нормативных сопротивлений на коэффициент безопасно­сти по материалам k_H. Для низкоуглеродистой стали расчетное сопротивление R составляет примерно 0,9 σ_т.

При расчете по этому методу находят величины допускаемых усилий в элементах. Допускаемые усилия определяют с учетом коэффициента надежности k_H и коэффициента условий работы m, учитывающих специфический характер работы конкретных объектов рассматриваемой области техники, коэффициенты k_H и m 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

N _доп ≤R·m·F/ k_H , (4.1)

где F - площадь поперечного сечения. Расчетное усилие N должно быть ≤N_доп. Аналогичным путем находят допускаемый момент при изгибе

M _доп ≤R·m·W/ k_H, (4.2)

где W - момент сопротивления сечения.

Легко видеть, что величина R·m/k_H представляет собой, по существу, допускаемое напряжение. Коэффициенты m и k_H 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 m = 0,9;

- для сжатых основных элементов (кроме опорных) решетчатых ферм при их гибкости λ≥ 60, m = 0,8;

- для сжатых раскосов пространственных решетчатых конструкций из одиночных уголков, прикрепляемых к поясам одной полкой, m = 0,9;

- для сжатых элементов из одиночных уголков плоских ферм m = 0,75;

- для колонн жилых и общественных зданий, а также в подкрановых балках для кранов грузоподъемностью G > 5 т m = 0,9.

Ниже, в табл. 4.1 даны значения расчетных сопротивлений R прокатной стали.

Таблица 4.1

Классы стали для строительных конструкций

Примечание. При отсутствии выраженной площадки текучести за предел текучести принимается напряжение, соответствующее остаточному относительному удлинению 0,2 % (σ₀,₂).

В табл. 4.2 приводятся расчетные сопротивления металла сварных соединений.

Таблица 4.2

Расчетные сопротивления металла сварных соединений в стальных строительных конструкциях (МПа)

Расчетные сопротивления R основного металла различных алюминиевых сплавов, применяемых в строительстве, при сжатии, растяжении, изгибе имеют следующие значения, МПа:

АМц … 40 АВТ1 (с термообработкой) … 160 - 175

АМг … 60 - 70 В92Т (с термообработкой) … 190 - 260

АМг6 … 140

Расчетные сопротивления металла сварных швов алюминиевых конструкций приведены в табл.4.3.

Таблица 4.3

Расчетные сопротивления R, МПа, швов алюминиевых сплавов

Примечание. Цифры, указанные в числителе, относятся к сварке плавящимся электродом, в знаменателе – вольфрамовым.

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

1) от свойств материалов - при улучшении механических свойств допускаемое напряжение повышается;

2) 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;

3) от рода усилий (растяжение, сжатие, изгиб и срез);

4) от качества технологического процесса - это обстоятельство имеет особенно большое значение при установлении допускаемых напряжений в сварных соединениях;

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

Допускаемые напряжения при растяжении [σ]_р обычно называют основными. Допускаемые напряжения при других видах усилий определяются как производные от [σ]_р.

При сжатии коротких элементов, в которых продольный изгиб не может иметь места, допускаемое напряжение [σ]_сж принимается равным [σ]_р. При сжатии длинных элементов [σ]_сж принимается равным [σ]_рφ, где φ - коэффициент продольного изгиба, зависящий от гибкости сжатого элемента.

Для стальных конструкций допускаемые напряжения на изгиб [σ]_и принимаются равными [σ]_р. При срезе допускаемое напряжение принимается в зависимости от теории прочности, положен­ной в расчет.

Обычно допускаемое напряжение на срез [τ] = (0,5 - 0,6) [σ]_p.

Как правило, при статических нагрузках допускаемое напряжение [σ]_р = σ_T /n₂, где n₂ - коэффициент запаса прочности, при­нимаемый обычно равным 1,4-1,6. При переменных нагрузках допускаемое напряжение принимают равным [σ]_р ·γ, где коэффи­циент γ ≤ 1.

Допускаемые напряжения в швах машиностроительных кон­струкций устанавливаются в зависимости от допускаемых напряже­ний основного металла. Это положение позволяет проектировать сварные соединения, равнопрочные основному металлу, не производя определения величин усилий, действующих в 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 такой способ установления допускаемых напряжений в сварных соединениях вполне оправдан, так как при сварке автоматом под флюсом, в среде защитных газов, контактным способом и в других случаях механические свойства швов зависят в значительной степени от механических свойств основного металла.

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

Сварные соединения сталей, выполненные дуговой сваркой, по определению допускаемых напряжений делят на две группы.

К первой группе относятся швы низкоуглеродистых сталей обыкновенного качества и низколегированных, у которых механические свойства швов и околошовной зоны соответствуют свойствам основного металла.

Ко второй группе относят швы сталей со специальными свой­ствами: высокопрочных, коррозионноустойчивых и т.д., у которых свойства швов или металла околошовной зоны ниже свойств основного металла.

Рекомендуемые допускаемые напряжения для швов первой группы приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Допускаемые напряжения для швов соединений низкоуглеродистых

сталей обыкновенного качества и низколегированных

При сварке низкоуглеродистой стали марки Ст3, для которой допускаемое напряжение [σ]_р = 160 МПа, допускаемые напряжения в швах, выполненных автоматической сваркой или электродами Э42А, будут следующие: [σ']_р = 160 МПа, [σ']_сж = 160 МПа; [τ']= 100 МПа, где [τ'] - 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, выполняемых 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 быть приняты 0,4 от допускаемых напряжений [σ]_р основного ме­талла и 0,3[σ]_р 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 соединения сталей первой группы при 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 (схема) для него становится руководящей. Несущая способ­ность конструкции определяется или по разрушающему напряже­нию σ_в и коэффициенту запаса n₁, или по напряжению σ_т, вызываю­щему текучесть, и коэффициенту запаса n₂, который меньше n₁. Расчеты проводятся на основе элементарных методов сопротивле­ния материала.

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