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 kH. Для низкоуглеродистой стали расчетное сопротивление R составляет примерно 0,9 σт.
При расчете по этому методу находят величины допускаемых усилий в элементах. Допускаемые усилия определяют с учетом коэффициента надежности kH и коэффициента условий работы m, учитывающих специфический характер работы конкретных объектов рассматриваемой области техники, коэффициенты kH 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/ kH , (4.1)
где F - площадь поперечного сечения. Расчетное усилие N должно быть ≤Nдоп. Аналогичным путем находят допускаемый момент при изгибе
M доп ≤R·m·W/ kH, (4.2)
где W - момент сопротивления сечения.
Легко видеть, что величина R·m/kH представляет собой, по существу, допускаемое напряжение. Коэффициенты m и kH 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
Класс стали | Временное сопротивление, σв МПа | Предел текучести, σт, МПа | Относительное удлинение δ5, % | ||||
С235 | |||||||
С285 | |||||||
С345 | |||||||
С390 | |||||||
С440 | |||||||
С590 | |||||||
С750 | |||||||
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)
Тип шва | Род усилия | С235 | С285 | С340 | С390 | С440 | С590 | С750 |
Стыковой | Сжатие, Rсвсж | |||||||
Стыковой | Растяжение, Rсвр | |||||||
Стыковой | Растяжение, Rсвр (полуавтомат и РДС) | - | - | - | - | |||
Стыковой | Срез, Rсвср | |||||||
Угловой | Срез по металлу шва, Rсвуш | |||||||
Угловой | Срез по границе сплавления, Rсвус |
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
Тип шва | Род усилия | Амц | Амг | Амг6 | АВТ1 | В92Т |
Стыковой | Сжатие и растяжение | 110/90 | 170/150 | |||
Стыковой | Срез | |||||
Угловой | Срез |
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 = σT /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
Род усилия | Тип шва | Технологический процесс сварки | Допускаемое напряжение |
Растяжение, сжатие | Стыковой | Дуговая автоматическая и полу- атоматическая под флюсом и в СО2 | [σ]р |
То же | Стыковой | Дуговая электродами Э42А, Э46А, Э50А | [σ]р |
То же | Стыковой | Контактная | [σ]р |
То же | Стыковой | Электроннолучевая | [σ]р |
То же | Стыковой | Диффузионная | [σ]р |
Срез | Угловой | Дуговая автоматическая и полу- атоматическая под флюсом и в СО2 | 0,8[σ]р |
Срез | Стыковой | То же | 0,65[σ]р |
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 σв и коэффициенту запаса n1, или по напряжению σт, 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.
Дата добавления: 2018-03-02; просмотров: 3066;