Расчет и конструирование сварных соединений

Стыковое сварное соединение является наиболее простым и надежным. В стыковых швах при всех видах сварки плавлением концентрация напряжений имеет минимальные значения.

При действии на соединение статической нагрузки первоначальная концентрация напряжений в стыковом сварном шве не оказывает влияние на его прочность, так как из-за развития пластических деформаций происходит релаксация напряжений в точках концентрации. Поэтому расчет стыковых сварных соединений выполняют в предположении, что распределение напряжений  в поперечном сечении сварного шва равномерно.

Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение или

сжатие производится по формуле

N / (t lw ) ≤ Rwy γс,

где N – внешнее усилие, приложенное к соединению;

t – расчетная толщина шва, равная толщине наиболее тонкого из соединяемых элементов (местное утолщение в виде валика сварного шва в расчет не принимается); в том случае, если невозможно обеспечить полный провар по толщине свариваемых элементов путем подварки корня шва, например, при односторонней сварке или использовании остающейся стальной подкладки, в формуле вместо t следует принимать 0,7t;

lw – расчетная длина шва, равная полной ширине соединяемых элементов за вычетом 2t, учитывающих низкое качество шва в зонах зажигания (непровар) и прерывания (кратер) сварочной дуги. При условии выполнения шва с применением выводных технологических планок, позволяющих вывести начало и конец шва за пределы рабочего сечения шва, расчетная длина принимается равной полной его длине (после сварки технологические планки срезаются, а торцы шва зачищаются наждачным кругом);

Rwy – расчетное сопротивление сварного стыкового соединения, принимаемое по табл. 2.6;

γс – коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 1.3.

Расчетное сопротивление сварного стыкового шва зависит от способов контроля качества сварного шва. Расчетное сопротивление сварного стыкового шва Rwy равно расчетному сопротивлению основного металла Ry при сжатии, а также при растяжении, если применяются физические методы контроля качества сварных швов (об этом обязательно должна быть сделана запись в рабочих чертежах КМ). Если физические методы контроля качества шва, работающего на растяжение, не используются, то следует принимать Rwy  = 0,85 Ry.

Так как расчетное сопротивление стали зависит от толщины проката, то в расчетах следует принимать Ry наиболее толстого из свариваемых элементов.

Расчет сварных стыковых соединений растянутых элементов конструкций из стали с соотношением Ru / γu > Ry, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, производится по формуле

N / (tlw) ≤ Rwu / γuγc,

где Ru – расчетное сопротивление проката по временному сопротивлению, (см. табл. 2.3);

γu – дополнительный коэффициент надежности, учитывающий повышенную опасность при расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления Ru и принимаемый для стали равным γu = 1,3;

Rwu – расчетное сопротивление сварного соединения по временному

сопротивлению (см. табл. 2.6).

Расчет сварных стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов (см. табл. 2.5), полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества растянутых швов.

Пример 10.1. Рассчитать и законструировать стыковое соединение листов шириной 500 мм, толщиной t1 = 10 мм и t2 = 14 мм при действии расчетного растягивающего усилия N = 1200 кН (рис. 10.26, а). Материал листов – сталь класса С245. Шов выполнен с полным проваром без применения физических методов контроля качества шва, концы шва не выведены на специальные технологические планки.

Стык выполняется ручной сваркой электродами Э42 (см. табл. 2.5).

В более толстом листе делаем скос с уклоном 1: 5, т.к. разность толщин соединяемых элементов t2 – t1 = 14 – 10 = 4 мм > 2 мм (см. табл. 10.9).

При минимальной толщине соединяемых листов t1 = 10 мм разделка кромок не требуется.

Листовой прокат из стали С245 толщиной tmax = t2 = 14 мм имеет расчетное сопротивление Ry = 240 МПа = 24 кН/см2 (см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения принимаем:

Rwy = 0,85Ry = 0,85 · 240 = 204 МПа.

Рис. 10.26. К расчету стыковых швов:

а – прямой шов; б – косой шов, выполненный с применением

выводных планок.

Расчетная длина шва lw = b – 2t1 = 50 – 2 · 1 = 48 см.

Проверяем прочность сварного стыкового шва:

σw = N / (t1 lw) = 1200 / (1 · 48) = 25 кН/см2 = 250 МПа > Rwy = 204 МПа.

Условие не выполняется, необходимо устройство косого шва.

Пример 10.2. Рассчитать и запроектировать сварное соединение косым швом встык с полным проваром и выводом начала и конца шва на технологические планки (рис. 10.26, б). Остальные условия см. пример. 10.1.

На практике косой стык устраивается с заложением 2:1, что соответствует углу α ≈ 63,5о.

Расчет прочности шва по нормальным напряжениям:

σw = N sin α / (t lw') = 1200 ∙ 0,895 / (1 · 55,87) = 19,22 кН/см2 = 192,2 МПа <

< Rwy γc = 204 · 1 = 204 МПа,

где sin α = sin 63,5о = 0,895;

lw′ = lw  / sin α = 50 / 0,895 = 55,87 см – расчетная длина косого шва.

Расчет прочности шва по касательным напряжениям:

τw = N cos α / (t lw′ ) = 1200 ∙ 0, 446 / (1 ∙ 55,87) = 9,58 кН/см2 = 95,8 МПа <

< Rws γc = 118,3 МПа,

где cos α = cos 63,5o = 0,446;

Rws = 0,58 Rwy = 0,58 · 204 = 118,3 МПа.

Прочность косого стыкового шва обеспечена как по нормальным, так и по касательным напряжениям.

При действии на соединение статической нагрузки проверка по приведенным напряжениям, как правило, не производится.

Сварные стыковые соединения, выполненные без физических способов контроля качества шва, при одновременном действии в одном и том же сечении нормальных и касательных напряжений при действии на соединение динамической нагрузки проверяются по формуле

Прочность сварного шва при скосе с заложением 2:1 не обеспечена. Уменьшаем угол наклона среза и принимаем его α = 45º (скос с заложением 1:1).

Производим повторную проверку.

Нормальные напряжения в шве

σw = N sin 45о / (t lw′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см2,

где lw′ = lw / sin 45о = 50 / 0,7 = 71,43 см.

Касательные напряжения в шве

τw = N cos 45o / (t lw′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см2.

Проверка приведенных напряжений

Прочность сварного шва обеспечена.

Пример 10.3. Проверить прочность соединения, выполненного стыковым швом, консольного листа сечением b×t = 300×8 мм к стенке стойки из тавра

 15ШТ / ТУ 14-2-685-86 (толщина стенки s = 8 мм). К консоли приложена расчетная сосредоточенная сила F = 100 кН с эксцентриситетом e = 200 мм.

Конструкция относится ко второй группе и выполнена из стали С245. Сварка ручная с полным проваром шва при визуальном способе контроля качества шва. Условия работы – нормальные (рис. 10.27).

Расчетное сопротивление листового и фасонного проката из стали С245 толщиной до 20 мм Ry = 240 МПа = 24 кН/см2 (см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения (см. табл. 2.5):

– изгибу при визуальном способе контроля качества шва Rwy = 0,85Ry =

= 0,85 · 240 = 204 МПа = 20,4 кН/см2;

– сдвигу Rws = Rs = 139,2 МПа,

где Rs = 0,58 Ry = 0,58 · 240 = 139,2 МПа – расчетное сопротивление проката сдвигу.

Рис. 10.27. Прикрепление консольного листа стыковым швом

Расчетный изгибающий момент

M = Fe = 100 · 0,2 = 20 кН·м.

Поперечная сила

Q = F = 100 кН.

Момент сопротивления стыкового шва

Ww = tlw2 / 6 = 0,8 · 28,42 / 6 = 107,54 см3,

где lw = b – 2 t = 30 – 2 · 0,8 = 28,4 см – расчетная длина шва с учетом непровара в начале шва и кратера в конце шва.

Определяем:

– нормальные напряжения в шве

σw = M / Ww = 2000 / 107,54 = 18,6 кН/см2;

– касательные напряжения в шве

τw = 1,5 Q / (t lw) = 1,5 · 100 / (0,8 · 28,4) = 6,6 кН/см2;

Проверяем прочность шва по приведенным напряжениям:

Прочность соединения обеспечена.