Нахлесточные соединения

Передача усилия с одного элемента на другой происходит неравномерно как по длине шва, так и по поперечному сечению соединения. Однако при статическом нагружении перед разрушением напряжения выравниваются за счет пластической работы перенапряженных (концевых) участков шва.

Лобовые швы, обладая большей жесткостью и прочностью, чем фланговые, в запас прочности рассчитываются, как фланговые. При одновременном использовании лобовых и фланговых швов (в комбинированных соединениях) в результате развития пластических деформаций усилия в швах выравниваются и расчет комбинированных соединений производится по суммарной площади швов. В основу расчета принимается допущение о равномерном распределении напряжений среза.

Сварные соединения с угловыми швами при действии продольной и поперечной сил рассчитываются на условный срез по двум сечениям (рис. 10.28):

– по металлу шва (сечение 1-1):

N / (βf  kf  lw) ≤ Rwf  γwf  γc;

– по металлу границы сплавления (сечение 2-2):

N / (βz kf  lw) ≤ Rwz γwz γc.

Рис. 10.28. Схема расчетных сечений сварного соединения с угловым швом

Расчет по металлу шва производится по минимальной площади сечения шва, проходящей через меньшую высоту условного треугольника шва (без учета наплыва). Для ручной сварки при равных катетах шва эта высота равняется 0,7kf.

Необходимость расчета сварного шва по металлу границы сплавления (по сечению с большей расчетной площадью) вызвана применением сварочных материалов с прочностью, превышающей прочность основного материала соединяемых элементов (несущую способность соединения определяет менее прочный основной металл).

При автоматической и механизированной сварке провар в углу (корне) шва глубже, чем при ручной сварке, и при работе шва на срез включается в работу часть основного материала, условная высота треугольного сечения шва принимается равной βf kf  или βzkf ,

где βf  и βz – коэффициенты, учитывающие глубину проплавления шва и границы сплавления, принимаемые при сварке из стали: с пределом текучести до 530 МПа по табл. 10.19; с пределом текучести свыше 530 МПа независимо от вида сварки, положения шва и диаметра сварочной проволоки –

β f = 0,7; β z = 1,0;

kf – катет углового шва, равный катету вписанного равнобедренного прямоугольного треугольника (см. рис. 10.25).

Минимальное значение катета шва принимается в зависимости от толщины более толстого из свариваемых элементов, способа сварки, марки стали и вида соединения (см. табл. 10.10). В нахлесточных соединениях обычно катет шва принимается равным меньшей из толщин соединяемых деталей

При сварке вдоль кромок прокатных профилей, имеющих скругление, наибольшую толщину углового шва kf, max  при статической и динамической

нагрузках рекомендуется принимать по табл. 10.20.

Расчетная длина шва lw принимается равной сумме расчетных длин каждого из накладываемых швов.

Из-за непровара в начале сварного шва и кратера в конце шва расчетная длина каждого шва принимается на 10 мм меньше фактической и должна быть не менее 4kf  и 40 мм, так как при работе более коротких швов сильно сказывается не учитываемое расчетом влияние эксцентриситета е и возникающего при этом дополнительного изгибающего момента см. рис. 10.21, а).

Максимальная длина флангового шва (из-за большой концентрации напряжений в начале и конце шва возможно достижение предельного состояния в наиболее напряженных точках раньше, чем выровняются напряжения по всей длине шва) принимается lw,max ≤ 85βfkf, за исключением швов, в которых усилие действует на всем протяжении швов, например, в поясных швах составных балок, где длина шва не ограничивается. Длина нахлеста листов в нахлесточных соединениях должна быть не менее пяти толщин  наиболее тонкого из свариваемых элементов (см. рис. 10.21, а).

Таблица 10.19

Значения коэффициентов bf и bz

П р и м е ч а н и е. Значения коэффициентов соответствуют нормальным режимам сварки.

Таблица 10.20

Максимальные катеты швов kf, max у скруглений

прокатных профилей

Расчетные сопротивления сварных соединений Rwf – при расчете по металлу шва и Rwz – при расчете по металлу границы сплавления (см. табл. 2.3, 2.6 и 2.7).

Коэффициент условий работы конструкции γс = 1,0 (см. табл. 1.3). Коэффициенты условий работы шваи , равные 1,0 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах Ι1, Ι2, ΙΙ2 и ΙΙ3, для которых γwf  = 0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением

Rwun = 410 МПа и γwz = 0,85 – для всех сталей.

Пример 10.4. Рассчитать прикрепление внахлестку, выполненное ручной сваркой, растянутого элемента из полосовой стали класса С275 сечением 250×10 мм к листу толщиной 12 мм. Определить наименьшую длину нахлестки при условии равнопрочности элемента и его прикрепления лобовым и двумя фланговыми швами (рис. 10.29).

Рис. 10.29. Сварной стык внахлестку

Определяем предельное усилие, воспринимаемое элементом. Расчетное сопротивление  листового  проката из стали  С275  толщиной свыше 10 мм      Ry = 260 МПа = 26 кН/см2,  нормативное  сопротивление  –  Run = 380 МПа =     = 38 кН/см2 (см. табл. 2.3).

Предельное усилие, которое может выдержать прикрепляемый лист:

N = Ry  b t = 26 · 25 · 1 = 650 кН.

Принимаем катет  шва  равным  толщине  привариваемого  элемента

kf  = t1 = 10 мм.

Выбираем сварочные материалы (см. табл. 2.5).

Электроды типа Э46. Расчетные сопротивления: а) при расчете по металлу шва Rwf  = 200 МПа = 20 кН/см2; б) при расчете по металлу границы сплавления Rwz = 0,45Run = 0,45 · 380 = 171 МПа = 17,1 кН/см2.

Коэффициенты проплавления (см. табл. 10.19): βf  = 0,7; βz  = 1,0.

Коэффициенты условий работы шва γwf = γwz = 1,0.

Сравниваем:

βf Rwf  = 0,7 · 200 = 140 МПа < βz Rwz = 1 · 171 МПа.

Расчет производим по металлу сварного шва.

Определяем усилие, воспринимаемое одним лобовым швом с расчетной длиной lw,л = b – 1 = 25 – 1 = 24 см:

Nл = βf  kf lw,л Rwf  γwf γс = 0,7 · 1 · 24 · 20 · 1 · 1 = 336 кН.

Определяем усилие, приходящееся на каждый из фланговых швов:

Nф = (N – Nл) / 2 = (675 – 336) / 2 = 169,5 кН.

Вычисляем расчетную длину флангового шва:

lw,ф = Nф / (βf  kf Rwf  γwf  γс) = 169,5 / (0,7 · 1 · 20 · 1 · 1) = 12,1 см.

Принимаем lw,ф = 13 см.

Длина нахлестки (с учетом дефектов в начале и конце шва)

l = lw,ф + 1 = 13 + 1 = 14 см, что больше 5tmin = 5 · 1 = 5 см и меньше lw,max = 85 βf kf  = 85 · 0,7 · 1 = 59,5 см.

Нахлесточные соединения, работающие на чистый изгиб (рис. 10.30). Расчет сварных нахлесточных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, производится  по двум сечения по формулам:

– по металлу шва

M / Wf  ≤ Rwf γwf γc;

– по металлу границы сплавления

M / Wz ≤ Rwz γwz γc,

где Wf  = βf kf lw2 / 6 – момент сопротивления расчетного сечения по металлу шва;

Wz = βzkf lw2 / 6 – то же по металлу границы сплавления.

Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения этих швов производится в предположении, что напряжения σw распределяются по продольному расчетному сечению шва неравномерно, достигая максимума в точках, наиболее удаленных от центра тяжести сечения (рис. 10.30, точка А):

– по металлу шва

– по металлу границы сплавления

где М – расчетный изгибающий момент, действующий в соединении;

Ifx = βf  kf  lw3 / 12 и Ify = (βf kf)3 lw / 12 – моменты инерции расчетного сечения относительно его главных осей x-x и y-y по металлу шва;

Izx = βz kf  lw3 / 12 и Izy = (βz kf)3lw / 12 – то же по металлу границы сплавления;

x = βf  kf  / 2 (или βz kf / 2) и y = lw / 2 – координаты точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов, относительно главных осей этого сечения.

Рис. 10.30. К расчету сварного соединения на чистый изгиб

В большинстве случаев швы имеют большую протяженность lw и относительно небольшой катет шва kf, то есть Ifx >> Ify ;  y >> x. В этом случае моментом инерции Ify относительно оси y-y обычно пренебрегают. Поэтому сварные швы, работающие на чистый изгиб в плоскости расположения этих швов, можно рассчитывать на прочность по обычным формулам, как для соединений с угловыми швами в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов. Условие прочности на изгиб записывается через осевой момент сопротивления:

– по металлу шва

σwf = M / Wfx = 6M / (βf  kf  lw2) ≤ Rwf γwfγc ;

– по металлу границы сплавления

σwz = M / Wzx = 6M / (βz kf  lw2) ≤ Rwzγwzγc .

Пример 10.5. Проверить прикрепление внахлестку листа сечением        250×20 мм (см. рис. 10.30), выполненное ручной сваркой угловыми швами на действие момента M = 2000 кН·м в плоскости расположения швов. Сварка выполняется в нормальном режиме электродами Э42. Расчетные сопротивления сварного шва сдвигу по металлу шва – Rwf  = 180 МПа и по металлу границы сплавления – Rwz = 166,5 МПа.

Коэффициенты βf  = 0,7 и βz = 1,0.

Расчет производим по металлу шва, так как

βf Rwf  = 0,7·180 = 126 МПа < βz Rwz = 1·166,5 = 166,5 МПа.

Принимаем катет шва равным толщине листа t = 20 мм.

Определяем моменты инерции расчетного сечения шва:

Ifx = βf kf lw3 / 12 = 0,7 · 2 · 243 / 12 = 1612,8 см4;

Ify = (βf kf)3 lw / 12 = (0,7 · 2)3 · 24 / 12 = 5,49 см4,

где lw = b – 1 = 25 – 1 = 24 см – расчетная длина шва.

Координаты наиболее напряженной точки:

x = βf  kf  / 2 = 0,7 · 2 / 2 = 0,7 см;  y = lw / 2 = 24 / 2 = 12 см.

Производим проверку

Условие прочности шва выполняется.