§ 2. Проектирование и расчет соединений при постоянных нагрузках

Проектирование и расчет сварных соединений (кон­струкций) сводится к выбору вида соединения, способа сварки, марки электрода, рациональному размещению сварных швов, определению сечения и длины швов из условия равнопроч-ности наплавленного металла и материала соединяемых дета­лей. Размеры соединяемых деталей обычно известны заранее из условий прочности, жесткости, устойчивости или конструк­тивных соображений.

Концентрация напряжений в соединениях. Концентрация нап­ряжений в соединениях обусловлена как резким изменением формы сечений, так и особенностями совместной работы сва­ренных деталей. Она существенно влияет на прочность соеди­нений.

В стыковом соединении формы и размеры шва характе-

Рис. 29.7. Распределение касательных напряжений вдоль флангового шва в за­висимости от жесткости листов:

а - Е₁А₁ < Е₂А₂; б - Е₁А₁ = Е₂А₂

ризуются высотой «усиления» шва д, его шириной б и углом θ (рис. 29.6, а). Усиление является «источником» концентрации напряжений (рис. 29.6, б). Для ограничения концентрации напря­жений рекомендуется выполнять швы с усилением при θ = = 160-7-170° и отношением b/g = 9 4-11. В ответственных сое­динениях это усиление удаляют механической обработкой, в этом случае получают эффективный коэффициент концентра­ции напряжений к_а =1.

Нахлесточные соединения в отличие от стыковых имеют более высокую концентрацию напряжений. При этом в ло­бовом шве концентрация напряжений вызвана поворотом силового потока (изгибом) (см. рис. 29.6, в), а во фланговом шве — неравномерным распределением нагрузки вдоль шва (рис. 29.7, а). С уменьшением площади А₂ листа (например, за счет его ширины) концентрация нагрузки снижается (рис. 29.7,6), что способствует повышению прочности соеди­нения.

Коэффициенты концентрации напряжений даны ниже в табл. 29.3.

Расчеты на прочность соединений. Стыковые швы (см. рис. 29.1) рассчитывают на прочность по номинальному се­чению соединяемых деталей (без учета утолщения швов) как целые детали.

Напряжения растяжения

(29.1)

где l и S — соответственно длина шва и толщина соединяе-

Таблица 29.1. Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке

Сварка	Допускаемые напряжения для сварных швов
	при растя­жении	при сжатии [σсж]	при сдвиге [τш]
Автоматическая, ручная электродами Э42А и Э50А, в среде защитного газа, контактная стыковая Ручная электродами обычного качества Контактная точечная	[σρ] 0,9|σз] -	[σз] [σρ] -	0,65 [σρ] 0,6 [σρ] 0,5 [σρ]

Примечание. [σ_ρ] — допускаемое напряжение при растяжении основного металла соединяемых элементов.

мых деталей; F - внешняя нагрузка; [σ'_ρ] - допускаемое нап­ряжение сварного шва при растяжении; [σ_ρ] = (0,9- 1,0) [σ_ρ]; здесь [σ_ρ] — допускаемое напряжение при растяжении основ­ного материала (табл. 29.1).

Допускаемая растягивающая нагрузка

[F] = [σ'_ρ] lS. (29.2)

Напряжения в шве при совместном действии внешней силы и изгибающего момента

здесь W_c — момент сопротивления сечения шва.

Фланговые и лобовые (угловые) швы разрушаются по се­чению, проходящему через биссектрису прямого угла (рис. 29.8, а). Площадь расчетного сечения

где L— общая длина (периметр) сварного шва; к_р - расчетный катет шва, обычно k_p = (0,9 - 1,2) S, где S — наименьшая тол­щина свариваемого элемента; k_pmin=3 мм при S>3 мм. Номинальное напряжение среза в расчетном сечении

(29.3)

здесь [т_ш] — допускаемое напряжение в сварном шве при срезе.

Это соотношение выражает собой условие прочности шва по допускаемым напряжениям.

Требуемая длина шва

F

(29.4)

Наибольшая длина лобового шва не ограничивается, а длину флангового шва не следует выполнять большей 60к_р из-за неравномерного распределения нагрузки по длине (см. рис. 29.7). Минимальная длина флангового шва должна быть не менее 30 мм, так как при меньшей длине дефекты (непровары, шлаковые включения и др.) в начале и в конце шва суще­ственно снижают его прочность.

Допускаемая растягивающая нагрузка

[F]=0,7k_pL[T_ш]. (29.5)

Швы целесообразно располагать так, чтобы они были на­гружены равномерно. Если фланговые швы размещены несим­метрично относительно нагрузки, например, в соединении с уголком (рис. 29.8, б), то, полагая, что напряжения равномерно распределены по длине шва, из уравнений равновесия полу­чим соотношения для нагрузок на фланговые швы в виде

где a₁ и а₂ — расстояния от центра тяжести сечения элемента до центра тяжести сечения швов.

Если длина шва задана или определена, например, из расчета по формуле (29.1), то ее целесообразно разместить пропорционально нагрузкам F₁ и F₂, чтобы выполнялось

Рис. 29.10. К уточненному расче­ту комбинированного шва

Рис. 29.9. К расчету комбинированного при действии изгибающего момента:

а — эскиз; б — расчетная схема

условие τ₁ = τ₂. Тогда

Следовательно, для получения равномерного распределения нагрузки между швами необходимо длину каждого шва при­нимать обратно пропорциональной расстоянию между центра­ми тяжести шва и детали.

Расчет комбинированных угловых швов под действием мо­мента в плоскости стыка (рис. 29.9) выполняют, полагая, что швы работают независимо, а фланговые швы передают только силы вдоль своей оси.

Из условия равновесия одного из листов следует (τ _lmax = τ₂ = τ)

M= τA_ch+ τW_c

Где A_c=0.7k_pl; W_c=(0.7k_ph²)/6

Откуда

τ =M/(A_ch+W_c)

В уточненном расчете можно принять, что листы являются абсолютно жесткими (недеформируемыми) и приваренный эле­мент под нагрузкой стремится повернуться вокруг центра тя­жести (ЦТ) сечений швов (рис. 29.10). Тогда

где r_max — расстояние от центра тяжести до наиболее удален­ной точки шва; J_p — полярный момент инерции швов; J_p = J_x + J_y (J_x и J_y — моменты инерции швов относительно осей χ и у).

Тавровые соединения, выполненные угловыми швами, рас­считывают по формулам (29.3) и (29.5). Если такие соединения сварены, как и соединения встык, то расчет выполняют по формулам (29.1) и (29.2).

Угловые соединения (см. рис. 29.3) не используются как силовые, их применяют, как правило, для образования про­филей из отдельных элементов.

Прочность стыка, полученного контактной сваркой, для сое­динений встык принимается равной прочности основного ме­талла.

Точечное соединение, нагруженное в плоскости стыка, рас­считывают на срез, принимая равномерное распределение на­грузки между точками

где –F₁— усилие, приходящееся на одну точку; i — число пло­скостей среза точек.

Швы, получаемые на роликовых машинах, рассчитывают по формуле

здесь а — ширина шва; / — его длина.

Допускаемые напряжения в сварных швах в долях от до­пускаемых напряжений основного металла приведены в табл. 29.1. Допускаемые напряжения для основного металла в металлоконструкциях вычисляют по формуле

где R = (0,85 - 0,9) σ_Τ — расчетное сопротивление с учетом неод­нородности материала (σ_τ - предел текучести материала); т -коэффициент, который принимают в зависимости от типа соединения и условий его работы, обычно т = 0,8-0,9; К — коэффициент перегрузки, обычно К = 1 - 1,2; для резервуаров с внутренним давлением К = 1,2; для подкрановых балок при тяжелом режиме работы К = 1,3 - 1,5.

В строительных конструкциях принимают расчетное сопро­тивление R = 0,9 σ_τ. Значения R, принимаемые в ряде отраслей машиностроения, приведены в табл. 29.2.

Таблица 29.2. Расчетные сопротивления R для нижоуглеродистых сталей *

Марка стали	R, МПа, при
	растяжении	сжатии	срезе
СтЗ, Ст4 14Г2, 10Г2С1, 15ХСНД 10ХСНД	210/180 290/250 340/290	210 290 340	130-150 170-200 200-240

* В числителе — значения R для швов, контролируемых физическими методами, в знаменателе — обычными методами (визуальными и т. п.).