Сварное соединение образуется в результате проведения технологической операции, в результате которой образуются межатомные связи между расплавленным металлом деталей. Необходимым условием плавления служит нагрев детали или ее пластическая деформация. Сварной шов получается достаточно прочным, если все работы были выполнены согласно разработанной технологии, а также были проведены верные расчеты соединений. Перед тем, как познакомиться с конкретными примерами расчета сварного шва, определимся, что подразумевается под этим понятием.
В тривиальной классификации швы делятся на рабочие и связующие. Внешние механические нагрузки приходятся именно на рабочие швы. Разрушение этого соединения ведет к полному разрушению конструкции. Связующие швы обеспечивают одновременную стыковку составляющих конструкции. Они испытывают нагрузки при деформации основного металла. Эти нагрузки существенно ниже тех, что приходятся на рабочие швы. Разрушение связующего шва не повлияет на целостность всего соединения, поэтому на прочность рассчитывают именно рабочие швы.
Сами соединения также классифицируются, в зависимости от метода стыковки деталей. Различают стыковые, нахлесточные, угловые, тавровые и торцевые соединения. Если сварка и является самым надежным способом соединения деталей, то некоторых недостатков она не лишена. К достоинствам можно отнести равномерное распределение прочности, экономию материала, эстетичный внешний вид. Но стесненном пространстве выполнять сварку практически невозможно. К тому же не каждый металл обладает хорошей свариваемостью. При воздействии механических нагрузок напряжения концентрируются именно на зоне сварного шва.
Нормативные документы
Основным документом, определяющим нормы проектирования стальных конструкций, являются строительные нормы и правила (СНиП) СНиП II-23-81, утвержденные приказом ЦНИИСК им. Кучеренко от 28.11.83 № 372/л. В этом документе одной из глав приведены правила расчета сварных соединений.
Однако данный документ носит обобщенный характер и касается не только сварочных работ, но и других видов соединений, поэтому «справочником» профессионального сварщика выступает пособие по расчету и конструированию сварных соединений стальных конструкций, разработанное тем же институтом. В пособии рассмотрены теоретические и практические вопросы расчета сварных соединений с угловыми швами. Правильные расчеты способны обеспечить экономию расходных материалов при высоких показателях прочности и надежности.
Расчетные сопротивления сварных соединений
Для разных соединений, а также разных напряженных состояний определены формулы расчета сопротивлений. Они приведены в виде таблицы. Согласно данным из этой таблицы, Для стыковых сварных соединений при сжатии, растяжении и изгибе определены следующие формулы расчета сопротивлений.
Ручная сварка:
- По пределу текучести – Rwy = Ry.
- По временному сопротивлению – Rwu = Ru.
Полуавтоматическая сварка:
- По пределу текучести – Rwy = 0,85 Ry.
- При деформации сдвига – Rws = Rs.
- Для угловых швов Rwf=0,55*(Rwun/γwm).
Здесь Rwy — расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сжатию, растяжению и изгибу по пределу текучести, Ry — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести, Rwu — расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сжатию, растяжению, изгибу по временному сопротивлению, Ru — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению, Rws — расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сдвигу, Rs — расчетное сопротивление стали сдвигу, Rwf — расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу шва, Rwun — нормативное сопротивление металла шва по временному сопротивлению.
Для швов, полученных в режиме ручной дуговой сварки, Rwun принимает значение временного сопротивления разрыва и определяется ГОСТом. Для автоматической и полуавтоматической сварки эти значения берутся из таблицы настоящего СНиП. Коэффициент надежности γwm равен 1,25 или 1,35, в зависимости от показателя Rwun.
Теоретическая база
Произвести расчет сварных соединений – это значит определить границы предельно допустимой нагрузки, исходя из технических свойств материала и самого шва. Для стыковых соединений нагрузки центрального сжатия и растяжения рассчитываются по формуле: N/tlw ≤ Rwyγc.
N – предельная нагрузка.
t – минимальная толщина заготовок.
lw – расчетная длина шва. Чтобы определить расчетную длину необходимо общую длину шва уменьшить на величину 2t.
γc – коэффициент условий работы. Параметр указан в отдельной таблице СНиП II-23-81.
Угловые швы испытывают продольные и поперечные нагрузки. Расчет производится на два среза, один из которых представляет собой сечение по металлу, а другой – по границе сплавления. В первом случае необходимо пользоваться формулой:
N/(βfkflw) ≤ Rwfγwfγc, где коэффициент βf берется равным 0,7, kf – катет углового шва, lw – расчетная длина, коэффициенты условий работы γ равны единице, кроме некоторых климатических районов, где он составляет 0,85. Более точные значения коэффициентов при различных параметрах катетов швов берутся из таблицы:
| Вид сварки при диаметре сварочной проволоки d, мм | Положение шва | Коэффициент | Значения коэффициентов βf и βz при катетах швов, мм | |||
| 3-8 | 9-12 | 14-16 | 18 и более | |||
| Автоматическая при d = 3 — 5 | В лодочку | βf | 1,1 | 0,7 | ||
| βz | 1,15 | 1 | ||||
| Нижнее | βf | 1,1 | 0,9 | 0,7 | ||
| βz | 1,15 | 1,05 | 1 | |||
| Автоматическая и полуавтоматическая при d = 1,4 — 2 | В лодочку | βf | 0,9 | 0,8 | 0,7 | |
| βz | 1,05 | 1 | ||||
| Нижнее, горизонтальное, вертикальное | βf | 0,9 | 0,8 | 0,7 | ||
| βz | 1,05 | 1 | ||||
| Ручная; полуавтоматическая проволокой сплошного сечения при d < 1,4 или порошковой проволокой | В лодочку нижнее, горизонтальное, вертикальное, потолочное | βf | 0,7 | |||
| βz | 1 | |||||
Угловые швы после расчета размеров должны свариваться электродами или проволокой. Расчетные сопротивления были приведены выше. Они касаются элементов из стали с высшей степенью текучести до 285 МПа. Значение Rwf должно превышать значение Rwz. При ведении ручной дуговой сварки Rwf превышает Rwz в 1,1 раза. Однако этот показатель не должен быть более Rwzβz / βf. Для сталей с пределом текучести более 285 МПа справедливо следующее соотношение:
Rwz < Rwf ≤ Rwzβz / βf.
Группы климатических районов, влияющих на коэффициент работы, назначены в одной из таблиц приложения к СНиП.
К понятию расчета сварного шва относится также определение момента сил, действующих перпендикулярно плоскости шва. Для соединений, в которых присутствуют угловые швы, данный показатель также рассчитывается по двум сечениям.
В сечении по металлу:
В сечении по границе сплавления:
M – рассчитываемый момент;
Wf – момент силы сопротивления сечения по металлу;
Wz – момент силы сопротивления сечения по границе сплавления.
Момент сил, действующих в плоскости шва, определяется следующим образом:
по металлу шва.
по границе сплавления:
Jfx и Jfy – моменты инерции сечения по металлу, взятые относительно главных осей этого сечения;
Jzx и Jzy – моменты инерции по границе сплавления;
x и y – координаты точки шва, которая максимально удалена от его центра тяжести.
Можно рассчитать результирующее действие продольных и поперечных сил, а также момент этой результирующей. Если геометрическую сумму напряжений в сечении по металлу обозначить, как τf, а в сечении по границе – τz, то необходимые условия расчета будут выглядеть следующим образом:
τf ≤ Rwfγwfγc;
τz ≤ Rwzγwzγc.
Для сварных стыковых соединений определено соотношение, согласно которому оцениваются нормальные напряжения в сварном шве. Но так как эта формула приведена для распределения нагрузки на балку, то величины напряжений по плоскостям балки следует заменить на нормальные напряжения в зоне шва по взаимно перпендикулярным направлениям. Получится следующее выражение:
Осталось рассмотреть еще одно соединение – тавровое. В ситуации, когда разделка кромок подразумевает неполный провар, расчет продольной нагрузки производится следующим образом:
Формулы приведены соответственно для двух сечений. Величина h показывает глубину разделки кромок.
Онлайн
Несмотря на то, что в СНиП приложением предоставляются примеры расчета основных сварных соединений, читать данный документ может только профессиональный квалифицированный мастер с техническим образованием. Запоминать все формулы и параметры нет необходимости, так как существуют онлайн калькуляторы, позволяющие провести расчеты по заданным параметрам. Например, можно провести расчет сварного шва на срез онлайн, выбрав тип соединения.
- Стыковое соединение с прямым и косым швом. Параметры ввода: угол скоса, толщина детали, предельно допустимые напряжения растяжения или сжатия. Калькулятор рассчитает предельно допустимые усилия.
- Hахлесточное соединение. Параметры ввода: катет шва, периметр угловых швов, допускаемое напряжение на срез. Результат – допускаемое усилие.
- Tавровое соединение. Параметры ввода: катет шва, толщина и ширина элемента, допускаемое напряжение шва на срез. Результат – допускаемое усилие.
Возможности калькуляторов ограничены видами сварных швов. Некоторые программы могут производить расчеты для следующих случаев:
- тавровое соединение, обеспечивающее лучшую передачу усилий;
- соединение с накладками;
- пробочное соединение;
- соединение с прорезями;
- соединение, на которое действует изгибающий момент.
