Соединения элементов металлических конструкций

Лекция 3 СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ Соединения в МК – сварные, болтовые, заклепочные, комбинированные (клеесварные, клееболтовые). 1. Особенности основных соединений. Сварные соединения: Достоинства • Наименее металлоемки • Малотрудоемки при применении автоматической сварки • Обеспечивают непроницаемость для жидкостей и газов Болтовые соединения: Достоинства • Высокая надежность • Малая трудоемкость при монтаже • Не требуют квалифицированного труда • Не требуется дорогостоящего оборудования Недостатки • Концентрация напряжений • Остаточные напряжения из-за неравномерного нагрева и остывания • Механическая неоднородность сварных швов • Требование высокой квалификации сварщика • Сложность соединения толстых пакетов листов • Более трудоемки при монтаже Недостатки • Более металлоемки и деформативны 2. Сварные соединения. Виды сварки, применяемые в МК: • Ручная электродуговая сварка – применяется при монтаже и укрупненной сборке МК на строительных площадках. Основной недостаток – нестабильность качества сварных швов. • Автоматическая сварка под слоем флюса. Выполняется на заводах МК. Обеспечивает высокую производительность, качество соединений, низкие сварочные напряжения. Применяется только для швов в нижнем положении при свободном доступе к шву. • Полуавтоматическая сварка выполняется электродной проволокой с газовой защитой сварочной ванны или порошковой проволокой. Используется при любом положении шва. • Контактная сварка – осуществляется нагревом или расплавлением металлов при прохождении электрического тока в месте контакта сдавливаемых изделий. Точечная к.с. выполняется сжатием листовых заготовок между стержневыми электродами. Шовная к.с. выполняется вращающимися роликами. Стыковая к.с. – прижатием торцов изделий. Разновидности сварных соединений - (рис.3.1.); а) б) в) д) г) е) 2 1 Рис 3.1. Сварные соединения: а – встык прямым швом; б – встык косым швом; в – внахлестку; г – комбинированные (1 – фланговые швы; 2 – лобовые); д – угловые; е – тавровые. Лекция 3 МК ПГС 2 а) б) t1 : t2≤ 3 t1 t2 Рис.3.2. Соединения контактной сваркой: а – точечная; б – стыковая. По назначению: Швы рабочие и связующие. Вертикальные швы По протяженности: Швы сплошные и прерывистые 30° 330° 150° 210° Рис.3.3. Положение шва в пространстве Лекция 3 МК ПГС 3 а) Без разделки V-образная б) в) U-образная X-образная К-образная С отбортовкой кромок Рис.3.4. Форма подготовки кромок свариваемых элементов: а – стыковые соединения; б – тавровые соединения; в – угловые соединения Контроль качества сварных швов. Дефекты швов: • Наличие неплотностей, непроваров, пор, шлаковых включений; • Наличие трещин; • Отклонения от проектных размеров. Содержание контроля сварных швов: • Качество сварочных материалов (электродов, флюсов и т.д.); • Квалификация сварщиков; • Точность выполнения технологических процессов сварки (режим, последовательность операций, обработка кромок, применяемая аппаратура); • Качество и соответствие проектным размерам швов. Лекция 3 МК ПГС 4 Способы проверки качества швов: • Измерение и внешний осмотр швов для выявления внешних дефектов; • Выборочное высверливание швов и травление для определения качества провара и наличия трещин; • Ультразвуковая дефектоскопия; • Магнитографический метод; • Просверливание рентгеновскими или гамма-лучами. Упрощенные способы: • Керосиновой пробой • Сжатым воздухом • Вакуум-прибором Работа и расчет стыковых швов. Прочность шва при работе на центральное растяжение (рис.3.5,а) N < Rwyγ c , t ⋅ lw где t – толщина наименьшего свариваемого элемента; lw – расчетная длина шва; Rwy – расчетное сопротивление стыкового соединения; γс – коэффициент условий работы конструкции; N – внешнее усилие, приложенное к соединению. σw = а) t σw N в) 1w’ l б) σw α (3.1) N г) N М l=lw Рис.3.5. Расчет стыковых швов: а – действие продольной силы (lw=l или lw=l-2t); б – применение выводных планок; в – косой шов; г – действие изгибающего момента Лекция 3 МК ПГС 5 Косой шов применяется при невыполнении условия 3.1 (рис.3.5,в): σ w = N ⋅ sin α (t ⋅ l w' ) ≤ Rwy ⋅ γ c , (3.2) где 1w =lw ⁄sin(α) - расчетная длина косого шва. ’ Условие прочности при действии изгибающего момента (рис.3.5,г): (3.3) σ w = M Ww ≤ Rwy ⋅ γ c , Ww=t·lw2/6 – момент сопротивления шва. Rwy=Ry (Ry наиболее толстого из свариваемых элементов) – при сжатии и растяжении при применении физических методов контроля качества сварного шва; Rwy=0,85Ry – в противном случае. Rwy=Rs – при работе на срез. Расчет угловых швов. Угловые шва: лобовые и фланговые. lw σ σ σ N N τмax kmax= τmax / τср = 0,5∙[l ⁄ (β∙kf)]0,5 4kf (40 мм)≤ lw≤85βf··kf; τср С kf kf С Рис.3.6. Распределение напряжений в соединениях с угловыми фланговыми швами Лекция 3 МК ПГС 6 а) б) С С Рис.3.7. Работа угловых лобовых швов: а – траектория напряжений; б – концентрация напряжений по толщине шва. 2 (βz , Rwz ,γwz ) 1 (βf , Rwf ,γwf ) kf Рис.3.8. Схема расчетных сечений сварного соединения с угловым швом. Сварные соединения с угловыми швами при действии продольной силы рассчитываются на условный срез по двум сечениям: 1- по металлу шва (3.4) N (β f k f l w ) ≤ Rwf γ wf γ c 2 – по границе сплавления (3.5) N (β z k f l w ) ≤ Rwz γ wz γ c lw – расчетная длина шва (lw=l-10 мм для учета непровара); βf и βz – коэффициенты, учитывающие глубину проплавления шва и границы сплавления в зависимости от условий сварки. Принимаются: для стали с σy<580 МПа по табл.34* СНиП; для стали с σy≥580 МПа - βf =0,7 и βz =1 γwf , γwz - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах, указанных в СНиП; Rwf , Rwz – расчетные сопротивления металла шва и металла границы сплавления (табл.3 СНиП). Лекция 3 МК ПГС 7 Расчет угловых швов при действии изгибающего момента и поперечной силы. а) τwm б) βf kf βf kf F τwm τw lw lw b τwQ M a Рис.3.9. Расчет угловых швов: а – на действие изгибающего момента; б – на действие изгибающего момента и поперечной силы • Условие прочности шва при действии изгибающего момента (рис.3.9, а): τ wm = M Wwf , где Wwf = β f k f l w2 6 ; (3.6) lw = b − 1 . Тогда τ= Лекция 3 МК ПГС 6M β f k f lw2 ≤ Rwf γ wf γ c . (3.7) 8 • Условие прочности шва при действии изгибающего момента M=F·l и поперечной силы Q=F (рис.3.9, б): τ wm = 6M - горизонтальные касательные напряжения от действия M. β f k f l w2 τ wQ = F F = - вертикальные касательные напряжения от действия F. Awf β f k f l w 2 2 + τ wQ ≤ Rwf γ wf γ c . τ = τ wm (3.8) 3. Конструктивные требования к сварным соединениям. • Для уменьшения сварочных напряжений принимать минимально необходимое количество и минимальные размеры сварных швов. • Применять преимущественно механизированные способы сварки. • Обеспечивать доступ к сварным швам как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации. • Ограничения на размеры швов: kf ≤ 1,2·t, (t – наименьшая из толщин свариваемых элементов) kf ≥ kf,min.; kf,min ≥ 4 мм (по СНиП) lw,min ≥ 4 kf ≥ 40 мм, lw,max ≤ 85βf kf. (за исключением швов, действующих на всем протяжении). • Односторонние швы не применяются в агрессивных средах и при низких температурах. • Напуск листов в соединениях в нахлестку должен составлять не менее 5 толщин наиболее тонкого из соединяемых элементов. 4. Сварные соединения в конструкциях из алюминиевых сплавов Конструирование и расчет сварных конструкций из алюминиевых сплавов в целом не отличается от стальных конструкций. Особенности: применение нетермоупрочненных сплавов, которые при нагреве не теряют дополнительно приобретенную прочность. Лекция 3 МК ПГС 9