Соединения металлических конструкций

Лекция 9 СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 9.1 Сварные соединения Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений путем установления межатомных связей между соединяемыми элементами при их местном нагревании или пластической деформации или совместном действии того и другого, обеспечивающий необходимую прочность и пластичность сварного соединения. Различают три класса сварки: термический, термомеханический и механический. К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением: электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, световая, газовая, термитная и др. К термомеханическому классу относятся виды сварки, при которых используются тепловая энергия и давление: контактная, диффузионная, индукционно-прессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, печная, кузнечная и др. К механическому классу относятся виды сварки, производимые с использованием различны видов механической энергии и давления: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением, магнитно-импульсная. Основная доля сварных соединений в строительстве выполняется электродуговой сваркой: ручной, механизированной и автоматической. Ручная дуговая сварка (РДС) в строительстве производится покрытыми металлическими электродами диаметром от 2 до 6 мм. Источниками сварочного тока могут быть сварочные трансформаторы переменного тока, выпрямители, инверторы и генераторы постоянного тока. РДС применяется на заводах по изготовлению металлических и железобетонных конструкций, строительных и монтажных площадках. Преимущества перед другими видами сварки: простота, дешевизна, мобильность оборудования, высокое качество металла шва, равнопрочность шва и основного металла, возможность выполнения сварки в труднодоступных местах и во всех пространственных положениях. Недостаток – сравнительно невысокая производительность. Покрытие электрода служит:  для стабилизации устойчивого горения дуги за счет поступающих из покрытия легкоионизирующихся элементов калия, натрия, кальция и др.;  защиты зоны сварки и жидкого металла от атмосферы;  рафинирования (очистка металла шва от вредных примесей (серы и фосфора);  раскисления металла шва (восстановления окислов железа);  легирования металла шва марганцем, кремнием, никелем, хромом, титаном для повышения прочностных, пластических и коррозионных свойств шва. Механизированная дуговая сварка в углекислом газе и порошковой проволокой (полуавтоматическая сварка). При механизированной дуговой сварке электродная проволока подается в зону сварки механизмом подачи, а перемещение дуги вдоль свариваемых кромок сварщик выполняет вручную. Для защиты зоны сварки и ванны жидкого металла от атмосферы используется углекислый газ. Обеспечивает высокое качество шва при достаточно высокой производительности. Сварку можно производить в любом пространственном положении. К недостаткам относится невозможность сварки средне- и высоколегированных сталей из-за выгорания легирующих элементов. Автоматическая сварка под флюсом (АДСФ). При этом виде сварки электродная проволока подается в зону сварки с помощью механизма подачи, а перемещение дуги вдоль свариваемых кромок осуществляется механизмом перемещения. Для защиты жидкого металла сварочной ванны от атмосферы используют флюс, который засыпают впереди дуги из бункера слоем толщиной 30–40 мм и шириной 40–100 мм (чем больше толщина свариваемого металла, тем больше толщина и ширина слоя флюса). АДСф – высокопроизводительный процесс, обеспечивающий высокое качество шва, позволяющий варить большие толщины длинномерных изделий, но только в нижнем положении и «в лодочку». Электрошлаковая сварка (ЭШС). При ЭШС процесс плавления основного и электродного металла происходит за счет тепла, выделяемого в расплавленном флюсе-шлаке при прохождении через него электрического тока, который поддерживает в жидкой шлаковой ванне температуру около 2000—2500 °C. Этим способом осуществляется сварка деталей вертикальными швами с принудительным формированием шва. Минимальная толщина металла элементов, образующих стыковое соединение при ЭШС без усложнения технологии проведения сварки, находится в пределах 25 – 30 мм. Недостатки: производство сварки только в вертикальном положении, снижение прочностных и пластических свойств металла околошовной зоны, зоны термического влияния из-за длительного пребывания при повышенных температурах. Термомеханический класс сварки. Контактная сварка представляет собой процесс, при котором соединение свариваемых элементов осуществляется за счет тепла, выделяющегося в месте их контакта при прохождении электрического тока и давления. Основные виды контактной сварки: стыковая, точечная. Основные типы сварных соединений и швов. Сварным соединением, как конструктивным элементом, называют участок конструкции, в которой отдельные ее элементы соединены с помощью сварки. Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми. Угловой шов – это шов углового, нахлесточного и таврового сварного соединения (рисунок 9.1). Короткие швы, применяемые для фиксации взаимного расположения подлежащих сварке деталей, называются прихватками. Рисунок 9.1 – Основные виды сварных соединений: а – стыковые; б – нахлесточные; в – тавровые; г –угловые; д –торцевые Стыковые соединения являются наиболее распространенными, так как дают наименьшую концентрацию напряжений, а также высокую прочность при статических и динамических нагрузках. Они применяются при сварке в конструкциях из листового металла и при стыковке уголков, швеллеров, двутавров, труб и т.д. По протяженности швы могут быть непрерывными и прерывистыми, цепными и шахматными, а по отношению к направлению действия усилий – фланговыми, лобовыми, комбинированными и косыми. Рисунок 9.2 – Классификация сварных швов: I – по положению в пространстве: а – нижнее; б – горизонтальное; в – вертикальное; г – потолочное; д – «в лодочку»; II – по протяженности: е – цепной; ж – шахматный; III – по отношению к направлению действия усилий: з – фланговый; и – лобовой; к –комбинированный; л – косой Сварка конструктивных элементов может выполняться в различных пространственных положениях в зависимости от конструкции узла (изделия) и технологии его изготовления. Различают пять положений: нижнее, горизонтальное на вертикальной плоскости, вертикальное, потолочное и в «лодочку». По форме разделки кромок различают следующие основные типы швов: с отбортовкой кромок, без разделки кромок, односторонние и двусторонние; с разделкой кромок – односторонние и двусторонние (рисунок 9.3). В связи с важностью правильной подготовки свариваемых кромок с точки зрения качества, экономичности, прочности и работоспособности сварного соединения государственные стандарты регламентируют форму и конструктивные элементы разделки и сборки кромок под сварку и размеры готовых сварных швов. Рисунок 9.3 – Разделка кромок под сварку элементов различной толщины Неравномерное и несвободное изменение размеров при изменении температуры в процессе сварки соединений приводит к возникновению напряженно-деформированного состояния конструкции (изделия). Чтобы форма и размеры конструкций после сварки соответствовали проектным, при их изготовлении применяется ряд мероприятий, которые сводятся к тому, чтобы компенсировать пластическую деформацию, развивающуюся при сварке. Мероприятия могут быть предварительными, сопутствующими и последующими, т.е. проводиться после сварки. К основным мероприятиям относятся следующие:  увеличение жесткости путем специальных закреплений свариваемых элементов (кондукторы, кассеты и т.п.);  создание деформаций обратного знака до сварки (обратный выгиб и т.п.);  пластическое деформирование обратного знака (растяжение металла шва и околошовной зоны – прокатка, проколачивание и т.п.);  местный подогрев, обычно применяемый в целях уменьшения неравномерности распределения температуры при сварке;  применение правильного порядка сварки – первыми следует делать швы, ближе всего расположенные к центру тяжести сечения свариваемого элемента;  механическая правка деформированных изделий. Расчет сварных соединений. При расчете сварных соединений прежде всего необходимо учитывать вид соединения, способ сварки (автоматическая, полуавтоматическая, ручная) и сварочные материалы, соответствующие основному материалу конструкции. Расчет стыковых сварных соединений. Расчет стыковых сварных соединений при действии осевой силы N, проходящей через центр тяжести соединения, выполняют по формуле: N  Rwy γ c ; tlw где t – наименьшая из толщин соединяемых элементов; lw – расчетная длина, равная полной его длине, уменьшенной на 2t, или полной его длине, если концы шва выведены за пределы стыка (например, на технологические планки; Rwy – расчетное сопротивление стыковых сварных соединений по пределу текучести; γс – коэффициент условия работы. В расчётах стыковых соединений при сжатии, растяжении, изгиба, выполненных с помощью электросварки с применением физического контроля качества швов принимаются прочностные характеристики по пределу текучести 𝑅𝑤𝑦 = 𝑅𝑦 , по временному сопротивлению 𝑅𝑤𝑢 = 𝑅𝑢 . При расчёте на растяжение и изгиб без применения физического контроля качества швов предел текучести занижают на 15%: 𝑅𝑤𝑦 = 0,85 ∙ 𝑅𝑦 . При расчёте на сжатие без физического контроля 𝑅𝑤𝑦 = 𝑅𝑦 . Для того чтобы соединение было равнопрочным основному элементу, длина шва должна быть больше размера b, поэтому в соединении применяют косой шов. Косой шов с наклоном реза α при tgα = 2:1, как правило, равнопрочен с основным металлом и поэтому не требует проверки прочности. При расчёте на сдвиг расчётное сопротивление шва сдвигу принимается равным Rws=Rs. При невозможности обеспечить полный провар, толщина шва уменьшается на 30%, т.е. = 0,7𝑡. Сварные стыковые соединения, выполненные без применения физических методов контроля качества, при одновременном действии в шве нормальных напряжений, σwx и σwу, действующих по взаимно перпендикулярным направлениям х и у, и касательных напряжений τwху, следует проверять по формуле: σ2 wx  σ2 wx  σ wx σ wx  3τ2wxy  1,15Rwy γc . Расчет соединений с угловыми швами. Разрушение сварных соединений с угловыми лобовыми и фланговыми швами возможно как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления. Несмотря на то что угловые швы работают всегда в условиях сложного напряженного состояния, характер их разрушения показывает, что доминирующим напряжением является срезывающее. Поэтому технические нормы и правила допускают производить расчет на срез, названный условным срезом. Расчетная площадь сечения шва при разрушении по металлу шва Awf = βfkflw, при разрушении по металлу границы сплавления Awz = βzkflw. β f Rwf Если  1, то расчетным сечением является сечение по металлу 0,45β z Run шва и напряжение: N τ wf   Rwf γc . β f k f lw Если β f Rwf  1 , то проверка прочности соединения выполняется по 0, 45β z Run металлу границы сплавления, тогда: τwz  N  Rwz γc ; β z k f lw Rwz=0,45Run, где N – усилие, проходящее через центр тяжести соединения; lw — расчетная длина шва в сварном соединении, равная суммарной длине всех его участков за вычетом 1 см; βf и βz– коэффициенты учитывающие проплавление металла при сварке. При расчете сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной силы N, поперечной силы Q и момента М должны быть также выполнены условия: τf≤Rwfγwfγc и τz≤Rwzγwzγc, где τf и τz – напряжения в расчетной точке сечения сварного соединения соответственно по металлу шва и металлу границы сплавления, определяемые по формуле: τ= ( N   Mx )2  ( N   My )2   Q2 . Конструктивные требования к сварным соединениям. Чтобы уменьшить сварочные деформации (искажение формы), следует стремиться к наименьшему объему сварки в конструкции, применяя швы наименьшей толщины (наименьшего катета), полученные по расчету или по конструктивным соображениям. Сварные стыки балок, колонн следует выполнять без накладок, встык, с двусторонней сваркой и полным проплавлением либо односторонней сваркой с подваркой корня шва или на подкладках, с выведением концов шва на технологические планки с последующей их обрезкой и зачисткой. Толщина стыковых швов принимается равной меньшей из толщин стыкуемых элементов. Швы различной толщины сваривают током разной величины, поэтому для упрощения сварочных работ в одной отправочной марке желательно иметь не более двух-трех различных толщин швов. 9.2 Болтовые соединения Болтовые соединения конструкций появились раньше сварных. Простота соединения и надежность в работе способствовали их широкому распространению в строительстве при монтаже металлических конструкций. Однако болтовые соединения более металлоемки, чем сварные, так как имеют стыковые накладки, а отверстия для болтов ослабляют сечения элементов. В соединениях стальных конструкций применяют обычные болты, высокопрочные и болты анкерные (фундаментные). Кроме обычных и высокопрочных болтов широкое распространение получили самонарезающие болты с окончанием, выполненным в виде сверла. С помощью таких болтов можно одновременно сверлить отверстие и нарезать резьбу. Болты обычные и высокопрочные используют для соединения элементов стальных конструкций друг с другом, а болты анкерные – для присоединения конструкций к фундаменту. Обычные болты бывают грубой, нормальной и повышенной точности или, соответственно, классов точности С, В и А, различаются допусками на отклонения диаметра болта от номинала. Для монтажных соединений применяют без расчета болты класса точности С, а для соединений, воспринимающих расчетные усилия, - болты класса точности В и А. Болты изготовляют диаметром 12 – 48 мм с длиной стержня 25 – 300 мм. Болты класса точности С (грубой точности) ставят в отверстия, диаметр которых на 2 – 3 мм больше диаметра стержня болта. Отклонение диаметра болта от номинала 1 мм. Такие соединения обладают наибольшей деформативностью. Болты класса точности В (нормальной точности) устанавливают в отверстия, диаметр которых на 1 – 1,5 мм больше диаметра стержня болта. Отклонение диаметра болта от номинала 0,52 мм. Такие соединения менее деформативны по сравнению с соединениями на болтах класса точности С и требуют более высокой точности при образовании отверстий в соединяемых элементах конструкций. Болты класса точности А (повышенной точности) устанавливают в отверстия, которые просверлены на проектный диаметр в собранных элементах, и их диаметр больше диаметра стержня болта на 0,25 – 0,3 мм, а сами болты имеют только минусовый допуск на диаметр стержня. Такие болты изготовляют точением и поэтому они имеют высокую стоимость. По прочности болты подразделяют на классы. Класс прочности болта обозначают двумя цифрами, разделенными точкой, например, 4.6, 5.8, 6.6. В обозначении класса прочности болта закодированы механические свойства материала болта: - первая цифра, умноженная на 10, обозначает минимальный предел прочности материала болта в кН/см2; - произведение чисел – предел текучести материала болта в кН/см2; - вторая цифра, умноженная на 100, обозначает соотношение R yn/Run в %. Класс прочности указывают на головке болта выпуклыми цифрами. Расчет болтовых соединений. Основной вид работы болтовых (заклепочных) соединений – работа на сдвиг. При этом болты могут разрушаться от перерезывания их стержней по плоскости среза или смятия поверхностей отверстий сопрягаемых элементов. Силы смятия могут вызвать выкол между отверстием и краем элемента. Кроме того, болтовые соединения могут работать на растяжение. Расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом, определяется по формуле: - из условия работы на срез Nb  Rbs γb Ans γ c ; - из условия работы на смятие Nb  Rbp γbdb tγc ; - из условия работы на растяжение Nb  Rbt Abn γc , где Rbs, Rbt, Rbp – расчетные сопротивления болтовых соединений, определяемые по таблицам 9.1, 9.2; A – площадь сечения стержня болта, А=πd2/4=0,785d2; Abn – площадь сечения болта нетто с учетом нарезки; Σt – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении; ns – число расчетных срезов одного болта (на единицу меньше количества сопрягаемых элементов); γb – коэффициент условий работы соединения, принимаемый для многоболтовых соединений класса точности А – 1,0, класса точности В и С – 0,9; γс – коэффициент условий работы конструкции. Таблица 9.1 Расчетные сопротивления срезу и растяжению стальных болтов Число болтов n в соединении при действии сдвигающей силы N приложенной в центре тяжести соединения, определяют, предполагая работу всех болтов одинаковой: n = N/Nbmin; где Nbmin – наименьшее из значений расчетного усилия (на срез или смятие) для одного болта. Таблица 9.2 Расчетные сопротивления смятию стальных элементов, соединяемых болтами Таблица 9.3 Коэффициенты условий работы стальных болтовых соединений Высокопрочные болты (сдвигоустойчивые) изготовляют из легированной стали, готовые болты термически обрабатывают. Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности (класс В), их ставят в отверстия большего диаметра, чем болт, но гайки затягиваются тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. Большая сила натяжения болта плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. При действии на такое соединение сдвигающих сил между соединяемыми элементами возникают силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно друг друга, именно поэтому подобное соединение часто называют фрикционным. Для улучшения работы соединения иногда применяют комбинированное клееболтовое соединение, в котором соединяемые поверхности склеивают специальными клеями, а затем стягивают высокопрочными болтами. Преимущества соединений на высокопрочных болтах в простоте устройства соединения; по качеству работы они не уступают сварным соединениям, но уступают по расходу металла. Соединения на высокопрочных болтах рассчитывают в предположении передачи действующих в стыках и прикреплениях усилий через трение, возникающее по соприкасающимся плоскостям соединяемых элементов от натяжения высокопрочных болтов. При этом распределение продольной силы между болтами следует принимать равномерным. Расчетное усилие Qbh, воспринимаемое поверхностью трения под одним высокопрочным болтом определяют по формуле R A γμ , Qbh  bh bn b , γh где Rbh=0,7Rbun – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; μ – коэффициент трения; γh – коэффициент надежности; Abn –площадь сечения болта нетто; γb - коэффициент условий работы соединения, принимаемый равным 0,8 при п < 5; 0,9 при 5 < п < 10 и 1 при п ≥ 10. Таблица 9.4 Коэффициенты трения и коэффициенты надежности соединений на высокопрочных болтах При действии продольной силы N число высокопрочных болтов в соединении п определяют по формуле n>N/(Qbhkγc), где k – число плоскостей трения; γс – коэффициент условия работы конструкции. Расчет на прочность соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под высокопрочные болты, следует выполнять с учетом того, что половина усилия, приходящегося на каждый болт, в рассматриваемом сечении уже передана силами трения. При этом проверку ослабленных сечений следует производить при динамических нагрузках – по площади сечения нетто Ап, при статических нагрузках – по площади сечения брутто А, если Ап≥0,85А либо по условной площади Ас=1,18Ап , если Ап<0,85А. Болты располагают в соединении по прямым линиям – рискам, параллельным действующему усилию. Расстояние между двумя смежными рисками называется дорожкой, а расстояние между двумя смежными по риске болтами – шагом (рисунок 9.4). Рисунок 9.4 – Размещение отверстий для болтов в соединении: a – минимальные расстояния при рядовом (7) и шахматном (II) расположении болтов; б – максимальные расстояния при растяжении (I) и сжатии (II) элементов; 1 – окаймляющий уголок; в – размещение болтов в профильных элементах 9.3 Заклепочные соединения Заклепочные соединения, являющиеся в прошлом основным видом соединений металлических конструкций, из-за неудобств технологического процесса клепки (необходимость нагрева заклепок до температуры 800 °C) и перерасхода металла на соединение в настоящее время почти полностью вытеснены сваркой и высокопрочными болтами при монтаже. Они сохранили весьма ограниченное применение только в тяжелых конструкциях, подверженных воздействию динамических и вибрационных нагрузок, а также при использовании трудносвариваемых материалов. Заклепки изготовляют из специальной углеродистой или низколегированной стали, обладающей повышенными пластическими свойствами. Клепку ведут горячим и холодным способами. При использовании горячего способа разогретую до ярко-красного каления (Т ~ 800 °C) заклепку вставляют в отверстие и клепкой образуют замыкающую головку. Поставленная заклепка, остывая, стягивает соединяемые элементы, что существенно улучшает работу соединения на сдвигающие силы благодаря возникающим между слоями силам трения. При холодной клепке, выполняемой только на заводе, металл заклепки пластически деформируется клепальной скобой, образуя замыкающую головку. Сила стягивания заклепкой соединяемых элементов при этом получается значительно меньшей, однако сам процесс клепки более прост. Такой способ клепки часто используется при изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов. Работа заклепочных соединений на сдвиг носит промежуточный характер между работой обычных и высокопрочных (сдвигоустойчивых) болтов, так как силы стягивания пакета значительны, но недостаточны для восприятия сил сдвига только трением. Поэтому расчет их аналогичен расчету обычных болтов, а наличие сил трения учитывается повышением расчетных сопротивлений. Таблица 9.5 Значение расчетного сопротивления заклепочного соединения Список литературы 1. Металлические конструкции: учебник /под ред. Ю.И. Кудишина. – М. : Академия, 2014. – 688с. 2. Мандрикров А.П. Примеры расчета металлических конструкций. Учебное пособие /А.П. Мандрикров. – СПб. : Лань, 2012. – 432с. 3. Доркин В.В. Металлические конструкции: учебник / В.В. Доркин, М.П. Рябцева – М. : Инфра-М, 2017. – 457с. 4. SCAD office. Версия 21.Вычислительный комплекс SCAD++ / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов [и др.] – М. : СКАД СОФТ, 2015г. – 848с. 5. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений: учеб. пособие / И.А. Шерешевский, Архитектура-С, 2012. – 168с. 6. СНиП РК 5.04-23-2012. Стальные конструкции. Астана: «КазГОР». – 120с. 7. НТП РК 01-01-3.1 (4.1)-2017 «Нагрузки и воздействия на здания». Астана: Комитет по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства Министерства по инвестициям и развитию Республики Казахстан, 2017. – 181с. 8. СП РК EN 1993-1-1:2005/2011 «Проектирование стальных конструкций». Астана: Комитет по делам строительства и жилищнокоммунального хозяйства Министерства национальной экономики Республики Казахстан, 2016. – 116с.