Расчет сварных соединений на прочность

При проектировании сварных конструкций прочность их определяется на основании расчетов, которые сводятся к определению напряжений, возникающих в элементах изделия от нагрузки.

Существует два основных метода расчета конструкций: по допускаемым напряжениям и по предельным состояниям. При первом методе условие прочности имеет вид: s £ [s], где s - напряжение в опасном сечении элемента, [s] – допускаемое напряжение, которое составляет некоторую часть от предела текучести материала: [s] = s_т/n, здесь n – коэффициент запаса прочности. Например, для обычных строительных конструкций, выполняемых из углеродистой стали обыкновенного качества марки Ст3, допускаемое напряжение составляет [s] = 16×10⁷ Н/м² (~16 кгс/мм²). Так как предел текучести стали Ст3 s_т = 24×10⁷ Н/м², то коэффициент запаса прочности будет n = 240/160 = 1,5.

При действии осевых нагрузок расчетные напряжения вычисляют по формуле: s = Р/F, где Р - осевое усилие, Н, F - площадь поперечного сечения нагружаемого элемента, м².

Более точным методом расчета, учитывающим условия работы и однородность материала конструкции, является метод расчета по предельным состояниям. Предельным называют состояние, когда под действием нагрузки происходят качественные изменения свойств материала или наступает физический процесс, по каким-либо причинам недопустимый, нежелательный или опасный. Характерными случаями предельного состояния являются:

наступление текучести в основном сечении элементов конструкции или разрушение под действием статических, повторно-переменных и динамических нагрузок;

предельное состояние, обусловленное наибольшей деформацией конструкции, недопустимыми прогибами при статических нагрузках, колебаниями при динамических нагрузках;

предельное состояние, характеризуемое максимально допустимыми местными повреждениями (деформациями, трещинами). Возможно сочетание различных предельных состояний.

При расчете конструкции по предельному состоянию условие прочности записывается в виде: N/F £ mR, где N – расчетное усилие, Н; F -площадь расчетного сечения, м², R – расчетное сопротивление материала, H/м²; m – коэффициент условий работы, учитывающий степень ответственности конструкции, возможность дополнительных деформаций при эксплуатации, жесткость узлов. Расчетное сопротивление металла стыковых швов устанавливают по специальным нормативам. Так, по этим нормам для стыковых швов, выполненных ручной или механизированной сваркой металлоконструкций из стали Ст3, расчетное сопротивление при растяжении равно R^св_с = 18 × 10⁷H/M² (180 МПа), для угловых швов R^св_с = 150 МПа.

Стыковые швы на прочность рассчитывают по формуле: N = R^св_с d l, где N -расчетное действующее усилие в соединении, Н; R^св_с - расчетное сопротивление сварного стыкового соединения, H/м²; d - толщина металла в расчетном сечении, м; l – длина шва, м.

Расчетное усилие для угловых швов рассчитывают по формуле: N = 0,7K l R^св_с, где К -катет шва, м; l - длина шва, м; R^св_с - расчетное сопротивление срезу, H/м²; коэффициент 0,7 показывает, что расчет ведется из предположения разрушения шва в плоскости, проходящей по гипотенузе прямоугольного треугольника.

Пример. Определить наибольшее допустимое усилие, которое сможет выдержать сварная тяга, выполненная из двух полос толщиной 5 мм и шириной 300 мм при их стыковом соединении и соединенных внахлестку. Материал - сталь Ст3 по ГОСТ 380-94.

Решение. Расчетное сопротивление при растяжении для стали Ст3 составляет 180 МПа, сопротивление на срез - 150 МПа. Толщина стыкового и катет углового швов равны 5 мм, длина швов в обоих случаях 150 мм.

Расчет усилия для стыкового соединения выполняем по формуле

N = R^св_с d l =180 ×5 ×300 = 270 000 МПа.

Расчет усилия для нахлесточного соединения выполняем по формуле

N = 0,7K l R^св_с = 0,7 ×5 ×150 ×300 = 157 500 МПа.

Вывод: при сварке полос тяги расчетное усилие стыковго соединения в 1,7 раза больше, чем при их нахлесточном соединении.

Дата добавления: 2014-01-13