17. Работа и расчет стыковых швов.

Хорошо сваренные встык соединения имеют весьма небольшую концентрацию напряжений у начала наплава шва, поэтому прочность таких соединений при растяжении или сжатии в первую очередь зависит от прочностных характеристик основного металла и металла шва. Различия разделки кромок соединяемых элементов не влияют на статическую прочность соединения и могут не учитываться. В стыковом шве при действии на него центрально-приложенной силы N распределение напряжений по длине шва принимается равномерным, рабочая толщина шва принимается равной меньшей из толщин соединяемых элементов. Поэтому напряжение в шве, расположенном перпендикулярно оси элемента, определяется по формуле

г де где N — расчетное усилие; t - наименьшая толщина соединяемых элементов; lw - расчетная длина шва, равная полной его длине. Расчет сварных стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов согласно прил. 2 СНиПа, полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества растянутых швов. При действии изгибающего момента на соединение (рис. 3.6, в) расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, следует производить по двум сечениям по формулам: по металлу шва по металлу границы сплавления где Wf - момент сопротивления расчетного сечения по металлу шва; Wz - то же, по металлу границы сплавления. Рис. 3.6. К расчету стыковых швов а и б - на продольную силу; в — на изгиб

Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения этих швов следует производить по двум сечениям по формулам: по металлу шва по металлу границы сплавления где Jfx и Jfy - моменты инерции расчетного сечения по металлу шва относительно его главных осей; Jzx и Jzy - то же, по металлу границы сплавления; х и y - координаты точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов, относительно главных осей этого сечения.

18. Работа и расчет угловых швов.

Угловые (валиковые) швы наваривают в угол, образованный элементами, расположенными в разных плоскостях. Угловыми швами выполняются соединения внахлестку, и они могут

быть как фланговыми, так и лобовыми. Фланговые швы, расположенные по кромкам прикрепляемого элемента параллельно действующему усилию, вызывают большую неравномерность распределения напряжений по ширине соединения. Неравномерно работают они и по длине, так как помимо непосредственной передачи усилия с элемента на элемент концы шва испытывают дополнительные усилия вследствие разной напряженности и неодинаковых деформаций соединяемых элементов в области шва (рис. 3.7,а). Неравномерность работы шва по длине заставляет ограничивать расчетную длину шва на величину не менее 4kf, или 40 мм и не более 85βkf (за исключением швов, в которых усилие возникает на всем протяжении шва, например поясные швы в балках). Таким образом, фланговый шов, сильно меняющий силовой поток, вызывает значительную неравномерность распределения напряжений в соединении. В соответствии с характером передачи усилий фланговые швы работают одновременно на срез и изгиб. Разрушение шва обычно начинается с конца и может происходить как по металлу шва, так и по основному металлу на границе его сплавления с металлом шва, особенно если наплавленный металл прочнее основного.

Л обовые швы передают усилия равномерно по ширине элемента, но крайне неравномерно по толщине шва вследствие резкого искривления силового потока при переходе усилия с одного элемента на другой (рис. 3.8). Особенно велики напряжения в корне шва. Уменьшение концентрации напряжений в соединении может быть достигнуто плавным примыканием привариваемой детали, механической обработкой (сглаживанием) поверхности шва и конца накладки, увеличением пологости шва (например, шов с соотношением катетов 1; 1,5), применением вогнутого шва и увеличением глубины проплавления. Разрушение лобовых швов от совместного действия осевых, изгибных и срезывающих напряжений, возникающих при работе соединения, происходит аналогично фланговым швам по двум сечениям. Рис. 3.10. Схема расчетных сечений сварного соединения с угловым швом 1 - сечение по металлу шва; 2 - сечение по металлу границы сплавления Ввиду сложности действительной работы угловых швов расчет их носит условный характер и хорошо подтвержден экспериментальными данными. Они рассчитываются независимо от ориентации шва по отношению к действующему усилию (фланговые и лобовые); усилие принимается равномерно распределенным вдоль шва и рассматривается возможность разрушения шва от условного среза по одному из двух сечений.

По металлу шва (сечение 1, рис. 3.10) N / (β_fk_fl_w) ≤ R_wfγ_wfγ_c; (ф 120 СНиПа)

По границе сплавления основного металла с металлом шва (сечение 2, рис. 3.10) N / (βzkflw) ≤ Rwzywzγc, (ф 121 СНиПа)

где lw - расчетная длина шва,; βf и βz - коэффициенты, принимаемые при сварке элементов из стали; γwf и γwz - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических.

19. Болтовые соединения. Виды болтов. Типы болтовых соедин-ий.

Общая характеристика и виды болтовых и заклепочных соединений. Болтовые соединения появились раньше сварных. Простота соединения и надежность. Однако болтовые соединения более металлоемки, так как имеют стыковые накладки и ослабляют сечения элементов отверстиями для болтов. В строительных конструкциях применяют болты грубой, нормальной и повышенной точности, высокопрочные, самонарезающие и фундаментные (анкерные). Болт для соединения конструкций имеет головку, гладкую (цилиндрическую) часть стержня длиной на 2—3 мм меньше толщины соединяемого пакета и нарезную часть стержня, на которую надевается шайба и навинчивается гайка (рис.). Болты грубой и нормальной точности различаются допусками на отклонения диаметра болта от номинала, могут достигать соответственно 1 мм и 0,52 мм (для болтов d >30 мм). Изготовляют болты из углеродистой стали горячей или холодной высадкой, иногда с последующей термообработкой. В зависимости от процесса изготовления различают несколько классов прочности болтов от 4,6 до 8,8. Первое число, умноженное на 10, обозначает временное сопротивление, а а произведение первого числа на второе — предел текучести материала. Болты в соединении ставят в отверстия на 2—3 мм больше диаметра болта, образованные продавливанием или сверлением в отдельных элементах. В результате неполного совпадения отверстий в отдельных элементах отверстие под болт имеет негладкую поверхность—«черноту», что исключает плотную посадку болта в отверстие. Разница в диаметрах болта и отверстия облегчает посадку болтов и упрощает образование соединения; это большое преимущество таких болтов. Однако неплотная посадка болта в отверстии повышает деформативность соединения при работе на сдвиг и увеличивает неравномерность работы отдельных болтов в соединении. Поэтому болты нормальной (и особенно грубой) точности не рекомендуется применять в конструкциях из стали с пределом текучести больше 380 МПа и в ответственных соединениях, работающих на сдвиг. Они находят широкое применение в монтажных соединениях, где болты работают на растяжение или являются крепежными элементами. Болты повышенной точности (ГОСТ 7805—70 с изм.) изготовляют также из углеродистой стали, и они имеют те же классы прочности, что и болты нормальной точности. Поверхность ненарезной части тела болта обтачивается и имеет строго цилиндрическую форму. Диаметр отверстия для таких болтов не должен отличаться более чем на +0,3 мм от диаметра болта. Болты в таких отверстиях сидят плотно и хорошо воспринимают сдвигающие силы; однако недостаточность сил, стягивающих пакет, ухудшает его работу по сравнению с соединениями на высокопрочных болтах или на заклепках. Сложность изготовления и постановки болтов повышенной точности привела к тому, что соединения на таких болтах применяются редко. Высокопрочные болты (сдвигоустойчивые) изготовляют из легированной стали, готовые болты термически обрабатывают. Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности, их ставят в отверстия большего, чем болт, диаметра, но их гайки затягивают тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. Большая сила натяжения болта плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. Таким образом, высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами, именно поэтому подобное соединение часто называют фрикционным. Иногда между соединяемыми поверхностями, очищенными металлическими щетками, вставляют тонкую стальную прокладку, имеющую с двух сторон покрытие полимерным клеем с корундовым порошком. Такое решение позволяет выравнивать перепад плоскостей стыкуемых деталей и одновременно дает высокий коэффициент трения.

Помимо сдвигоустойчивых, фрикционных соединений на высокопрочных болтах существуют соединения с «несущими» высокопрочными болтами, отличающиеся передачей сдвигающих усилий совместной работой сил трения, смятия и среза болта. Эти соединения будут иметь остаточные перемещения, появляющиеся при преодолении начального трения и зависящие от плотности посадки болтов в отверстия, но зато их несущая способность существенно в 1,5—2 раза увеличивается и упрощается подготовка контактных поверхностей. Для улучшения работы соединения иногда также применяют комбинированное клееболтовое соединение, в котором соединяемые поверхности склеивают специальными клеями, а затем стягивают высокопрочными болтами.