4.4.Расчет поясных сварных швов.

Полки составных сварных балок соединяют со стенкой на заводе автоматической сваркой. Сдвигающая сила на единицу длины

Для стали С245 по табл. 55^* СНиП II-23-81^* принимаем электроды Э-42.

Определим требуемую высоту катета К_f поясного шва "в лодочку".

1. Расчет по металлу шва.

Коэффициент глубины провара шва _f =0,9 (СНиП II-23-81^*, табл.34)

Коэффициент условия работы  _wf = 1 (СНиП II-23-81^*, пп. 11.2)

Расчетное сопротивление металла R _wf =180 МПа(СНиП II-23-81^*, табл.56)

_f  _wf R _wf = 0,9 118= 16,2 кН/см²

2. Расчет по металлу границы сплавления.

Коэффициент глубины провара шва _z =1,05 (СНиП II-23-81^*, табл.34)

Коэффициент условия работы  _wz = 1 (СНиП II-23-81^*, пп. 11.2)

Расчетное сопротивление металла R _wz =0,45 R _un = 0,45 370 = 166,5 МПа

_z  _wz R _wz = 1,05 116,65 = 17,48 кН/см²

Сравнивания полученные величины, находим

(  _w R _w)_min = 16,2 кН/см²

Высота катета поясного шва должна быть не менее

=>

k_f ≥ 3 мм

По толщине наиболее толстого из свариваемых элементов (t_f = 20мм) по табл. 38 СНиП II-23-81^*, принимаем k_f = 6 мм.

Монтажный стык на высокопрочных болтах.

Балка двутавровая составлена из трех прокатных листов следующего сечения: стенка – 1560×10 мм с площадью А_w = 156 см²; два пояса – 500×20 мм с площадью А_f = 100 см² каждый. Максимальный изгибающий момент в середине балки M_max = 4808,35 кН·м, поперечная сила отсутствует (Q = 0). Момент сопротивления балки I_x = 1544568 см⁴; момент инерции стенки I_w = 316368 см⁴.

Способ регулирования натяжения высокопрочных болтов – по моменту закручивания M. Способ обработки поверхностей – газопламенный.

Рис. Монтажный стык сварной балки на высокопрочных болтах

Монтажные стыки на высокопрочных болтах выполняются с накладками (по три на каждом поясе и по две на стенке). Площади сечения накладок должны быть не меньше площадей сечения перекрываемых ими элементов.

Рекомендуемые к применению в конструкциях средней мощности высокопрочные болты с диаметрами 16; 20; 24 и 30 мм.

Принимаем болты d_b = 24 мм. Диаметр отверстия d под болт делается на 2…3 мм больше d_b. Назначаем отверстие d = 26 мм.

Размещение болтов производится согласно требованиям (см. табл. 10.23).

Минимальное расстояние между центрами болтов (шаг болтов) в расчетных соединениях определяется условиями прочности основного металла и принимается в любом направлении равным a_min = 2,5d = 2,5 · 26 = 65 мм.

Принимаем а = 70 мм.

Максимальное расстояние между болтами определяется устойчивостью сжатых частей элементов в промежутках между болтами (в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков a_max ≤ 12t_min = 12 · 10 = 120 мм, где t_min – толщина наиболее тонкого наружного элемента) и обеспечением плотности соединения:

Минимальное расстояние от центра болта до края элемента для высокопрочных болтов в любом направлении усилия

с_min ≥ 1,3d = 1,3 · 26 = 33,8 мм.

Принимаем с = 50 мм. Ширина верхней накладки пояса принимается равной ширине пояса балки b_nf = b_f = 500 мм.

Ширина каждой нижней накладки пояса определяется:

b^′_nf = [b_f – (t_w + 2k_f + 2Δ)] / 2 = [500 – (10 + 2 ∙ 7 + 2 ∙ 10)] / 2 = 228 мм,

где Δ = 10…15 мм – конструктивный зазор.

Толщина каждой накладки пояса

t_nf = t_f / 2 + 2 = 20 / 2 + 2 = 12 мм.

Принимаем верхнюю накладку из листа 50012 мм с площадью сечения А_nf = 60 см² и две нижних накладки из листа 22812 мм с площадью сечения А^′ _nf = 27,4 см².

Суммарная площадь накладок

А_n = А_nf + 2А^′ _nf = 60 + 2 ∙ 27,4 = 114,8 см² > А_f = 100 см².

Горизонтальные болты располагаем в 4 ряда на одной полунакладке.

Определяем длину (высоту) двух вертикальных накладок:

l_nw = h_w – 2(t_nf + Δ) = 1560 – (12 + 10) = 1538 мм.

Ширина вертикальных накладок

b_nw = 2а + δ + 4c = 2 · 70 + 10 + 4 · 50 = 350 мм,

где δ = 10 мм – зазор между элементами.

Толщину одной вертикальной накладки t_nw принимаем равной толщине стенки t_w за вычетом 2 мм (t_nw = 8 мм).

Максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов (с учетом расстояния до края элемента с = 50 мм)

а₁= 1538 – 2 ∙ 50 = 1438 мм.

Стык осуществляем высокопрочными болтами d_b = 24 мм из стали 40Х «селект», имеющей наименьшее временное сопротивление:

R_bun = 1100 МПа = 110 кН/см² (см. табл. 10.28).

Расчетное усилие Q_bh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяется по формуле

где – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта;

A_bn = 3,52 см² – площадь сечения нетто болта d_b = 24 мм (см. табл. 10.26);

– коэффициент трения при газопламенном способе обработке поверхностей (см. табл. 10.29).

– коэффициент надежности, принимаемый при статической нагрузке и разности номинальных диаметров отверстий и болтов с использованием регулирования натяжения болтов по М при газопламенном способе обработки поверхностей;

_b – коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества болтов в соединении.

Определяем:

Расчет стыков поясов и стенки производим раздельно. Приравнивая кривизну балки в целом (здесь  – радиус кривизны) кривизне ее составляющих – стенки M_w / (EI_w) и поясов M_f / (EI_f), находим изгибающие моменты в стенке M_w и поясах M_f, которые распределяются пропорционально их жесткостям, соответственно EI_w и ЕI_f.

Момент инерции стенки I_w = 316368 см⁴.

Момент инерции поясов

Изгибающий момент в стенке

Изгибающий момент в поясах

Расчет стыка пояса. Расчетное усилие в поясе определяется по формуле

Количество болтов n на каждую сторону от центра стыка балки для прикрепления накладок пояса определяем по формуле

где k_s = 2 – количество поверхностей трения соединяемых элементов.

Принимаем 12 болтов и размещаем их согласно рис. 10.41.

Длина горизонтальных накладок назначается конструктивно из условия размещения болтов:

l_nf = 2 (n₁a + 2c) + δ = 2 (2 70 +2 ∙ 50) + 10 = 490 мм,

_где n₁ = (3 – 1) – количество рядов болтов на полунакладке за минусом 1.

Расчет стыка стенки. Расчетный момент, приходящийся на стенку, уравновешивается суммой внутренних пар усилий, действующих на болты. Максимальное горизонтальное усилие N_max от изгибающего момента, действующее на каждый крайний наиболее напряженный болт, не должно быть больше несущей способности Q_bhk_s.

Условие прочности соединения

N_max = M_w a_max / (m Σ a_i²) ≤ Q_bh k_s γ_с,

_{где аi – соответствующее расстояние между парами сил в болтах;}

a_{max =} a₁ – максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов;

m – число вертикальных рядов болтов на полунакладке.

Для определения числа рядов болтов по вертикали k и назначения их шага а вычисляем коэффициент стыка:

 = M_w/(ma_maxQ_bhk_s) = 98488 / (2  143,8  101,64  2) = 1,68.

Принимаем по табл. 10.30 число горизонтальных рядов болтов k = 8.

Определяем шаг болтов по вертикали:

_{a = amax/(k – 1) = 143,8 / (8 – 1) = 20,54 см.}

Таблица 10.30

Коэффициенты стыка стенки балок 

Число рядов по вертикали k	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
	1,4	1,55	1,71	1,87	2,04	2,20	2,36	2,52	2,69	2,86

Шаг a округляется до 5 мм и должен укладываться целое число раз в расстояние между крайними рядами болтов a₁. Окончательно принимаем по высоте накладки 8 рядов болтов с шагом а = 200 мм, что меньше a_max = 208 мм. Максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов а₁ = (8 – 1) ∙ 200 = 1400 мм и а₂ = 1000 мм, а₃ = 600 мм, а₄ = 200 мм (см. рис. 10.41).

Длина вертикальных накладок (при с = 35мм > с_min = 33,8 мм)

l_nw = (k – 1) a + 2c = (8 – 1) 200 + 2 ∙ 35= 1470 мм.

Проверяем стык стенки по прочности наиболее нагруженного болта:

N_max = 984,88 · 1,4 / [2 (1,4² + 1² + 0,6² + 0,2²)] =

= 201,73 кН < Q_bh k_s γ_с = 101,64 · 2 · 1 = 203,28 кН.

Условие выполняется.