1. Прочность сварных конструкций

1.1. Общие сведения

Классификация сварных конструкций

Сварные конструкции делят на стержневые, листовые и машиностроительные.

· Стержневые конструкции – каркасы строительных зданий, специальные конструкции (мачты, каркаса ЛА).

· Листовые конструкции – резервуары, газгольдеры, котлы, корпуса ЛА.

· Машиностроительные конструкции – валы рамы, станины и др.

Любая деталь, узел, конструкция, сооружение должны отвечать требованиям работоспостобности и надежности.

Работоспособность. Работоспособностью называют состояние объектов, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Надежность. Под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. Любая современная машина или прибор, какими бы высокими характеристиками они не обладали, будут обесценены при ненадежной работе. Надежность зависит от всех этапов создания и эксплуатации изделий. Отказы в основном связаны с разрушениями (статическими, малоцикловыми и усталостными), изнашиванием и недостаточной жесткостью. Поэтому задачи обеспечения прочности, жесткости и износостойкости являются основными в проблеме надежности.

Работоспособность и надежность деталей машин оцениваются определенными условиями и показателями – критериями. Важнейшими из них являются:

1) прочность – способность детали сопротивляться разрушению;

Рекомендуемые материалы

2) жесткость – способность деталей сопротивляться изменению формы, является одной из характеристик работоспособности деталей машин;

3) износостойкость, коррозионная стойкость, виброустойчивость и др.

При расчете и проектировании деталей обычно используют один или два критерия, а остальные критерии удовлетворяются заведомо или не имеют практического значения для рассматриваемых объектов.

1.1.1.Прочность

Прочность – понятие довольно широкое. Существует инженерное и научное понятие прочности.

Под инженерной прочностью понимают способность материала сопротивляться пластическому деформированию, разрушению, способность конструкции сопротивляться потере устойчивости, потере коррозионной стойкости и др.

В научном более узком смысле понимают сопротивление разрушению материала.

Расчетная и конструкционная прочность

Конструкционная прочность – прочность, определенная путем испытаний конструкции или ее имитатора с учетом материала вида нагружения, условий эксплуатации и технологии ее изготовления.

Кроме экспериментальных методов на прочность используют методы расчетные.

Расчетная прочность – прочность найденная расчетом, путем использования простейших характеристик материала и аппарата теории связывающего эти характеристики с величиной прочности.

Запас прочности – отношение одноименных величин одна из которых соответствует предельному состоянию, а другая состоянию эксплуатации.

При расчете необходим учет условий нагружения, и возможный характер разрушения.

Нагрузки могут быть:

· статическими – характеризуются весьма малыми скоростями нагружения;

· повторностатическими – один цикл не чаще чем раз в секунду;

· вибрационными – частота цикла превышает 1Гц;

· ударными – характеризуются весьма высокими скоростями нагружения.

Разрушение может быть:

· вязким – разрушение идет по телу зерна, место разрушения имеет матовый цвет под микроскопом;

· хрупким – разрушение идет по границам зерен, место разрушения имеет блестящий цвет под микроскопом;разрушающие напряжежения ниже предела текучести материала.

· полувязким – разрушение идет частично по границам зерен, а частично по телу зерна.

1.1.2.Жесткость

Жесткость - способность деталей сопротивляться изменению формы, является одной из характеристик работоспособности деталей машин. Жесткость оценивают по величине силы, вызывающей единичное перемещение (линейное или угловое) некоторой точки или сечения детали. Так, удлинение при растяжении стержня силой P

Δl=Pl/(EA)                                                                      ( 2.1)

а жесткость стержня при растяжении, Н/мм

c=P/∆ℓ=EA/ℓ                                                                 ( 2.2)

Характеристику, обратную жесткости, называют податливостью (мм/Н)

λ=1/c=ℓ/EA                                                                    ( 2.3)

т. е. податливость равна перемещению сечения стержня (детали) под действием силы в 1Н.

1.1.3.Устойчивость

Расчеты на прочность и жесткость всегда ведутся исходя из предположения о том, что нагруженная конструкция занимает единственно возможное положение, в котором уравновешиваютя внешие силы, и вызманные ими внутренние силовые факторы.

В действительности же в деформированном состоянии равновесие между внешними и вызываемыми ими внутренними силами упругости может быть не только устойчивым, но и неустойчивьм.

Упругое равновесие будет устойчивым, если деформированное тело при любом малом отклонении от состояния равновесия стремится возвратиться к первоначальному состоянию и возвращается к нему после удаления внешнего воздействия, нарушившего первоначальное равновесное состояние. Упругое равновесие неустойчиво. если деформированное тело, будучи выведено из него каким-либо воздействием, приобретает стремление продолжать деформироваться в направлении данного ему отклонения и после удаления воздействия в исходное состояние не возвращается. Между этими двумя состояниями равновесий существует переходное состояние, называемое критическим, при котором деформированное тело находится в безразличном равновесии: оно может сохранить первоначально приданную eму форму, но может и потерять ее от самого незначительного воздействия.

Можно утверждать, что достижение нагрузками критических значений равносильно разрушению конструкции, так как неустойчивая форма равновесия неминуемо будет утрачена, что связано с практически неограниченным ростом деформаций и  напряжений. Особая опасность разрушения вследствие потери устойчивости заключается в том, что обычно она происходит внезапно и при низких значениях напряжений, когда прочность элемента еще далеко не исчерпана.

До момента наступления критического  состояния   упругие деформации по   величине   весьма незначительны и нарастание  их  происходит почти незаметно для глаза. Но с момента  наступления   критического состояния до момента разрушения остаточные деформации нарастают крайне быстро, и практически нет времени принять меры по предотвращению грозящей катастрофы. Таким образом, при расчете на устойчивость критическая нагрузка подобна разрушающей при расчете на прочность. Для обеспечения определенного запаса устойчивости необходимо, чтобы удовлетворялось условие.

1.2. Расчет строительных конструкций по методу «Предельных состояний»

Расчет на прочность может производиться по одной из двух методик - по предельному состоянию, или по допускаемым напряжениям. Методика расчета по допускаемым напряжениям принята при расчете машиностроительных конструкций, и основы ее использования приведены в курсе «Сопротивления материалов». При расчете строительных конструкций принята методика расчета по предельному состоянию, более совершенная, чем методика расчета по допускаемым напряжениям.

Предельное напряженное состояние – состояние, когда в точке возникает напряженное состояние, ведущее к возникновению нового процесса. Например, к развитию пластической деформации, к образованию трещины и т.д. Различные ПНС возникают при различных видах нагружения.

Предельное состояние – такое состояние, при котором конструкция теряет работоспособность или ее состояние становится нежелательной. Усилия вызывающие предельное состояние называются предельными

Следует различать предельные состояния и предельные напряженные состояния. Не всегда эти понятия совпадают. Примеры:

Увеличение напряжений при изгибе балки до предела текучести приводит достижению ПНС в точках максимально удаленных от нейтральной линии. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к достижению напряжениями уровня предела текучести во всем сечении – предельного состояния в сечении, в конструкции происходит качественные изменения, перемещения резко увеличиваются, поскольку в наиболее нагруженном сечении образуется пластический шарнир.

Увеличение напряжений при растяжении приводит к последовательному появлению следующих предельных напряженных состояний: а) начала равномерной пластической деформации; б) образования шейки; в) разрушения.

Метод расчета по предельным состояниям

В соответствии с ГОСТ 27751-88 "Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету" предельные состояния подразделяются на две группы:

· первая группа включает предельные состояния, которые ведут к полной непригодности к эксплуатации конструкций, оснований (зданий или сооружений в целом) или к полной (частичной) потере несущей способности зданий и сооружений в целом;

· вторая группа включает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (оснований) или уменьшающие долговечность зданий (сооружений) по сравнению с предусматриваемым сроком службы.

Предельные состояния первой группы характеризуются:

· разрушением любого характера (например, пластическим, хрупким, усталостным);

· потерей устойчивости формы, приводящей к полной непригодности к эксплуатации;

· потерей устойчивости положения;

· переходом в изменяемую систему;

· качественным изменением конфигурации;

· другими явлениями, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации (например, чрезмерными деформациями в результате ползучести, пластичности, сдвига в соединениях, раскрытия трещин, а также образованием трещин).

Предельные состояния второй группы характеризуются:

· достижением предельных деформаций конструкции (например, предельных прогибов, поворотов) или предельных деформаций основания;

· достижением предельных уровней колебаний конструкций или оснований;

· образованием трещин;

· достижением предельных раскрытий или длин трещин;

· потерей устойчивости формы, приводящей к затруднению нормальной эксплуатации;

· другими явлениями, при которых возникает необходимость временного ограничения эксплуатации здания или сооружения из-за неприемлемого снижения их срока службы (например, коррозионные повреждения).

Первое предельное состояние для растянутых и сжатых элементов выражается соотношением:

При расчете на прочность растянутых элементов эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести:

где – расчетное сопротивление по пределу текучести;

– предел текучести;

– коэффициент надежности по материалу (γ_С>1);

– расчетное сопротивление по пределу прочности;

– предел прочности;

– коэффициент условий работы (γ_С <1);

-коэффициент надежности для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность с использованием расчетных сопротивлений R_u;

– площадь поперечного сечения растянутого (сжатого) элемента.

Для изгибаемых элементов:

Формально величину в правой части неравенств ( 2.4), ( 2.5), ( 2.6), мы можем принять за допускаемое напряжение, приемы расчета по предельному состоянию и допускаемым напряжениям совпадают, однако при расчете по предельным состояниям общий и неизменный коэффициент запаса прочности заменяется несколькими переменными величинами. Это позволяет при расчете по предельному состоянию проектировать эксплуатационно равнопрочные конструкции.

При определении расчетных сопротивлений для сварных швов R_W учитываются следующее: основной материал сварной конструкции, вспомогательные материалы используемые при сварке (марки покрытых электродов, электродных проволок), наличие либо отсутствие физических методов контроля сварного шва.

1.3. Обозначение на чертежах швов сварных соединений

Обозначение швов сварных соединений выполняется в соответствии с ГОСТ 2.312

Шов сварного соединения, независимо от способа сварки, условно изображают:

видимый - сплошной основной линией;

невидимый - штриховой линией;

Видимую одиночную сварную точку, не зависимо от способа сварки, условно изображают знаком "+", который выполняют сплошными основными линиями.

Невидимые одиночные точки не изображают.

От изображения шва или одиночной точки проводят линию-выноску, заканчивающуюся односторонней стрелкой. Линию-выноску предпочтительно проводить от видимого шва.

На изображение сечения многопроходного шва допускается наносить контуры отдельных проходов, при этом их необходимо обозначить прописными буквами русского алфавита.

Шов, размеры конструктивных элементов которого стандартами не установлены (нестандартный шов), изображаются с указанием размеров конструктивных элементов, необходимых для выполнения шва по данному чертежу).

Границы шва изображают сплошными основными линиями, а конструктивные элементы кромок в границах шва - сплошными тонкими линиями.

Вспомогательные знаки для обозначения сварных швов приведены в Табл. 2.1.

В условном обозначении шва вспомогательные знаки выполняют сплошными тонкими линиями.

Вспомогательные знаки должны быть одинаковой высоты с цифрами, входящими в обозначение шва.

Табл. 2.1 Вспомогательные знаки для обозначения сварных швов

Примечание:

1. За лицевую сторону одностороннего шва сварного соединения принимают сторону, с которой производят сварку.

2. За лицевую сторону двустороннего шва сварного соединения с несимметрично подготовленными кромками принимают сторону, с которой производят сварку основного шва.

3. За лицевую сторону двустороннего шва сварного соединения с симметрично подготовленными кромками может быть принята любая сторона.

Структура условного обозначения стандартного шва или одиночной сварной точки приведена на Рис. 2.3

Некоторые из стандартов на сварные соединения:

ГОСТ 5264 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. ГОСТ 8713 Сварка под флюсом.  ГОСТ 14771 Дуговая сварка в защитных газах.

Знак  выполняют сплошными тонкими линиями. Высота знака должна быть одинаковой с высотой цифр, входящих в обозначение шва.

Структура условного обозначения нестандартного шва или одиночной сварной точки приведена на Рис. 2.4

Рис. 2.3 Структура условного обозначения стандартного шва

Рис. 2.4 Структура условного обозначения нестандартного шва или одиночной сварной точки

В технических требованиях чертежа или таблицы швов указывают способ сварки, которым должен быть выполнен нестандартный шов.

Условное обозначение шва наносят:

а) на полке линии-выноски, проведенной от изображения шва с лицевой стороны (Рис. 2.5, а);

б) под полкой линии-выноски, проведенной от изображения шва с оборотной стороны (Рис. 2.5, б).

Обозначение шероховатости механически обработанной поверхности шва наносят на полке или под полкой линии-выноски после условного обозначения шва, или указывают в таблице швов, или приводят в технических требованиях чертежа, например: "Параметр шероховатости поверхности сварных швов ..."

Если для шва сварного соединения установлен контрольный комплекс или категория контроля шва, то их обозначение допускается помещать под линией-выноской (Рис. 2.6)

В технических требованиях или в таблице швов на чертеже приводят ссылку на соответствующий нормативно-технический документ.

Сварочные материалы указывают на чертеже в технических требованиях или таблице швов.

Допускается сварочные материалы не указывать.

При наличии на чертеже одинаковых швов обозначение наносится у одного из изображений, от изображений остальных одинаковых швов проводят линии-выноски с полками. Всем одинаковым швам присваивают одинаковый номер, который наносят:

а) на линии-выноске, имеющей полку с нанесенным обозначением шва (Рис. 2.7);

Упрощенное обозначение швов сварных соединений.

При наличии на чертеже швов, выполненных по одному и тому же стандарту, обозначение стандарта указывают в технических требованиях чертежа (запись по типу: "Сварные швы ... по ...") или таблице.

Допускается не присваивать порядковый номер одинаковым швам, если все швы на чертеже одинаковы и изображены с одной стороны (лицевой или обратной). При этом швы, не имеющие обозначения, отмечают линиями-выносками без полок.

Швы считаются одинаковыми, если: одинаковы их типы и размеры конструктивных элементов в поперечном сечении; к ним предъявляются одни и те же требования

Табл. 2.2 Примеры условных обозначений швов сварных соединений

Табл. 2.3 Пример условного обозначения нестандартного шва сварного соединения

Примечание. В технических требованиях делают следующее указание:”Сварка ручная дуговая”.

Обозначения сварных швов металлоконструкций на чертежах выполняется по СН 460-74. Условные изображения сварных швов на чертежах для металлоконструкций показаны на Табл. 2.4. Обозначения швов сварных соединений по указанному документу в этом случае допускается использовать без выносных линий, помещая их непосредственно над или под изображением соответствующего сварного шва вне зависимости от того, является ли сварной шов видимым или невидимым.

Табл. 2.4 Условные изображения швов сварных соединений, применяемых при проектировании строительных металлоконструкций.

Примечания:

1. Здесь K_f – катет углового шва; l - длина участка прерывистого шва; a – расстояние между участками прерывистого шва.

2. Изображения сварных швов при необходимости дополняют разрезами, показывающими геометрические размеры разделки и выполненного шва.