Расчет сварных соединений стальных конструкций

Обновлено: 27.03.2024

В рамках развития нормативно-технической базы организации был разработан стандарт "Сварные соединения. Расчет и проектирование". Во вложении к посту находится его текущая редакция. Данный стандарт призван заменить Пособие по расчету и конструированию сварных соединений стальных конструкций (к СНиП II-23-81*) 1984 года издания по вполне объективным причинам. Среди этих причин: актуализация с действующими нормами в области стальных конструкций, включение примеров расчета сварных соединений, упорядочение порядка расчета сварных соединений, улучшение наглядности для понимания и др. Еще раз оговорюсь, что стандарт включает в себя исключительно расчет и проектирование сварных соединений, затрагивая лишь отчасти работу узлов конструкций, к которым они принадлежат. Прошу помнить это при обсуждении. Стандарт не содержит каких-то новых веяний и направлений, он лишь собирает в единое целое разрозненные общеизвестные материалы в некоторой обработке автора этого стандарта (т.е. меня). В рамках обсуждения я ставлю перед собой и заинтересованными лицами форума следующие задачи:
1. Проверка текста стандарта на опечатки, некорректные ссылки, орфографию и др.
2. Проверка текста на состав, наименование, наполняемость разделов - рассматриваются предложения
3. Проверка приведенных примеров расчетов
4. Предложения по включению в примеры расчета дополнительных примеров (или исключение существующих)

Приветствуются обоснованные предложения и участие, по мере возможности, в наполнении и развитии стандарта.

Из стандарта убрал упоминания про организацию - сейчас это не самое главное )))

ГОСТ 27772-88 отменен насколько мне известно. Вы бы привели список новизны по сравнению с базовым пособием.
WYW, не сочтите за бестактность, но ваш вопрос попахивает предложением бесплатно поработать форумчанам во имя процветания фирмы, указанной на обложке. Некрасиво это

Оснащение проходки горных выработок, ПОС, нормоконтроль, КР, АР

Хорошее пособие. Большое спасибо, что выложили.

Прошу дополнить приложением с вашими соображениями о моделировании сварных швов в МКЭ (SCAD и т.п.).
Как моделировать и анализировать, чтобы получить напряжения не аналитически ?
С учётом физической нелинейности (сейчас вроде добавили в скад и лиру) и без неё.
Всё-таки есть сложные соединения, в которых черт ногу сломит. Хотя бы для самопроверки порядка величин напряжений.

Прошу дополнить результатами экспериментов, если у вас они есть.

Прошу дополнить вашими соображениями о расчёте швов конструкций разной степени гибкости/жёсткости/толщины/расположения. Слабо это себе представляю, но уверен, что в МКЭ и в природе напряжения не до конца подчиняются гипотезе плоских сечений и т.п. То есть в сложных узлах, где рядом и тонкие и толстые листы, там и напряжения на швы будут приходить с учётом работы этих листов. Какие-то листы теряют устойчивость при сжатии, какие-то гибче и деформативнее. В то же время существующие аналитические методы пособия к СНиП это не учитывают. Как это учесть ?

1. Замечание по ГОСТ 27772-88 внесены в Google таблицу
2. Списк новизны по сравнению с пособием 1984 года состоит в актуализации нормативных документов, порядка изложения материалов и примеры расчета
3. Удалил из стандарта упоминание организации, сейчас это не самое важное

Приветствуются обоснованные предложения и участие, по мере возможности, в наполнении и развитии стандарта.
Из стандарта убрал упоминания про организацию - сейчас это не самое главное )))

Ай, маладца! Типа, ребята, айда потрудиться с задором по-молодецки. Давайте исправим все косяки, а потом придут важные дяди, похлопают по плечу со словами: "Ты хорошо поработал, сынок, дальше мы сами". Вам в поиск исполнителей нужно, так будет честнее. На форуме есть люди, способные из этого документа сделать конфетку, отнеситесь с уважением! Вы же не для собственного саморазвития спрашиваете.

если тема в указанном формате не найдет одобрения, то я , конечно, ее закрою. Для меня это хобби. так скажем. в свободное от основной работы время. Я исходил из предпосылок, что эта информация нужна инженерному сообществу )))

Пробежался бегло. Неплохой материал.
Мне кажется, что интегралы необходимо заменить итоговыми формулами. Всё-таки это не научная статья. Коэффициент 0,87 заменить на 1/1,15, чтобы для последующих поколений суть не терялась.
Фразы "следует, как правило" заменить на более категоричные.
П. 4.4 почему такой категоричный? Напишите, как должна звучать фраза или объясните почему ее не следует применять. В любом случае, в чертежах КМ расчёт всех швов невозможен и должна быть "заглушка" для швов, которые при определенных катетах будут иметь гарантированную прочность.

----- добавлено через ~7 мин. -----
В старом пособии был расчёт с учётом Rth. Сейчас этот момент решается через Z свойства стали. Возможно, в СТО это так же нужно отобразить.

1. Мне кажется, что интегралы необходимо заменить итоговыми формулами. Всё-таки это не научная статья.
2. Коэффициент 0,87 заменить на 1/1,15, чтобы для последующих поколений суть не терялась.
3. Фразы "следует, как правило" заменить на более категоричные.
4. П. 4.4 почему такой категоричный? Напишите, как должна звучать фраза или объясните почему ее не следует применять. В любом случае, в чертежах КМ расчёт всех швов невозможен 5. должна быть "заглушка" для швов, которые при определенных катетах будут иметь гарантированную прочность.
6. В старом пособии был расчёт с учётом Rth. Сейчас этот момент решается через Z свойства стали. Возможно, в СТО это так же нужно отобразить.

Спасибо за комментарий
1. Насчет интегралов. Считаю, что в данном случае это не наука, а вывод формулы. математика и ничего более. Позволяет понять откуда вообще формула взята. Итоговые формулы все присутствуют. Все доведено до возможности применения в инженерной практике.
2. В СП 16, на основе которого сделан документ, эта суть уже потеряна. Стоит ли порождать двоевластие?
3. цитата из п. 14.1.8 СП 16.13330.2011. В новой редакции 2017 года фразы "как правило" нет, полностью согласен убратью
4. "катеты сварных швов принимать по наименьшей толщине свариваемых элементов (деталей)" - фраза очень коварная. прикрытие для проектировщика и тупик для изготовителей, сварщиков, монтажников. Нормы устанавливают минимальные катеты сварных швов для элементов, которые толще и максимальные катеты с учетом возможности их выполнения.
Фраза "по наименьшей толщине. " в этом смысле означает, что катет шва нужно принять равным толщине привариваемой пластины? Нужно приварить t10 к t14 с двух сторон тавровыми швами. Для стали С255 и полуавтоматической сварки Св-08Г2С равнопрочными основному металлу по нормальным напряжениям будет катет 8 мм, например. А по фразе нужно варить 10 мм. В общем, я за то, чтобы В примечании писали, что неоговоренные на чертеже катеты швов принять 6мм (например), а все остальные подписывать на узлах.
5. Поясните. не понял вопроса
6. Давайте подумаем куда поставить. Требуется ли введение отдельного раздела или достаточно делать доп. проверки в примерах расчета?

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пособие составлено к главе СНиП II-23-81. В Пособии приведен ряд новых решений, направленных на экономию основных видов ресурсов, расходуемых при выполнении сварочных работ. Основное внимание уделено рациональному проектированию сварных соединений с угловыми швами, которые составляют по массе наплавленного металла около 90 % от общего количества сварных швов. Поэтому наибольший эффект может быть получен от оптимизации размеров этих швов.

Новые нормы проектирования дают возможность сократить удельный расход наплавленного металла в строительных стальных конструкциях на 35-40 %.

Текст из главы СНиП II-23-81 отмечен в Пособии вертикальной чертой, в скобках указаны соответствующие номера пунктов и таблиц главы СНиП.

Пособие разработано ЦНИИСК им. Кучеренко (канд. техн. наук В.М. Барышев, при участии инж. Ю .А. Новикова).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При проектировании сварных соедине ний следует:

принимать минимально необходимое количество и минимальные размеры сварных швов;

предусматривать применение высокопроизводительных механизированных способов сварки;

предусматривать применение эффективных сварочных материалов (электродов, электродных проволок, защитных газов, флюсов);

предусматривать такое расположение и размеры сварных швов, при которых максимально сокращалась бы необходимость кантовки конструкций при их изготовлении, а также уменьшились бы размеры соединяемых деталей;

обеспечивать свободный доступ к местам наложения швов и удобное пространственное положение с учетом выбранного способа и технологии сварки и принятого метода неразрушающего контроля шва.

1.2. Сокращение массы наплавленного металла при проектировании сварных соединений и элементов конструкций достигается путем повышения расчетных сопротивлений соединений с угловыми швами за счет применения эффективной технологии сварки и электродных материалов; соблюдения требований по назначению минимально допустимых катетов угловых швов, устанавливаемых в зависимости от наибольшей толщины свариваемых элементов, вида сварки и механических свойств стали; применения односторонних угловых швов в поясах сварных двутавров, при приварке ребер жесткости, диафрагм и других деталей, а также уменьшения количества деталей в элементах конструкций или их размеров (применения односторонних ребер жесткости, исключения фасонок в решетчатых конструкциях или уменьшения их размеров в связи с повышением расчетных сопротивлений соединений с угловыми швами и др.).

1.3. При проектировании сварных соединений следует учитывать, что увеличение сечений швов по сравнению с регламентированными в главе СНиП II-23-81 не только не повышает работоспособность конструкций, но в ряде случаев снижает ее.

2. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

2.1 (3.4). Расчетные сопротивления сварных соединений для различных видов соединений и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 3 СНиП II-23-81.

2.2. Расчетные сопротивления сварных соединений, определенные по формулам, которые приведены в главе СНиП II-23-81, обеспечиваются при соблюдении следующих условий:

сварочные материалы для расчетных угловых швов применяются в соответствии с табл. 2 прил. 1 с учетом условий эксплуатации конструкций, указанных в табл. 1 прил. 1.

2.3. Расчетные сопротивления стыковых соединений , выполняемых всеми видами дуговой сварки, принимаются равными расчетным сопротивлениям стального проката при условии физического контроля качества швов в растянутых элементах и соблюдении требований п. 13.42 главы СНиП II-23-81 об обеспечении полного провара соединяемых элементов путем двухсторонней сварки, односторонней с подваркой корня шва или односторонней сварки на подкладке.

В случаях, когда в стыковых соединениях невозможно обеспечить полный провар элементов, рекомендуется принимать Rwy =0,7 R у .

2.4. Несущая способность сварных соединений с угловыми швами зависит от ориентации шва относительно направления усилия, действующего на соединение. Однако учет этой зависимости существенно усложняет расчет соединения, в связи с чем расчетные сопротивления соед инений с угловыми швами в главе СНиП II-23-81 приняты для наименее благоприятной ориентации (флангового шва) и независимыми от величины угла между продольной осью шва и направлением силового вектора, действующего на него.

2.5. Предельным состоянием для сварных соединений с угловыми швами является опасность разрушения. В связи с этим их расчетные сопротивления установлены по временному сопротивлению металла: для металла шва - в зависимости от нормативного сопротивления металла шва R wf = f ( Rwun ); для металла границы сплавления - в зависимости от нормативного сопротивления основного металла R wz = f ( Run ).

Числовые значения расчетных сопротивлений сварных соединений с угловыми швами приведены в табл. 2 и 3 прил. 1.

3. РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение и сжатие следует проводить в соответствии с п. 11.1 главы СНиП II-23-81.

3.2. С целью повышения эффективности использования наплавленного металла в соединениях с расчетными угловыми швами предусмотрено применение электродных материалов , обеспечивающих повышенные прочностные свойства металла шва. При этом возникает необходимость проверки прочности соединений по двум опасным сечениям: по металлу шва и по металлу границы сплавления.

3.3 ( 11.2). Сварные соединения с угловыми швами при действии продольной и поперечной сил следует рассчитывать на срез (условный) по двум сечениям:

по металлу границы сплавления

где lw - расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм; β f и β z - коэффициенты, принимаемые при сварке элементов из стали: с пределом текучести до 580 МПа (5900 кгс/см 2 ) по табл. 1 (34); с пределом текучести свыше 580 МПа (5900 кгс/см 2 ) независимо от вида сварки, положения шва и диаметра сварочной проволоки β f = 0,7 и β z = 1; γ wf и γ wz - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I 1 , I 2 , II 2 и II 3 , для которых γ wf = 0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением Rwun = 410 МПа (4200 кгс/см 2 ) и γ wz = 0,85 для всех сталей.

При сварке с использованием технологических приемов, направленных на повышение производительности наплавки, которые сопровождаются снижением глубины проплавления (например, сварка при удлиненном вылете электрода, при прямой полярности постоянного тока, с применением дополнительного присадочного материала и т.п.), значения коэффициентов рекомендуется принимать β f = 0,7 и β z = 1.

3.4 (11.2). Для угловых швов, размеры которых установлены в соответствии с расчетом, в элементах из стали с пределом текучести до 285 МПа (2900 кгс/см 2 ) следует применять электроды или сварочную проволоку согласно табл. 2 прил. 1 настоящего пособия, для которых расчетные сопротивления срезу по металлу шва Rwf должны быть более Rwz , а при ручной сварке не менее чем в 1,1 раза превышают расчетные сопротивления срезу по металлу границы сплавления Rwz , но не превосходят значений Rwz βz / βf

в элементах из стали с пределом текучести свыше 285 МПа (2900 кгс/см 2 ) допускается применять электродные материалы, для которых выполняется условие

Значения коэффициентов βf и βz при катетах швов, мм

Автоматическая при d = 3 - 5

Автоматическая и полуавтоматическая при d = 1,4 - 2

Нижнее, горизонтальное, вертикальное

Ручная; полуавтоматическая проволокой сплошного сечения при d < 1,4 или порошковой проволокой

В лодочку нижнее, горизонтальное, вертикальное, потолочное

Примечание . Значения коэффициентов соответствуют нормальным режимам сварки.

При выборе электродных материалов следует учитывать группы конструкций и климатические районы, указанные в табл. 55 (В Пособии табл. 1 прил. 1).

3.5. Левая часть выражений (3) и (4) 1,1 Rwz < Rwf и Rwz < Rwf означает необходимость применения электродных материалов, обеспечивающих высокую прочность металла шва. Правая часть этих выражений Rwf Rwz βz / βf указывает верхний предел значения Rwf , выше которого увеличение прочности металла шва нецелесообразно, поскольку несущую способность соединения будет определять сечение по металлу границы сплавления.

При проектировании сварных соединений возможны исключения из требований, указанных в выражениях (3) и (4), которые определяются дискретностью значений входящих в них параметров, ограниченностью ассортимента сварочных проволок для механизированной сварки и условиями организации производства. Поэтому в ряде случаев для расчетных угловых швов целесообразно применять сварочную проволоку, при которой Rwf Rwz βz / βf .

3.6. В зависимости от значений Rwf , Rwz и βf , характеризующих соединение с угловыми швами, прочность одного из двух расчетных сечений меньше прочности другого сечения. Поэтому для расчета такого соединения на срез (условный) достаточно произвести проверку менее прочного сечения. Расчетные сечения, по которым следует производить проверку прочности соединения с угловыми швами, в зависимости от параметров Rwun , Run и βf , указаны в табл. 2 (для конструкций во всех климатических районах, кроме I 1 , I 2 , II 2 , II 3 ) и табл. 3 (для конструкций в климатических районах I 1 , I 2 , II 2 , II 3 ).

Примечан ие . Коэффициенты βf и βz связаны зависимостью , поэтому в табл. 2 и 3 значения βz не приводятся.

3.7. Предельные усилия на сварные соединения с угло выми швами для наиболее распространенных сочетаний электродных материалов, условий сварки и катетов швов приведены в табл. 1 и 2 прил. 2.

3.8. Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента, на одновременное действие сил и момента, а также поясных соединений с угловыми швами в составных двутавровых балках следует производить по двум сечениям в соответствии с требованиями п п. 11.3, 11.5 и 11.16 главы СНиП II-23-81. При этом в общем виде расчетные формулы представляют собой сравнение напряжений, возникающих от действия усилий в расчетном сечении по шву (τ f ) и по металлу границы сплавления (τ z ), с соответствующими расчетными сопротивлениями с учетом коэффициентов условий работы:

Расчет на прочность сварного шва

Прочность сварных соединений - это возможность в определенных условиях выдерживать нагрузки, не разрушаясь от силовых воздействий. Нагрузки при этом учитываются не только рабочие, но и предельные.

Рабочие состоят из внешних нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации от собственного веса и образующихся при сваривании напряжений. К предельным относят те, которые образуются при текучести в основном сечении и в при этом возникают максимально допустимые деформации и повреждения. Чтобы стыки были надежными и качественными, то перед процессом сваривания необходимо выполнить расчет на прочность сварного шва.

Фото: прочность сварного шва

От чего зависит прочность сварочного стыка

Чтобы правильно вычислить прочность сварного шва, необходимо знать какие факторы влияют на прочностные характеристики. Главное условие для создания прочных соединений - соблюдение сварочной технологии.

Но есть также ряд других факторов, от которых зависит насколько качественным будут стыки:

  • качество используемых материалов. Коэффициент прочности сварного шва напрямую зависит от того, насколько правильно подобран окружающий металл и какими характеристиками он обладает;
  • расходные материалы. Неверно подобранные присадки или электроды не способны сформировать надежное соединение;
  • сварочное оборудование должно отвечать требуемой мощности и технологии сварки;
  • надежность и качество провара зависит от режима сварки, в частности от силы тока и полярности;
  • качество заготовок. На кромочных стыках не должно быть никаких изъянов и вкраплений, поскольку это нарушает форму и прочность шва.

Каждый из этих параметров должен учитываться при планировании сварочных работ и от каждого из них зависит насколько точно будет произведен расчет на прочность сварных соединений.

Как рассчитать на прочность сварочные швы

В зависимости от того, как размещены при сваривании соединяющие элементы, выделяют разные типы швов: угловые, стыковые, тавровые, нахлесточные. На фото ниже можно посмотреть разные способы соединения между собой свариваемых деталей.

Фото: виды сварных швов

Для каждого вида соединений расчет сварных швов на прочность проводится индивидуально и с учетом разных параметров. Прочностные значения стыковых швов определяются по номинальному сечению проваренного участка, на котором отсутствуют наплывы. Для угловых соединений прочностные показатели определяет катет.

В любом случае прежде чем осуществлять расчет прочности сварного шва, необходимо вычислить площадь его поперечного сечения. Установить сечение можно при умножении длины и толщины сварочного соединения.

Определить допускаемое усилие в стыке при растяжении можно по формуле: Р = σp × S × I

При сжатии формула несколько другая: Р = σсж × S × I

Условные обозначения в формулах следующие:

  • S - толщина элементов, которые соединяются техникой сваривания;
  • I - длина сварочного соединения;
  • σp - допустимое напряжение при растяжении;
  • σсж - допустимое напряжение при сжатии.

Вычислить какой прочностью будет обладать нахлесточный шов можно по формуле: Р = τср × 0,7К × I, в которой:

  • Р - допустимо возможное усилие;
  • τср - показатель допускаемого напряжения металла, наплавленного при срезе;
  • К - длина катета, которая в формуле проставляется с коэффициентом 0,7;
  • I - протяжность соединительного стыка.

Вычисляя несущие возможности стыкового шва необходимо ориентироваться на напряжение, которое является допустимым в самом опасном сечении (s), а также на напряжение, зависящее от предела текучести (HSЭ). Выдерживание соотношений этих двух показателей является обязательным и только при полном их соответствии элемент металлоконструкции будет удовлетворять все выдвигаемые к прочностным характеристикам требования.

Основная задача при подготовке к свариванию металлоконструкций - не превысить максимально допускаемые напряжения рассчитывая прочность сварного шва на разрыв, таблица коэффициентов которого есть на специализированных сайтах в интернете в свободном доступе.

Онлайн расчет прочности стыков

Проведение предварительных расчетов прочности перед свариванием металлоизделий позволяет предотвратить неточности и браки, приводящие к разрушению конструкций. Чтобы безошибочно провести расчет сварных швов на прочность примеры готовых вычислений могут послужить в качестве инструкций правильности выполнения всех действий. А исчислять прочностные свойства лучше всего в онлайн режиме, воспользовавшись специальными программами «Калькулятор прочности».

С помощью программы не составить сложности без погрешностей вычислить несущую способность швов по длине и катету, подобрать диаметр арматуры согласно требуемой на разрыв нагрузки, установить площадь поперечного сечения и рассчитать другие значения, от которых зависит прочность и надежность сварных конструкций.

Интересное видео

Расчет сварных соединений

Сварка - наиболее доступный, надежный и эффективный способ соединения отдельных деталей при создании металлоконструкций. При соблюдении сварочных технологий швы получаются прочными, а готовые изделия качественными. Но в зависимости от условий проведения сварки, толщины и вида свариваемого металла характеристики соединений могут быть разными. Определить насколько прочным и монолитным будет изделие поможет расчет сварных швов, проведенный перед процессом сваривания.

Выполненный в процессе составления проекта расчет сварных соединений позволяет выбрать правильно материал, которые будет обладать достаточным запасом прочности и сможет выдерживать возлагаемые на него нагрузки.

Методика расчета соединений

Различают несколько разновидностей сцеплений металла и для каждой из них расчет сварного шва проводится индивидуально. В зависимости от расположения свариваемых деталей соединения разделяются на:

Фото: виды сварных соединений

  • угловые, когда перпендикулярно одна к другой располагаются свариваемые детали. Для повышения прочности конструкции необходимо правильно определить предельные усилия на сварной угловой шов;
  • стыковые. Здесь соединяются торцы деталей, при этом одна часть выступает продолжением второй. Такой способ сцепления сопровождается минимальными показателями концентрации напряжения и считается самым рациональным. Швы могут быть прямыми и косыми;
  • нахлесточные, при которых элементы деталей немного накладываются один на другой. Как правило применяют такую технологию при сваривании металлов, толщина которых не превышает 5 мм, когда необходимо укрепить шов;
  • тавровые. Внешне напоминают угловые. Скрепляемые элементы располагаются под прямым углом друг к другу, но соединяются торцами. При производстве металлоконструкций такие стыки применяются довольно часто. Им характерна простота исполнения, экономичность и высокая прочность. Для качественного выполнения такого типа соединений хорошим помощником будет методичка, расчет таврового сварного соединения по ней можно выполнить с безупречной точностью, и избежать возможных ошибок.

Как рассчитывают сечение сварного углового шва или других видов соединений? Существуют общепринятые формулы, по которым проводится расчет сварочных швов разных стыков. Также в свободном доступе в интернете есть специальная программа расчета сварных соединений, по которой при введении необходимых параметров можно получить требуемый результат.

Какие параметры потребуются для расчета

Чтобы с минимальной погрешностью провести расчет сварки, следует знать какие параметры влияют на прочность стыков. Для определения процесса сжатия и растяжения материала следует применять формулу:

Фото: формула расчета сварных соединений

При расчете потребуются следующие показатели:

  • Yс - коэффициент преобладающих на рабочем месте условий. параметр общепринятый, указан в стандартизованных таблицах. Его просто необходимо вставить в формулу, по которой совершается расчет сварного углового шва;
  • Rу - сопротивление свариваемого материала с учетом предела текучести. Определяется по стандартным таблицам;
  • Ru - сопротивление металла в соответствии временного сопротивления. Значения для подставки в формулу нужно поискать в таблицах;
  • N - максимально допустимая нагрузка, которую шов способен выдерживать;
  • t - минимальная толщина материала свариваемых элементов;
  • lw - наибольшая длина сварного соединения, при расчете ее уменьшают на 2t;
  • Rwу - определяемое в зависимости от предела прочности сопротивление.

В случае, когда необходимо сварить в единую конструкцию разные по структуре металлы, показатели Ru и Ry берутся по материалу с наименьшей прочностью.

Так же если требуется провести расчет сварочного шва на срез, то показатели следует выбирать того материала, у которого прочность меньше.

Фото: параметры для расчета сварных соединений

При проектировании стальных конструкций основным требованием является обеспечение максимально возможной прочности стыка и неподвижности соединяемых им элементов. Согласно требований и с учетом расположения и размеров швов можно с точностью установить оптимальный их тип. Если для создания металлоконструкции требуется выполнить сразу несколько швов, то располагать их необходимо таким образом, чтобы на каждый из них равномерно распределялась нагрузка.

Определить такие параметры можно посредством математических вычислений. Если полученные результаты будут неудовлетворительными, то в конструкцию необходимо внести изменения и еще раз провести все расчеты с новыми параметрами.

Особенности расчетов для изделий с угловыми стыками

Определение длины сварного шва на отрыв проводится с учетом силы, направленной к центру тяжести. Сечение при подсчетах следует выбирать с высокой степенью опасности.

Расчет сварного шва на срез осуществляется по формуле:

Фото: формула для расчета сварного шва

Вне зависимости от типа металлов каждый из показателей влияет на прочность стыков:

  • N - максимальная нагрузка, которая на стык оказывает давление;
  • ßf, ßz - указаны в таблице и не зависят от марки стали. Как правило ßz равно 1, ßf - 0,7;
  • Rwf - значение сопротивления срезу. Указано в таблицах ГОСТов;
  • Rwz - существующее на линии стыка сопротивлению. Значения стандартные и берутся из таблицы;
  • Ywf - составляет 0,85 для стыка, материалу которого свойственно сопротивление 4200 кгс/см²;
  • Ywz - для всех марок стали составляет 0,85;
  • с - коэффициент условий рабочей среды, стандартное значение из таблиц;
  • kf - указывает на толщину создаваемого шва, измерять следует по линии сплавления;
  • lw - исчисляется по общей длине стыка, уменьшенного на 10 миллиметров.

Вычислять значения можно по линии соединения или по свариваемому материалу. Расчет угловых сварных швов выполняется на основании сечения.

Чтобы понять, как правильно осуществить расчет сварных соединений и конструкций примеры и задачи можно посмотреть на специализированных сайтах в интернете.

Расчеты при нахлесточных стыках

Расчет сварочного шва, выполняемого внахлест выполняется с учетом типа и положения соединения, поскольку при такой технике стыки могут быть угловыми, лобовыми и фланговыми.

При сваривании металлических деталей внахлест определяется прочность линии скрепления и минимальная площадь сечения. Формула площади сварного шва подразумевает использование меньшей высоты треугольника условного стыка. При одинаковых размерах катетов этого треугольника для ручной сварки высота составляет 0,7.

При автоматической и полуавтоматической сварке глубина нагревания материала больше, поэтому за высоту принимаются указанные в типовых таблицах условные показатели.

Как рассчитать длину сварочных стыков от массы металла

Для определения длины соединения существует формула, обозначающая соотношение массы наплавки на протяженности одного метра спая.

Формула следующая: L = G/F × Y, в которой L обозначает протяженность сварочного шва, G - вес наплавляемого металла, F - площадь поперечного сечения, Y - удельный вес присадки.

Фото: чтение длины катета сварного шва

Полученное значение следует умножить на определенные измерениями метры. Чтобы правильно провести исчисления целесообразно предварительно посмотреть пример, расчет длины сварного шва по которому выполнен в реальности.

Нужно понимать, что ни одна формула не способна обеспечить безупречно точного результата. Расходный материал следует покупать с запасом примерно 5-7%. Иногда удается немного сэкономить на присадке, но это под силу только опытным сварщикам, обладающим соответственными навыками.

Порядок проведения расчетов сварных стыков

Чтобы определить какие нагрузки способен выдерживать образуемый при сварке стык, необходимо правильно подобрать все необходимые данные для расчета сварного шва. Предотвратить ошибки при математических исчислениях можно, если при их выполнении придерживать следующего порядка:

  1. Определить с минимальными погрешностями пространственное положение, форму и размеры, характерные сварочному соединению.
  2. Далее на контактируемую со свариваемым элементом площадь повернуть следует опасное сечение (с наивысшим напряжением). Необходим поворот в случаях, когда на исследуемой конструкции плоскость стыка не соответствует его сечению. После поворота должно образоваться новое сечение, которое называют расчетным.
  3. Дальнейшие действия состоят в поиске на образовавшемся вследствие поворота сечении центра масс.
  4. Следующий этап - перемещение в центр масс внешней приложенной нагрузки.
  5. Установить какое напряжение в расчетном сечении возникает в момент воздействия всех силовых нагрузок, в частности нормальной и поперечной усилий, изгибающего и крутящего моментов.
  6. Когда известно напряжение необходимо найти в сечении точку, подвергающуюся наибольшим нагрузкам. В этой точке все воздействующие на поверхность нагрузки сочетаются одновременно, что позволяет установить суммарную. В итоге получается максимум, которому шов будет подвергаться.
  7. Вычисляется максимально допустимое напряжение, которое будет оказывать силовое воздействие на полученный в результате сварки шов.
  8. Завершающий этап состоит в сравнении максимальных показателей суммарного и допустимого напряжений. Это позволит получить расчетное сопротивление сварного шва и определить размеры, которые обеспечат полноценную и безопасную эксплуатацию создаваемой металлоконструкции. Для большей достоверности полученной информации рекомендовано провести дополнительный проверочный расчет.

Не нужно забывать о том, что актуальным расчет сварного шва на срез или прочность будет только в том случае, когда строго соблюдена технология создания соединений. В любом случае важно и нужно рассчитывать стыки, поскольку только с точность установленные параметры способны обеспечить прочные и долговечные сварочные соединения.

Дефекты сварных соединений при неправильных расчетах

В случае со сварочными металлоконструкциями следует понимать, что эффективная и безопасная их работа и расчет угловых сварных швов, стыковых, тавровых или нахлесточных непосредственно взаимосвязаны между собой. Если проигнорировать или же неправильно выполнить исчисления, то существенно повышаются риски образования дефектов и неточностей в готовом изделии.

Чаще всего возникают следующие браки:

  • подрезы. Образуются по линии соединения или возле него канавки, приводящие к быстрому разрушению конструкции;
  • поры. Визуально они практически незаметны, возникают вследствие проникновения газов, образующихся в процессе плавления электрода и металла;
  • непровары. Участки, на которых недостаточно расплавился металл, в результате чего на варочном стыке возникли пробелы;
  • сторонние включения. Одна из наиболее опасных ошибок, вследствие которой значительно понижается прочность соединения и со временем в нем возникают трещины;
  • холодные и горячие трещины. Первые образуются после остывания конструкции из-за окисления в процессе плавления. Вторые возникают в процессе плавления металла при нарушении сварочной технологии, например, при неправильном выборе электродов.

Избежать всех этих дефектов можно если предварительно выполнить вычисления по существующим формулам. Это поможет создать качественные соединения, способные выдерживать критические нагрузки и усилия при эксплуатации конструкции.

Калькуляторы сварных швов

Существуют специализированные калькуляторы, с помощью которых без особых навыков несложно провести расчет длины сварного шва, определить оптимальные параметры угловых, точечных и стыковых соединений.

Проверить по калькулятору можно все существующие типовые стыки с прилагаемыми к ним нагрузкам с разными силовыми усилиями. Исчисления помогут выбрать подходящий к конкретной конструкции размер и тип стыкового соединения, а также безошибочно подобрать материал для сваривания. Расчеты позволяют установить необходимые геометрические значения сварочного шва и провести его проверку на прочность.

Не рекомендовано к точечным соединениям, стыкам с разделкой кромок и к электрозаклепкам прилагать усталостную нагрузку, поскольку расчет таких швов не поддерживается и результаты будут неточными. Также при вычислениях не учитываются изменения механических характеристик металлов, возникающие вследствие воздействий остаточных напряжений и температурных режимов.

Инструменты для контроля размеров сварных швов

Геометрические параметры сварочных соединений определяются с помощью специальных инструментов, позволяющих с минимальными погрешностями измерить основные показатели и характеристики, выполненных технологией сваривания конструкций.

Фото: измеритель сварного шва

К числу таких инструментов принадлежат типовые шаблоны, универсальные устройства и измерители, принцип действия которых состоит на замерах одного конкретного параметра.

У каждого профессионального сварщика должен быть в наличии набор измерительных инструментов для проведения замеров для предварительных расчетов перед процессом сваривания, а также определения качества шва готовой конструкции.

Расчет сварных соединений - формулы, параметры и примеры

При конструировании различных механизмов важным этапом считается расчет сварных соединений. Он определяет прочность различных механизмов.

От того, насколько серьезно подошел конструктор к решению этой задачи, зависит качество изготавливаемого изделия, а также то, какую нагрузку выдерживает данное соединение.

Сварные соединения, их достоинства и недостатки

Соединение сваркой представляет собой один из видов неразъёмных соединений деталей.

Схема ручной дуговой сварки

Оно выполняется путём сильного раскаливания мест соединения до температуры, способной расплавить детали или довести металл до пластического состояния. Это позволяет создать силу молекулярного сцепления, способную удерживать различные элементы между собой.

К преимуществам относится высокая прочность и надежность подобных связей.

Недостатки сварных соединений:

присутствие остаточного напряжения вследствие неоднородности нагрева и охлаждения свариваемых деталей;

наличие скрытых изъянов в виде трещин и непроваров, которые снижают прочность.

Разновидности сварок

Сварка плавящимся электродом в защитных газах

Наиболее распространенной является электросварка. Ее виды: контактная и дуговая.

Помимо электрической сварки существует газовый вид.

По способу автоматизации есть деление: автоматическая, полуавтоматическая и ручная сварки.

Сварочный шов

Существует несколько вариантов выполнения сварочных швов:

Расчет прочности сварных соединений

Выполняя необходимые расчеты, проектировщик должен учитывать осевые силы, действующие на швы.

Стыковые соединения

На рисунке 1 изображено стыковое соединение, где действуют силы сжатия и растяжения.

Стыковые соединения

Рис. 1. Прямой (вариант а) и косой (вариант б) стыковые швы

При расчете стыкового соединения необходимо учитывать следующие параметры:

нагрузки, которые могут прилагаться к соединениям;

толщину деталей и некоторые другие величины.

Прочность находится по формуле:

901

где σ- напряжение сварного шва (МПа);

σр(с) - допустимое напряжение растяжения или сжатия;

P - нагрузка соединения (в Ньютонах);

L - длина шва (мм);

δ – толщина свариваемых деталей (мм).

Нахлесточные соединения

На рисунке 2 показаны сварные неразъемные соединения внахлест:

  • лобовые (вариант а);
  • фланговые (вариант б);
  • сечение углового шва (г).

Нахлесточные соединения

Рис. 2 Соединение внахлест

Угловые соединения

Прочность угловых швов необходимо определять по сечению, проходящему через биссектрису прямого угла. Расчетная высота определяется по формуле:

h = k cos 45° ~ 0,7k.

Условие прочности для углового соединения:

903

где τ – напряжение(МПа);

P - нагрузка (в Ньютонах);

τ р(с) – допустимое напряжение растяжения или сжатия.

В том случае, если швы расположены несимметрично относительно линии действия силы Р (как показано на рисунке 3), необходимо, исходя из основного уравнения статики, найти силы, которые действуют в сварных точках:

904

где P1 и P2 – усилия, действующие в швах (в Ньютонах);

сила Р — нагрузка (в Ньютонах);

Несимметрично расположенные швы

Рис. 3. Несимметрично расположенные швы


Тавровые соединения

Тавровая сварка рассчитывается по-разному. Расчет зависит от типа шва. На рисунке 4 представлены виды тавровых соединений, ниже даны формулы для расчета напряжения на срез.

906

Рис. 5 Тавровые швы

На рисунке обозначены:

τ, σ – напряжение шва(МПа);

τ р(с), σр(с) - допустимое напряжение растяжения или сжатия;

Заключение

Современные методики и онлайн-калькуляторы позволяют выполнить проектирование и расчёт различных видов сварки. Можно подобрать нужный тип соединения, материал, размер, а также геометрические параметры соединений и осуществить проверку на прочность. Это заметно облегчает проектирование.

Примеры расчета приведены в «Пособии по расчету и конструированию сварных соединений стальных конструкций» (к главе СНиП II-23-81). Данное пособие разработано для инженерно-технических работников проектных организаций и предприятий, занимающихся изготовлением строительных конструкций.

В таблицах данного справочного пособия можно найти сведения о материалах, необходимых для сварки в зависимости от марок стали. Также приведены сопротивления (нормативные и расчетные) металла швов различных сварных соединений.


Читайте также: