ГЛАВА 4.
З'ЄДНАННЯ МЕТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ
4.1. Загальні відомості
У будівництві використовують такі основні види з'єднань: за допомогою зварювання, болтові, на заклепках.
Найпоширенішими є зварні з'єднання (близько 95 % усіх з'єднань), хоча болтові й заклепкові з'єднання відомі раніше. Винахідником зварювання є вітчизняний вчений М. М. Бернардос. У 1882 р. він запатентував "Спосіб з'єднання і роз'єднання металів дією електричного струму", в якому запропоновано розігрівати метал електричною дугою з використанням неплавких вугільних електродів. Метал, потрібний для заповнення об'єму шва, отримували за рахунок присадкового стержня, що плавився в електричній дузі.
Цей процес був удосконалений російським вченим М.Г.Слав'яновим, який у 1888 р. запропонував спосіб зварювання електродом, що плавиться. У 20-х роках минулого століття ідеї зварювання розробляв Д. А. Дульчевський, а з кінця 30-х років — акад. Є. О. Патон, який запровадив більшість із сучасних методів зварювання. Нині справу акад. Є. О. Патона продовжують вчені Українського інституту електрозварювання, який відіграє роль провідної науково-дослідної установи світового масштабу.
Широке застосування зварних з'єднань забезпечують такі їхні переваги:
-
висока міцність та надійність;
-
відсутність проміжних деталей та отворів (що спрощує конструкцію);
-
простота виконання;
-
економія металу на 10-20% порівняно з болтовими та заклепковими з'єднаннями (через відсутність ослаблень та проміжних деталей);
-
високий рівень механізації та автоматизації процесів зварювання.
Водночас зварні з'єднання мають певні недоліки:
-
залишкові деформації та напруження внаслідок нерівномірного нагрівання та вистигання металу;
-
значні концентрації напружень поблизу та безпосередньо у швах, що зумовлює зниження міцності при повторних і вібраційних навантаженнях;
-
у навколошовній зоні термічно та механічно зміцнені метали відпускаються;
-
для виконання зварного з'єднання потрібне спеціальне обладнання.
У будівництві найбільше використовують електродугове зварювання. За рівнем механізації та автоматизації процесів розрізняють такі його види: ручне, напівавтоматичне (автоматизована подача зварювальних матеріалів і ручне переміщення дуги вздовж шва) та автоматизоване зварювання (всі операції автоматизовано).
За способом заповнення шва металом та технологічними ознаками розрізняють:
-
зварювання електродом, що плавиться;
-
зварювання неплавким електродом (вугільним чи вольфрамовим із введенням у дугу присадкового стержня для отримання необхідного об'єму рідкого металу і заповнення шва).
Розплавлений метал ізолюється від дії атмосферного повітря шаром шлаку, флюсу чи струменем захисного газу.
З'єднання за допомогою заклепок використовують у металевих конструкціях з 20-х років XIX ст. Болтові з'єднання з'явилися практично одночасно з чавунними конструкціями (близько середини XVIII ст.). Багаторічна практика використання таких з'єднань свідчить про їхню високу надійність.
Болти широко використовують під час монтажу конструкцій, що зумовлено простотою їх встановлення. Вони не потребують спеціалізованого обладнання. Відсутність термічної дії дає змогу уникнути залишкових напружень та деформацій. Отвори під болти чи заклепки є відносно невеликими концентраторами напружень. Цим забезпечується необхідна надійність конструкцій при несприятливому характері навантажень. Тому при інтенсивних динамічних, вібраційних та повторних навантаженнях доцільно використовувати заклепкові й болтові з'єднання.
4.2. Зварні з’єднання
4.2.1. Класифікація та характеристика зварних швів
За конструктивними ознаками розрізняють стикові, кутові й прорізні шви.
Стиковими швами з'єднують елементи, розміщені в одній площині (рис. 4.1, а). Ці шви найраціональніші, бо створюють найменші концентрації напружень. Їхнім недоліком є необхідність додаткової обробки граней з'єднуваних елементів значної товщини для забезпечення повного провару (рис. 4.1, в—є). Чим більша товщина елементів, які підлягають з'єднанню, тим складніший вид обробки використовують і більший кут зрізання граней. Загалом рекомендовані кути найчастіше перебувають у межах .
Рис. 4.1- Стикові шви і обробка
граней перед зварюванням:
а – стикове з'єднання і характер
силових ліній; б – без обробки;
в, г – односторонні Y- та К-подібні;
б, є – двосторонні V- та X -
подібні; є – криволінійна обробка
|
Кутові шви утворюються при наплавленні шва в куті, складеному гранями з'єднуваних елементів. За формою вони близькі до трикутника. Залежно від положення відносно напрямку дії зусилля кутові шви поділяють на флангові й лобові. Шви, паралельні лінії дії зусилля, називаються фланговими (рис. 4.2, а), а перпендикулярні — лобовими (рис. 4.2, б).
Кутові шви створюють значні концентрації напружень, оскільки при передачі зусилля з одного елемента на другий силові лінії дуже викривлюються (рис. 4.2, в).
Прорізні шви утворюються при заповненні металом прорізів у з'єднуваних елементах (рис. 4.3). Необхідно зазначити, що виготовлення прорізів дуже трудомістке. Різновидом прорізних швів є електрозаклепки, утворені
|
наплавленням металу в отвори одного зі з'єднуваних елементів (рис. 4.З.). Для виготовлення електрозаклепок використовують електроди з тугоплавкими обмазками. Під час зварювання електрод поступово заглиблюється у розплавлений метал, поки верхній елемент не буде проплавлено наскрізь. Тугоплавка обмазка електрода плавиться повільніше, ніж сталеве осердя, і захищає дугу від розплавленого металу. Після видалення електроду розплав заповнює отвір і утворює електрозаклепку.
За призначенням шви поділяють на робочі (розрахункові), які служать для передачі зусиль, близьких до їхньої несучої здатності, та конструктивні, що служать лише для фіксації елементів і не передають значних зусиль.
За протяжністю розрізняють шви суцільні й переривчасті.
Рис. 4.2 - З'єднання на кутових швах:
а – флангових; б – лобових; в – переріз кутового шва і характер силових ліній
|
За положенням у просторі під час зварювання шви поділяють на нижні, вертикальні, стельові, горизонтальні на вертикальній поверхні та човником (рис. 4.4). Найзручнішими для виконання є нижні шви. Шви на вертикальній площині складніші й вимагають висококва-ліфікованого підходу. Найскладнішими є стельові шви, що накладаються знизу. Якість таких швів нижча, тому
|
Рис. 4.3 - Прорізні шви
|
при конструюванні їх необхідно уникати.
Рис. 4.4 - Положення швів у просторі: 1 – стельові;
2 – вертикальні;
3 – горизонтальні на вертикальній поверхні;
4 – нижні; 5 – човником
|
Загалом у конструкціях зі зварними з'єднаннями необхідно передбачати використання механізованих і автоматизованих способів зварювання. При проектуванні конструкцій з нижніми швами значної довжини найпродуктивніше автоматичне зварювання. Напівавтоматичне зварювання менш продуктивне. Але при цьому можливе виконання швів будь-якого просторового положення. Можна рекомендувати автоматичне зварювання під шаром флюсу для поясних швів балок, колон та інших елементів довжиною понад 3 м, а також стикових швів – понад 500 мм; напівавтоматичне в середовищі вуглекислого газу – при менших довжинах швів. Якщо ж автоматичне чи напівавтоматичне зварювання виконати неможливо, застосовують ручне.
|
4.2.2. Види зварних з’єднань
Стандарти на електродугове зварювання передбачають такі види з'єднань: стикове, кутове, таврове, внапуск (рис. 4.5).
Стикові з'єднання виконують за допомогою стикових швів у балках, ригелях, колонах будівель, резервуарах, газгольдерах, бункерах, силосах, трубопроводах тощо. Особливо доцільні вони в листових конструкціях, оскільки забезпечують найменшу концентрацію напружень, економічні, зручні для фізичних методів контролю якості, герметичності швів.
Таврові й кутові з'єднання використовують для скріплення взаємно перпендикулярних елементів, наприклад, поясних швів балок і колон, приєднання ребер тощо. Такі з'єднання можуть бути з повним і неповним проплавленням товщини. При статичних навантаженнях проектують неповне проварювання, бо проплавлення всієї товщини ускладнює процес зварювання і зумовлює його подорожчання. Повне проплавлення передбачають лише у достатньо обгрунтованих випадках, наприклад, у поясних з'єднаннях підкранових балок, оскільки непровар у корені шва є концентратором напружень і зумовлює значне зниження втомної міцності металу шва.
Рис. 4.5 - Види зварних з'єднань:
а – стикове; б – кутове; в – таврове; г – внапуск
З'єднання внапуск утворюють з допомогою кутових швів і використовують у більшості монтажних стиків та досить часто у заводських умовах. Для цього виду з'єднання допускаються менші точності виготовлення деталей та спрощується виконання. На відміну від стикових з'єднанням внапуск властиві значні концентрації напружень, що негативно впливають на їхню роботу при динамічних навантаженнях. При статичних навантаженнях і використанні пластичних сталей негативний вплив концентрацій напружень у кутових швах незначний.
Застосування у будівельних конструкціях прорізних швів, електрозаклепок і переривчастих швів обмежене. їх можна використовувати у несучих конструкціях, на які не впливають рухомі чи вібраційні навантаження та розтягувальні зусилля, а також у допоміжних елементах. Відстань між переривчастими швами не повинна перевищувати 15t у стиснених і 30t у розтягнених неробочих елементах (t – найменша товщина з'єднуваних елементів).
Якість зварних швів обов'язково контролюють. Методи контролю регламентовані у частині III „Будівельних норм і правил" на виконання і приймання робіт.
4.2.3. Стискові з’єднання. Основи розрахунку і конструювання
Стикові шви у з'єднанні можуть бути розміщені перпендикулярно (рис. 4.6, а) або під кутом (рис. 4.7) до лінії дії сили. Такі з'єднання найраціональніші, оскільки мають найменші матеріаломісткість і концентрації напружень.
Рис. 4.6 - Розрахунок стикових швів на дію осьової сили: а – без вивідних планок; б – фактична епюра
нормальних напружень;
в, д – розрахункові епюри; г – з
вивідними планками;
є – переріз стикового шва; і – вивідні планки
|
Найчастіше стикові шви застосовують при з'єднанні листового металу, хоча допускається їх використання і при з'єднанні профілів. Але при цьому важко забезпечити повне проварювання у місцях перетину окремих частин перерізу (наприклад, стінок і поличок у двотаврах чи швелерах).
Якісно виконане стикове з'єднання має незначні концентрації напружень через наявність непровару і кратеру на кінцях шва (рис. 4.6, б), а також зміну товщини у місці наплавлення шва. Непровар і кратер ліквідують виведенням кінців шва на тимчасові технологічні планки (рис. 4.6, г), які після закінчення зварювання зрубують. Концентратори, зумовлені зміною товщини, зникають, якщо механічно
|
(струганням, фрезеруванням, шліфуванням) зняти метал шва, який виступає за межі товщини з'єднуваних елементів.
Стикове з'єднання може працювати на дію осьових сил (стиск та розтяг), згин, кручення, зріз та різні поєднання цих зусиль. Завдання розрахунку – забезпечити необхідну міцність шва. При цьому використовують основні формули, наведені в главі 3.
При дії осьових зусиль напруження у шві перевіряють за формулою
, (4.1)
де площа перерізу шва; розрахунковий опір металу стикового шва за межею текучості; розрахункова довжина шва (рис. 4.6, в); найменша товщина з'єднуваних елементів (рис. 4.6, є).
Наявність тимчасових вивідних планок дає змогу приймати (рис. 4.6, г, д).
Підставивши
. (4.2)
Розрахунковий опір металу шва приймають згідно з рекомендаціями норм: для стиску, а при наявності фізичних методів контролю якості також і для розтягу чи згину; для розтягу і згину за відсутності фізичних методів контролю якості шва. При цьому обов'язковими є правильний добір матеріалів для зварювання згідно з табл. 4 додатка 6 або вказівками норм та повний провар товщини з'єднуваних елементів.
Якщо конструкцію розраховують з допущенням пластичних деформацій згідно з розрахунковим опором за межею міцності , то і з'єднання проектують з підстановкою у формулу (4.2) замість розрахункового опору металу шва за межею міцності та коефіцієнта надійності :
(4.3)
Коли ж напруження у шві перевищують характеристики міцності металу шва, стиковий шов виконують навскіс, збільшуючи тим самим його довжину (рис. 4.7). Найчастіше кут закладення шва приймають 1:2. Таке з'єднання при правильному доборі матеріалів для зварювання і повному проварові товщини є рівноцінним основному металу і не потребує розрахунку. Не розраховують також з'єднання з нормальними стиковими швами при виведенні швів на тимчасові технологічні планки, фізичних методах контролю якості шва та дотриманні інших конструктивних вимог норм (рис. 4.6, г). У цьому випадку і площа, і розрахунковий опір металу шва відповідають основному металу. Тобто з'єднання є рівноміцним.
Рис. 4.7 - Стикове з'єднання за
допомогою скісного шва
|
При дії на шов згинального моменту (рис. 4.8) перевірці підлягає рівень найбільших нормальних напружень:
(4.4)
Або, підставляючи момент опору шва ,
|
Рис. 4.8 - Епюра напружень у
стиковому шві від дії згинального
моменту
|
(4.5)
У випадку роботи шва на зріз (рис. 4.9) розрахунок виконують за середніми значеннями дотичних напружень:
,(4.6)
|
де розрахунковий опір металу шва на зріз.
У з'єднаннях реальних конструкцій зазначені зусилля найчастіше діють у поєднанні. Розглянемо випадок одночасної дії нормальної сили і згинального моменту. Від обох зусиль у перерізі шва виникають нормальні напруження однакового чи протилежного напрямку. Вислідне напруження є алгебраїчною сумою напружень та , зумовлених нормальною силою N та згинальним моментом М:
(4.7)
Коли ж у з'єднанні одночасно діють нормальні та дотичні напруження, то перевірку виконують за зведеними напруженнями:
Основні конструктивні вимоги при проектуванні стикових з'єднань:
-
правильний добір матеріалів для зварювання;
-
повний провар товщини з'єднуваних елементів (при цьому доцільним є зварювання з обох боків, що забезпечує симетрію шва).
В умовах монтажу допускається однобічне зварювання з підварюванням кореня шва та зварювання на металевій підкладці, що залишається;
-
забезпечення вільного доступу до зварного з'єднання з урахуванням обраного способу та технології зварювання;
-
використання високопродуктивних максимально автоматизованих способів зварювання;
-
при динамічних навантаженнях напливи металу шва, які виступають за межі поверхні з'єднуваних елементів, рекомендується знімати механічною обробкою. Це, разом з використанням тимчасових вивідних планок, дає змогу позбутися навіть тих невеликих концентрацій напружень, які властиві стиковим швам.
4.2.4. З’єднання кутовими швами
З 'єднання кутовими швами виконуються внапуск, коли один елемент накладається на інший, за допомогою накладок, у тавр і кутом (рис. 4.10).
Рис. 4.10 - З'єднання кутовими швами: а – внапуск; б – за допомогою
накладок; в – у тавр; г – кутове
З'єднання може бути виконане фланговими чи лобовими швами, а також їх поєднанням.
4.2.5. З’єднання фланговими швами
З'єднання на флангових швах (рис. 4.11, а) характеризуються нерівномірним розподілом напружень як по ширині з'єднання, так і по його довжині. Оскільки шви, через які передаються зусилля, розміщені на краях з'єднуваних елементів, то в цих місцях спостерігається концентрація напружень (рис. 4.11, б). Окрім цього, основна частина зусилля передається поблизу кінців шва (рис. 4.11, в). При довгих флангових швах їхня середня частина практично не бере участі у передачі зусиль. Тому у розрахунку враховують довжину шва, яка не перевищує деякого розрахункового значення . Шви руйнуються від кінців, де діють найбільші напруження, до середини. Визначено два види руйнування:
Рис. 4.11 - З'єднання на флангових швах: а – план з'єднання; б – епюра нормальних напружень у перерізі 1-1 елемента 1; в – епюра дотичних
напружень у шві, переріз 2-2
| -
за наплавленим металом шва приблизно по бісектрисі кута (переріз 1-1, рис. 4.12);
-
за межею сплавлення (переріз 2-2, рис. 4.12).
Навантаження будь-якого характеру завжди спричинюють зріз металу на одній з цих площин. Площа зрізу становить:
для площини 1
(4.9)
для площини 2
(4.10)
|
де коефіцієнти переходу від катета шва до ширини відповідної площини руйнування; розрахункова довжина шва.
Значення коефіцієнтів та залежать від глибини проплавлення металу, що, в свою чергу, зумовлено видом зварювання та положенням елементів при зварюванні. Наприклад, автоматичне і напівавтоматичне зварювання виконують більшою силою струму, ніж ручне, тому глибина плавлення металу більша і значення коефіцієнтів відповідно вищі. Діапазон зміни коефіцієнтів: = 0,7...1,10, = 1,00...1,15. Конкретні числові значення приймають згідно зі СНиП П-23-81*.
Рис. 4.12 - Розрахункова схема
кутового шва: 1, 2 – розрахункові
перерізи за наплавленим металом та
межею сплавлення
|
Значення розрахункової довжини кутового шва обчислюють аналогічно стиковому з урахуванням непроплавлення і кратеру.
(4.11)
де геометрична довжина шва.
Щоб пом'якшити концентрації напружень на кінцях шва, а також винести зони непроплавлення та кратера за межі довжини
|
шва, рекомендується заводити кутові шви за торці з'єднуваних елементів на 15...20 мм (рис. 4.10, б).
Флангові шви розраховують за середніми значеннями дотичних напружень зрізу у зазначених площинах 1 та 2. Таким чином, перевірки міцності з'єднання під дією осьової сили (рис. 4.11) матимуть вигляд:
за наплавленим металом:
(4.12)
за межею сплавлення:
(4.13)
де кількість швів;
розрахункові опори металу шва відповідно за наплавленим металом та межею сплавлення; коефіцієнти умов роботи шва.
Згідно з рекомендаціями норм приймають такі розрахункові опори:
; (4.14)
, (4.15)
де нормативний опір наплавленого металу шва, який залежить від типу електродів чи марки зварювального дроту; коефіцієнт надійності за матеріалом для наплавленого металу шва.
Перевіряючи міцність флангових швів, необхідно пам'ятати, що їх розрахункова довжина не повинна перевищувати значень:
. (4.16)
Матеріали для зварювання вибирають відповідно до марки сталі елементів, які з'єднуються, та наявного технологічного обладнання з урахуванням групи конструкції й кліматичного району будівництва. При цьому мають виконуватися умови:
для сталі з межею текучості до 285 МПа – ,
при ручному зварюванні – , але водночас ;
для сталі з межею текучості понад 285МПа .
|