З'єднання металевих конструкцій

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.
  

• 
  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.
  

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).
  

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

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)

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:

Коли ж у з'єднанні одночасно діють нормальні та дотичні напруження, то перевірку виконують за зведеними напруженнями:

Рис. 4.9 - Розрахункова епюра дотичних напружень у стисковому шві від дії перерізувальної сили

(4.8) де величини , , визначають, як це за­значено вище; 1,15 – коефіцієнт, що враховує зміну міцності матеріалу при складному напру­женому стані.

• 
  правильний добір матеріалів для зварювання;
  
• 
  повний провар товщини з'єднуваних елементів (при цьому доцільним є зварювання з обох боків, що забезпечує симетрію шва).
  

• 
  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.
  

З'єднання кутовими швами виконуються вна­пуск, коли один елемент накладається на інший, за допомогою накладок, у тавр і кутом (рис. 4.10).

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

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:

де кількість швів;

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 .