Расчеты сварных конструкций по предельным состояниям
При расчете сварных конструкций на прочность существует два принципа расчета. Первый - оценка несущей способности конструкций и соединений по предельным состояниям, второй - по допускаемым напряжениям. Первый применяется при расчете строительных конструкций, второй - машиностроительных и трубопроводов.
Принцип расчета строительных конструкций по предельным состояниям заключается в том, что указанные конструкции рассчитывают на такие силовые воздействия, при которых они перестают удовлетворять требованиям, заданным при их проектировании.
В зависимости от вида конструкции, ее назначения и эксплуатационных требований различают две группы предельных состояний. Первая группа характеризуется потерей несущей способности или непригодности к эксплуатации сварной конструкции. К ней относятся: разрушение любого характера (хрупкое, вязкое и т. д.), возникающее под воздействием силовых факторов или неблагоприятного влияния внешней среды или того и другого вместе; качественное изменение конфигурации конструкции, делающее невозможным дальнейшую ее эксплуатацию; появление ползучести, чрезмерного раскрытия трещин, текучести металла и т. п. Иными словами, появление первой группы предельных состояний требует прекращения эксплуатации конструкции. Вторая группа предельных состояний не прекращает, но затрудняет нормальную эксплуатацию конструкций. В этом случае снижается долговечность конструкций или в ней появляются недопустимые перемещения, например прогибы.
При расчете по предельным состояниям за основные характеристики сопротивления стали силовым воздействиям приняты нормативные сопротивления, которые устанавливаются исходя из механических свойств материала. В качестве нормативных сопротивлений принимаются наименьшее значение предела текучести стали и наименьшее значение временного сопротивления разрыву.
Так как свойства металлов имеют определенную неоднородность, связанную с химическим составом, методами выплавки и проката, конфигурацией профиля и другими причинами, расчетные сопротивления сталей при работе на растяжение, сжатие и изгиб определяют путем деления нормативных сопротивлений на величину, называемую коэффициентом надежности по материалу. Величина указанного коэффициента: для низкоуглеродистых сталей 1,025-1,05 (прокат), для низколегированных повышенной прочности 1,05-1,1 и для сталей высокой прочности 1,1-1,5. Таким образом, расчетное сопротивление для низкоуглеродистых сталей составляет в среднем 0,9 от нормативного.
Действительная работа материалов, элементов конструкций и соединений имеет ряд особенностей, которые отличают ее от чисто теоретических предпосылок. Необходимо учитывать дополнительно длительность и повторяемость силовых воздействий на конструкцию, технологию ее изготовления, условия эксплуатации и другие факторы. С этой целью вводится коэффициент условий работы, устанавливаемый на основе экспериментальных и теоретических данных.
Был введен коэффициент надежности по назначению конструкций, учитывающий специфический характер работы конкретных конструкций, степень ответственности зданий и сооружений. Его назначение зависит от степени ответственности и капитальности зданий, а также значимости последствий наступления тех или иных предельных состояний. Этот коэффициент учитывают при определении расчетных сопротивлений стали или для корректировки расчетных нагрузок.
Целесообразно учитывать коэффициенты условий работы и надежности по назначению при определении расчетных сопротивлений стали, причем коэффициент надежности по назначению необходимо вводить во все выполняемые расчеты, а коэффициент условий работы вводят в зависимости от типа конструктивного элемента и условий его работы.
Расчетное сопротивление для сварных соединений определяют в зависимости от величины расчетных сопротивлений основного металла. При этом расчетное сопротивление зависит от конструктивных особенностей соединения, технологии его выполнения и характера нагрузок.
Определение расчетных сопротивлений для угловых швов зависит от ориентации шва относительно направления действующего усилия, причем в расчет принимаются наиболее неблагоприятные условия (фланговый шов). Установлены два расчетных сопротивления - по металлу шва и по металлу границы оплавления, исходя из вариантов возможного характера разрушения.
Расчетные сопротивления угловых швов срезу по металлу границы сплавления определяют, исходя из нормативного сопротивления стали свариваемых элементов, причем, если сварное соединение выполняют из сталей с различными прочностными характеристиками, принимают наименьшие значения прочности.
Расчетные сопротивления металла шва устанавливают в зависимости от применяемых сварочных материалов.
Расчеты сварных конструкций по допускаемым напряжениям
Расчет прочности при проектировании машиностроительных сварных конструкций и трубопроводов производится по допускаемым напряжениям. Так же, как и расчетные сопротивления при проектировании строительных конструкций, величина допускаемых напряжений зависит от следующих условий:
1. Свойства материалов могут изменяться в зависимости от способа их производства, изменения химического состава в пределах нормативных значений, методов и способов обработки. Например, выплавка стали может производиться в конвертерах и в электропечах, во втором случае ее свойства будут выше; химический состав стали может быть выдержан как по верхнему, так и по нижнему пределу содержания элементов, в соответствии с ГОСТом; сталь может подвергаться термообработке, изменяя при этом свои свойства. Поэтому чем выше механические свойства материала, тем выше допускаемые напряжения.
2. Чем выше точность производимых расчетов, допускаемые напряжения тем выше. В свою очередь, точность расчетов зависит от совершенства теории, положенной в основу этих расчетов, а также от степени учета всех нагрузок, действующих на конструкцию, так как иногда бывает чрезвычайно сложно учесть все возможные варианты, особенно в их взаимодействии.
3. От вида усилий - растяжения, сжатия, изгиба и среза (характер зависимости будет изложен ниже).
4. От качества технологического процесса, которое в первую очередь влияет на определение допускаемых напряжений в сварных соединениях, сварных швах. В связи с переходом ручных способов сварки к механизированным и автоматизированным повышается допускаемое напряжение. Тому же способствует и общее повышение культуры производства, применение эффективных режимов сварки, оснастки и приспособлений, контроля за исполнением заданного технологического процесса.
5. Большое значение имеет также характер нагрузок, при которых работает конструкция. Наибольшее значение допускаемые напряжения имеют при статической нагрузке, при переменных нагрузках его величина уменьшается.
В итоге допускаемое напряжение, условно принимаемое в качестве разрушающего, рассчитывают с учетом коэффициента запаса прочности, который всегда больше 1. Обычно его принимают = 1,4-1,6.
Допускаемое напряжение при растяжении называется основным, так как допускаемые напряжения при других видах усилий определяются как производные от него.
Основное допускаемое напряжение при статическом нагружении определяется в зависимости от предела текучести.
Величина допускаемого напряжения при сжатии зависит от конструктивных особенностей проектируемой конструкции.
Допускаемые напряжения в сварных швах устанавливают в зависимости от допускаемых напряжений основного металла, соблюдая при этом принцип равнопрочности. Если сваривают элементы конструкции из разных марок стали, при расчете принимаются меньшие значения допускаемых напряжений.
Механизация сварочных процессов, применение высококачественных сварочных материалов позволяют улучшить механические свойства соединений и тем самым повысить допускаемое напряжение. Сварные соединения низкоуглеродистых и низколегированных сталей, выполненных электродуговой сваркой, можно условно разделить на три группы.
К первой группе относятся сварные швы, у которых механические свойства наплавленного металла и околошовной зоны идентичны свойствам основного металла. Это сварные швы, выполненные механизированными и автоматизированными способами сварки, а также ручной сваркой с использованием электродов типа Э42А, Э46А и Э50А. Ко второй группе относятся сварные швы, выполненные электродами обычного качества. Третью группу составляют сварные швы сталей, обладающих специальными свойствами: высокопрочных, коррозионно-стойких, хладостойких и т. д. В этом случае механические свойства металла шва или околошовной зоны отличаются от свойств основного металла.
Допускаемые напряжения для сварных швов третьей группы назначаются на основе экспериментальных данных с учетом результатов испытаний, проведенных на образцах и макетах в условиях, близких к реальным.
При стыковой контактной сварке, когда технологический процесс позволяет получить с достаточной степенью надежности высокие механические свойства сварных соединений, не допускаемые напряжения могут быть приняты равными таковым при дуговой сварке.
Допускаемые напряжения для сварки сталей специальными способами определяются аналогично третьей группе соединений, на основе экспериментальных данных в каждом конкретном случае.