Соединение внахлестку может осуществляться с накладками и без них при помощи угловых швов.
В зависимости от расположения по отношению к действующим усилиям угловые швы могут быть: фланговые (расположенные параллельно усилию) и лобовые или торцовые (расположенные перпендикулярно усилию).
Соединение внахлестку с фланговыми швами
Простейшим соединением этого типа является конструкция, показанная на фигуре. Передача усилия в нем с одного элемента на другой протекает весьма неравномерно как по длине шва, так и по поперечному сечению соединения. На фигуре, а показан поток силовых линий, концентрирующихся у концов швов, а на фигуре, б — диаграмма распределения напряжений по длине шва.
Соединения с фланговыми швами
Опытами и теоретическими исследованиями доказано, что чем длиннее шов, тем больше неравномерность пере дачи усилия по его длине. Однако при статической нагрузке и при не очень длинных швах после достижения в крайних точках швов напряжений, равных пределу текучести, при дальнейшем нагружении неравномерность в распределении напряжений по длине шва уменьшается, эпюра напряжений выравнивается и раз рушение происходит по всей длине шва путем среза по поверхности, характеризуемой линией АВ.
Эта линия имеет криволинейные участки в начале и конце (у наиболее напряженных точек) и прямолинейный участок по середине шва. Такой вид разрушения позволяет положить в основу расчета допущение о равномерном распределении напряжений среза по минимальной площади сечения шва, проходящей через наименьшую высоту условного треугольника шва (без учета наплыва, фигуре, г).
При равных катетах шва эта высота равняется
где через hш обозначен размер катета (толщина) шва. Таким образом, площадь среза фланговых угловых швов будет, равна
где ∑lш — сумма расчетных длин сварных швов.
Из-за наличия непровара вначале и кратера в конце шва, а также из-за большего влияния случайных включений на малой длине шва, где трудно обеспечить хороший провар его, наши нормы и технические условия не разрешают, чтобы расчетная длина шва была меньше 40 мм или меньше 4hш.
Предположение о равномерной работе фланговых швов будет I неправильным при очень длинных швах, так как возможно достижение предела прочности в точках А и В раньше, тем выровняются напряжения по всей длине шва.
Поэтому НиТУ ограничивают наибольшую расчетную длину фланговых швов в соединениях длиной, равной l ≤ 60hш за исключением сопряжений, где усилие, воспринимаемое фланговым швом, возникает на всем его протяжении (например, поясные швы балки). В последнем случае длина флангового шва не ограничивается. I Прочность фланговых швов зависит также от их толщины, причем с увеличением катета шва предел прочности их несколько падает.
Толщина шва также нормируется и принимается не белее 1,5δ в конструкциях, работающих под статической нагрузкой, и 1,2δ — в конструкциях, работающих под динамической нагрузкой (δ — наименьшая толщина соединяемых элементов). Желательно при проектировании избегать применения швов толщиной более 20 — 25 мм. Минимальная толщина швов принимается равной 4 мм.
Расчет соединения внахлестку с фланговыми швами, находящегося под воздействием осевой силы, при принятом допущении о равномерном распределении касательных (срезывающих) напряжений тшпроизводится по формуле
где N — расчетная нормальная (осевая) сила в кг;
hш — толщина (катет) шва в см;
lш — расчетная длина шва в см;
Rсву — расчетное сопротивление срезу сварного углового шва в кг/см2, принимаемое по таблице Расчетные сопротивления сварных швов в кг/см;
m — коэффициент условий работы конструкции или элемента.
Обычно толщину шва hш назначают равной толщине соединяемых элементов или несколько меньше ее; таким образом, рас четом определяется необходимая минимальная суммарная дли на швов, которая получается по формуле
Конструктивная длина шва должна быть больше расчетной да 10 — 20 мм, чтобы компенсировать образование кратера на конце шва и не всегда хороший провар в начале шва.
Пример 1. Требуется рассчитать стык двух листов из стали марки Ст. 3, сечением 250 X 12 мм на растягивающее расчетное усилие N = 56,7 т. Конструкция стыка запроектирована с двумя накладками, приваренными фланговыми швами. Коэффициент условий работы элемента m = 1.
Расчет стыка двух листов из стали
Решение.
1. Назначаем необходимое сечение накладок. Очевидно, что площадь сечения двух накладок (2Fн) должна равняться основному сечению листа (Fл) или быть несколько больше его, иначе усилие N не сможет быть передано с одного листа на другой, т. е. должно быть 2Fн ≥ Fл.
Конструктивно назначаем сечение накладок 200 X 8 мм; тогда
2Fн = 2 * 20 * 0,8 = 32 см2, Fл = 25 * 1,25 * 30 см2;
таким образом, 2Fн > Fл.
2. Назначаем тип электрода Э42.
Тогда расчетное сопротивление срезу сварного углового шва будет со гласно таблице Расчетные сопротивления сварных швов в кг/см равняться Rсву = 1400 кг/см2. Для накладок толщиной 10 мм принимаем фланговые швы толщиной hш =8 мм.
3. Находим суммарную расчетную длину швов с одной стороны стыка по формуле (4. IV)
4. Находим длину стыковой полунакладки. По одну сторону стыка две полунакладки привариваются четырьмя фланговыми швами. Следовательно, расчетная длина одного шва должна быть не меньше
Конструктивную длину шва следует назначить несколько большей, учитывая кратер в конце шва и возможный непровар в начале шва, а также зазор между листами и необходимость округления проектного размера до практически удобной цифры.
Назначаем конструктивную длину шва
5. Принимаем две стыковые накладки сечением 200 X 8 мм, длиной lш = 200 * 2 = 400 мм; толщина шва hш=8 мм.
При прикреплении фланговыми швами несимметричного сечения, например двух уголков к листу, необходимо учитывать неравномерное распределение усилия, действующего, в соединении, между швами, передающими силовой поток с уголков на лист.
Растягивающую уголки силу N можно рас сматривать как равнодействующую силового потока нормальных напряжений, приложенную в центре тяжести сечений уголков.
Несимметричное соединение внахлестку
Линия центров тяжести проходит несимметрично относительно сварных швов, расположенных у обушка и пера уголка. Поэтому площадь сечений швов у обушка и пера уголка также должна быть различной в соответствии с распределением силового потока.
Очевидно, что усилие N распределится обратно пропорционально расстояниям сварных швов до линии центра тяжести уголка, которая проходит на расстоянии от обушка, близком к 1/3 ширины полки.
Поэтому распределение усилия N может приниматься следующее:
Тогда формула, определяющая расчетную длину ∑l1 прикрепления уголков у обушка, получится из формулы
где hш — толщина шва у обушка.
Поскольку усилие со стороны пера уголка значительно меньше, шов у пера мог бы быть прерывистым. Однако обычно этот шов заваривают по всей длине пера, причем часто его принимают меньшей толщины. Обрезать полку уголка для уменьшения длины шва l2 не рационально; уголки (за редким исключением) следует обрезать перпендикулярно оси.
Пример 2. Требуется рассчитать прикрепление двух уголков 75 X 8 к фасонке толщиной δ = 10 мм. Расчетное растягивающее усилие в уголках N = 42,5 г.
Материал — сталь марки Ст. 3; электроды типа Э42. Коэффициент условий работы m = 1.
Расчет прикрепления двух углов к фасонке
Решение. Определяем расчетную длину l1 по формуле (5.IV), принимая толщину шва hш = 0,8 см. Вследствие наличия двух уголков и соответственно двух швов длиной l1 расположенных у обушков уголков, будем иметь
Принимаем l1 = 181 + 19 = 200 мм.
При конструировании в случае необходимости можно уменьшить раз меры фасонки, как указано пунктиром на фигуре, учитывая возможное уменьшение длины l2 по сравнению с l1.
Несмотря на некоторые отрицательные качества соединений с фланговыми швами (неравномерность в распределении напряжений), они применяются весьма часто. Причина этого заключается в несколько большей их пластичности по сравнению с другими видами соединений вследствие происходящей во время работы деформации среза, поскольку модуль упругости при сдвиге (G = 840 000 кг/см2) меньше, чем модуль упругости при растяжении (E = 2 100 000 кг/см2).
«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов