расчет сварных швов на прочность

Расчет сварных швов на прочность. Общие данные.

Рис 1 - сварной шов

Таблица 1 - расчетное сопротивление сварных соединений (согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции", табл.4)

Таблица 2 - определение временного сопротивления разрыва шва (согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции")

 

Согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции", таблица 4 получается: сварные швы "с угловыми швами", характеристика расчетного сопротивления шва - по металлу шва и по металлу границы сплавления; срез условный; Rwf = 0,55*Rwun / Ywm = 0,55*410 / 1,25 = 180,4МПа * Yc = 180,4 * 1,1 (Yс - коэффициент условия работы элементов и соединений стальных конструкций, табличные данные) =198,44 МПа - по металлу шва.

Rwz=0,45*Run = 0,45 * 360 =  162 МПа * 1,1 = 178,2 МПа - по границе сплавления металла.

Для расчета берем наименьшее значение - 178,2 МПа.

 

Значения коэффициентов надежности по металлу шва Ywm следует принимать:

Ywm = 1,25 - при Rwun ≤ 490 Н/мм2 (4900 кг/см2)

Ywm = 1,35 - при Rwun ≥ 590 Н/мм2 (5900 кг/см2)

Таблица 3 - коэффициенты условий работы Yс

 

Берем пункт 6, элементы конструкций из стали с пределом текучести до 440МПа, несущие статическую нагрузку, при расчете на прочность по сечению, ослабленному отверстиями для болтов (кроме фрикционных соединений) - Yс=1,10

 Таблица 4 - расчетное сопротивление для стали

 

Разрушение углового сварного шва может произойти в двух плоскостях: по металлу шва, по границе сплавления, следовательно расчет угловых швов производится для этих двух сечений.

 

Много интересного в книге "Примеры расчета металлических конструкций" автор А.П.Мандриков, смотри ссылку.

 Рис 2 -  сечение угловых швов, А.П. Мандриков

 

На рисунке показано сечение по границе сплавления, по металлу, катет шва Kf, безразмерный коэффициент Bz, Bf

 Рис 3 -  срез и изгиб углового шва

 

Тавровое сварное соединение рассматриваем как угловой шов.

 

При действии на угловые швы изгиба и среза, смотри рисунок 3, суммарные напряжения проверяют по формуле (Мандриков А.П.):

 

Gf= (τwf ^2 + Gwf ^2)^0,5 ≤ Rwf *Ywf*Yc - по металлу шва

 

Gz = (τwz ^2 + Gwz ^2)^0,5 ≤ Rwz *Ywz*Yc - по металлу границы сплавления

 

где τwf = N / (Bf*Rf) * ∑Lw;

 

τwz = N / (Bz*Rf) * ∑Lw;

 

Gwf = M / Ww = 3*N*L / (Bf*Rf) * Lw^2;

 

Gwz = M / Ww = 3*N*L / (Bz*Rf) * Lw^2

 

Катет шва Rf должен быть не менее 4мм. и не более 1,2 меньшей из толщин свариваемых элементов. Расчетная длина шва - не менее 4*Rf, но не менее 40мм.

 

Рассмотрим пример, согласно рисунка 3, относ составляет Lотнос = 150мм.

Нагрузка N = 500 кг. = 5000 Н.

Длина шва Lшва = Lодного шва - 2*t (толщина наименьшей из свариваемых деталей) =

= 100 - 2*6 = 88мм. Суммарная длина шва = 88 * 2 (количество швов) = 176 мм.

 

τwf = N / (Bf*Rf) * ∑Lw = 5000 Н / (0,7*6 мм) * 176 мм. = 6,76 Н/мм2;

 

τwz = N / (Bz*Rf) * ∑Lw = 5000 Н / (1,0*6 мм.) * 176 мм. = 4,73 Н/мм2;

 

Gwf = M / Ww = 3*N*L / (Bf*Rf) * Lw^2 = 3 * 5000 Н * 150 мм. / (0,7 * 6) * 176мм.^2 =

2250000 Н*мм. / 130099,2 мм3 = 17,29 Н*мм2;

 

Gwz = M / Ww = 3*N*L / (Bz*Rf) * Lw^2 = 3 * 5000 Н * 150 мм. / (1,0 * 6) * 176мм.^2 =

2250000 Н*мм. / 185856 мм3 = 12,11 Н*мм2;

 

Gf = (τwf ^2 + Gwf ^2)^0,5 = (6,76^2 + 17,29^2)^0,5 = 18,56 Н/мм2 < 198,44 Н/мм2, условие выполняется - по металлу шва

 

Rwf *Ywf*Yc = 180,4 * 1,0 * 1,1 = 198,44 Н/мм2

 

Rwz *Ywz*Yc = 162 * 1,0 * 1,1 = 178,2 Н/мм2

 

Rwz = 0,45 * Run = 0,45 * 360 = 162 Н/мм2

 

Ywf и Ywz - коэффициенты работы шва, равный 1,0

 

Gz = (τwz ^2 + Gwz ^2)^0,5 = (4,73^2 + 12,11^2)^0,5 = 13 Н/мм2 < 178,2 Н/мм2, условие выполняется - по металлу границы сплавления.

 

Согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции" пункт 14.1.17 расчет сварных соединений с угловыми швами при действии момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, следует выполнять на срез (условный) по одному из двух сечений:

 

по металлу шва М / (Wf*Rwf*Yc) = 750000 / 43366,4*180,4*1,1 = 0,0871 ≤ 1;

 

по металлу сплавления шва М / (Wz*Rwz*Yc) = 750000 / 61952*180,4*1,1 = 0,0610 ≤ 1;

 

Wf и Wz - моменты сопротивления расчетных сечений сварного соединения по металлу шва и по металлу границы сплавления соотвественно.

 

Wf = 2 * (Bf*Kf*Lw^2) / 6 = Bf*Kf*Lw^2 / 3 = 0,7*6мм.*176мм.^2 / 3 = 43366,4 мм3

 

Wz = 2 * (Bz*Kf*Lw^2) / 6 = Bz*Kf*Lw^2 / 3 = 1,0*6мм.*176мм.^2 / 3 = 61952 мм3

 

M = N * Lотнос = 5000 Н * 150мм. = 750000 Н*мм.

 

Определим максимальную нагрузку на 40мм. двухсторонний (по 20мм. на сторону), угловой сварной шов, катет шва 6мм. -  290кг.

 

Условие 194,96 < 198,44 МПа

 

Условие 136,47 < 178,2 МПа

 

Статья дана для сведения.

 

Что получилось в расчетной программе. Напряжение точечное - 925 МПа. В сварном шве - в зеленой зоне 123 МПа, в желтом секторе - 178 МПа, в красном секторе -  500 - 600МПа. На металле - 500 - 600 МПа. Смотри рисунок 4 и 5.

 Рис 4 -  напряжение в сварном шве

Рис 5 -  напряжение в сварном шве

Рис 6 -  сварной шов на объекте, окалина