Расчёт устойчивости сварных конструкций

    1.3.Типовые  сварные конструкции 

    Балочная  конструкция – это ферма со сплошными стенками из листового металла, сварной конструкции. Балки бывают различного сечения – от двутавровых до коробчатых.

    Они применяются на подкрановых путях  мостовых кранов, в мостах, эстакадах, в различных сооружениях и  перекрытиях промышленного и  гражданского строительства.

    Балки собирают на стеллажах, стендах, в кондукторах  и различных других приспособлениях, но если характер производства единичный, то по разметке.

    Балки отличаются большой протяженностью швов, даже по длине ребер, которые  бывают до 1,5 м, поэтому сварка их производится автоматами под флюсом или в защитном газе, или в смеси газов: аргон (85%) + углекислый газ (15%) – это когда  сталь легированная и повышенные требования к качеству сварки.

    В балках также выполняются сначала  стыковые швы (особо при монтажной стыковке), затем – остальные. Ребра жесткости в балках, как правило, свариваются с одной стороны и не по всему периметру торца ребра.

    Ребра в балке устанавливают для  придания большей устойчивости стенке, высота которой бывает до 1 м и  более. Если не будет ребер жесткости, то балка по стенке может прогнуться под рабочей нагрузкой и потерять устойчивость. Назначение ребер –  только придание жесткости, поэтому  прочность сварных швов должна быть в пределах устойчивости ребра и  излишние швы лишь ухудшат конструкцию  избыточным нагревом и внутренними  напряжениями. В балочных конструкциях не должно быть швов поперек балки, чтобы не создавать зону перегрева около шва от сварки, которая значительно ухудшит эксплуатационные качества. Еще одно принципиальное дополнение – не должно быть швов с замкнутым контуром (типа кольцевого шва). 

    К решетчатым конструкциям относятся сварные стрелы, стойки различных грузоподъемных кранов, фермы конвейеров и различных перекрытий, мачты, стоики, опоры и подобные конструкции. Решетчатые конструкции изготовляют в основном из профильного проката: уголков, труб, швеллеров. Особенность этих конструкций – короткие по протяженности швы, нахлесточные и угловые соединения. Для сварки решетчатых конструкций применяют ручную дуговую, полуавтоматическую сварку в углекислом газе, как более маневренную и удобную в работе. В решетчатых конструкциях до 40% швов, неудобных по доступности. Обычно толщина свариваемого металла 5-12 мм. При сборке решетчатых конструкций редко бывают стыковые соединения, но если они есть, то их сварку нужно соединениях максимальная случае образование трещин выполнять в первую очередь, так как в этих.

    Сварку  швов следует выполнять «вразброс» для уменьшения сосредоточенного нагрева  в одной зоне.

    Обычно  решетчатые конструкции собирают в  специальных стендах, кондукторах, но иногда, при единичном производстве, - на плитах, стеллажах по разметке вручную. Длина прихваток 20-30 мм, прихватки  накладывают повышенным током, сечением 0,5 от шва и только в местах, подлежащих сварке. Для прихватки используются те же материалы, что и для сварки узла. 

    Существует  масса сварных листовых конструкций, начиная от сложных несущих рам, баков, балок, мостов, стоек и до очень простых конструкций, например, бытовой бак для воды.

    Цилиндрические  резервуары для различных жидкостей, в том числе и для нефтепродуктов, изготавливают из листовой стали. Из листов делают барабаны паровых котлов высокого давления с толщиной стенок до 100 мм. Такие толщины сваривают электрошлаковой сваркой.

    При сварке конструкций применяются  стыковые и нахлесточные соединения. В резервуарах вертикальные (поперечные) соединения выполняют стыковыми, а  круговые соединения поясов – нахлесточными, так как очень сложно обеспечить сборку этих соединений встык без зазоров, особенно при больших диаметре и высоте.

    На  изготовление различных ответственных  сосудов, барабанов и котлов, работающих под давлением, объектов нефтехимической  промышленности, грузоподъемных устройств, газопроводов и других изделий распространяются нормы и правила Госгортехнадзора и других органов надзора за техническим  состоянием и надежностью опасных  технических устройств.

    На  сварку судовых корпусных конструкций  технические условия устанавливаются  правилами Речного или Морского Регистра России.

    Кроме сталей для изготовления листовых конструкций  применяют и цветные металлы. В кислородном машиностроении используют медь и латунь, в производстве цистерн для перевозки кислот, пищевых продуктов, корпусов судов на подводных крыльях – алюминий и его сплавы, в химическом машиностроении – жаропрочные и жаростойкие, кислотостойкие хромоникелевые стали. Для сварки этих конструкций служит в основном сварка в защитных газах, а также нержавеющие электроды.

 

    2.РАСЧЕТНО-ПРОЕКТНАЯ  ЧАСТЬ 

    2.1.Расчет устойчивости стоек 

    Расчет  на прочность и устойчивость стоек, работающих при центральном сжатии, производится по формуле

    (1)

    При введении в расчетную формулу  коэффициента φ<1 обеспечивается расчетная устойчивость сжатого элемента при продольном изгибе. Величина φ<1 зависит от гибкости сжатого элемента.

    Гибкостью λ называется отношение свободной длины элемента lк радиусу инерции rпоперечного сечения гибкого элемента:

                                                          (2)

    Радиус  инерции

    (3)

     В направлении, где радиус имеет  наименьшее значение, гибкость элемента наибольшая. Для конструкции, шарнирно закрепленной по концам (рис.2.1,а), свободная длина принимается равной длине стойки. При этом гибкость стойки определяется формулой (2). Примерами подобных конструкций могут служить элементы сжатых поясов ферм.

    В конструкции, имеющей один защемленный  конец (рис.2.1, б), гибкость

                                                         (4) 

    У стоек с защемленными концами (рис.2.1,в), один из которых (нижний) неподвижен, а  другой (верхний) обладает продольной подвижностью,

    (5) 

    Во  избежание местной потери устойчивости стенку стойки подкрепляют продольными  ребрами жесткости.

    Значения  коэффициентов φ, согласноСНиП, определяют по таблице 1 в зависимости от гибкости элемента λи от величины расчетного сопротивления R, которое принимается R≈0,9.

    Таблица 1

    Коэффициенты  φпродольного изгиба  центрально-сжатых элементов

Примечание. Значениякоэффициентовφ в таблице увеличены в 1000 раз.

    Часто напряжения в сжатых элементах проверяют  по преобразованной формуле

    .                                   (6) 

    При этом произведении называют приведенной площадью сжатого элемента. Трудность подбора сечения сжатого элемента при заданном значении силы N состоит в том, что допускаемое напряжение является функцией коэффициента φ, а последний зависит от поперечного сечения, которое еще не подобрано.

    Для подбора поперечного сечения  стоек пользуются методом последовательного приближения. Первоначально задаются коэффициентом в зависимости от рода конструкции. Можно принять среднее значение . По заданному коэффициенту определяют требуемую площадь поперечного сечения элемента, пользуясь (1). Затем проектируют сечение, которое обозначим , находим в нем наименьшее значение момента инерции , наименьший радиус инерции , наибольшую гибкость и коэффициент , соответствующий значению . Определяют напряжение в спроектированном сечении , которое должно быть близким к в пределах ±5%. В противном случае размеры поперечных сечений элементов изменяют в требуемом направлении. Обычно на второй или третьей стадии подбора сечения результаты оказываются удовлетворительными.

 

Таблица 2

Двутавровые балки (по ГОСТ 8239-89*) 

* ГОСТ с изменениями.

 

    Задание:

    Подобрать двутавровое сечение стойки, если ее длина l=7 м, сжимающая нагрузка P=10 т. Концы стойки закреплены шарнирно, материал – сталь 30 (R=210 МПа), φ=0,6.

    Решение:

    Требуемая площадь поперечного сечения  стойки определяется по формуле (1)

    . 

    Коэффициент условий работы (по СНиПу) для колонны  может быть равен 1,0. Поэтому R равно допускаемому напряжению .

    Принимаем в качестве первого варианта, что  сечение сконструировано в форме  сварочного двутавровая из двух листов размерами 64x4,8 мм и одного листа размером 120х4,8 мм. Площадь сечения A=14,7см².

    Момент  инерции смотрим по таблице 2.  =350 см⁴

    Наименьший  радиус инерции

    .

    Гибкость  определяется по формуле (2): 

    По  таблице 1 имеем коэффициент φ=0,376.

    Напряжение

      МПа. 

    Напряжение  сжатия меньше допустимого , равного 210 МПа. Сечение подобрано хорошо. 
 

 

    3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    При разработке сварных конструкций  необходимо обеспечить комплекс общих  и специальных требований по точности, экономичности и рациональности.

    Главное требование – это соответствие эксплуатационному  назначению.

    Конструкции должны быть прочными, жесткими и надежными, а также экономичными и минимально трудоемкими при изготовлении и монтаже.

    Каждая  конструкция проходит три этапа: проектирование, изготовление и сборку (или монтаж).

    Проектирование  начинается с вариантов компоновки возможных схем конструкции и  заканчивается методами изготовления, сборки или монтажа.

    Конструкция должна обладать устойчивостью долговечностью, надежностью – по показателям  наработки; ремонтопригодностью и  технологичностью изготовления.