{{l10n_strings.DRAG_TEXT_HELP}}

{{l10n_strings.AUTHOR_TOOLTIP_TEXT}}

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.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.

Линейка для расчета катетов угловых и тавровых швов

Линейка сварщика используется при расчете катетов угловых и тавровых сварных соединений. В документации на изготовление металлоконструкции с угловыми и тавровыми СС закладывается размер катета углового шва от которого во многом зависит прочность будущего изделия. При ассиметричном (тупом или остром) сварном соединении, размер катета надо рассчитывать по известному углу сборки и толщине изделия при помощи тригонометрические функции или по логарифмической линейке. Использование линейки сварщика дает возможность расчета катета без дополнительных приспособлений.

При контроле готовых сварных соединений, линейка может быть использована в комплекте с шаблоном сварщика Skew-T применяемого для контроля параметров угловых и тавровых соединений сваренных под углом больше или меньше 90°. Основное конструктивное отличие данной модели это удлинённая планка дающая возможность проводить измерения там, где не могут быть использованы шаблоны других конструкций. Такой карманный калькулятор в комплекте с шаблоном Skew-T может быть полезен дефектоскопистом и надзорным органам в случаях когда необходимо оперативно рассчитать размер катета и тут же сверить действительное значение с предписаниями нормативов (в том числе ГОСТ 23518-79)

Подпишитесь на наш канал

Купить шаблоны сварщика УШС-2, УШС-3, УШС-4, ШПС-1, WG1, WG2, Красовского, Ушерова-Маршака можно по цене, указанной в прайс-листе. Цена шаблонов сварщика указана с учетом НДС. Шаблон в наличии. Собственное производство. Смотрите также разделы: Измерительный инструмент, Наборы для визуального контроля, Фотоальбомы дефектов по ВИК, Аттестация специалистов по ВИК, Нормативные документы по визуальному контролю.

Линейки сварщика в наличии на складе. Заказать доставку линеек можно до двери либо до терминалов транспортной компании в городах: Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Саратов. Амурск, Ангарск, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Бийск, Брянск, Воронеж, Великий Новгород, Владивосток, Владикавказ, Владимир, Волгоград, Волгодонск, Вологда, Иваново, Ижевск, Йошкар-Ола, Казань, Калининград, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курск, Липецк, Магадан, Магнитогорск, Мурманск, Муром, Набережные Челны, Нальчик, Новокузнецк, Нарьян-Мар, Новороссийск, Новосибирск, Нефтекамск, Нефтеюганск, Новочеркасск, Нижнекамск, Норильск, Нижний Новгород, Обнинск, Омск, Орёл, Оренбург, Оха, Пенза, Пермь, Петрозаводск, Петропавловск-Камчатский, Псков, Ржев, Ростов, Рязань, Самара, Саранск, Смоленск, Сочи, Сыктывкар, Таганрог, Тамбов, Тверь, Тобольск, Тольятти, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Ханты-Мансийск, Чебоксары, Челябинск, Череповец, Элиста, Ярославль и другие города. А так же Республики Казахстан, Белоруссия и другие страны СНГ.

Знания о сварочных работах: проектирование угловых швов

Передовая практика проектирования — это не просто вопрос выбора подходящего размера сварного шва или толщины компонента, способного выдерживать рабочие нагрузки; существует множество аспектов проектирования сварных деталей, которые необходимо учитывать в дополнение к расчету допустимых напряжений. Свариваемость и механические свойства, такие как прочность на разрыв, ударная вязкость и сопротивление усталости, с которыми проектировщик должен быть знаком, были рассмотрены в ряде других статей

В дополнение к выбору материала и указанию размеров сварных швов проектировщик должен помнить, что решения, которые он принимает, напрямую повлияют на стоимость, безопасность и удобство эксплуатации конструкции или компонента.

Следовательно, проектировщику необходимо:

• выбрать наиболее подходящий материал
• выбрать наиболее экономичную конструкцию сварного шва
• спроектировать компонент, который будет свариваться наиболее экономичным способом
• указывает наименьший сварной шов, приемлемый как для эксплуатации, так и для изготовления
• использовать наименьшее количество сварных швов
• убедитесь, что имеется соответствующий доступ как для сварки, так и для осмотра
• гарантирует, что заданы и достижимы реалистичные допуски на размеры

Вышеупомянутые темы связаны с рядом специализированных технологий, поэтому проектировщику важно обращаться за советом к специалистам других профессий, например, к металлургам и сварщикам, а не полагаться исключительно на собственное мнение.Это должно быть сделано до того, как процесс проектирования выйдет за пределы точки невозврата; к сожалению, это часто не так!

Для начала давайте взглянем на некоторые определения. Во-первых, тип соединения или конфигурация которого существует пять основных форм, как показано на Рис.1 . Обратите внимание, что с этими типами соединений не связаны сварные швы.

Рис.1. Типы шарниров

Эти различные типы соединений могут быть соединены только двумя типами сварных швов.Во-первых, стыковой шов, когда сварной шов находится в плоскости соединяемых компонентов, и, во-вторых, угловой шов, когда сварной шов полностью или большей частью находится вне плоскости компонентов (

Рис.2 Типы сварных швов

Стыковой сварной шов может быть объединен с угловым сварным швом для образования составного сварного шва, как показано на Рис. 3 :

Рис.3. Составные швы

Угловые швы, вероятно, являются наиболее распространенным типом сварных швов, особенно при работе со стальными конструкциями, поэтому в этом первом разделе будут рассмотрены некоторые конструктивные особенности угловых швов.Их можно использовать для выполнения тройников, соединений внахлест и угловых соединений (

Рис. 4. Типы односторонних угловых сварных швов

Угловой шов имеет приблизительно треугольную форму, размер определяется шириной сварного шва или длиной плеча, как показано на Рис. 5 .

Рис. 5. Термины, используемые для описания характеристик углового шва

Размеры угловых сварных швов следует указывать предпочтительно с учетом толщины шва «a», хотя часто используется длина ветви «z», и ее легче измерить во время проверки сварного шва.Обычно считается, что длины ветвей имеют одинаковые размеры, при этом сварной шов образует в поперечном сечении равнобедренный треугольник.

Выпуклое скругление обычно нежелательно по двум основным причинам. a) соединение металла сварного шва с основным металлом на носке сварного шва может привести к значительному увеличению напряжения и отрицательно повлиять как на усталостную долговечность, так и на сопротивление хрупкому разрушению; б) наплавка излишка металла шва в крышке требует времени и денег, не влияя на прочность соединения.Угловой сварной шов вогнутой формы может иметь преимущества с точки зрения усталостной прочности, и, если требуется, ДОЛЖНА быть указана минимальная толщина горловины.

Изготовление угловых швов обходится дешевле, чем стыковых, так как не требуется резка или обработка подготовительных швов. Несмотря на то, что они способны выдерживать значительные нагрузки, их не следует использовать там, где приложенные нагрузки вызывают растяжение корня сварного шва, особенно когда нагрузка является динамической — в частности, значительно снижается усталостная долговечность.Если такая нагрузка возможна, двусторонний тройник должен быть выполнен с использованием двух угловых сварных швов ( Рис.6 ).

Рис.6. Предпочтительный тип углового сварного соединения при изгибающих нагрузках

Обычно считается, что сварщику легче выполнить угловой шов, чем стыковой, поскольку сварной шов наплавляют на твердый металл. Однако это не обязательно тот случай, когда требуется полное проплавление в корне сварного шва. Известно, что высококвалифицированные сварщики не проходят квалификационные испытания углового сварного шва, если это является конструктивным требованием.Это важный момент, и он должен быть рассмотрен, во-первых, проектировщиком, который спрашивает, является ли это важным требованием, а во-вторых, изготовителем при определении цены контракта.

Это также поднимает вопрос о том, что угловой сварной шов чрезвычайно сложно исследовать объемным методом с использованием методов неразрушающего контроля для подтверждения его внутренней прочности. Это особенно относится к области корня, где невозможно измерить с какой-либо степенью точности отсутствие плавления, улавливание шлака и т. Д.Следовательно, на угловой сварной шов не следует полагаться так же на целостность соединения и, следовательно, на эксплуатационные характеристики, как на полностью проверенный стыковой сварной шов.

Угловые сварные швы являются наименее дорогостоящим типом сварного шва, поскольку соединяемые компоненты не требуют газовой резки или механической обработки для подготовки сварного шва, детали можно упирать друг в друга, а затем сварщик может нанести один проход сварочного металла против прочная металлическая основа.

Хотя это звучит просто, необходимо учитывать некоторые аспекты выполнения углового шва (в дополнение к уже упомянутым.

Скорость охлаждения углового шва выше, чем у стыкового соединения такой же толщины. Есть три пути, по которым тепло будет теряться от сварного шва. Этот факт означает, что отсутствие дефектов плавления / холодного пуска более вероятно, особенно для металлов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий, и риск холодного растрескивания увеличивается в углеродистых и низколегированных сталях. То, что может быть приемлемым с точки зрения подводимой теплоты и / или температуры предварительного нагрева для стыкового сварного шва, может быть поэтому неприемлемо для конфигурации углового шва.Этот момент иногда упускается из виду, особенно при сварке временных приспособлений, например, креплений, где контроль качества может быть несколько слабым. Это привело к серьезным проблемам с растрескиванием у некоторых производителей.

В отличие от стыкового шва, где требуемая ширина сварного шва обычно равна толщине основного металла, размер углового шва определяется нагрузками, которые он должен выдерживать. Следовательно, он может быть любого размера, указанного проектировщиком, хотя существуют практические ограничения в отношении как минимальной, так и максимальной толщины горловины.

При обычных процессах дуговой сварки трудно наплавить угловой шов с горловиной менее 2 мм. Это в дополнение к упомянутой выше возможности отсутствия плавления / холодного растрескивания из-за высоких скоростей охлаждения, которым подвергаются небольшие угловые сварные швы. Максимальный размер углового шва обычно равен толщине более тонкого из двух соединяемых элементов, но очень большие угловые швы могут вызвать неприемлемую деформацию и / или чрезвычайно высокие остаточные напряжения.Кроме того, при размерах выше определенного может быть более экономичным выполнение Т-образного стыка, а не углового шва.

Хотя толщина горловины считается наиболее важным параметром для целей проектирования, факт остается фактом: механическое разрушение угловых швов часто происходит по линии плавления или через сам основной материал. Одна из причин этого в углеродистых или низколегированных сталях заключается в том, что металл сварного шва в большинстве случаев значительно прочнее основного металла.

Как упоминалось ранее, существует множество форм угловых сварных швов, которые делают точное измерение толщины шва немного сложнее, чем может показаться на первый взгляд.

Горловина — это кратчайшее расстояние от корня до поверхности сварного шва. Измерение этого размера в обычном угловом шве под углом или плоской торцевой поверхности относительно просто. По форме — равнобедренный треугольник, горло составляет 0,7 длины ноги. Выпуклые, вогнутые и сварные швы с глубоким проплавлением, однако, имеют толщину в горловине, как показано на рисунке 7.

Рис.7 Размеры горловины угловых швов

Таким образом, очевидно, что измерение либо длины участка, либо фактической толщины горловины само по себе не является надежным для определения расчетной толщины горловины сварного шва, но необходимо учитывать форму сварного шва.Избыток металла сварного шва выпуклого сварного шва не дает преимущества с точки зрения расчетной прочности, и с точки зрения затрат поверхность углового сварного шва должна быть как можно более плоской.

Сварка с глубоким проплавлением — это очень экономичный способ увеличения прочности соединения, поскольку только часть наплавленного металла состоит из наплавленного присадочного металла. Однако невозможно измерить толщину сварного шва с глубоким проплавлением. Чтобы гарантировать достижение минимального расчетного сечения, необходимо контролировать параметры сварки и подгонку с очень жесткими допусками.Поэтому этот тип сварки обычно выполняется с использованием автоматизированного или механизированного процесса сварки (под флюсом или с переносом распылением MIG / MAG), чтобы обеспечить достаточный и постоянный контроль параметров сварки.

При выборе размера углового сварного шва следует помнить, что небольшое увеличение толщины шва приведет к значительному увеличению наплавленного металла сварного шва, поскольку площадь поперечного сечения углового шва является функцией площади плеча. длина (площадь = z2 / 2).Увеличение горловины, скажем, с 5 до 6 мм приводит к увеличению площади и, следовательно, металла сварного шва примерно на 45%. Это соответствует почти 0,1 кг дополнительного сварочного металла на 1 метр длины сварного шва. Таким образом, необходимо заплатить значительные штрафы в размере и весе, если соединение либо будет завышено проектировщиком, либо сварено сварщиком. Нет никаких жестких правил относительно точки, в которой более экономично перейти от углового шва к двустороннему угловому шву или стыковому шву с частичным проплавлением.При выборе размеров углового шва следует учитывать области, указанные на рисунке 8.

Рис.8 Относительные площади поперечного сечения

Для углового сварного шва, нагруженного сдвигом (нагрузка, параллельная сварному шву), расчет напряжения на сварном шве прост; это нагрузка, деленная на площадь сварного шва.

Для целей проектирования предполагается, что угловые сварные швы выходят из строя через горловину, и поэтому вычислить площадь поперечного сечения, способную выдержать эту приложенную нагрузку, несложно, если известна прочность металла сварного шва.

Обратите внимание, что прочность металла на сдвиг обычно составляет от 70% до 80% прочности на разрыв. Эта цифра часто множится для получения приемлемого запаса прочности. В Великобритании для простых углеродистых сталей часто используется прочность на сдвиг 115 Н / мм2, что позволяет рассчитать толщину горловины по простой формуле «горловина»: — горловина ‘a’ = P / (L x 115).

Размеры горловины тройника с двойным угловым сварным швом, нагруженного растяжением, могут быть определены с использованием того же подхода.Однако обратите внимание, что это очень упрощенный расчет и не принимает во внимание какие-либо другие напряжения (изгиб, скручивание и т. Д.), Которые могут возникнуть в сварном шве. Тем не менее, подробное описание анализа напряжений сварных швов выходит за рамки этих кратких статей.

Авторские права © TWI Ltd, 2014 г.

Содержание этой статьи было правильным на момент публикации.

Расчет герметичности сварных тройников — напряжение и целостность

Существует как минимум три признанных метода оценки пересечений ветвей.Чаще всего они применяются к сборным соединениям сосудов высокого давления и трубопроводам, а не к сварным тройникам.

по ASME B16.9 обычно проходят испытания на разрыв поставщиком, но это не помогает, если вам нужно оценить коррозию или эрозию фитинга или вы хотите проверить приобретенный фитинг. (В одной статье от 2014 года, PVP2014-28265 , были обнаружены несоответствующие фитинги, которые вышли из строя ниже требуемого давления разрыва). Другой стандарт, EN10253, дает рекомендуемые толщины фитингов и методы расчета.

Для расчета давления для сварных тройников мы рассмотрим и сравним три метода Кодекса и другой подход из недавнего исследования. Рассматриваются следующие методы:

Метод замещения площадей, пожалуй, наиболее знаком инженерам-механикам.Удаленная область стенки, удерживающей давление, должна быть заменена металлом достаточной толщины в локально окружающем металле. Обычно он не используется для сварки тройников, однако способ применения этого метода будет разработан в этой статье.

Метод площади давления берет свое начало в Келлогге «Проектирование трубопроводных систем». Идея состоит в том, что давление, умноженное на площадь удерживаемой жидкости, должно быть приравнено к допустимому напряжению, умноженному на площадь металла. Он был принят в европейских нормах, таких как EN13445-3, EN13480-3, а совсем недавно в ASME VIII Division 2.Стандарт EN10253 для фитингов включает примеры того, как рассчитать адекватность удержания давления.

Метод PD5500 основан на исследовании локальных напряжений в ответвлениях сосудов высокого давления в 1960-х годах.

Четвертый метод — это, по сути, проверка локального напряжения в области промежности тройника. Он основан на теории оболочек с эмпирической поправкой для приведения ее в соответствие с результатами FEA.

Для большинства этих подходов вам необходимо знать радиус и толщину промежности (как показано ниже).Это может не быть проблемой для фитингов, приобретенных в соответствии с EN10253, поскольку в этом стандарте указаны рекомендуемые значения толщины и радиуса. Для фитингов ASME B16.9 вам необходимо измерить фактический фитинг, чтобы получить информацию. Толщина стенки может быть измерена, например, с помощью ультразвукового датчика.

Метод замены площади

В кодах B31 этот метод обычно применяется к сфабрикованным перекресткам. Он также применяется к экструдированным тройникам, однако этот подход довольно неудобен и предполагает встраивание прямоугольников в изогнутые секции

В кодах не указан метод оценки сварных тройников, однако криволинейный профиль сварного тройника хорошо поддается простому расчету.Эта проблема была рассмотрена в документе ASME от 2014 г., «Испытания сварных тройников B16.9 на разрыв», PVP2014-28265, , в котором было дано уравнение для толщины.

[уравнение 1a]

В приведенном выше примере первый член представляет собой A2, второй представляет собой A4 (область промежности), а A3 консервативно установлено равным нулю. Коэффициент K взят из ASME B31.3 Cl. 304.3.4 (e), и изменяется от 1 для полноразмерных перекрестков до 0,7 для небольших ответвлений (Db / Dh <= 0,15). Этот фактор не фигурирует ни в формулах замены площадей для сборных тройников, ни в ASME VIII Div.1 способ.

Уравнение 1a дает хорошее начало, но на самом деле это не основная идея статьи. Так что давайте сделаем этот подход более строгим с помощью следующих модификаций —

• используйте радиус кривизны осевой линии для расчета длины арматуры для A4
• разделить A4 на две области — «сторона заголовка» (первые 45 градусов промежности) и «сторона ответвления» (оставшаяся часть).
• уменьшить длину A2 так, чтобы она остановилась в начале промежностной области
• ограничивает зоны армирования до B31.3 предела для экструдированных тройников, но не дальше концов фитинга (минус однократная толщина для сужения)
• считать арматуру в ветви, если в пределах (область А3)

Установка пределов армирования:

, где C и M такие, как показано ниже:

Предельный угол для армирования:

Это приводит к следующей форме уравнения для проверки замены области.

[ур. 1b]

Это основано на постоянстве по всей промежности — в качестве альтернативы, можно заменить на в третьем члене и при вычислении альфа.

Для проектирования мы можем принять постоянную толщину на всем протяжении фитинга () и принять предположение для толщины ластовицы, кратной соответствующей номинальной толщине коллектора,. Используйте это для первой оценки и оцените следующее уравнение:

[уравнение 1c]

Затем мы выполняем итерацию до тех пор, пока значение N не сойдется.

Следует отметить, что ни одна из этих версий метода замены области специально не одобряется каким-либо Кодексом. На этом этапе я бы также с осторожностью использовал К-фактор меньше единицы, пока не будет доказан его адекватность в этом приложении.

Общие проблемы с методом замены области *

• Нет согласия относительно расстояний, на которых должен быть размещен армирующий материал, чтобы быть эффективным
• Правило не основано ни на количественной оценке пиковых напряжений, ни на теоретических моделях.
• Не обеспечивает единообразный коэффициент безопасности для всего диапазона геометрий заголовка / ответвления.Нет постоянного запаса в отношении износа, деформации или усталости.
• В толстостенном оборудовании он может давать чрезмерно жесткие конструкции (с сопутствующими проблемами при сварке готовых пересечений).

* Арт. PD 6550 Часть 2 Пояснительное дополнение к BS5500: 1988

Метод площади давления

Перекресток разбит на 4 квадранта для оценки. Оценка производится в соответствии с уравнением 2:

Изучая формулу, мы видим, что увеличение диаметра коллектора или ответвления увеличивает площадь давления в квадранте, что требует более толстой стенки.Если мы сделаем шаг назад и рассмотрим это, на самом деле это просто обобщение основной формулы кольцевого напряжения. Следующее — для цилиндра; аналогичный подход может быть использован для вывода уравнения для сферы.

На единицу длины:

или

Метод немного отличается от оригинального подхода Келлогга, в котором интенсивность напряжения учитывалась путем дополнительного добавления половины давления к напряжению.

Формулы

Поскольку в фактических расчетах задействовано большое количество уравнений, они здесь не воспроизводятся.Вместо этого обратитесь к EN10253-2, раздел A.5.2.

Ограничения

• Толщина стенки и применяется по всему периметру трассы и ответвления соответственно. При переходах между прогоном и ответвлением (промежностной зоной) внутренняя и внешняя поверхности должны плавно сливаться.
• Минимальная толщина стенки на ответвлении не должна превышать минимальную толщину стенки на участке.

Проблемы с методом «давление — площадь»

Проблемы с этим методом будут похожи на проблемы с методом замены области, а именно

• Не существует очевидного универсального закона, определяющего расстояния, на которых должен производиться расчет армирования
• Не основан на количественной оценке пиковых напряжений
• Не обеспечивает единообразный коэффициент безопасности для всего диапазона геометрий заголовка / ответвления.Нет постоянного запаса в отношении износа, деформации или усталости.

Уравнения метода EN здесь подробно не приводятся. См. EN10253-2 Приложение A для полной демонстрации метода.

PD5500

Раздел 3.5.4.3 PD5500 содержит метод расчета соединений сопел резервуара путем ограничения местного напряжения, основанный на работе Leckie & Penny (1963). Предполагается, что пересечение находится под прямым углом, т. Е. Влияние закругленного пересечения не распознается.

Чтобы применить этот метод к сварке тройников, сначала выберите значение и рассчитайте, как показано ниже:

Уравнение следует повторять до тех пор, пока оно не сходится. Затем проводится следующая проверка:

В этих формулах и — средний диаметр коллектора и ответвления соответственно.

Проблемы с методом PD5500

Этот метод прост и быстр в применении, однако он может не учитывать влияние размера подгонки — i.е. можно предположить, что зона армирования больше, чем имеется в трубопроводной арматуре.

ПВТ-17-1119

В этой статье теория оболочки используется для расчета теоретического напряжения мембраны в промежности тройника. Расчетное напряжение завышает фактическое напряжение из-за усиливающего эффекта прямой трубы и быстро меняющейся кривизны в этой области. Однако, используя эмпирическое уравнение, оно затем корректируется так, чтобы оно достаточно хорошо соответствовало напряжениям, полученным при анализе методом конечных элементов.Утверждается, что уравнение обычно составляет от 0 до 15% с консервативной стороны для рассматриваемого диапазона геометрий.

Формулы

Хотя и не слишком сложный, из-за большого количества уравнений и необходимости применения численного дифференцирования этот метод здесь не воспроизводится.

Проблемы с методом PVT-17-1119

Этот подход имеет ограничения по параметрам геометрии и толщины из-за диапазона фитингов, рассматриваемых в исследовании.

Одно интересное отличие этого метода заключается в том, что меньший радиус ластовицы приводит к более высокому локальному напряжению и увеличению требуемой толщины стенки.Оба метода замены площади давления и площади предполагают противоположное с точки зрения требуемой толщины стенки. Испытания на разрыв в целом согласны с тем, что меньший радиус ластовицы для идентичного в остальном сварного тройника имеет большую пропускную способность. Хотя вначале напряжения могут быть выше, дополнительный окружающий металл компенсирует их по мере увеличения текучести.

Это демонстрирует недостатки методов анализа упругости при использовании для герметизации сложных компонентов. Однако подход, основанный на локальном напряжении, может иметь значение, когда возникают такие проблемы, как усталость или коррозионное растрескивание под напряжением.

Краткое сравнение методов

Требуемые толщины были рассчитаны каждым методом для четырех вариаций геометрии (при условии постоянной толщины на каждом сварном тройнике). Значение K было установлено на 1 для вычислений замещения площади.

Примечательным результатом сравнения является замечательное согласие между подходами замещения площади давления и площади. Однако мы только что рассмотрели небольшой образец арматуры, поэтому не будем делать здесь однозначных выводов.

Метод PD5500 позволяет получать самые тонкие или почти самые тонкие стенки. Это подтверждает возможность того, что некоторые тройники имеют меньшую длину арматуры, чем предполагается для этого уравнения (которое предназначено для сосудов).

PVT-17-1119 результаты варьировались от менее до более консервативных, хотя в основном они склонялись к консервативным. Для этих расчетов местные напряжения были ограничены (допустимое напряжение ASME B31.3 для A106 Gr. B). Согласно ASME VIII Div. 2, теперь можно позволить локальным напряжениям достигать предела текучести для определенных материалов и условий эксплуатации, однако для этого сравнения это даст «несправедливое преимущество», поскольку давление, используемое для расчета, основано на кольцевом напряжении номинальной стенки.

Заключение

На данный момент метод площади давления, приведенный в EN10253-2, является единственным полностью кодифицированным подходом для сварки тройников. Продемонстрированный здесь метод замены площадей, кажется, дает аналогичные результаты, и эта концепция знакома большинству инженеров, однако его использование со сварными тройниками не прописано в кодах. Метод в PD5500 позволяет получить самые тонкие стенки и может не учитывать влияние размеров фитинга. PVT-17-1119 имеет тенденцию требовать в среднем более толстой стенки, поскольку он пытается удерживать локальные мембранные напряжения в пределах нормы и имеет типичный предел погрешности в диапазоне от 0 до + 15%.

Martin помогает клиентам не упускать из виду проблемы с трубопроводом высокого давления и целостностью оборудования с помощью анализа напряжений, FEA и пригодности к эксплуатации. Он является автором различных статей, статьи ASME и программного обеспечения, включая постпроцессор Salad для CAESAR II и веб-приложений на этом сайте. В прошлой жизни он играл на соло-гитаре Whizzbang, а теперь играет только на старых альбомах.

Пример расчета прочности сварного шва для расчета углового сварного соединения, подверженного кручению

Общая процедура, описанная в расчете конструкции сварного шва для изгибаемого изделия, также применима в этой статье, с той лишь разницей, что используется полярный момент инерции (J) вместо момента инерции площади (I), поскольку мы говорим про кручение тут.

Немного сбивает с толку? Что ж, мы собираемся подробно разобраться в этой процедуре, шаг за шагом здесь, на следующем примере:

Постановка проблемы: Посмотрите на конструкцию сварного соединения ниже, это консольный вид структурного соединения, в котором угловые швы подвергаются крутящему моменту, развиваемому из-за нагрузки. F. Рассчитайте размер углового сварного шва, необходимый для применения. .

Дан,

F = 20000 Н

X = 200 мм

Y = 150 мм

Z = 100 мм

Решение:

Шаг-1: Вычислить COG: Определить центр тяжести (COG) всей схемы углового сварного шва.В приведенном выше примере у нас есть область сварного шва прямоугольной формы. Таким образом, очевидно, что ЦТ будет на пересечении двух диагоналей прямоугольника. И мы можем найти COG, который отмечен как C, как показано ниже:

a = Z / 2 = 50 мм

b = Y / 2 = 75 мм

Шаг 2: Рассчитайте единичную площадь сварного шва (Au) : Площадь единичного стыкового сварного шва для примера задачи составляет:

Au = 2 * (Y + Z) = 2 * (150 + 100) = 500 кв.мм

Шаг 3: Вычислить полярный момент инерции горловины единицы (Ju): Полярный момент инерции любой формы является суммой момента инерции площади формы относительно оси XX и оси YY. Форма сварного соединения в приведенном выше примере прямоугольная с двумя сторонами, обозначенными Y и Z соответственно.
Уравнение для расчета полярного момента инерции (единичная длина горловины) для углового сварного соединения прямоугольной формы составляет,

Ju = (Y + Z) ³ /6 = (150 + 100) ³ /6 = 2604166.66 мм ³

Шаг 4: Расчет проектной прочности (Pw): Расчетная прочность сварного шва для материала может быть рассчитана с использованием уравнение 2 как:

Pw = 0,5 * fu = 0,5 * 430 Н / мм ² = 215 МПа

(Предполагая предел прочности основного материала на разрыв 430 Н / мм ² )

Шаг 5: Рассчитать макс.Напряжение прямого сдвига в вертикальном направлении (τsv): Максимальное прямое напряжение сдвига, развиваемое в сварном соединении, которое определяется как:

τs = F / Au = 20000/500 = 40 Н / мм ²

Шаг 6: Рассчитать макс. Напряжение сдвига при кручении в горизонтальном направлении в любом углу (τth): Причина, по которой выбирается угловая точка сварного шва, заключается в следующем: напряжение сдвига при скручивании будет максимальным в углу, поскольку расстояние между угловой точкой и центром тяжести сварного шва раздел максимальный.

Напряжение сдвига при кручении, как правило, можно найти из уравнения:

τt = (T * r) / Ju ……………………………… .a

где,

T = приложенный крутящий момент = F * [X + (Y-b)] = 20000 * [200+ (150-75)] = 5500000 Н-мм

(см. Рисунок выше)

r = Расстояние между интересующей точкой сварного шва и центром тяжести участка

Теперь, в случае горизонтального напряжения сдвига при кручении в любом углу,

r = a = 50 мм

Итак, из ур.а :

τth = (T * r) / Ju = 5500000 * 50 / 2604166,66 = 105,6 Н / мм ²

Шаг 7: Рассчитать макс. Напряжение сдвига при кручении в вертикальном направлении в любом углу (τtv): Вышеупомянутое значение eq.a будет снова использовано здесь:

В случае вертикального напряжения сдвига при кручении в любом углу:

r = b = 75 мм

Итак, из ур.а:

τtv = (T * r) / Ju = 5500000 * 75 / 2604166,66 = 158,4 Н / мм ²

Шаг 8: Расчет результирующего напряжения сдвига в углу (τ):

Результирующее напряжение сдвига ( τ) = √ [(полное горизонтальное напряжение сдвига) ² + (общее вертикальное напряжение сдвига) ² ] …………………………… .экв. .b

В приведенном выше примере

Полное горизонтальное напряжение сдвига = τth = 105.6 Н / мм ²

Полное вертикальное напряжение сдвига = τsv + τtv = 40 + 105,6 = 145,6 Н / мм2

Итак, из экв.b ,

Результирующее напряжение сдвига (τ) = √ [105,6 ² + 145,6 ² ] = 179,86 Н / мм2

Шаг 9: Рассчитайте размер сварного шва (t): Используйте ур.6 из предыдущей статьи здесь:

t = τ / Pw = 179,86 / 215 = 0,83 мм

Шаг 10: Расчет размера сварного шва (L): Используйте уравнение 7 из предыдущей статьи, как показано ниже,

L = 1,414 * t = 1,414 * 0,83 = 1,173 мм

Наконец, мы получили требуемый размер сварного шва (длину плеча) как 3 мм (рядом с 1,173 мм согласно расчету) в результате примера расчета конструкции углового шва.Расчет выполняется на основе метода напряжения сварного шва, описанного в BS 5950.

Привет, я Шибашис, блогер по страсти и инженер по профессии. Я написал большинство статей для mechGuru.com. Более десяти лет я тесно связан с технологиями инженерного проектирования и моделирования производства.
Предупреждение: я работаю на Альтаир. mechGuru.com — мой личный блог. Хотя я пытался выразить свое нейтральное мнение, когда писал о различных технологиях конкурентов, все же я хотел бы, чтобы вы читали статьи, имея в виду мой опыт.

Угловой шов внахлестку

Эта статья является избранной главой из книги Проф. Wald et al. Глава посвящена проверке сварных швов.

Описание

Целью данной главы является проверка компонентного метода конечных элементов (CBFEM) углового шва внахлестку с помощью компонентного метода (CM).Две пластины соединяются в трех конфигурациях: поперечным сварным швом, продольным сварным швом и комбинацией поперечных и продольных сварных швов. Длина и толщина сварного шва являются изменяющимися параметрами в исследовании. Исследование охватывает длинные сварные швы, сопротивление которых снижается из-за концентрации напряжений. Сустав нагружен нормальной силой.

Аналитическая модель

Угловой шов — единственный компонент, исследованный в исследовании. Сварные швы должны быть самым слабым элементом соединения.Сварной шов разработан в соответствии с EN 1993-1-8: 2005. Расчетное сопротивление углового сварного шва определяется методом направленности, приведенным в разделе 4.5.3.2 стандарта EN 1993-1-8: 2005. Доступные методы расчета для проверки прочности угловых швов основаны на упрощающем предположении, что напряжения равномерно распределены в пределах горловины углового шва. Предполагается равномерное распределение напряжения в горловине сварного шва, что приводит к нормальным напряжениям и напряжениям сдвига, показанным на рис.4.1.1 следующим образом:

• σ _⊥ — нормальное напряжение, перпендикулярное горловине;
• σ _∥ — нормальное напряжение, параллельное оси сварного шва в его поперечном сечении;
• τ _⊥ — напряжение сдвига (в плоскости горловины), перпендикулярное оси сварного шва;
• τ _∥ — напряжение сдвига (в плоскости сечения горловины) параллельно оси сварного шва.2)} \ le \ frac {f_u} {\ beta_w \ gamma_ {M2}} \]

  \ [\ sigma _ {\ perp} \ le \ frac {0.9 f_u} {\ gamma_ {M2}} \]

  В соединениях внахлест длиннее 150 a коэффициент уменьшения β _Lw1 определяется как:

  \ (\ beta_ {Lw, 1} = 1,2 — \ frac {0,2 L_j} {150 a} \), но \ (\ beta_ {Lw, 1} \ le 1.0 \)

  Обзор рассмотренных примеров и свойств материалов приведен в Табл. 4.1.1. Конфигурации сварного шва T для поперечного, P для параллельного шва и TP для их комбинации; см. геометрию на рис.4.1.2. Была исследована чувствительность двух параметров: длины шва и эффективной толщины шва.

  Табл. 4.1.1 Обзор примеров

  Рис. 4.1.2 Геометрия соединения с размерами: а) Поперечный шов б) Параллельный шов в) Комбинация поперечного и параллельного шва

  Цифровая модель

  Компонент сварного шва в CBFEM описан в главе 3.4. В данной работе для сварных швов используется нелинейный упругопластический материал. Предельная пластическая деформация достигается в более длинной части сварного шва, и пики напряжений перераспределяются.

  Проверка сопротивления

  Расчетное сопротивление сварного шва, рассчитанное с помощью CBFEM, сравнивается с результатами CM. Результаты представлены в Табл. 4.1.2. Исследование проводится для двух параметров, длины сварного шва и эффективной толщины шва, в трех конфигурациях сварного шва: для поперечного шва, параллельных швов и комбинации поперечных и параллельных швов.

  Табл. 4.1.2 Сравнение CBFEM и CM

  Результаты CBFEM и CM сравниваются, и представлено исследование чувствительности. Влияние длины сварного шва и эффективной толщины шва на расчетное сопротивление поперечного сварного шва, параллельных сварных швов и комбинации обоих сварных швов показано на рис. 4.1.3, 4.1.4 и 4.1.5 соответственно. Исследование чувствительности показывает хорошее соответствие для всех конфигураций сварного шва.

  Фиг.4.1.3 Параметрическое исследование поперечного шва а) Длина шва б) Эффективная толщина шва

  Рис. 4.1.4 Параметрическое исследование параллельного шва а) Длина шва б) Эффективная толщина шва

  Рис. 4.1.5 Параметрическое исследование комбинации поперечного и параллельного сварного шва: a) Длина сварного шва a, b) Эффективная толщина сварного шва a, c) Длина сварного шва b, d) Эффективная толщина сварного шва b

  Чтобы проиллюстрировать точность модели CBFEM, результаты исследования чувствительности суммированы на диаграмме, сравнивающей CBFEM и расчетное сопротивление CM; см. рис.4.1.6. Результаты показывают, что разница между двумя методами расчета во всех случаях составляет менее 10%.

  Рис. 4.1.6 Проверка CBFEM на соответствие CM

  Контрольный пример

  Входы

  Пластина 1

  • Толщина т ₂ = 20 мм
  • Ширина b ₂ = 300 мм
  • Смещение e _z = −20 мм
  • Сталь S235

  Лист 2

  • Толщина т ₁ = 20 мм
  • Ширина b ₁ = 200 мм
  • Сталь S235
  • Тип модели N-Vy-Vz

  Сварной шов, параллельные угловые швы см. Рис.4.1.7.

  • Толщина горловины a _b = 3 мм
  • Длина сварного шва L _b = 150 мм

  Мощность

  • Расчетное сопротивление при растяжении F _Rd = 183 кН

  Рис. 4.1.7 Контрольный пример сварного соединения внахлест с параллельными угловыми швами

  Файлы примеров

  LRFD Пример проектирования надстройки стальной балки — LRFD — Конструкции — Мосты и конструкции

  Пример проектирования суперструктуры стальной балки LRFD

  Проектирование различных стальных конструкций Пример проектирования Этап 5

  Содержание

  Шаг 5.1 — Проектирование соединителей, работающих на срез
  Этап проектирования 5.2 — Проектирование опорных элементов жесткости
  Этап проектирования 5.3 — Проектирование сварных соединений
  Этап 5.4 — Проектирование поперечных рам 21

  (Следует отметить, что этап проектирования 5.4 представляет собой повествовательное описание, а не проектные вычисления.)

  Этап проектирования 5 состоит из различных расчетов проектирования, связанных со стальной балкой, но не обязательно требуемых для проектирования реальных пластин стальной балки. Такие различные расчеты конструкции стали включают следующее:

  1. Соединители, работающие на сдвиг
  2. Ребра жесткости подшипника
  3. Сварные соединения
  4. Мембраны и крестовины
  5. Боковые распорки
  6. Развал фермы

  Для этого примера конструкции будут представлены расчеты для соединителей, работающих на срез, ребра жесткости подшипника, сварного соединения и поперечной рамы.Другие функции также должны быть спроектированы, но их расчетные расчеты не включены в этот пример конструкции.

  Для использования в этом примере конструкции определены следующие единицы:

  См. Этап проектирования 1 для вводной информации об этом примере конструкции. Представлена ​​дополнительная информация о проектных допущениях, методологии и критериях для всего моста, включая конструктивные особенности, включенные в этот этап проектирования.

  Шаг проектирования 5.1 — Расчетные соединители, работающие на сдвиг,

  Поскольку стальная балка была спроектирована как составная секция, на стыке между бетонной плитой настила и стальной секцией должны быть предусмотрены соединители, работающие на сдвиг, чтобы противостоять сдвигу на границе раздела. Для непрерывных композитных мостовидные соединители обычно предусмотрены по всей длине моста. В области отрицательного изгиба, поскольку продольная арматура считается частью составной секции, должны быть предусмотрены соединители, работающие на сдвиг.

  Шпильки или швеллеры могут использоваться как соединители, работающие на сдвиг. В этом примере конструкции соединители, работающие на сдвиг, используются по всей длине моста. Соединители, работающие на сдвиг, должны обеспечивать полное уплотнение бетона, чтобы гарантировать, что все их поверхности находятся в контакте с бетоном. Кроме того, соединители, работающие на сдвиг, должны выдерживать как горизонтальное, так и вертикальное перемещение между бетоном и сталью.

  S6.10.7.4.1

  На следующем рисунке показаны пропорции соединителя, работающего на срез, а также расположение головки шпильки в бетонной плите.

  S6.10.7.4.1a

  Рисунок 5-1 Соединители со срезной шпилькой

  Вставка соединителя, работающего на срез,
  Область изгиба	A	B	С
  Положительный	2,875 «	3,125 дюйма	5,375 «
  Средний	2,25 «	3,75 «	4.75 «
  Отрицательный	1,00 «	5,00 «	3.50 «

  Таблица 5-1 Монтаж соединителя, работающего на срез

  Расположение соединителя, работающего на срез Обычно используется несколько соединителей, работающих на сдвиг, на поперечный ряд вдоль верхнего фланца балки. Количество срезных соединителей на поперечный ряд будет зависеть от ширины верхнего фланца.См. S6.10.7.4.1c для получения информации о требованиях к поперечному расстоянию.

  
  

  Длина соединителя, работающего на срез Длина соединителя, работающего на сдвиг, обычно устанавливается так, чтобы его головка располагалась около середины плиты настила. См. S6.10.7.4.1d для получения информации о требованиях к установке соединителя, работающего на срез.

  Отношение высоты шпильки к диаметру соединителя, работающего на сдвиг, должно быть не менее 4.0. Для этого примера конструкции соотношение вычисляется на основе размеров, представленных на Рисунке 5-1, следующим образом:

  S6.10.7.4.1a

  ОК

  Шаг соединителей, работающих на срез, должен быть определен так, чтобы соответствовать предельному состоянию усталости, как указано в S6.10.7.4.2 и S6.10.7.4.3 , если применимо. Результирующее количество соединителей, работающих на сдвиг, не должно быть меньше количества, необходимого для соответствия предельным состояниям прочности, как указано в S6.10.7.4.4 .

  Шаг p соединительных муфт должен удовлетворять следующему уравнению:

  S6.10.7.4.1b

  Параметры I и Q основаны на кратковременном композитном сечении и определяются с использованием настила в пределах эффективной ширины полки.

  В области положительного изгиба:

  (см. Рисунок 5-1)

  (см. Таблицу 3-4)

  S6.10.3.1.1b

  В области положительного изгиба максимальный диапазон сдвига при временной усталостной нагрузке находится на опоре.Факторная стоимость рассчитывается следующим образом:

  (см. Компьютерный анализ динамической нагрузки)

  S6.10.7.4.2

  (см. Этап проектирования 3.14 в месте максимального положительного изгиба)

  S6.6.1.2.5

  в

  Следовательно,

  В области отрицательного прогиба:

  (см. Рисунок 5-1)

  В области отрицательного изгиба параметры I и Q могут быть определены с использованием арматуры в пределах эффективной ширины полки для отрицательного момента, если бетонная плита не считается полностью эффективной для отрицательного момента при вычислении продольного диапазона напряжений, как это разрешено. в S6.6.1.2.1 . Для этого примера конструкции предполагается, что I и Q вычисляются с учетом полной эффективности бетонной плиты.

  SC6.10.7.4.1b

  (см. Таблицу 3-5)

  (см. Таблицу 3-1 и компьютерный прогон для анализа динамической нагрузки)

  S6.10.7.4.2

  (см. Предыдущий расчет)

  Следовательно, на основе приведенных выше вычислений шага для удовлетворения предельного состояния усталости используйте следующий шаг по всей длине фермы:

  Шаг соединителя сдвига Шаг соединителя, работающего на срез, не обязательно должен быть одинаковым по всей длине балки.Во многих конструкциях балок используется переменный шаг, и это может быть экономически выгодным. Однако для этого примера конструкции требуемый шаг для определения усталости существенно не меняется по длине моста. Следовательно, будет использоваться постоянный шаг соединителя сдвига 10 дюймов.

  Кроме того, соединители, работающие на срез, должны удовлетворять следующим требованиям к шагу:

  S6.10.7.4.1b

  ОК

  ОК

  Для поперечного зазора соединители, работающие на срез, должны располагаться поперек верхнего фланца стальной секции и могут располагаться через равные или переменные интервалы.

  Stud Shear соединители не должны быть ближе, чем 4,0 диаметра стержня от центра до центра, поперечной к продольной оси опорного элемента.

  S6.10.7.4.1c

  (см. Рисунок 5-1) ОК

  Кроме того, расстояние в свету между краем верхнего фланца и краем ближайшего соединителя, работающего на срез, не должно быть меньше 1,0 дюйма.

  (см. Рисунок 5-1)

  ОК

  S6.10.7.4.1d

  Чистая глубина бетонного покрытия над вершинами соединителей, работающих на сдвиг, не должна быть менее 2,0 дюймов, а соединители, работающие на сдвиг, должны входить в настил не менее чем на 2,0 дюйма. На основании информации о проникновении соединителя, работающей на срез, представленной в Таблице 5-1, оба этих требования удовлетворены.

  Для предельного состояния прочности факторное сопротивление соединителей на сдвиг Q _r вычисляется следующим образом:

  S6.10.7.4,4

  S6.10.7.4.4a

  S6.5.4.2

  Номинальное сопротивление сдвигу одной шпильки соединителя сдвига, встроенной в бетонную плиту, рассчитывается следующим образом:

  S6.10.7.4.4c

  (см. Этап проектирования 3.1)

  S5.4.2.1

  (см. Этап проектирования 3.3)

  S5.4.2.4

  S6.4.4

  К

  К

  Следовательно,

  Следовательно,

  Количество соединителей сдвига, предусмотренных между участком с максимальным положительным моментом и каждой смежной точкой с моментом 0,0 или между каждой смежной точкой с моментом 0,0 и центральной линией внутренней опоры не должно быть меньше следующего:

  S6.10.7.4.4a

  Полная горизонтальная поперечная сила, V _h , между точкой максимального положительного момента и каждой смежной точкой 0,0 момента равна меньшему из следующего:

  S6.10.7.4.4b

  или

  где (см. Этап проектирования 3.1)

  S5.4.2.1

  (см. Этап проектирования 3.3)

  (см. Этап проектирования 3.1)

  (см. Этап проектирования 3.1)

  СТАБИЛЬНАЯ 6.4.1-1

  (см. Этап проектирования 3.18)

  (см. Этап проектирования 3.18)

  (см. Этап проектирования 3.1)

  СТАБИЛЬНАЯ 6.4.1-1

  (см. Этап проектирования 3.18)

  (см. Этап проектирования 3.18)

  (см. Этап проектирования 3.1)

  СТАБИЛЬНАЯ 6.4.1-1

  (см. Этап проектирования 3.18)

  (см. Этап проектирования 3.18)

  Следовательно,

  Следовательно, количество соединителей, работающих на срез между участком максимального положительного момента и каждой смежной точкой 0,0 момента, не должно быть меньше следующего:

  S6.10.7.4.4a

  Расстояние между концом балки и местом максимального положительного момента примерно равно:

  (см. Таблицу 3-7)

  Аналогично, расстояние между участком максимального положительного момента и точкой обратного изгиба статической нагрузки примерно равно:

  (см. Таблицу 3-7)

  При шаге 10 дюймов, рассчитанном ранее для предельного состояния усталости, и минимальной длине, вычисленной выше, количество соединителей, работающих на срез, составляет следующее:

  ОК

  Для составных секций с неразрезным пролетом общая горизонтальная поперечная сила V _h между каждой смежной точкой равна 0.0 момент и ось внутренней опоры равна

  S6.10.7.4.4b

  где (см. Этап проектирования 3.3)

  (см. Этап проектирования 3.1)

  Следовательно, количество соединителей, работающих на сдвиг, между каждой смежной точкой момента 0,0 и осевой линией внутренней опоры не должно быть меньше, чем следующее:

  S6.10.7.4.4a

  Расстояние между точкой обратного изгиба статической нагрузки и центральной линией внутренней опоры примерно равно:

  (см. Таблицу 3-7)

  Используя шаг в 10 дюймов, который ранее был рассчитан для предельного состояния усталости, количество соединителей, работающих на сдвиг, составляет следующее:

  ОК

  Таким образом, использование шага в 10 дюймов для каждого ряда с тремя соединителями, работающими на сдвиг, по всей длине балки, удовлетворяет обоим требованиям по предельному состоянию усталости S6.10.7.4.1 и S6.10.7.4.2 и требованиям предельного состояния прочности S6.10.7.4.4 .

  Поэтому используйте расстояние между срезными шпильками, как показано на следующем рисунке.

  Рисунок 5-2 Расстояние между соединителями, работающими на срез

  Этап проектирования 5.2 — Расчет элементов жесткости подшипников

  Ребра жесткости подшипника необходимы для противодействия реакциям опоры и другим сосредоточенным нагрузкам как в конечном состоянии, так и во время строительства.

  Для плоских балок опорные элементы жесткости должны быть размещены на стенках во всех местах опоры и во всех местах, поддерживающих сосредоточенные нагрузки.

  Следовательно, для этого примера конструкции требуются опорные элементы жесткости как на опорах, так и на опоре. Следующая конструкция ребер жесткости опоры иллюстрирует процедуру расчета ребер жесткости подшипника.

  Несущие элементы жесткости в этом примере конструкции состоят из одной пластины, приваренной к каждой стороне стенки.Соединения со стенкой будут спроектированы так, чтобы передавать полную опорную силу из-за учтенных нагрузок, и это представлено на этапе проектирования 5.3.

  S6.10.8.2.1

  Ребра жесткости проходят на всю глубину стенки и, насколько это возможно, до внешних краев полок.

  Каждое ребро жесткости будет либо фрезеровано для прилегания к фланцу, через который оно воспринимает свою реакцию, либо прикреплено к фланцу сварным швом с полным проплавлением.

  На следующем рисунке показано расположение ребер жесткости подшипника на опорах.

  Рисунок 5-3 Ребра жесткости опоры на абатментах

  Пластины жесткости подшипника Ребра жесткости подшипника обычно состоят из одной пластины, соединенной с каждой стороной стенки. Как правило, это хорошее исходное предположение при проектировании элемента жесткости подшипника. Затем, если эта конфигурация не обеспечивает достаточного сопротивления, можно использовать две пластины с каждой стороны полотна.

  Выступающая ширина b _t каждого элемента жесткости подшипника должна удовлетворять следующему уравнению.Это положение предназначено для предотвращения местного коробления пластин жесткости подшипника.

  S6.10.8.2.2

  (см. Рисунок 5-3)

  S6.4.1

  СТАБИЛЬНАЯ 6.4.1-1

  (см. Рисунок 5-3) ОК

  Сопротивление подшипника должно быть достаточным, чтобы противостоять учтенной реакции, действующей на ребра жесткости подшипника.Факторное сопротивление подшипника B _r рассчитывается следующим образом:

  S6.10.8.2.3

  S6.5.4.2

  Часть ребра жесткости должна быть обрезана, чтобы очистить сварной шов между стенкой и фланцем. Таким образом, площадь прямой опоры меньше общей площади элемента жесткости. Площадь опоры, A _pn , принимается как площадь выступающих элементов ребра жесткости за пределами угловых швов стыка стенки с фланцем, но не за кромкой фланца.Это показано на следующем рисунке:

  Рисунок 5-4 Ширина подшипника

  Фактор реакции опоры на опоре рассчитывается следующим образом, с использованием коэффициентов нагрузки, представленных в STable 3.4.1-1 и STable 3.4.1-2 , и с использованием реакций, полученных в результате компьютерного анализа:

  Следовательно, ребро жесткости подшипника на опоре удовлетворяет требованиям к сопротивлению подшипнику.

  Заключительная проверка ребер жесткости подшипника связана с осевым сопротивлением ребер жесткости подшипника. Факторизованное осевое сопротивление определяется, как указано в S6.9.2.1 . Радиус инерции вычисляется относительно средней толщины стенки, а эффективная длина принимается равной 0,75D, где D — глубина стенки.

  S6.10.8.2.4

  S6.10.8.2.4a

  Для ребер жесткости, состоящих из двух пластин, приваренных к стенке, эффективная секция колонны состоит из двух элементов жесткости плюс центрально расположенная полоса стенки, выступающая не более чем на 9t _w с каждой стороны ребер жесткости.Это показано на следующем рисунке:

  S6.10.8.2.4b

  Рисунок 5-5 Эффективное сечение ребра жесткости подшипника

  S6.9.2.1

  S6.5.4.2

  S6.9.4.1

  S6.10.8.2.4a

  S6.10.8.2.4b

  S6.10.8.2.4b

  S6.9.4.1

  Следовательно,

  Следовательно,

  S6.9.4.1

  S6.9.2.1

  Следовательно, ребро жесткости подшипника на опоре удовлетворяет требованиям к осевому сопротивлению подшипнику.

  Ребро жесткости подшипника на упоре удовлетворяет всем требованиям к ребру жесткости подшипника. Поэтому используйте ребро жесткости подшипника, как показано на рисунках 5-3 и 5-4.

  Этап проектирования 5.3 — Расчет сварных соединений

  Сварные соединения требуются в нескольких местах стальной надстройки. Основной металл, металл сварного шва и детали конструкции сварки должны соответствовать требованиям ANSI / AASHTO / AWS Кодекса сварки мостов D1.5 .

  Для этого примера конструкции будут представлены две конструкции соединения под сварку угловым швом с использованием металла сварного шва E70:

  1. Сварное соединение между ребрами жесткости подшипника и стенкой.
  2. Сварное соединение стенки и фланцев.

  Для сварного соединения между ребрами жесткости подшипника и стенкой угловой сварной шов должен выдерживать учтенную реакцию, рассчитанную на этапе проектирования 5.2.

  S6.13.3

  Предположим, что толщина углового шва составляет 1/4 дюйма.

  Толщина углового сварного шва В большинстве случаев минимальная толщина сварного шва, указанная в таблице 5-2, обеспечивает сварное соединение, удовлетворяющее всем проектным требованиям.Поэтому минимальная толщина сварного шва обычно является хорошей отправной точкой при проектировании углового шва.

  Сопротивление углового сварного шва на сдвиг является продуктом эффективной площади и учтенного сопротивления металла сварного шва. Факторное сопротивление металла сварного шва рассчитывается следующим образом:

  S6.13.3.2.4b

  S6.5.4.2

  SC6.13.3.2.1

  S6.13.3.2.4b

  Эффективная площадь равна эффективной длине сварного шва, умноженной на эффективное сечение. Эффективная горловина — это кратчайшее расстояние от основания стыка до поверхности сварного шва.

  S6.13.3.3

  Сопротивление углового шва вычисляется следующим образом:

  S6.13.3.2.4b

  ОК

  Для материала толщиной 0,25 дюйма или более максимальный размер углового сварного шва на 0,0625 дюйма меньше толщины материала, если в контрактной документации не указано, что сварной шов будет выполнен для получения полной толщины шва.

  S6.13.3.4

  Для углового сварного шва, соединяющего ребра жесткости подшипника со стенкой, толщина ребра жесткости подшипника составляет 11/16 дюйма, а толщина стенки — 1/2 дюйма.Следовательно, требования к максимальному размеру углового сварного шва удовлетворяются.

  Минимальный размер угловых швов представлен в Таблице 5-2. Кроме того, размер сварного шва не должен превышать толщину соединяемой более тонкой части.

  S6.13.3.4

  Минимальный размер филейных сварных швов
  Толщина основного металла Соединяемая более толстая часть (T) (дюймы)	Минимальный размер Файлового шва (дюймы)
  T ≤ 3/4	1/4
  T> 3/4	5/16

  Стабильный 6.13.3.4-1

  Таблица 5-2 Минимальный размер угловых швов

  В этом случае более толстой соединяемой частью является пластина жесткости подшипника, которая имеет толщину 11/16 дюйма. Следовательно, согласно Таблице 5-2, минимальный размер углового сварного шва составляет 1/4 дюйма, и это требование выполняется.

  Минимальная эффективная длина углового шва в четыре раза больше его размера и ни в коем случае не менее 1,5 дюйма. Следовательно, это требование также выполняется.

  Поскольку все требования к конструкции сварного шва выполнены, используйте угловой сварной шов 1/4 дюйма для соединения ребер жесткости подшипника с стенкой.

  S6.13.3.5

  Для сварного соединения между стенкой и фланцами угловой сварной шов должен выдерживать горизонтальный сдвиг, учитываемый на единицу длины согласно следующему уравнению:

  S6.13.3

  Это значение является наибольшим на пирсе, где коэффициент сдвига имеет наибольшее значение.

  Следующие расчеты относятся к сварному соединению между стенкой и верхним фланцем. Подобным образом выполнено сварное соединение между стенкой и нижним фланцем.

  Сдвиг вычисляется на основе свойств отдельного сечения и коэффициентов нагрузки для каждой нагрузки, как представлено в этапах проектирования 3.3 и 3.6:

  Для несоставного профиля факторный горизонтальный сдвиг рассчитывается следующим образом:

  Для составного сечения фактор горизонтального сдвига рассчитывается следующим образом:

  На основе приведенных выше вычислений общий факторный горизонтальный сдвиг вычисляется следующим образом:

  Предположим, что толщина углового сварного шва составляет 5/16 дюйма.

  Сопротивление углового сварного шва на сдвиг является произведением эффективной площади и факторизованного сопротивления металла сварного шва. Факторное сопротивление металла сварного шва ранее рассчитывалось следующим образом:

  S6.13.3.2.4b

  Эффективная площадь равна эффективной длине сварного шва, умноженной на эффективное сечение. Эффективная горловина — это кратчайшее расстояние от основания стыка до поверхности сварного шва.В этом случае эффективная площадь рассчитывается на единицу длины, исходя из использования одного сварного шва на каждой стороне стенки.

  S6.13.3.3

  Сопротивление углового шва вычисляется следующим образом:

  S6.13.3.2.4b

  ОК

  Для материала толщиной 0,25 дюйма или более максимальный размер углового сварного шва на 0,0625 дюйма меньше толщины материала, если в контрактной документации не указано, что сварной шов будет выполнен для получения полной толщины шва.

  S6.13.3.4

  Для углового сварного шва, соединяющего стенку с фланцами, толщина стенки составляет 0,5 дюйма, минимальная толщина фланца составляет 0,625 дюйма, а максимальная толщина фланца составляет 2,75 дюйма. Следовательно, требования к максимальному размеру углового сварного шва удовлетворяются.

  Минимальный размер угловых швов представлен в Таблице 5-2. Кроме того, размер сварного шва не должен превышать толщину соединяемой более тонкой части.

  S6.13.3.4

  В этом случае более толстой соединяемой частью является фланец, минимальная толщина которого равна 0.625 дюймов и максимальная толщина 2,75 дюйма. Следовательно, согласно Таблице 5-2, минимальный размер углового шва составляет 5/16 дюйма, и это требование выполняется.

  Минимальная эффективная длина углового шва в четыре раза больше его размера и ни в коем случае не менее 1,5 дюйма. Следовательно, это требование также выполняется.

  Поскольку все требования к конструкции сварного шва выполнены, используйте угловой сварной шов 5/16 дюйма для соединения стенки и верхнего фланца. Подобным образом выполнено сварное соединение между стенкой и нижним фланцем.

  S6.13.3.5

  Усталость, вызванная нагрузкой, должна учитываться в основном металле сварного соединения. Для листовых балок следует учитывать следующие факторы усталости:

  1. Сварка, соединяющая срезные шпильки с балкой.
  2. Сварные швы, соединяющие фланцы и стенку.
  3. Сварка, соединяющая поперечные промежуточные ребра жесткости с балкой.

  Конкретные факторы усталости зависят от уникальных характеристик конструкции балки.Конкретные детали усталости и категории деталей объяснены и проиллюстрированы в STable 6.6.1.2.3-1 и в SF Рис. 6.6.1.2.3-1 .

  S6.6.1.2.5

  На этапе проектирования 3.14 для области положительного момента проиллюстрирована проверка на усталость для соединения поперечных промежуточных ребер жесткости с балкой угловым сварным швом. Эту процедуру необходимо учитывать для основного металла сварных соединений.

  Дополнительные требования к сварным соединениям представлены в S6.13.3 и Кодекс по сварке мостов ANSI / AASHTO / AWS D1.5 .

  Этап проектирования 5.4 — Расчет поперечных рам

  Диафрагмы и поперечные рамы могут быть размещены в следующих местах вдоль моста:

  • В конце структуры
  • Внутренние опоры
  • С перебоями по пролету

  S6.7.4.1

  Расстояние между диафрагмой или поперечиной Общее практическое правило, основанное на предыдущих редакциях спецификаций AASHTO, заключается в использовании максимального расстояния между диафрагмой или поперечиной рамы 25 футов.Основываясь на C6.7.4.1 , произвольное требование о максимальном расстоянии 25 футов было заменено требованием рационального анализа, который часто приводит к исключению подверженных усталости деталей крепления. В этом примере конструкции поперечные рамы используются на расстоянии 20 футов. Расстояние в 20 футов в этом примере конструкции способствует уменьшению необходимой толщины фланца в секции балки на опоре.

  Необходимость в диафрагмах или поперечных рамах должна быть исследована для:

  • Все этапы предполагаемых строительных работ
  • Окончательное состояние

  Разница между диафрагмами и крестовины Разница между диафрагмами и поперечными рамами заключается в том, что диафрагмы состоят из поперечной изгибной составляющей, а поперечные рамы состоят из поперечной ферменной конструкции. И диафрагмы, и поперечные рамы соединяют соседние продольные изгибные компоненты.

  При исследовании потребности в диафрагмах или поперечных рамах и при их проектировании необходимо учитывать следующее:

  • Передача боковых ветровых нагрузок от низа балки на настил и с настила на опоры
  • Устойчивость нижнего фланца к любым нагрузкам при сжатии
  • Стабильность верхнего фланца при сжатии до отверждения настила
  • Распределение вертикальных статических и динамических нагрузок, приложенных к конструкции

  Мембраны или крестовины могут быть указаны как:

  • Временные — если требуются только во время строительства
  • Постоянно — если они требуются во время строительства и в окончательном состоянии моста

  Как минимум, технические условия требуют, чтобы диафрагмы и поперечные рамы были рассчитаны на следующее:

  • Передача ветровых нагрузок в соответствии с положениями S4.6.2.7
  • Применимые требования к гибкости в S6.8.4 или S6.9.3

  Кроме того, соединительные пластины должны удовлетворять требованиям S6.6.1.3.1 .

  Типы поперечин Поперечные рамы K-типа показаны на рис. 5-6, в то время как поперечные рамы X-типа имеют X-образную конфигурацию углов или структурных тройников, а не K-образную конфигурацию углов или структурных тройников. Общее практическое правило — использовать поперечные рамы K-типа, когда соотношение сторон (то есть отношение расстояния между фермами к глубине фермы) больше, чем примерно 1,5: 1, и использовать поперечные рамы X-типа. при соотношении сторон меньше 1,5 до 1.

  В этом примере дизайна будут использоваться перекрестные кадры.

  Расстояние между балками: (см. Рисунок 3-2)

  Глубина балки: (см. Рисунок 3-15)

  (максимальное значение)

  Соотношение сторон:

  Поэтому используйте крестовины K-типа.

  Геометрия типичной поперечной рамы K-типа для промежуточной поперечной рамы показана на Рисунке 5-6.

  Как показано на Рисунке 5-6, точка пересечения центральных осей двух диагоналей совпадает с центральной осью нижней стойки. Кроме того, точка пересечения центральной оси каждой диагонали и центральной оси верхней стойки совпадает с вертикальными осевыми линиями балок.

  Рисунок 5-6 Поперечная рама типа K

  На основе предыдущих вычислений на этапе проектирования 3.17 для области отрицательного момента, ветровая нагрузка без учета фактора вычисляется следующим образом:

  C4.6.2.7.1

  S1.3

  (для предельного состояния прочности III)

  Стабильный 3.4.1-1

  (см. Этап проектирования 3.17)

  (максимальное значение)

  Горизонтальные ветра сила, приложенное к точке распорки, то может быть вычислено, как указано в C4.6.2.7.1 , а именно:

  C4.6.2.7.1

  Для расчета поперечных элементов рамы необходимо выполнить следующие проверки с использованием ранее рассчитанной ветровой нагрузки:

  • Стройность
  • Осевое сжатие
  • Изгиб вокруг большой оси
  • Изгиб относительно малой оси
  • Изгиб и осевое сжатие
  .