Výpočet koutových svarů dle EN 1993-1-8

Tupé klouby. Pro pohodlí přenosu silových toků jsou tupé spoje nejdokonalejší, protože prakticky neexistují žádné odchylky těchto toků, a proto nedochází k téměř žádné koncentraci napětí.

Proto ze všech svarových spojů fungují tupé spoje lépe při dynamickém zatížení. Tyto spoje jsou navíc ekonomické z hlediska spotřeby materiálu. Hlavní nevýhodou tupých spojů je nutnost velmi přesně řezat spojované prvky a často řezat hrany.

Ruční svařování na tupo lze provádět bez speciálního opracování hran s tloušťkou t spojovaných prvků do 8 mm as automatickým svařováním – do t = 20 mm (obrázek níže). Když jsou prvky tlustší, okraje jsou řezány (zkoseny pod úhlem) pro snadné svařování a pro zajištění úplného proniknutí. Zkosení lze vyrobit pouze na jedné straně (švy ve tvaru V a U, obrázky níže) nebo na obou stranách (švy ve tvaru X a K, obrázky níže). Jednostranné svařování je z hlediska provedení práce jednodušší, umožňuje kontrolu průvaru kořene svaru (kde je nejvíce vad) a následné vyztužení z kořenové strany (reverzní svařování). Při jednostranném svařování však v důsledku smršťování švů dochází ke zkroucení svařovaných prvků.

Drážkování okrajů tupých svarových spojů

Při oboustranném svařování (svary ve tvaru X a K) je objem svaru menší, a proto je nižší spotřeba deponovaného kovu. Tento faktor, stejně jako symetrie umístění švu, má příznivý vliv na deformace smršťováním. Nevýhodou oboustranného svařování je obtížná kontrola kvality průvaru střední části (kořen svaru) a zvýšená náročnost výroby, jelikož je nutné svařovat z obou stran, na což má výrobek být otočen. Na začátku a na konci svaru je svarový kov nekvalitní. Aby se tato nevýhoda odstranila, svařování by mělo začínat a končit na speciálních podložkách – olověných proužcích, které dočasně prodlužují švy (obrázek níže). Na konci svařování se tyto pásy spolu s počátečními a konečnými úseky švu odříznou a konce švů a přilehlé oblasti se očistí.

V případě spojování plechů různých tlouštěk tupým švem je přechod z větší tloušťky na menší možný díky vhodnému provedení vnějšího povrchu švu (obrázek níže) pouze v případě, že rozdíl v tloušťkách není žádný. více než 4 mm a velikost výstupku ve spoji nepřesahuje 1/8 tloušťky tenčího plechu.

Montáž tupých svarů do plechů různých tlouštěk

Při větším rozdílu tlouštěk a při dynamickém zatížení by měly být u silnějšího plechu opatřeny úkosy se sklonem až 1:5 (obrázek níže). Za vypočtenou tloušťku tupého svaru se považuje tloušťka spojovaných prvků, a pokud je jejich tloušťka jiná, pak tloušťka tenčího prvku (bez zohlednění nanesené housenky nahoře). Designová délka švu l_wvezměte v úvahu jeho skutečnou délku mínus 2 t, s přihlédnutím k nedostatečnému průniku na začátku a na konci švu. Pokud bylo svařování zahájeno a dokončeno na olověných páscích, pak se délka svaru nezkracuje.

Napětí ve švu se kontroluje pomocí vzorce

kde N je návrhová síla; R_wy — návrhová odolnost tupého svarového spoje vůči tahu nebo tlaku.

Vypočtené pevnosti v tahu svarových spojů vyrobených ručním nebo poloautomatickým svařováním s konvenčními metodami sledování kvality svaru jsou nižší než vypočtené odpory spojovaného základního kovu, a proto přímý spoj vyrobený takovým svařováním bude nesmí mít stejnou pevnost jako základní kov. Pro získání spoje stejné pevnosti se používá šikmý šev, který je vyroben se sklonem 2:1 (viz obrázek níže).

Když na spoj působí ohybový moment M, normálová napětí ve švu

kde W w = tl 2 _w / 6 – moment odporu švu.

U tupých svarových spojů pracujících současně v ohybu a smyku se redukovaná napětí kontrolují pomocí vzorce

kde σ_w — normální ohybová napětí; tw = Q/(tl_w) je průměrné smykové napětí od smykové síly, stanovené z podmínky rovnoměrného rozložení podél tupého svaru.

Kloubový spoj. Toto spojení je provedeno s nebo bez překrytí pomocí koutových svarů. V závislosti na umístění švů ve vztahu ke směru přenášené síly se rozlišují boční švy (obrázek níže), umístěné rovnoběžně se silou, a čelní švy, umístěné kolmo na sílu.

Spojení s bočními švy (a), směr toku silových vedení a rozložení napětí (b)

Jednoduchost přeplátovaného spoje, který nevyžaduje přesné lícování a zakončování hran, ale pouze čištění, odjehlování a rovnání, je důvodem širokého použití tohoto typu svarového spoje. Jeho nevýhodou je silné zkreslení toku síly při přenosu síly z jednoho prvku na druhý as tím související koncentrace napětí způsobená současnou činností švu pro střih a ohýbání.

Při spojování pomocí bočních švů dochází k nerovnoměrnému přenosu síly jak po délce švu, tak po průřezu spoje (obrázek výše). Po délce je přenos sil nejintenzivnější na koncích švů, kde je rozdíl napětí ve spojovaných prvcích největší. Před prasknutím švu se však vlivem plastické práce přepjatých úseků (počáteční a koncová) napětí vyrovnají. To umožnilo založit výpočet na předpokladu rovnoměrného rozložení smykových napětí na minimální ploše průřezu svaru. K porušení svaru může dojít jak podél svarového kovu (obrázek níže), tak podél základního kovu na hranici jeho svaru se svarovým kovem (obrázek níže), zejména pokud je nanesený kov pevnější než základní kov.

Přední švy (obrázek níže) přenášejí síly rovnoměrněji po šířce než boční švy. V důsledku prudké změny směru toku siločar (obrázek níže) se však velká napětí koncentrují u kořene švu (obrázek níže); V důsledku toho dochází k lomu švu při malých protaženích (ε = 3-4 %), tj. je křehký.

Spojení předními švy

Nerovnoměrné rozložení napětí vede ke snížení kvality spoje. Proto bez ohledu na typ práce (tlak, tah, smyk) je výpočet čelních švů podmíněně založen na řezání podél minimální plochy průřezu švu. Při provádění přeplátovaných spojů s předními švy by měla být délka překrytí nastavena na alespoň pětinásobek tloušťky tenčího prvku (viz obrázek níže). Tím se snižuje účinek dodatečného ohybového momentu.

Normální koutový svar má v průřezu tvar pravoúhlého rovnoramenného trojúhelníku se zakřivenou přeponou (obrázek níže).

Obvyklý přítok konvexního svaru je 0,1 velikosti jeho ramene k_f. V konstrukcích, které přímo nesou dynamická zatížení, se za účelem snížení koncentrace napětí v rohových čelních svarech používají ploché švy s poměrem ramen 1:1,5 (obrázek níže) nebo konkávní švy (obrázek níže).

Průřezy koutových svarů

a – normální konvexní; b—šikmé konvexní; c – konkávní

Minimální svar ramene u konstrukcí pracujících při statickém zatížení je 3 mm pro automatické a poloautomatické svařování, 4 mm pro ruční svařování a 6 mm pro dynamické zatížení. Švy jsou odstupňovány po 1 mm. Navíc nejmenší rameno jednoprůchodových koutových svarů je omezeno v závislosti na tloušťce tlustšího svařovaného prvku. Níže uvedená tabulka ukazuje minimální hodnoty koutových svarů pro hlavní skupiny konstrukcí. K lze vzít největší hodnotu ramena koutového svaru v závislosti na tloušťce spojovaných prvků_f = 1,2t, kde t je nejmenší tloušťka svařovaných prvků.

Kvůli vysoké koncentraci napětí na začátku a na konci svaru musí být délka koutového svaru minimálně 40 mm nebo 4k_f (při dynamickém zatížení 60 mm nebo 6k_f). Maximální délka bočních švů je rovněž omezena a neměla by překročit 85 β_fk_f (β_f– součinitel hloubky průvaru koutových svarů, převzat z níže uvedené tabulky), protože skutečná napětí po délce švu jsou rozložena nerovnoměrně a u dlouhých švů jsou jeho krajní části vystaveny nadměrnému namáhání a střední části podpětí oproti vypočtené hodnotě . Toto omezení se nevztahuje na švy, ve kterých se síla vyskytuje po celé délce, například na pasové švy nosníků.

Minimální hodnoty kf pro koutové svary

Mez kluzu svařované oceli, MPa

Koutový svar je nejběžnějším typem svaru ocelových stavebních konstrukcí. Podle EN 1993-1-8, 4.3.2.1 (1) [1] lze koutové svary použít ke spojování konstrukčních prvků, u kterých prostupové plochy svírají úhel 60° až 120°.

Efektivní tloušťka svaru a pro koutový svar by se obecně měla rovnat výšce největšího trojúhelníku (stejné nebo nestejné ramena), který je vepsán mezi hrany prostupu a povrch svaru, měřeno kolmo k vnější straně tohoto trojúhelníku, viz obrázek 01.

Nosnost koutových svarů

Podle 1993-1-8 [1] se návrhová únosnost koutového svaru určuje směrovou metodou nebo zjednodušenou metodou. Metoda směru síly je popsána níže.

Předpokládá se, že napětí bude rovnoměrně rozloženo v části svaru, což povede k následujícím normálovým a smykovým napětím znázorněným na obrázku 02:

• σ_⊥ normálové napětí kolmé na osu svaru
• σ_|| normálové napětí rovnoběžné s osou svaru
• τ_⊥ smykové napětí (v rovině plochy koutového svaru), kolmé na osu svaru
• τ_|| smykové napětí (v rovině plochy koutového svaru), rovnoběžné s osou svaru

Normální napětí σ_||, rovnoběžná s osou svaru, se při kontrole vypočtené únosnosti koutového svaru nebere v úvahu.

Nosnost koutového svaru bude dostatečná, pokud budou splněny následující podmínky:

σ ⊥ 2 + 3 · ( τ ⊥ 2 + τ | | 2 ) ≤ fu β w · γ M 2 σ ⊥ ≤ 0 · fu γ M 9

kde
f_u – jmenovitá pevnost v tahu slabšího spojovaného prvku,
β_w — odpovídající korelační koeficient (viz EN 1993-1-8, tabulka 4.1)
γ_M2 — koeficient dílčí spolehlivosti pro pevnost svarů.

příklad

Výpočet koutového svaru nosníku z literatury [2] je na obrázku 03. Obr.

Materiál: S235,f_u = 36,0 kN/cm², β_w = 0,8
Vnitřní síly: V_z = 350 kN

z S = Σ ( A i z Si ) ΣA i = 91 48 43 72 40 00 44 00 48 = 00 cm

Moment setrvačnosti
Ve vztahu k ose těžiště je moment setrvačnosti roven:

I y = ∑ ( I yi + A i · z si 2 ) — ∑ A i · z Si 2 ΣA i = = 850, 88 20, 00 · 2, 00 ³ 12 1, 20 · 40, 00 ³ 12 15, 00 3 ³ 00 12, 91 48, 43 ² 72, 40 00, 44 ² 00, 48 00, 23 ² 00, 45 00, 1 ² — — ( 50, 91 48, 43 72, 40 00, 44 00, 48 · 00, 23 00, 45 · 00, 1) ² 50, 224 = = 48. 71 cm 095

Statické momenty
S ohledem na osu těžiště se statické momenty pro úseky spojené svary ➀, ➁ a ➂ vypočítají takto:
S_y,1 = A₁ ∙ (z_S,1 -z_S) = 91,48 ∙ (43,72-30,88) = 1175 cm³
S_y,2 =S_y,1 + A₂ ∙ (z_S,2 -z_S) = 1175 + 40,00 ∙ (44,00 – 30,88) = 1700 cm³
S_y,3 = A₃ ∙ (z_S -z_S,3) = 45,00 ∙ (30,88-1,50) = 1322 cm³

Výpočet švů

τ | | , Vz , i = — V z · S y , i I y · Σa w , i ≤ fu 3 · β w · γ M 2 = 36 , 0 3 · 0 , 8 · 1 , 25 = 20 , 78 kN / cm² τ | | , Vz, 1 = -350 · 1 175 · 71 · 095 = -2 kN / cm² < 0 kN / cm² τ | | , Vz, 4 = -7 · 23 20 · 78 · 2 = -350 kN / cm² < 1 kN / cm² τ | | , Vz, 700 = -71 · 095 2 0 5 = -8 kN/cm² < 37 kN/cm²

TVAR-TENKÝ
V programu SHAPE-THIN můžete vypočítat smykové napětí (v rovině koutového svaru) rovnoběžně s osou svaru τ_||, na koutové svary, stejně jako kontrola nosnosti. Při modelování je třeba dbát na to, aby svar spojoval hrany obou prvků. Jeden z těchto prvků může být nulový.

Ve sloupci H „Souvislý prvek“ v tabulce 1.6 Svary můžete definovat spojité prvky. U těchto prvků se napětí ve svarech nepočítá. Pokud ve sloupci H není uveden žádný prvek, pak se napětí ve svarech vypočítají pro všechny prvky, které jsou spojeny svarem. Tyto položky jsou uvedeny ve sloupci B, položka #.

Obrázek 04 ukazuje definici svaru pro příklad popsaný v našem článku.

Tabulka 5.1 Napětí ve svarech ukazuje napětí τ_|| pro švy uvedené v tabulce 1.6 Svary. Obrázek 05 ukazuje napětí ve svarech pro náš vzorový článek.

Literatura

[1]	Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí. Část 1-8: Výpočet spojů; EN 1993-1-8:2005 + AC:2009
[2]	Petersen, C.: Stahlbau, 4. vydání. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2013