– 5. cvičení –
Svarové spoje Obecně o svařování Svařování je technologický proces spojování kovů podmíněného vznikem meziatomových vazeb, a to za působení tepla nebo tepla a tlaku s případným použitím přídavného materiálu. Ve výrobě ocelových konstrukcí se uplatňují následující druhy svařování:
Nosné prvky se svařují elektrickým obloukem. Podružné prvky lze svařovat plamenem nebo elektrickým odporem. Podrobnější informace o svařování nalezne posluchač ve studijní literatuře. Poznámka – Svařování se řídí technickými normami podle zvolené technologie. Svarové spoje smí provádět jen svářeči s odpovídajícím oprávněním. Dále uvedené poznatky platí tehdy, je-li splněna každá z následujících podmínek: • spojované prvky jsou z ocelí vhodných ke svařování; • spoje jsou zhotoveny obloukovým svařováním; • na spoje jsou použity vhodné přídavné materiály (tzn. elektrody, tavidlo, drát musí mít stejné nebo alespoň podobné vlastnosti jako základní materiál).
–1–
Vlastnosti a druhy svarů Hodnoty pevnostních veličin svarového kovu se uvažují stejné jako u základního (spojovaného) materiálu; tak např. fu = 360 MPa pro svary ocelí S 235 apod. Dílčí součinitel spolehlivosti svarových spojů se bere γMw = 1,50. Podle průřezu a způsobu namáhání se rozeznávají svary koutové, tupé, děrové a žlábkové.
Koutové svary Pojem a návrh koutového svaru Koutové svary se provádějí do návarových ploch spojovaných prvků, jež se pro svar zvlášť nepřipravují. Plochy mohou svírat úhel v rozmezí 60° až 120°.
Obr. – Koutové svary Koutové svary se označují účinným rozměrem např. takto: Zde první číslo udává účinnou výšku svaru a = 4 mm, druhé číslo účinnou délku svaru L = 200 mm. Účinná výška svaru a je výška rovnoramenného trojúhelníka vepsaného do průřezu svarového tělíska (viz obr.). Navrhuje se v celých mm.
Obr. – Účinná výška svaru
–2–
Volba účinné výšky závisí na tloušťkách spojovaných prvků t; má být dodrženo amin ≤ a ≤ amax, kde amax = 1,1 tmin, amin – viz tab. Tab. – Nejmenší účinná výška tmax (mm)
amin (mm)
do 10
3
11 až 20
4
21 až 30
5
31 a více
6
Poznámka – V přeplátovaném spoji nemá být výška svaru větší než 0,7 násobek tloušťky připojovaného prvku. Účinná délka svaru L je délka, na které má svar plný průřez, tj. délka svaru zmenšená na koncích o hodnotu a (viz obr.).
Obr. – Účinná délka svaru Za nosný se považuje svar o účinné délce ⎧6a, L ≥ max ⎨ ⎩40 mm . Poznámka – Působí-li osamělá síla v ose svaru delšího než 150 a (tzv. dlouhý spoj), je třeba redukovat jeho únosnost – podrobnosti v literatuře, resp. v normě.
–3–
Složky napětí. Posouzení svaru
V nebezpečném průřezu svaru se uvažují složky napětí podle následujícího obr., kde σ⊥ ....... normálové napětí kolmé na nebezpečný průřez, τ⊥ ........ smykové napětí (v rovině nebezpečného průřezu) kolmé k ose svaru, τII ........ smykové napětí (v rovině nebezpečného průřezu) rovnoběžné s osou svaru.
Obr. – Napětí v koutovém svaru Poznámka – Nebezpečný průřez lícuje s kořenem svaru; je vymezen účinnou délkou a účinnou výškou. Koutové svary se posuzují podle podmínek
σ ⊥2 + 3 τ ⊥2 + 3 τ II2 ≤
fu f ∧ σ⊥ ≤ u β w ⋅ γ Mw γ Mw
,
kde fu ......... mez pevnosti základního materiálu, γMw ...... dílčí součinitel spolehlivosti materiálu, βw ....... součinitel korelace, který se bere βw = 0,8 pro ocel S 235, βw = 0,85 pro ocel S 275, βw = 0,9 pro ocel S 355. Poznámka – Výrazu σ ⊥2 + 3 τ ⊥2 + 3 τ II2 říkáme srovnávací napětí.
–4–
Příklad – Síla působící v těžišti svarového obrazce. Boční svary
Zadání. Posuďte přeplátovaný přípoj táhla bočními koutovými svary zatíženého osovou silou F = 180 kN podle obr. Základní materiál je pevnostní třídy S 235.
Poznámka – Není-li svar označen délkou, rozumí se, že je proveden v celé délce svarové linie. Účinnou délku uvažujeme L = 160 − 2 a = 160 − 2 ⋅ 4 = 152 mm , kde a = 4 mm je účinná výška. Řešení V daném případě, kdy síla F působí v těžišti svarového obrazce, se napětí ve svarech předpokládá rozdělené rovnoměrně. V bočních svarech se jako nenulová uvažuje pouze jediná složka napětí F τ II = . A Určíme tedy průřezovou plochu svarů A = 2 ⋅ a ⋅ L = 2 ⋅ 4 ⋅ 152 = 1216 mm 2 , potom smykové napětí (rovnoběžné s osou svaru) F 180 ⋅ 10 3 τ II = = = 148 MPa . A 1216
Posouzení se provede pro materiálové charakteristiky: fu = 360 MPa (pro ocel S 235); γMw = 1,50; βw = 0,8 (pro ocel S 235). Únosnost ve srovnávacím napětí (při σ⊥ = τ⊥ = 0) fu = σ ⊥2 + 3 τ ⊥2 + 3 τ II2 = 3 ⋅ τ II = 3 ⋅ 148 = 256 MPa ≤ β w ⋅ γ Mw 360 = = 300 MPa ⇒ vyhovuje. 0,8 ⋅ 1,50
–5–
Příklad – Krční svary
Poznámka – Krční svary se provádějí při výrobě plnostěnných (svařovaných) nosníků za účelem připojení pásnic ke stojině.
Zadání. Posuďte krční svary na svařovaném dvouose symetrickém I profilu z oceli S 235. Prostý nosník o rozpětí L = 6 m je zatížen spojitým rovnoměrným zatížením o návrhové hodnotě q = 40 kN/m'.
Řešení Z pružnosti známe Grashofův vzorec smyku za ohybu V ⋅ Sy . τV = Iy ⋅t Z věty o vzájemnosti smykových napětí vyplývá, že krční svary přenášejí napětí V ⋅S τ II = Sd f , y , Iy ⋅2 a jehož maximum vzniká v místě největší posouvající síly 1 1 VSd = ⋅ q ⋅ L = ⋅ 40 ⋅ 6 = 120 kN . 2 2 Stanovíme moment setrvačnosti (celého) průřezu k těžišťové ose y 1 ⎛1 ⎞ I y = ⋅ 8 ⋅ 376 3 + 2 ⋅ ⎜ ⋅ 150 ⋅ 123 + 150 ⋅ 12 ⋅ 194 2 ⎟ = 171 ⋅ 10 6 mm 4 , 12 ⎝ 12 ⎠ dále statický moment připojované pásnice k téže ose y S f , y = 150 ⋅ 12 ⋅ 194 = 349 ⋅ 10 3 mm 3 . Smykové napětí pro výšku svarů a = 4 mm je tedy VSd ⋅ S f , y 120 ⋅ 103 ⋅ 349 ⋅ 103 τ II = = = 30,6 MPa . Iy ⋅2 a 171 ⋅ 10 6 ⋅ 2 ⋅ 4
–6–
Posouzení se provede pro materiálové charakteristiky: fu = 360 MPa (pro ocel S 235); γMw = 1,50; βw = 0,8 (pro ocel S 235). Únosnost ve srovnávacím napětí fu 360 3 ⋅ τ II = 3 ⋅ 30,6 = 53,0 MPa ≤ = = 300 MPa ⇒ vyhovuje. β w ⋅ γ Mw 0,8 ⋅ 1,50 Poznámka – Redukce únosnosti svaru delšího než 150 a se na tento případ nevztahuje, neboť zatížení svaru je spojité (nikoliv osamělou silou). Příklad – Moment působící kolmo k rovině spoje
Zadání. Posuďte přípoj konzolového nosníku koutovými svary podle obr. Základní materiál je pevnostní třídy S 235. V místě přípoje působí vnitřní síly MSd = = 35 kNm, VSd = 100 kN.
Řešení Namáhání svarového obrazce je přizpůsobeno toku sil v připojovaném profilu. Vyjdeme z těchto předpokladů – 1) Posouvající sílu VSd přisoudíme svarům na stojinách. 2) Ohybový moment MSd přenesou všechny svary (viz obr.).
–7–
Poznámka – Potřebné průřezové charakteristiky se vypočtou z ploch, které vzniknou sklopením nebezpečných průřezů do roviny přípoje. Účinný rozměr a = 4 mm je soustředěn v kořeni svaru. Posouvající síla VSd namáhá svislé svary smykovým napětím τII s konstantním průběhem; stanovíme plochu příslušných svarů Av = 2 ⋅ 4 ⋅ 220 = 1760 mm 2 , takže napětí V 100 ⋅ 10 3 τ II = Sd = = 57 MPa . Av 1760 Ohybový moment MSd vyvolává napětí kolmé ke svarovému obrazci – označíme např. σM – s lineární závislostí na souřadnici z. Určíme moment setrvačnosti svarového obrazce 1 I y = 2 ⋅ ⋅ 4 ⋅ 220 3 + 2 ⋅ 164 ⋅ 4 ⋅ 110 2 = 23,0 ⋅ 10 6 mm 4 , 12 dále průřezový modul svarového obrazce I y 23,0 ⋅ 106 = 209 ⋅ 103 mm3 . Wy = = z 110 Potom napětí M 35,0 ⋅ 10 6 σ M = Sd = = 167 MPa Wy 209 ⋅ 103 rozložíme do složek σ⊥ a τ⊥, jednak ve svaru na pásnici, jednak ve svaru na stojině, viz obr.
V daném případě platí pro oba svary stejné hodnoty 167 σ σ⊥ = M = = 118 MPa , 2 2 σ 167 τ⊥ = M = = 118 MPa . 2 2
–8–
Posouzení se provede pro materiálové charakteristiky: fu = 360 MPa (pro ocel S 235); γMw = 1,50; βw = 0,8 (pro ocel S 235). Rozhodující jsou svary na stojinách. Únosnost ve srovnávacím napětí fu = σ ⊥2 + 3 τ ⊥2 + 3 τ II2 = 118 2 + 3 ⋅ 118 2 + 3 ⋅ 57 2 = 256 MPa ≤ β w ⋅ γ Mw 360 = = 300 MPa ⇒ vyhovuje. 0,8 ⋅ 1,50 Únosnost v normálovém napětí f 360 = 240 MPa ⇒ vyhovuje. σ ⊥ = 118 MPa ≤ u = γ Mw 1,50
Doplňující poznámka – Obdobným způsobem se počítají rovněž přípoje otevřených profilů (viz obr.). Do svarového obrazce se však nezapočítávají svary na hranách pásnic, protože svojí délkou nesplňují podmínky nosného svaru. Zaoblení v přechodu mezi pásnicí a stojinou se obvykle zanedbává.
–9–
