В практике проектирования узлов стальных конструкций есть золотое правило: "Первым должен достигаться отказ пластичного характера". Это своего рода перестраховка. Её цель сделать так, что бы если в узле появятся усилия превышающие проектные и этот узел будет близок к разрушению это должно быть заметно. Желательно невооруженным глазом. Такая осторожность объясняется сложным напряженным состоянием элементов узла и, как следствие, некоторой условностью выполняемых расчетов. О классификации отказов в узлах поговорим как-нибудь с другой раз, а сейчас заденем отдельную тему, а именно: "влияние положения сварного шва относительно приложенной нагрузки на прочность шва и характер отказа".
Как учесть?
Эту тему не обходят стороной ни учебники по сварке, ни учебники по металлическим конструкциям. Все эти учебники в красках рассказывают о превосходстве в пластичности флангового сварного шва над лобовым, иллюстрируя это эпюрами. Однако редкий учебник дает хоть какое-то количественное представление о разнице в работе этих сварных швов. Единственное, что никак не принимает это во внимание - нормы проектирования. Ни СП 16.13330.2017, ни СП 294.1325800.2017 не вводят никаких явных различий при расчете сварных швов расположенных под разными углами. С одной стороны это очень упрощает расчет - прочность шва принимается по худшему варианту вне зависимости от его положения; с другой стороны - это приводит к неучету особенностей работы швов и порой не самому рациональному решению сварного шва. Давайте попробуем получить количественную разницу. Для этого воспользуемся AISC Steel Construction Manual.
Количественная характеристика
Начнем с некоторых экспериментальных установленных зависимостей:
1. Предельная деформация сварного шва при которой наступает разрушение составляет:
2. Деформация при достижении максимальных напряжений составляют:
3. Прочность сварного шва составляет:
Здесь:
- θ - угол между направлением действия силы и осью сварного шва (так что фланговый шов при θ=0°, а лобовой при θ=90°);
- k_f - катет сварного шва;
- F_EXX - прочность электрода сварного шва;
- Δ_i - деформация сварного шва.
Для наглядности нормируем зависимости относительно катетов сварных швов и прочности металла электрода. Полученные зависимости приведены ниже:
Для этих зависимостей можно построить графики нормированной прочности от деформаций. Эти графики приведены ниже. За 1 на графике принято 60% прочности металла электрода - максимальная прочность флангового сварного шва.
В целом эти графики довольно похожи друг на друга. Различия становятся более заметны, если нанести их все на один график.
Тут резко бросается в глаза разница в пластичности сварных швов и их прочности. Лобовой сварной шов в 1.5 раза прочнее флангового, но фланговый более чем в 6 раз пластичнее лобового.
Однако воспользоваться этой прибавкой к прочности в рамках действующей на территории РФ НТД мы не можем. Остается помнить о ней и понимать, что если по результатам расчета лобовой сварной шов используется на 101%, то на самом деле до его реального предела ещё далеко, а вот если такой результат получился для флангового - необходимо увеличивать катет.
А что насчет промежуточных углов?
Кажется заманчивым выполнять небольшой наклон сварного шва в рамках 5-15°, что бы повысить прочность сварного шва и иметь некоторый запас. Давайте разберемся как меняется прочность и деформативность. Для этого построим график зависимости прочности от угла наклона:
На нем видно, что на участке до 10° скорость возрастания прочности невысока и прочность сварного шва под углом в 10° к оси сварного шва всего на 3.6% больше, чем флангового. Запас прямо скажем совсем не большой. А что с пластичностью?
А вот пластичность меняется очень резко именно на этом интервале. При угле наклона в 10° предельная деформация составляет только 53% процента от деформации флангового шва. То есть деформативность шва сокращается почти в два раза. Скорость падения пластичности снижается после достижения угла в 20%. К этому моменту шов потеряет уже чуть более 60% своей пластичности, но приобретет лишь 10% прочности. Что бы не расписывать далее приведу данные сведенные в табличной форме.
Вывод
Даже за незначительное повышение прочности сварного шва придется расплатиться пластичностью. Если Вы готовы на эту жертву - смело применяйте лобовые швы, они дадут наибольший прирост прочности. В ситуациях, когда требуется пластичность узла сделайте акцент на фланговых швах, они способны выдержать деформации достигающие 33,9% от размера катета шва (для катета 8 мм предельная деформация составит 2,7 мм).
Не забывайте подписываться на этот канал. Впереди ждет много интересного, а Ваши подписки, лайки и комментарии - это топливо, на котором я пишу эти, надеюсь, полезные статьи.