Przekrój obliczeniowy spoiny
Żeby skorzystać z przedstawionych uprzednio wzorów należy:
ustalić rodzaje i wartości obciążeń przekroju obliczeniowego
(F, T , Mg, Ms),
ustalić geometrię przekroju obliczeniowego spoiny i wszystkie
wskaźniki geometryczne (As, Wg, Wo) potrzebne do obliczenia
naprężeń.
Przekrój obliczeniowy to pasek o określonym kształcie, który traktuje się jako przekrój poprzeczny domyślnego pręta podlegającego obciążeniu. Szerokość paska równa się grubości spoiny a.
Przy obciążeniu przekroju momentem gnącym, momentem skręcającym. lub obydwoma momentami jednocześnie w przekroju obliczeniowym spoiny występuje nierównomierność rozkładu naprężeń. Dlatego zazwyczaj najbardziej obciążonym punktem spoiny jest punkt położony najdalej od środka ciężkości przekroju.
Tablica Przekrój obliczeniowy spoiny
Połączenie
|
Spoina czołowa |
Spoina pachwinowa |
|
|
_________ |
|
|
|
|
|
__________ |
|
|
|
|
|
__________ |
|
|
|
|
|
___________ |
|
|
|
|
|
___________ |
|
|
|
|
_________ |
|
|
Procedurę obliczania naprężeń występujących w konkretnym punkcie spoiny można pokazać na przykładzie schematów na rys. Przyjęto, że połączenie elementu 1 z elementem 2 może być dokonane za pomocą spoiny czołowej (przekrój obliczeniowy spoiny na rys. b) lub za pomocą spoiny pachwinowej na obwodzie zewnętrznym styku (przekrój obliczeniowy spoiny na rys. c).
b) przekrój obliczeniowy spoiny czołowej c) przekrój obliczeniowy spoiny
pachwinowej.
W obydwu przypadkach w przekroju obliczeniowym spoiny mamy identyczny układ obciążeń: siła tnąca Qy, moment gnący Mx i moment skręcający Ms.
Naprężenia składowe w punkcie A:
spoina czołowa -
,
,
spoina pachwinowa -
,
,
Uwaga: ze względu na wymiary i kształt przekrojów obliczeniowych wartości pola przekroju A, wskaźników Wx, Wo i momentu skręcającego Ms są rożne dla spoiny czołowej i spoiny pachwinowej.
Warunek wytrzymałości w punkcie A:
spoina czołowa -
,
gdzie: τ - suma geometryczna dwóch naprężeń składowych τt i τs
spoina pachwinowa -
,
gdzie: τ - suma geometryczna trzech naprężeń składowych τg, τt i τs
Uproszczenie: zazwyczaj (tak jak w rozpatrzonym przykładzie) w obliczeniach połączeń spawanych rzeczywisty rozkład naprężeń stycznych τt przy zginaniu belki siłą P (rys.5.11c) zastępowany jest rozkładem równomiernym (rys.5.11d). Przy czym zakłada się, że tak powstała siła tnąca przekazywana jest tylko poprzez odcinki spoiny równoległe do kierunku działania tej siły (na rys.5.11 uwzględniono tylko pole A1).
a) b) c) d)
Zwiększanie wytrzymałości połączenia spawanego
Wytrzymałość połączenia spawanego można zwiększać zabiegami konstrukcyjnymi (np. racjonalne usytuowanie szwów względem działających obciążeń) i technologicznymi (np. obróbka termiczna spoiny).
Na rys. przedstawiono kilka zabiegów konstrukcyjnych zwiększenia wytrzymałości połączeń spawanych.
1 2 3 4 5 6
sposoby odciążenia spoin
9 11
7 8 10 12
b) sposoby zwiększenia odporności na moment gnący
13 14
c) korzystna zamiana rodzaju spoiny
15 16 17 18
d) sposoby zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej
Przykłady sposobów zwiększenia wytrzymałości połączeń spawanych
Przykłady postępowań obliczeniowych
Przykład 1. Obliczyć naprężenie maksymalne w połączeniu spawanym. Spoina wyprowadzona na płytki.
Rozwiązanie.
schemat przekroju obliczeniowego spoiny
Schemat obciążenia przekroju
Uwaga: siła Py powoduje powstanie w przekroju obliczeniowym jednocześnie momentu skręcającego Ms i siły tnącej Qy.
Jak wynika z rysunku najbardziej wytężonym może być punkt B lub punkt C. Choć w punkcie B nie ma składowej naprężenia od siły tnącej Qy ale wartość składowej od momentu (τsB) większa niż w punkcie C. Zatem nie mając pewności jaki z tych dwóch punktów jest bardziej wytężony należy obliczyć naprężenie w obydwu punktach i do dalszych rozważań przyjąć większe.
Obciążenia przekroju
|
Naprężenia |
|
|
Punkt B |
Punkt C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Suma geometryczna składowych daje wartość naprężenia całkowitego w punktach B i C.
Wzory do ustalenia wskaźników geometrycznych przekroju obliczeniowego:
pole przekroju:
,
gdzie:
;
współrzędna położenia środka ciężkości:
,
gdzie:
;
;
biegunowy moment bezwładności:
,
gdzie momenty bezwładności przekroju względem osi X i osi Y:
ramie punktów:
;
Rys. 5.14
Rys.3.7
Rys.5.15
a) połączenie spawane
Uwaga: - gdy spoiny wykonano bez użycia płytek wybiegowych, to przekrój obliczeniowy
- pomniejszano o tzw. kratery na końcu i początku spoiny (zaczernione
miejsca na rysunkach),
- przekrój obliczeniowy spoiny pachwinowej pomniejszano również
o miejsca załamania kierunku spoiny, gdzie jakość spoiny jest gorsza z
powodu niewielkiego przetopienia