Чтобы просмотреть рисунки и таблицы, связанные с этой статьей, обратитесь к флипбуку выше.
Эксперт по сварке Дуэйн Миллер написал пару отличных статей для февральского и мартовского номеров журнала STRUCTURE Magazine за 2024 год. В статьях описаны 10 условий, при которых сварные швы могут испытывать неравномерную нагрузку. Эти условия могут быть проблематичными, если их не избегать или не уделять им особого внимания при проектировании. Общее предположение о том, что приложенные нагрузки вызывают равномерные напряжения в сварном шве, неприменимо для этих условий. Однако что, если вы используете подход к проектированию, который никогда не делает подобных предположений? Проектирование соединений с помощью неупругого анализа, например, с использованием метода конечных элементов на основе компонентов (CBFEM), реализованного в IDEA StatiCa Connection, не делает общих предположений о распределении напряжений в сварных швах или любых других компонентах. Напряжения возникают естественным образом при анализе, основанном на жесткости различных компонентов соединения. В этой статье рассматривается каждое из 10 условий Миллера, чтобы определить, какого особого внимания они требуют при проектировании с помощью неупругого анализа.
Десять наиболее часто встречающихся условий, связанных с неравномерной нагрузкой сварных швов
В своей серии из двух частей «СТРУКТУРА» 2024 года, посвященной неравномерно нагруженным сварным швам (выпуски за февраль и март), автор Дуэйн Миллер резюмировал следующие распространенные условия, с которыми приходится сталкиваться.
Условие 1: Неравномерная нагрузка из-за изгиба корня углового сварного шва или сварного шва PJP с разделкой кромок.
Условие 2: Неравномерная нагрузка из-за единственного поперечного сварного шва в нахлесточном соединении с торцевой нагрузкой.
Условие 3: Неравномерная нагрузка из-за малого расстояния между поперечными сварными швами в соединениях с торцевой нагрузкой.
Условие 4: Неравномерная нагрузка из-за сдвиговой задержки.
Условие 5: Неравномерная нагрузка из-за длинного сварного шва в соединении с торцевой нагрузкой.
Условие 6: Неравномерная нагрузка, поскольку группа сварных швов загружена неравномерно.
Условие 7: Неравномерная нагрузка, поскольку сварной шов соединяет жесткий элемент с гибким элементом.
Условие 8: Неравномерная нагрузка, поскольку поперечные сварные швы объединены с продольными сварными швами.
Условие 9: Неравномерная нагрузка, поскольку сварной шов является частью трубчатого соединения.
Условие 10: Неравномерная нагрузка, поскольку сварные швы соединены болтами или заклепками.
Первое условие — неравномерная нагрузка из-за изгиба корня углового шва или шва с разделкой PJP. Второе условие — одиночный поперечный сварной шов в нахлесточном соединении с торцевой нагрузкой, где существует вероятность неравномерной нагрузки из-за изгиба вокруг корня, если прогиб притираемых частей недостаточно ограничен. Моделирование сварных швов различается в зависимости от подходов неупругого анализа, но в CBFEM угловые сварные швы и сварные швы с кромками PJP моделируются с использованием многоточечных ограничений и эквивалентного элемента оболочки сварного шва, который аппроксимирует упругопластическое поведение сварного шва. Важным аспектом этого подхода к моделированию является то, что он приводит к нулевой изгибной жесткости в корне сварного шва. В результате не может возникнуть никаких изгибающих напряжений, и, что касается подробностей, показанных в статье Миллера, анализ не будет выполнен, поскольку отсутствие изгибной жесткости делает модель неустойчивой. Однако в некоторых случаях стабильность соединения может не зависеть от изгибной жесткости сварного шва, и могут развиться изгибные деформации вокруг корня сварного шва. Изгибательных деформаций следует избегать путем проверки отклоненной формы по расчетной модели и правильной детализации соединения.
В третьем случае неравномерность нагрузки обусловлена малым расстоянием между поперечными сварными швами в соединениях с торцевой нагрузкой. При использовании CBFEM расстояние минимально влияет на прочность сварных швов. Рассмотрим соединение, представленное на рисунке 1. Без геометрической нелинейности граничные условия и эксцентриситет приводят к значительному изгибу пластин. Изгиб уменьшается за счет геометрической нелинейности за счет мембранных эффектов, однако малый интервал не влияет на сварные швы. При очень небольшом расстоянии (например, перекрытие 1/2 дюйма) пластины поддаются деформации, что ограничивает прочность, но опять же на оценку сварных швов это не влияет. Оценка прочности с помощью неупругого анализа устраняет необходимость проверки определенных предельных состояний, зафиксированных моделью, но не устраняет необходимость удовлетворения требований детализации, таких как требования раздела J2.2b(f) спецификаций AISC, которые предписывают минимальное расстояние перекрытия.
Сдвиговая задержка является проблемой в четвертом условии. Несмотря на то, что в таких соединениях, как соединение внахлестку с торцевой нагрузкой, показанное на рисунке 2, существует сдвиговая задержка, неясно, влияет ли сдвиговая задержка на прочность соединения. Анализ CBFEM не выявил какого-либо снижения прочности сварного шва из-за задержки сдвига для этого соединения, как и недавняя серия физических экспериментов, проведенных автором. Тем не менее, как и в случае с третьим условием, требования к детализации Американского общества сварщиков (AWS) должны соблюдаться даже при оценке прочности с использованием неупругого анализа. В частности, в пункте 4.9.2 AWS D1.1 указано, что длина каждого углового сварного шва должна быть не менее перпендикулярного расстояния между ними, если продольные угловые сварные швы используются отдельно в соединениях внахлест концевых соединений полосовых или пластинчатых элементов.
Длинные сварные швы в соединениях с торцевой нагрузкой испытывают неравномерную нагрузку из-за совместимости напряжений между соединяемыми деталями. Напряжение вблизи концов сварных швов больше, чем вблизи середины, причем разница зависит от относительной жесткости между сварными швами и соединяемыми деталями. В традиционной конструкции это пятое условие неравномерной нагрузки сварного шва решается путем использования уменьшенной эффективной длины для длинных сварных швов. При проектировании с помощью неупругого анализа жесткость сварных швов и соединяемых деталей моделируется явно, и обеспечивается совместимость деформаций. Таким образом, результаты более точно отражают эффект неравномерной нагрузки, чем приближенное уравнение. Сравнение результатов анализа CBFEM и традиционного дизайна показано на рисунке 3 на основе более крупного исследования.
Шестое условие — когда группа сварных швов нагружена неравномерно или эксцентрично. В традиционной конструкции это условие часто решается с использованием метода мгновенного центра вращения с помощью таблиц в части 8 Руководства AISC. Метод мгновенного центра вращения сам по себе является методом нелинейного анализа, который обеспечивает соблюдение равновесия и совместимости деформаций, а также учитывает полезный эффект коэффициента увеличения направленной прочности. Сравнение метода мгновенного центра вращения и метода CBFEM для соединений пластин кронштейна показало, что метод CBFEM консервативно фиксирует неравномерную нагрузку.
Условия с 7 по 10 характеризуются несколькими возможными путями нагрузки, причем неравномерная нагрузка возникает из-за того, что некоторые пути более жесткие или прочные, чем другие. Проектирование с помощью неупругого анализа хорошо подходит для правильной оценки этих условий, поскольку жесткость всех компонентов моделируется явно, а совместимость деформаций и равновесие соблюдаются.
Сварка жесткого элемента с гибким является седьмым условием. Пластина под напряжением, приваренная к полке I-образного сечения, как показано на рисунке 4, является классическим примером условия 7. Сварной шов между пластиной и полкой нагружен неравномерно, поскольку большая часть нагрузки притягивается к более жесткому пути непосредственно через полку и в стенку. При моделировании с использованием CBFEM сварочные напряжения являются самыми высокими в стенке I-образного элемента. Эти сварные швы первыми достигают своего полного использования, сигнализируя о том, что прочность соединения достигнута, даже если части сварного шва вблизи кончиков фланцев не работают на полную мощность. Девятое условие — сварные швы, являющиеся частью трубчатого соединения, — это еще один пример сварки жесткого элемента с гибким элементом. Опять же, CBFEM способен улавливать неравномерную нагрузку и соответствующим образом рассчитывать использование сварных швов.
В восьмом состоянии поперечные швы совмещаются с продольными швами и возникает неравномерность нагружения, поскольку сварное соединение поперечными швами прочнее, но менее пластично, чем аналогичные соединения, выполненные продольными швами. Спецификация AISC предоставляет уравнение J2-6 для таких групп сварных швов с концентрической нагрузкой. Даже без реализации этого уравнения CBFEM хорошо фиксирует эффект, поскольку основное поведение моделируется и учитывается при проверке прочности (рис. 5).
Десятое и последнее условие неравномерности нагрузки возникает при соединении сварных швов болтами или заклепками. Раздел J1.8 спецификаций AISC позволяет рассматривать болты и сварные швы как разделяющие нагрузку только при проектировании срезных соединений на общей прилегающей поверхности, где учитывается совместимость напряжений между болтами и сварными швами. Проверки прочности болтов и сварных швов в CBFEM независимы и не требуют специальной обработки, когда болты и сварные швы разделяют нагрузку. Учитывая явное моделирование жесткости болтов, сварных швов, элементов и соединительных элементов, в CBFEM всегда учитывается совместимость деформаций. Когда болты и сварные швы разделяют нагрузку, требуемая прочность каждого зависит от их относительной жесткости. В результате получается общая прочность, аналогичная полученной с использованием приближенного метода, также представленного в разделе J1.8 спецификаций AISC. Однако CBFEM, как правило, не запрещает распределение нагрузок между болтами и сварными швами в соединениях, находящихся под напряжением. Пользователь должен избегать подобных случаев, моделируя болты или сварные швы в растянутых соединениях, даже если оба они присутствуют в физическом соединении.
Неравномерно нагруженные сварные швы, например, рассмотренные в оригинальных статьях Миллера и повторно рассмотренные здесь, заслуживают особого внимания, поскольку они могут быть менее эффективными, чем сварные швы с равномерной нагрузкой, и поскольку они нарушают общие предположения традиционных подходов к проектированию. Проектирование с помощью неупругого анализа обеспечивает путь вперед для этих сварных швов, поскольку четко определенные модели анализа никогда не предполагают, что сварные швы нагружены равномерно. Кроме того, неэластичный анализ можно использовать для определения необходимости действий по смягчению последствий неравномерной нагрузки и, при необходимости, для определения наилучшей стратегии смягчения. ■
Об авторе
Марк Денавит — доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии Университета Теннесси, Ноксвилл.
Мы используем файлы cookie, чтобы предложить вам лучший опыт просмотра, анализировать трафик сайта и персонализировать контент. Используя этот сайт, вы соглашаетесь на использование нами файлов cookie.политика конфиденциальности
