Pred NK 5 statika zvarov .ppt - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/lasok/index.html/gradivo_jerman_LASOK/NK_Pred_05... · 2 3 V A R J E N I (ZVARNI) S P O J I Varjene spoje se uporablja

1

Univerza v Ljubljani - Fakulteta za strojništvo

KKTS - LASOK

Nosilne konstrukcije

doc.dr. Boris Jerman , univ.dipl.inž.str.

pisarna: FS - 414

telefon: 01/4771-414

govorilne ure: [email protected]

Varjeni spoji

soavtor gradiva: i.prof.dr. Janez Kramar, univ.dipl.inž.str.

1

Viri slik:

[1] Zoran Ren. Strojni elementi - I. del. VARJENE ZVEZE. Prosojnice;

[2] SIST ENV 1993-1-1, 1992;

2

V A R J E N I (ZVARNI) S P O J I

(angleško: weld(ed) joint (seam), nemško: Schweißverbindung)

Varjenje je spajanje gradiv v nerazdružljivo celoto s taljenjem ali mehčanjem s pomočjo segrevanja mesta spoja. Segrevanje se izvaja z dovajanjem toplote, električne energije ali mehanskega dela(1) ali s kombinacijo teh načinov. Vari se z ali brez uporabe dodajnega materiala. Vari se lahko kovinska in nekovinska gradiva.

Zakaj varjenje? Mnoge sodobne nosilne konstrukcije so zelo velike ali so zapletenih oblik. Uporaba varjenih spojev omogoča razcepitev zapletenih oblik nosilnih elementov in konstrukcij na enostavnejše in manjše dele. Na ta način se doseže: - v mnogih primerih sploh uresničljivost zamisli, - manjši obseg mehanske obdelave, - v večini primerov nižjo ceno izdelka, - ob kasnejših montažnih zvarnih ali vijačnih spojih lažji transport, - v primerjavi z ulitkom večinoma večjo trdnost elementa in cele

konstrukcije.

2

3

V A R J E N I (ZVARNI) S P O J I

Varjene spoje se uporablja tudi za spajanje polizdelkov kot so:• pločevine, • vroče in hladno valjani profili, • cevi, ... v ustrezne sestavne elemente, za gradnjo še večjih nosilnih konstrukcij.

Varjenje je najbolj ekonomična tehnologije spajanja, kadar so zagotovljeni primerni delovni pogoji. Z njo se doseže statično zelo trdne spoje.

Nerazstavljive zveze, izvedene v delavnici, bodo praviloma varjene. Na terenu (na mestu sestave velikih izdelkov) se večinoma uporablja vijačne spoje.

4

STATIČNO OBREMENJENI NOSILNI VARI

Osnovne predpostavke:• zvari so homogeni in izotropni; • togost zvarnega spoja je podobna togosti spajanih delov (1); • pri dimenzioniranju statično obremenjenih varjenih

konstrukcij se upošteva imenske napetosti zaradi zunanjih obremenitev. Napetostne konice in zaostale napetosti zaradi oblike varov se zanemari.

Lokalne zaostale napetosti in konice napetosti lahko v dejanskem varu dosežejo ali celo presežejo mejo plastičnosti. Duktilnost jekla (kovin) tedaj vodi do prerazporeditve

napetosti prečno in vzdolž osi vara.

3

5

TIPI ZVARNIH SPOJEV

Glede na medsebojno lego spajanih elementov (1/2):

• soležni zvarni spoji (podaljševanje pločevin, trakov, različnih profilov, ... ; širjenje pločevin);

• T-, Y- in X(1)- zvarjeni spoji (spajanje pločevin v T in I profile, spajanje različnih profilov v paličja in okvirne konstrukcije, ...);

[1] [1] [1]

6

TIPI ZVARNIH SPOJEV

Glede na medsebojno lego spajanih elementov (2/2):

• vogalni spoji (za sestavo odprtih in zaprtih votlih profilov, za privaritev prirobic, spajanje podelementov v ločne konstrukcije... );

• prekrivni zvarni spoji (overlapped joints) (spajanje tenkih pločevin in tenkostenih profilov, pripajanje priključkov, ... ).

[1]

[1]

4

7

TIPI ZVARNIH SPOJEV

Glede na zvar, s katerim izvedemo spoj (1/5):

• čelni zvar (butt weld)

• kotni zvar (fillet weld)

[2]

[2]

8

TIPI ZVARNIH SPOJEV


• utorni zvar (slot weld) [2]

� jekotni zvar v okrogli ali podolgovati luknji�se sme uporabljati le za prenos strižnih obremenitev v

skupni ravnini spajanih elementov ali za preprečitev izbočitve oziroma odmika prekrovnega dela v spoju.

5

9

TIPI ZVARNIH SPOJEV


• očesni zvar (plug weld)

[2]

�zapolni okroglo ali podolgovato luknjo. �se sme uporabiti za: - prenos strižnih obrem. v skupni ravnini med spajanimi elementi- za preprečitev izbočenja ali odmika prekrivnega elementa - za medsebojno spojitev komponent v varjenem nosilnem elementu (npr. četrta stranica na prečni okrepitvi, kadar ni druge možnosti(1))

10

TIPI ZVARNIH SPOJEV


• vari v lijakastem žlebu (flare groove weld)

• robni zvarni spoj (edge weld)

[1]

[2]

Debelina vara se ugotavlja s poskusnim varjenjem

6

11

TIPI ZVARNIH SPOJEV

• točkovni zvar (spot weld)

• kolutni zvar, neprekinjeni točkovni zvar (seam weld, spot weld seam)

[1]

[1]


12

TIPI ZVARNIH SPOJEV

Glede na popolnost prevaritve stene priključnega elementa:

• spoji s popolnim prevarom;

• spoji z delnim in plitvim prevarom.

Poseben pojem je tesnilni var (seal weld).

[2]

[2]

7

13

Teoretične zahteve za kvalitetno izvedbo zvarov (1/2):

• variv osnovni material; • pripravljen ustrezen žleb;• ustrezen dodajni in pomožni material;• suh in čist dodajni material (bazična elektroda sušena tik pred

uporabo);• var mora biti varen pred pojavom razpok;• izbran ustrezen tehnološki postopek;• ustrezni varilski parametri;• če se vari ročno, mora imeti varilec atest za določen material in

za določen varilski položaj;• varilski položaj naj bo optimalen;• uporablja naj se priložne ploščice;• željena kvaliteta zvara mora biti označena na tehniški risbi;

14

Teoretične zahteve za kvalitetno izvedbo zvarov (2/2):

• potrebna je medfazna kontrola (osnovni mat., dodajni mat., tehnološki param., varilska lega, varilec/varilni avtomat);

• potrebna je prevzemna kontrola vara (kontrola prisotnosti razpok na in pod površino). Neporušne metode kontrole: vizualna kontrola in penetranti za površinske razpoke ter ultrazvok, röntgenski posnetki in posnetki z izotopi za razpoke pod površino. Kontrolni postopek za nosilne zvare mora biti tak, da ob kontroli nastane trajni dokument o stanju zvara.;

• zvari, kjer so odkrite razpoke, se zavrnejo in jih je potrebno izdelati ponovno.

8

15

Klasifikacija čelnih zvarnih spojev po kavliteti (1/4)

Obstajajo različne klasifikacije zvarov glede na njihovo kvaliteto. Za preračun nosilnih elementov, ki so dimenzionirani po napetostnem kriteriju, se uporablja sledeča klasifikacija:

S ...... soležni zvari specialne kvalitete;I. ..... soležni zvari I. kvalitete;(II. ... soležni zvari II. Kvalitete).

Za vse kvalitete je potrebno zagotoviti izpolnitev vseh naštetih teoretičnih zahtev za kvalitetno izvedbo zvarov.

Poleg kvalitet so predpisane tudi dopustne napetosti.

16


Poleg vseh naštetih teoretičnih zahtev za kvalitetno izvedbo zvarov je potrebnoza soležni zvar specialne (S) kvalitete:

• očiščen (izbrušen ali izdleten) in povarjen koren vara;• brušenje temena zvara (na obeh straneh) do nivoja

površine osnovnega materiala. Smer brušenja mora biti taka, da so raze od brušenja v smeri delovanja največjih normalnih napetosti;

• obvezna priležna ploščica za začetek in za iztek zvara (se po varjenju odstrani);

• vsak var je po celotni dolžini (100 %) kontroliran z metodo, ki da ponovljiv dokument.

9

17


Poleg vseh naštetih teoretičnih zahtev za kvalitetno izvedbo zvarov je potrebno za soležni zvar prve (I.) kvalitete:• zahteve za izdelavo enake, kot pri zvarih S kvalitete, ni pa

predpisano brušenje;• vsak var je kontroliran z metodo, ki da ponovljiv dokument

vendar je potrebna kontrola celotne dolžine (100 %) le pri

močno obremenjenih zvarih (z napetostjo v višini 80 % dopustne ali višjo), drugače pa je dovolj 10 % kontrola

(naključni izbor mesta kontrole).

18


Poleg vseh naštetih teoretičnih zahtev za kvalitetno izvedbo zvarov je potrebno za soležni zvar druge (II.) kvalitete:• zahteve za izdelavo enake, kot pri zvarih S kvalitete, ni pa

predpisano brušenje;• prav tako je dopustna korenska ploščica (ni torej obvezno čiščenje in povaritev korena);

• kontrola z metodo, ki da ponovljiv dokument ni

predpisana. Še vedno se izvaja 100 % vizualna kontrola.

Predstavljena klasifikacija velja tudi za T in križne spoje,

izvedene z zvari s polno prevaritvijo! V takem primeru je

potrebna tudi kontrola pločevine na večplastnost.

10

19

Klasifikacija kotnih zvarov po kavliteti

Kotni zvari so lahko:S ......kotni zvari specialne kvalitete;I. .....kotni zvari I. kvalitete.

Za obe kvaliteti je potrebno zagotoviti izpolnitev vseh naštetih teoretičnih zahtev za kvalitetno izvedbo zvarov. Kontrola z

dokumentom se ne zahteva, ker se je ne da izvesti.

Kotni zvar S kvalitete je brušen, I. kvalitete pa ne. Brusi se teme kotnega zvara in pa oba konca.

Tudi pri T in križnih spojih, izvedenih s kotnimi vari, je potrebna kontrola na večplastnost, kadar v pločevini nastopajo velike napetosti, kar pa ni pogosto.

20

Čelni (soležni) zvar (butt weld, Stumpfnaht)s polno in delno prevaritvijo

Čelni zvar s polno prevaritvijo: priključevani element se po debelini v popolnosti pretali, zlije z dodajnim materialom in privari na sosednji element. Praviloma se vari s polno prevaritvijo izvajajo z obeh strani (če dostopnost to dopušča). Kadar druga stran ni dostopna, je najboljša rešitev neodstranljiv ali odstranljiv podložni rob (ploščica).

Čelni zvar z delno prevaritvijo: priključevani element se po debelini delno pretali in delno privari na sosednji element.

Prekinjenih čelnih zvarov se ne uporablja.

11

21

Enostranskih delno prevarjenih čelnih varov se ne uporablja za prevzem upogibnega momenta okrog vzdolžne osi vara, če le-ta povzroča natezne napetosti v korenu vara, niti znatnih nateznih sil v priključnem elementu, ki tudi povzročajo tak upogibni moment.

Nateznim napetostim v korenu vara se izogibamo tudi pri polni prevaritvi:

[1]

22

Enostranski delno prevarjen čelni var se sme uporabitipri čelnem priključku pravokotne ali okrogle cevi (T-, Y- in X- spoj), kjer je tak var izveden po celem obsegu.

[2]

12

23

Projektna nosilnost (odpornost) čelnega zvara za statične

obremenitve

je načeloma enaka projektni nosilnosti šibkejšega elementa v spoju pod predpostavko, da je zvar izdelan z ustreznim dodajnim materialom in ustrezno tehnologijo, ki zagotavljata v celotnem varu minimalno mejo plastičnosti in spodnjo mejo trdnosti, ki sta vsaj enaki osnovnemu materialu v spoju.

Pri mnogih skupinah nosilnih konstrukcij je taka naosilnost vezana na natančne preglede tovrstnih varov z neporušnimi metodami (ultrazvok, röntgen). Če teh preiskav ni, se kljub kvaliteti zahteva znižanje projektnih oziroma dopustnih vrednosti za faktor k < 1. Dopustna napet. v solež. zvaru se tedaj izračuna:

24

Tabela: Vrednosti koeficienta k (za soležne varjene spoje ter za T in križne spoje ob polni prevaritvi)

13

25

Projektna nosilnost čelnega zvara s polno prevaritvijo

26


Računska dolžina soležnega zvara je je načeloma njegova celotna dolžina, kjer ima var polno debelino.

Soležni var ima polno debelino in s tem polno nosilnost po celotni širini zvarjenih pločevin b, kadar je izveden z uporabo priložnih ploščic, ki imajo izdelan enak žleb, kot je na osnovnem materialu:

l = b

[1]

14

27


Kadar se ne uporablja priložnih ploščic, je računska dolžina manjša. Za vsak začetek in konec varjenja brez takih ploščic se dolžina zmanjša za eno debelino zbara a:

l = b – 2a

l b

[1]

28


Računska debelina soležnega zvara:

[1]

15

29

Projektna nosilnost delno prevarjenega čelnega zvara za

statične obremenitve

Kjer se za delno prevarjeni čelni zvar pripravi žlebove: 1/2V, V, J, U ali plitev K, se v preračunu upošteva:

a = anom - 2 mm

razen, če je možno s predhodnimi testiranji dokazati globljo prevaritev.

Enako pravilo velja za čelni zvar v delni prevaritvi v T-spoju,

če neprevarjen del presega petino debeline stene ali 3 mm.

30

Projektna nosilnost delno prevarjenega čelnega zvara z

obojestranskim kotnim zvarom v T ali križnem spoju za

statične obremenitve

Kadar je v T- spoju, ki sestoji iz dveh delnih prevaritev s čelnim varom z dodanima kotnima varoma, neprevarjen del manjši od petine debeline stene in tudi manjši od 3 mm, ter je skupna debelina obeh varov brez neprevarjenega osrednjega dela večja ali enaka debelini priključne stene, se vzame, da je celotna debelina prevarjena.

16

31

Kotni zvar (fillet weld, Kehlnaht)

Kotni zvari se uporabljajo za spajanje dveh elementov preko njunih bočnih površin, ki tvorita medsebojni kot od 600 do 1200. Pri kotih manjših od 600 in večjih od 1200, se kotni zvar ne smatra več nosilen. Pri kotih večjih od 1200 je možno kotni zvar premakniti na čelno stran priključevane pločevine, s čimer so pogoji za kvaliteten kotni zvar zopet vzpostavljeni.

Področje uporabe kotnih zvarov je zelo široko: • Pogosto se jih uporablja za vzdolžno spajanje pločevin in

profiliranih polizdelkov pri izdelavi močnejših odprtih in zaprtih enoosnih varjenih nosilnih elementov.

• Enako pri izdelavi varjenih ortotropnih ploskovnih in prostorskih konstrukcij.

• Zelo so uporabni pri prekrivnih spojih pločevin in profiliranih polizdelkov (klasična in deloma tudi cevna paličja).

32

Kotni zvar

Enostranski kotni vari se ne uporabljajo, če naj bi prevzemali s svoje korenske strani natezno napetost (natezna osna sila v priključnem elementu, upogibni moment z nategom na korenski strani).

17

33

Kotni zvar

Kotni var samo z ene strani se sme uporabiti v grupi ostalih tipov vara na delu obsega priključene cevi, ki je po celem obsegu privarjena na osnovno cev.

[2]

34

Kotni zvar

Kotni var samo z ene strani se sme uporabiti v grupi ostalih tipov vara na delu obsega priključene cevi, ki je po celem obsegu privarjena na osnovno cev.

Kotnih zvarov ne končujemo na vogalu pripojenega elementa ali dela, ampak jih je potrebno nadaljevati po zavoju vsaj še dve polni debelini vara, kjerkoli je to možno v isti ravnini. Končne zavoje je potrebno naznačiti na risbi. To pomeni, da kotnih varov tudi ne začenjamo na vogalu.

18

35

Projektna nosilnost (odpornost) kotnih varov za statične

obremenitve

Dopustna napetost kotnega vara:

36

Projektna nosilnost kotnih varov za statične obremenitve

19

37


obremenitve

Nosilna dolžina (effective

length)

je načeloma njegova celotna dolžina, kjer ima var polno debelino. Kadar se ne uporablja priložnih ploščic, je računska dolžina manjša:

l = b – 2a .b

Obstajajo izjeme.1. Kotnih varov z dolžino, ki je krajša od njegovih šestih

debelin (lw < 6a), se ne upošteva kot nosilne.

[1]

38


obremenitve

Nosilna dolžina (effective length)

2. Dolgi kotni vari (daljši od 150 a) v prekrivnih spojih (overlapped joints), ki so v smeri delujoče sile, se ne upoštevajo v svoji polni dolžini* (Lw,eff < Lj ). Efektivna dožina se izračuna:

Lw,eff = βLw . LjβLw = 1,0 pri Lj ≤ 150 aβLw = 1,2 - 0,2 Lj/(150 a) pri Lj ≥ 150 aLj ... dolžina kotnega vara v smeri delovanja obremenitve.

* … Dolgi kotni vari, ki vežejo elemente (npr. pasnico in stojino) v varjenem enoosnem nosilnem elementu po celi dolžini, so polno nosilni.)

20

39

Računska debelina kotnega vara je višina največjega kotnemu zvaru včrtanega trikotnika. Ta višina se meri pravokotno na zunanjo stranico trikotnika (stranico ob temenu vara). Debelino kotnega vara se označuje s črko a.

[1]

[1]

[2]

40


obremenitve

Računska debelina kotnega vara pri nosilnih jeklenih konstrukcijah ne sme biti manjša oda = 3 mm.

Pri globokem uvaru se lahko upošteva povečana debelina, če je to dodatno debelino možno dokazati kot stalno dosegljivo.

Pri avtomatskem obločnem varjenju pod praškom se sme nominalna debelina vara povečati za 2 mm brez predhodnih raziskav, vendar največ za 20 % osnovne debeline vara .

[2]

21

41

Največja in najmanjša dovoljena debelina kotnih varov

Spodnja meja:tmax [mm] amin [mm]

4 – 12 3

(12) - 17 4

(17) – 25 5

(25) – 35 6

(35) - 50 7

(50) – 70 8

(70) - 10

42

Največja in najmanjša dovoljena debelina kotnih varov

tmin [mm] eeee

do 8,5 1,00

8,5 – (10) 0,95

10 – (12) 0,90

12 – (14) 0,85

14 – (20) 0,80

20 In več 0,7

Zgornja meja:

22

43

Oblikovanje vogalnih spojev

V izogib razslojevanju zaradi možne večplastnosti pločevin se detajle vogalnih varjenih spojev ustrezno prilagodi:

Primer 1 Primer 2

Razslojevanju

podvržen detajl

Izboljšan detajl[2]

44

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev

[1]

23

45

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev

[1]

46

Oblikovanje neojačanih T spojev

Aktivna širina beff pri T spojih enoosnih tankostenih nosilnih elementov (brez ojačitvenih reber v spoju):

Primer 1 Primer 2

[2]

(beff = obremenjena dolžina zvarov)(Za popolno nosilnost zvarnega spoja so potrebna ojačitvena rebra.)

24

47b

T-spoji z ojačitvijo

Aktivna širina beff pri T spojih z ojačitvenimi rebri v spoju):

Primer 1 Primer 2

[2]

(beff = obremenjena dolžina zvarov)(Za popolno nosilnost zvarnega spoja so potrebna ojačitvena rebra.)

Ali kratko, ali dolgo rebro.

48

Potrebna debelina vratnega vara pri I profilu

Vratni vari preprečujejo zdrs pasnic vzdolž stojin, s čimer prisilijo pasnice k sonošenju obremenitve in tako znatno povečajo togost in nosilnost (Iy in Wy).

z

x

Pri vratnih kotnih varih se upošteva le ttttII:

25

49


IZPELJAVA za primer nosilca na dveh podporah, s silo F na sredini.

Velikost reakcij:

A B

50


Momentna ravnotežna enačba za stojino:(Opazuje se ½ nosilca.)

qs ... kontinuirana strižna obremenitev v vratnem zvaru:

26

51


Ravnotežna enačba sil za pasnico:

σ0 ... povprečna upogibna napetost v pasnici

52


Izpeljani obrazec za qs se vstavi v momentno ravnotežno enačbo:

27

53


V izpeljani obrazec za qs se vstavi izpeljani obrazec za σ0:

... velja pri relativno tankih pasnicah

54


Kadar so varjeni nosilci, ki so obremenjeni na strig in na upogib relativno kratki (dolžina manjša od štirih višin profila), so obremenitve vratnih zvarov relativno velike, zaradi česar mora biti tudi debelina zvara večja.

Z večanjem relativne dolžine upogibno-strižno obremenjenih elementov postajajo obremenitve vratnih zvarov relativno manjše. Tedaj so ti zvari praviloma na spodnji meji možne debeline.

Za vratni zvar se uporabljajo največkrat kotni zvari, pri

dinamično obremenjenih konstrukcijah in pri žerjavih pa

tudi čelni zvari. Za obojestranski kotni zvar mora veljati:

Documents

Pred NK 5 statika zvarov .ppt - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/lasok/index.html/gradivo_jerman_LASOK/NK_Pred_05... · 2 3 V A R J E N I (ZVARNI) S P O J I Varjene spoje se uporablja