PL175921B1 - Sposób zwiększania wytrzymałości zmęczeniowej połączenia spawanego - Google Patents

Abstract

Sposób zwiększania wytrzymałości zmęczeniowej połączenia spawanego nakładkowego, poddanego obciążeniom zmiennym, znamienny tym, że w pobliżu występowania karbu geometrycznego połączenia spawanego, przez wszystkie elementypołączenia (1,2) wykonuje się otwory, w których osadza się <5=, śruby sprężające (3), po czym śruby te napina się do normowej wartości siły.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania wytrzymałości zmęczeniowej połączenia spawanego, nakładkowego, występującego w stalowych konstrukcjach nośnych przenoszących obciążenia dynamiczne, m. in. w konstrukcjach mostowych.

Trwałość elementu konstrukcji nośnej obiektów inżynierskich, narażonego na obciążenia dynamiczne, określana jest jako zdolność do długotrwałego przenoszenia obciążeń wywołujących w elemencie siły o zmiennej wartości. Niezdolność do przenoszenia obciążenia przez element następuje w wyniku jego pęknięcia, zwanego zmęczeniowym, które powstaje w wyniku powtarzalnego przykładania obciążeń. Pęknięcie tego typu jest niebezpieczne, gdyż zazwyczaj rozwija się bez dużych odkształceń plastycznych elementu.

Pęknięcia zmęczeniowe występują w konstrukcji w miejscach spiętrzeń naprężeń. Zachowanie się konstrukcji pod względem zmęczeniowym, jej wytrzymałość zmęczeniowa, zależy od wielkości i częstości występowania tych spiętrzeń oraz charakterystyki obciążenia, tj. liczby cykli i amplitudy naprężenia cyklu.

Spiętrzenia naprężeń zwane karbami występują w miejscu połączeń elementów konstrukcji nośnej, w związku z tym, pęknięcia zmęczeniowe powstają właśnie w tych połączeniach. Powszechnie stosowanym sposobem łączenia elementów w stalowych konstrukcjach mostowych jest spawanie. Technologia ta ma wiele zalet, jest łatwa w wykonaniu, obecnie w dużym stopniu zautomatyzowana i umożliwia uzyskanie estetycznych konstrukcji. Ponadto siły w konstrukcji spawanej są przenoszone w sposób jednoznaczny i przejrzysty.

Wadąpołączeń spawanych jest ich niewielka wytrzymałość zmęczeniowa, co szczególnie dotyczy elementów połączonych spoinami pachwinowymi. Wytrzymałość zmęczeniowa złącz spawanych nakładkowych, przy liczbie cykli N = 2x10⁶, gdy nośność łączonej blachy oraz nakładek jest wyższa niż nośność spoin ciągłych, wynosi 45 MPa. Wytrzymałość zmęczeniowa połączeń spoinami przerywanymi będzie jeszcze mniejsza. Niewielka wytrzymałość zmęczeniowa połączeń obniża trwałość eksploatacyjnąkonstrukcji, a niekiedy bywa przyczyną awarii.

Spawanie powoduje powstanie:

- zmian metalurgicznych o charakterystyce odmiennej od charakterystyki materiału rodzimego,

- naprężeń pozostających, tzw. karb spawalniczy,

- karbu geometrycznego.

Naprężenia pozostające, które pozostająw wyrobie spawanym po jego całkowitym ostygnięciu, są przede wszystkim wynikiem odkształceń plastycznych powstałych w materiale. W konstrukcjach spawanych naprężenia pozostające występuj ąw spoinie i wjej bliskich okolicach.

Wielkość karbu geometrycznego w spawanych połączeniach nakładkowych jest zależna od wielu czynników, m. in. grubości nakładek w stosunku do grubości łączonej blachy. Każda raptowna zmiana kształtu w obciążonym elemencie konstrukcji powoduje wzrost naprężeń.

175 921

Liczbowo karb geometryczny jest wyrażony poprzez współczynnik kształtu równy stosunkowi maksymalnego naprężenia do minimalnego naprężenia występującego w danym elemencie.

Karby geometryczne w złączach ze spoinami pachwinowymi występują przede wszystkim na końcach spoin.

Większość obiektów mostowych, eksploatowanych w Polsce przez okres około 50 lat, ze względu na zwiększenie intensywności ruchu na drogach i liniach kolejowych oraz dopuszczania coraz większego obciążenia na oś samochodu i taboru kolejowego wymaga wzmocnienia. Elementy spawane połączenia, mające niewielką wytrzymałość zmęczeniową, pękają w wyniku długotrwałej eksploatacji.

Dotychczas zwiększenie nośności konstrukcji spawanych można było zrealizować poprzez wymianę spoin istniejących na spoiny o większym przekroju lub zwiększając sumaryczną długość spoin, np. w wyniku zwiększenia wymiarów nakładki na wzmacnianym złączu.

Stosowane sposoby wzmacniania połączeń spawanych mają tę podstawową wadę, że wymagają częściowego lub całkowitego demontażu połączenia.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego rozwiązania techniczno-technologicznego wzmacniania połączeń w konstrukcjach stalowych obciążonych dynamicznie, które pozwoli uniknąć stosowania dodatkowych zabezpieczeń przed utratą stateczności konstrukcji w czasie wykonywania naprawy, a w przypadku naprawy konstrukcji mostowych nie spowodują konieczności zamykania ruchu odbywającego się po tym obiekcie.

Zgodnie z wynalazkiem wzmocnienie nakładkowych połączeń spawanych konstrukcji stalowych, poddanych obciążeniom zmiennym wykonuje się poprzez wykonanie otworów na śruby przez wszystkie łączone elementy, umieszczenie w otworach śrub sprężających, które spręża się kluczem dynamometrycznym. Otwory wykonuje się w pobliżu występowania karbu geometrycznego. Wzmacniane elementy łączy się śrubami wysokiej wytrzymałości w klasie nie niższej niż 8.8., korzystnie o średnicy od M16 do M24 w zależności od sumarycznej grubości łączonych elementów.

Zastosowanie sposobu według wynalazku umożliwia kilkakrotne zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej połączeń spawanych w konstrukcjach mostowych, przy czym wzmocnienie takie można wykonać w trakcie normalnej eksploatacji konstrukcji.

Najkorzystniejszy efekt techniczny można uzyskać przy wzmacnianiu połączeń, w których karby geometryczne w sposób istotny zmniejszają wytrzymałość zmęczeniowąpołączenia.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym przedstawiono schemat złącza spawanego nakładkowego, wzmocnionego śrubą sprężającą, przy czym na fig. 1 przedstawiono złącze ze spoinami równoległymi do kierunku działania obciążenia, a fig. 2 - złącze ze spoinami prostopadłymi do kierunku działania obciążenia.

Zgodnie z wynalazkiem wykonano wzmocnienie złącza spawanego spoiną równoległą 4, składającego się z dwóch blach stalowych 1, połączonych obustronnie nakładkami 2. W połączeniu poprzez wszystkie łączone elementy 1 i 2 wykonano otwory o średnicy 22 mm, w których umieszczono śruby sprężające 3 wysokiej wytrzymałości M20 o właściwościach mechanicznych klasy 10.9, z odpowiednimi dla tej klasy śrub nakrętkami 5 i podkładkami. Śruby 3 umieszczono symetrycznie w stosunku do spoin 4, tj. w pobliżu szczególnie dużych karbów geometrycznych występujących na końcach spoin 4. Każda ze śrub 3 została napięta przy pomocy klucza dynamometrycznego.

Z powierzchni kontaktowych łączonych elementów stalowych 11 2 przed montażem usunięto luźno przylegające produkty korozji.

Normowy poziom siły naciągu śrub 3 wynosił 167.3 kN.

Dla porównania wykonano jednorodne połączenie spawane tych samych elementów, w których wykonano spoiny 4 tak samo usytuowane jak w połączeniu ze śrubami 4, ale dwukrotnie dłuższe.

Wszystkie spoiny miały grubość 4 mm.

Wymiary geometryczne spoin 4 zostały dobrane tak, aby nośności statyczne połączenia sprężonego i spawanego były do siebie zbliżone.

175 921

Wyniki badań wykazały, że wytrzymałość zmęczeniowa połączeń spawanych i wzmocnionych śrubami sprężającymi była kilkakrotnie wyższa od wytrzymałości zmęczeniowej połączenia wyłącznie spawanego, przy tej samej nośności statycznej obu typów połączeń. Taki sam wpływ śrub sprężających został zaobserwowany w połączeniach przedstawionych na fig. 2, tj. ze spoinami prostopadłymi w stosunku do kierunku działania obciążenia.

Połączenia spawano-sprężone według wynalazku można stosować przy wzmacnianiu i remoncie przęseł i pomostów spawanych mostów stalowych.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób zwiększania wytrzymałości zmęczeniowej połączenia spawanego nakładkowego, poddanego obciążeniom zmiennym, znamienny tym, że w pobliżu występowania karbu geometrycznego połączenia spawanego, przez wszystkie elementy połączenia (1, 2) wykonuje się otwory, w których osadza się śruby sprężające (3), po czym śruby te napina się do normowej wartości siły.