26
2. V A R J E N I (ZVARNI) S P O J I 2. 1 Zakaj varjeni spoji:
Mnoge sodobne nosilne konstrukcije so zelo velike ali so zapletenih oblik. Zapletenost njihovih oblik izvira iz: - funkcionalnih zahtev naprav, v katere so varjeni elementi vgrajeni. - potreb po ve č ji odpornosti (na tlak, upogib, torzijo, ...) samih samih elementov in konstrukcij ob približno približno enaki ali celo manjši porabi gradiva. - zahtev po manjši porabi gradiva ob enaki odpornosti. Uporaba (varjenih) spojev nam omogo či razcepitev zapletenih oblik nosilnih elementov in konstrukcij na enostavnejše dele. Na ta način dosežemo: - v mnogih primerih sploh uresničljivost zamisli, - manjši obseg mehanske obdelave, - v večini primerov nižjo ceno izdelka, - ob kasnejših montažnih zvarnih ali vija čnih spojih lažji transport, - v primerjavi z ulitkom večinoma več jo trdnost elementa in cele konstrukcije. Varjene spoje uporabljamo tudi zato, da spajamo na trgu dobljive polizdelke (plo čevino, vroče in hladno valjane profile, cevi, ...) v zadosti velike in zmogljive, sicer enostavne sestavne elemente, za gradnjo še več jih nosilnih konstrukcij. Kjer so primerni delovni pogoji, je varjenje najbolj ekonomi čna vrsta tehnologije spajanja. Z njo dosežemo statično zelo trdne spoje. Spoji, ki jih izvedemo v delavnici bodo zelo verjetno varjeni. Na terenu, to je na mestu sestave velikih izdelkov, pa uporabljamo ve činoma vijačne spoje.
2. 2 Osnovna dejstva in predpostavke o nosilnih varih stati čno obremenjenih konstrukcij -
-
Zvari so homogeni in izotropni elementi. Deli, ki jih spajamo z zvari, so togi. Lastne deformacije zvarov z bližnjo okolico so v primerjavi z deformacijami vijakov ali kovic z njihovo okolico zanemarljive.
Pri dimenzioniranju statično obremenjenih konstrukcij upoštevamo samo imenske napetosti zaradi zunanjih obremenitev. U činke zaostalih napetosti, napetostnih konic zaradi oblik varov zanemarimo.
Te predpostavke pomenijo v varih ra čunsko enakomerno oziroma linearno porazdelitev napetosti. Dejansko lahko lokalne zaostale napetosti in konice napetosti dosežejo ali celo presežejo mejo plastičnosti. Duktilnost jekla (kovin) nato vodi do prerazporeditve napetosti pre čno in vzdolž osi vara, kar povzroči opazno znižanje velikosti skupnih napetosti.
27
2. 3 Sistematika zvarnih spojev Osnovni pojmi: varek (bead ?) var (angl.: weld, nem,: schweissnaht): navar ( angl.: surface deposit by welding): pretalitev; z dodajnim materialom (en ali več varkov) zvar (angl.: weld for joining): z dodajnim materialom (en ali več varkov); brez dodajnega materiala (spajanje s pretaljevanjem)
Tipi zvarnih spojev: Razvrščanje zvarnih spojev je možno po več kriterijih: - glede na medsebojno lego elementov, ki jih spajamo: + soležni zvarni spoji (podaljševanje pločevin, trakov, različnih profilov, ... ; širjenje pločevin); + T-, Y- in X- zvarjeni spoji (spajanje plo čevin v T in I profile, spajanje razli čnih profilov v palič ja in okvirne konstrukcije, ...); + 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, ... ).
- glede na popolnost prevara stene priključnega elementa + spoji s popolnim prevarom; + spoji z delnim in plitvim prevarom - glede na zvar, s katerim izvedemo spoj + čelni zvar (butt weld) + kotni zvar (fillet weld) + utorni zvar (slot weld) + očesni zvar (plug weld) + vari v lijakastem žlebu (flare groove weld) + robni zvarni spoj (edge weld) + točkovni zvar (spot weld) + kolutni zvar, neprekinjeni točkovni zvar (seam weld, spot weld seam) Poseben pojem je tesnilni var (seal weld)
28
2. 4 Čelni zvar (butt weld, Stumpfnaht) s polno in delno prevaritvijo: O čelnem zvaru s polno prevaritvijo govorimo, kadar se v spoju priklju čna stena po debelini z osnovnim materialom in varom polno pretali in privari na sosednji element. Praviloma se vari s polno prevaritvijo izvajajo z obeh strani ( če dostopnost to dopuš ča). Kadar druga stran ni dostopna, je najboljša rešitev neodstranljiv ali odstranljiv podložni rob (ploščica). O čelnem varu z delno prevaritvijo govorimo, kadar se v spoju priklju čna stena po debelini z osnovnim materialom in varom delno pretali in privari na sosednji element. Enostransko delno prevarjenega čelnega vara ne uporabljamo 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. Enostransko delno prevarjen čelni var smemo uporabiti pri čelnem priključku pravokotne ali okrogle cevi (T-, Y- in X- spoj), kjer je tak var izveden po celem obsegu. Enostransko delno prevarjen čelni zvar smemo uporabiti pri čelnem priključku pravokotne ali okrogle cevi (T- , Y- in X- spoj), kjer je tak var izveden po celem obsegu. Prekinjenih čelnih zvarov ne uporabljamo.
Projektna nosilnost (odpornost) čelnega zvara za statične obremenitve. Projektna nosilnost čelnega zvara s polno prevaritvijo se jemlje 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 kvalitetno izvedenem zvarnem spoju so torej dopustne napetosti v zvaru za statične obremenitve načeloma izenačene z dopustnimi napetostmi za osnovni material. Pri mnogih skupinah nosilnih konstrukcij je omenjena izenačitev dopustnih napetosti 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. Projektna nosilnost čelnega (z)vara z delno prevaritvijo se dolo ča enako kot projektna nasilnost kotnega (z)vara z globokim uvarom. Debelina čelnega zvara z delno prevaritvijo se vzame enaka globini uvara, ki jo je možno zanesljivo doseči po celi dolžini. Ta globina uvara se ugotavlja s predhodnimi preizkusi. Kjer se za delno prevaritev čelnega zvara pripravi 1/2V, V, J, U ali plitev K žleb, se vzame: 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. 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 ve č ja ali enaka debelini priključne stene, se vzame, da je celotna debelina prevarjena.
29
2. 5 Kotni zvar (fillet weld, Kehlnaht): Kotni zvari se uporabljajo za spajanje dveh elementov preko njunih bo čnih površin, ki tvorita 0 0 0 0 medsebojni kot od 60 do 120 . Pri kotih manjših od 60 in več jih od 120 , se kotni zvar ne smatra ve č 0 nosilen. Pri kotih več jih od 120 je možno kotni zvar premakniti na čelno stran priključevane pločevine, s čimer so pogoji za kvaliteten kotni zvar zopet vzpostavljeni. Področ je uporabe kotnih zvarov je zelo široko. Pogosto jih uporabljamo za vzdolžno spajanje plo čevin in profiliranih polizdelkov pri izdelavi mo čnejših odprtih in zaprtih enoosnih varjenih nosilnih elementov. Enako pri izdelavi varjenih ortotropnih ploskovnih in prostorskih konstrukcij. Zelo so uporabni pri prekrivnih spojih plo čevin in profiliranih polizdelkov (klasična in deloma tudi cevna palič ja). Kotni zvari so lahko neprekinjeni ali prekinjani. Prekinjani kotni vari naj se ne uporabljajo v korozivnih pogojih. Pri prekinjanih kotnih varih je potrebno paziti, da so začetki spajanih elementov vedno spojeni in da med sosednjimi spojenimi mesti ne pride do uklonskih ali izbo čitvenih pojavov pod vplivom zunanjih ali termi čnih obremenitev, ki povzročajo v spajanih elementih tlak ali strig. Dolžina nespojenega robu zato ne sme presegati: lnesp.
≤ min {200 mm, 12 tmin,tl}
lnesp.
≤ min {200 mm, 16 tmin,nat}
lnesp
≤ 0,25 . (razdalja med sosednjima okrepitvenima elementoma, če so ti kotni vari uporabljeni za privaritev teh okrepitvenih elementov na osnovno plo čevino).
Dolžina nespojenega robu se meri z iste in (ali) nasprotne strani priklju čnega elementa. Kadar se za pripojitev elementa s katerekoli strani uporabi prekinjan kotni zvar, mora biti spojena dolžina L na začetku spoja na vsakem koncu elementa iste strani. L0
≥ min( 0,75 b1 ; 0,75 b )
b1 višina pripojenega elementa b razdalja med dvema sosednjima pripojenima elementoma 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). Kotni var samo z ene strani se sme uporabiti v grupi ostalih tipov vara na delu obsega priklju čene cevi, ki je po celem obsegu privarjena na osnovno cev. Kotnih zvarov ne kon čujemo 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. Kon čne zavoje je potrebno naznačiti na risbi. To pomeni, da kotnih varov tudi ne za čenjamo na vogalu.
30
Priključek konca kotnika preko ene stranice: Vezni elementi med pasnicama palič ja (diagonale in vertikale) se na pasnice pogosto priključujejo preko vozelnih pločevin. Če priključujemo kotnik na vozelno pločevino, tedaj morata biti sili, ki ju prevzemata bočna kotna vara, v ravnotežju z notranjo silo v priklju čenem kotniku, ki deluje v njegovem težišču. Ker je težiščnica v kotniku izsredna glede na robove kotnika, sili v bo čnih varih nista enaki.
F 1
=
F 2
=
e2 b e1 b
⋅
F
⋅
F
Kotni var, ki je bližje težiščnici, mora biti debelejši od vara na nasprotni strani. Pogosto se uporabi tudi kotni var ob koncu kotnika. Debelina takega 'kon čnega' kotnega vara naj bo enaka debelini debelejšega bočnega vara. Ravnotežje sil se lahko vzpostavlja tudi z dolžinama bočnih zvarov. Pri enakokrakih kotnikih in pri raznokrakih kotnikih, ki so priklju čeni preko širšega kraka, se kot nosilna površina kotnika upošteva celoten presek kotnika. Pri raznokrakem kotniku, ki se priklju čuje preko ožjega kraka, se kot nosilna površina kotnika v nategu upošteva presek nadomestnega enakokrakega kotnika, ki ima kraka širine ožjega kraka tako priključenega kotnika. Če je kotnik kot element tlačen, se vzame njegov dejanski presek.
Projektna nosilnost (odpornost) kotnih varov za statične obremenitve. a) nosilna dolžina (effective length) Nosilna dolžina kotnega vara je načeloma njegova celotna dolžina, kjer ima var polno debelino. Od tega pravila so tudi izjeme. Kotnih varov z dolžino, ki je krajša od njegovih šestih debelin (l w < 6.a), ne upoštevamo pri prenosu obremenitev. 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 = βLw . L j
βLw = 1,0 βLw = 1,2 - 0,2 L j /(150 a) L j ...
pri L j ≤ 150 a pri L j ≥ 150 a dolžina kotnega vara v smeri delovanja obremenitve.
Dolgi kotni vari, ki vežejo elemente v varjenem enoosnem nosilnem elementu po celi dolžini (npr. pasnico in stojino), so polno nosilni.
31
b) računska debelina kotnega vara Praviloma je to višina največ jega trikotnika, ki ga je možno vrisati med spajani ploskvi in površino kotnega vara. Ta višina se meri pravokotno na zunanjo stranico trikotnika (stranico ob površini vara). Debelino kotnega vara označujemo s črko a. Pri nosilnih jeklenih konstrukcijah ta debelina naj ne bi bila manjša kot 3 mm. Pri globokem uvaru se lahko upošteva pove čana debelina kotnega vara, če je to dodatno debelino možno predhodno dokazati kot stalno dosegljivo. Pri avtomatskem obločnem varjenju pod praškom se sme nominalna debelina vara pove čati za 2 mm, vendar največ za 20 % geometrijske (klasične) debeline vara brez predhodnih raziskav.
c) Projektna nosilnost (odpornost) kotnega vara na enoto dolžine za statične obremenitve (Design resistance of fillet weld per unit length for static loading) Projektna nosilnost kotnega vara na njegovo dolžinsko enoto se pri probabilisti čnem pristopu k dimenzioniranju določa iz projektne strižne trdnosti kotnega vara.
f vw, Rd
=
F vw. Rd
=
f u
β w ⋅ γ Mw 3 f vw, Rd ⋅ a
Pri čemer je pomen oznak naslednji: a ……... debelina kotnega vara. f u …….. natezna trdnost šibkejšega elementa v spoju. f vw,Rd .… projektna strižna nosilnost (kotnega) vara na enoto površine. Fvw,Rd … projektna nosilnost kotnega vara na enoto dolžine. βw ……. faktor, ki upošteva povečano nosilnost mehkejših konstrukcijskih jekel po SIST EN 10025 in SIST EN 10113. = 0,80 za jeklo z f u = 360 MPa (S 235 po SIST EN 10025) = 0,85 za jekla z f u = 430 MPa (S 285 po SIST EN 10025) = 0,90 za jekla z f u = 510 MPa (S 355 po SIST EN 10025) = 0,80 za jeklo z f u = 390 MPa (S 275 po SIST EN 10113) = 0,90 za jekla z f u = 490 MPa (S 355 po SIST EN 10113) = 1,00 za vsa visokotrdnostna jekla. γMw ….. parcialni faktor varnosti na strani gradiva. Projektna (ponderirana) napetost v kotnem zvaru mora biti v vsaki njegovi to čki izpod projektne nosilnosti. Dopustne vrednosti za vse komponente napetosti v kotnem varu so po klasi čnem pristopu k dimenzioniranju (glej npr. DIN 18800, Part 1: 1981) naslednje: Jeklo S 235 (St 37): σdop,I = 135 MPa, σdop,II = 150 MPa τdop,I = 135 MPa, τdop,II = 150 MPa Jeklo S 355 (St 52): σdop,I = 170 MPa, σdop,II = 190 MPa τdop,I = 170 MPa, τdop,II = 190 MPa
32
2. 6 Utorni zvar (Slot weld, Lochkehlnaht) Utorni zvari (to je kotni zvari v okrogli ali podolgovati luknji) se smejo uporabljati le za prenos strižnih obremenitev v skupni ravnini spajanih elementov ali za preprečitev izbočitve oziroma odmika prekrovnega dela v spoju. Premer luknje oziroma širina podolgovate luknje ne sme biti manj kot štirikratna debelina detajla, v katerem je luknja. d b
≥ 4t in ≥ 4t
Konca podolgovate luknje morata biti polkrožna, razen v primeru, če sega luknja do robu.
- Projektna nosilnost (odpornost) utornega zvara za stati čne obremenitve (Design resistance of slot welds for static loadings) Projektna nosilnost utornega zvara se obravnava kot nosilnost kotnega zvara. Pri dolžini je potrebno upoštevati, da je dolžina kotnega vara tu krajša kot je obseg luknje oziroma utora. Upošteva se dolžina po težiščnici vara.
2. 7 Očesni zvar (Plug weld, Lochnaht) Očesni zvar je var, ki zapolni okroglo ali podolgovato luknjo. O česni zvari se smejo uporabiti za: - prenos strižnih obremenitev v skupni ravnini med spajanimi elementi - za prepre čitev izbočenja ali odmika prekrivnega elementa - za medsebojno spojitev komponent v sestavljenem varjenem nosilnem elementu (četrta stranica na prečni okrepitvi, kadar ni druge možnosti – nedostopnost ) Premer okrogle luknje ali širina podolgovate luknje naj bo vsaj 8 mm ve č ja od debeline detajla, v katerem je luknja (d ≥ t + 8 mm). Konca podolgovate luknje morata biti polkrožna ali krožna v vogalih s premerom enakim vsaj debelini elementa (d ≥ t), v katerem je luknja, razen v primeru, ko sega luknja do roba. Debelina očesnega vara mora biti do debeline 16 mm elementa, v katerem je luknja, enaka debelini tega elementa. Pri več jih debelinah elementa mora biti debelina očesnega vara vsaj polovico debeline elementa, vendar ne manj kot 16 mm. Razdalja središč lukenj očesnih varov ne sme preseči vrednosti, ki še prepre čuje lokalno izbočitev elementa.
- Projektna nosilnost (odpornost) o česnega zvara za statične obremenitve (Design resistance of plug welds for static loadings) Probabilistični pristop: Fvw,Rd = f vw,Rd . Aw
33
Kjer je: f vw,Rd .... projektna strižna nosilnost kotnega zvara na enoto površine. Fvw,Rd ... projektna strižna nosilnost očesnega zvara. Aw ….... nosilna površina očesnega zvara je enaka površini zapolnjene luknje. Deterministični pristop:
τdop . Aw ,
Fw,dop =
kjer je: τdop ....... dopustna strižna napetost kotnega vara. Fw,dop ... dopustna strižna sila očesnega zvarnega spoja
2. 8 Vari z lijakastim žlebom (flare groove welds) Ti vari se pojavljajo pri bočnem medsebojnem spajanju pravokotnih cevi, pri bo čnem pripajanju pravokotne cevi na ravno pločevino, pri bočnem spajanju okroglih palic na ravno pločevino ali med seboj, ... . Debelino vara moramo ugotavljati s poskusnim varjenjem.
2. 9 Potrebna debelina vratnega vara Najučinkovitejše sredstvo za zmanjševanje porabe gradiva pri upogibno-strižnih in tla čnih nosilnih elementih je uvedba tenkostenskih izvotlenih prerezov kot so okrogle in pravokotne cevi ter varjeni I in škatlasi prerezi. Za varjen upogibno-strižni nosilec I prereza uporabimo tri plo čevinske trakove. En trak postavimo v ravnino delovanja več jih obremenilnih sil in predstavlja stojino, druga dva pa postavimo pravokotno na stojino in predstavljata pasnici. Vsako od pasnic preko njene sredine privarimo na svoj rob stojine. Na ta način dobimo precejšen del prereza zadosti odmaknjen od nevtralne osi, kar zelo pove ča vztrajnostni in odpornostni moment prereza. Povezovalni element med posamezno pasnico in stojino je vratni var. Naloga vsakega od vratnih varov je prisiliti svojo pasnico k sonošenju s stojino. V vratnem varu se pojavijo strižne sile, ki so lepo ozna čene na stičnih mestih upogibno-strižnega nosilnega elementa , kjer so posamezne sestavine pokazane razmaknjeno. Kot ilustracijo obravnavamo nosilec na dveh podporah s koncentrirano silo na sredini:
qs
hs 2
q
=
=
h τ s ⋅a w 2
Velikost reakcij:
A
=
B
=
F
2
Momentna ravnotežna enačba za polovico stojine:
F L ⋅
2 2
−
qs
⋅
L
2
⋅
hs
−
σ 0 ⋅ t s
⋅
h 1 2 ⋅
⋅
2 2 3
⋅
hs
=
0
34
Ravnotežna enačba sil za polovico pasnice:
qs
⋅
L
σ 0 ⋅ A p
−
2
0
=
Iz zadnje ravnotežne enačbe lahko izračunamo:
qs
qs
2
=
L
⋅
σ 0 ⋅ A p
σ 0
ali
=
⋅
L
2
A p
Če vstavimo prvi izraz v momentno ravnotežno ena čbo, lahko izračunamo največ jo upogibno napetost v pasnici, če pa v isto enačbo vstavimo drugi izraz, dobimo strižno obremenitev vratnega vara.. F ⋅ L
−
4
σ 0
I y
W y
qs
τ s
=
=
=
σ 0 ⋅ A p ⋅ hs
F ⋅ L
4
=
A p ⋅ hs
12 2 I y
2 L
qs aw
+
=
hs
⋅
=
σ 0 ⋅
6
1
⋅
hs3 ⋅ t s
=
−
hs2 ⋅ t s
+
2 s ⋅ s
h
σ 0 ⋅ A p
F ⋅ L
4 ⋅ W y
6
h 2 A p ⋅ s 2 A p ⋅ hs
t
=
0
=
+
=
2
hs2 ⋅ t s
6
F ⋅ A p
2 ⋅ W y
F ⋅ A p
⋅
=
2 ⋅ W y
⋅
hs
2 hs
=
T ⋅ S p I y
2
T ⋅ S p I y ⋅ a w
Dolžina vratnih kotnih varov je enaka kot je dolžina upogibno-strižnih elementov, kjer se uporabljajo. Kadar so ti elementi relativno kratki (dolžina je manjša od štirih višin profila), so obremenitve vratnih kotnih zvarov relativno velike in mora biti njihova debelina več ja. Z večanjem relativne dolžine upogibno-strižno obremenjenih elementov postajajo obremenitve relativno manjše in so ti zvari praviloma na spodnji meji možne debeline. Za vratni zvar se uporabljajo največkrat kotni zvari, pri dinami čno obremenjenih konstrukcijah pa tudi čelni zvari.
