Kompendium / Høgskolen i Gjøvik, 01 nr. 3 Styrkeberegning: sveiseorbindelser statisk Henning Johansen Gjøvik 01 ISSN: 1503 3708
Henning Johansen
side: 0 INNHOLD 1 INNLEDNING 3 ANVENDTE SVEISEMETODER 4 3 SVEISEANGIVELSER PÅ TEGNINGER 7 4 RIKTIG FUGETYPE 9 5 SPENNINGSFORDELING I SVEISEFORBINDELSER 11 6 SVEISESPENNINGER 1 7 SVEISBARHET OG SVEISESIKKERHET 13 8 PÅLITELIGHETSKLASSER 15 9 KRAV TIL UTFØRELSE OG MATERIALER 16 9.1 Krav til utørelse 16 9. Krav til materiale 17 9.3 Slagseighet 18 10 ELASTISKE BEREGNINGSMETODER 0 11 SVEISTE KONSTRUKSJONER GENERELT 3 1 BUTTSVEIS 4 1.1 Buttsveis generelt 4 1. Buttskjøt og T-skjøt 5 13 KILSVEIS 6 13.1 Kilsveis generelt 7 13. Kilsveis etter maksimal elastisk spenningstilstand, NS347 7 13.3 Sveisesømmens geometri 8 13.4 Utorming av kilsveiser 9 14 SVEISEFORBINDELSER UTSATT FOR STREKK / TRYKK 30 15 SVEISEFORBINDELSER UTSATT FOR BØYNING 34 16 SVEISEFORBINDELSER UTSATT FOR VRIDNING 37 17 REFERANSER 38 18 VEDLEGG 39 18.1 Øvingsoppgaver 39 18. Fasit til øvingsoppgaver 46 Copyright 01 Henning Johansen Sist revidert: 14.03.01 01 Henning Johansen side
1 INNLEDNING Dette kompendium er beregnet or personer som er ortrolig med grunnleggende mekanikk og som ønsker å å en grunnleggende innøring i sammenøyning av sveiste konstruksjoner. Det er skrevet ut i ra en serie med orelesninger på høgskolenivå. Det er lagt stor vekt på gode illustrasjoner. En mer omattende skritlig dokumentasjon på de orskjellige deler av agstoet innes i lere lærebøker og i Norsk Standard. Som mål har dette kompendium å gi en innøring i hvordan beregne sveiste konstruksjoner i stål som er utsatt or statiske belastninger. Det er lagt vekt på at beregningsprinsippene skal ølge Norsk Standard. Den ørste delen gir en generell innøring i de mest anvendte sveisemetodene, hvordan angi sveiser på en konstruksjonstegning og hvordan velge riktig sveiseuge. Det er videre vist eksempler på hvordan ytre på kjenning orårsaker orskjellig spenningsordeling i kritiske snitt i orskjellige typer orbindelser. Et kapittel om de spenningene som opptrer p.g.a. selve sveiseprosessen er også med. Videre ølger hva vi mener med sveisbarhet, sveisesikkerhet og hvordan vi deinerer pålitelighetsklasser. Krav til utørelse og materialer i ølge Norsk Standard er angitt i eget kapittel. Beregningsprinsippene i dette kompendium ølger elastiske beregningsmetoder, hvor bruddgrense- og bruksgrensetilstanden er deinert. Selve beregningsdelen er delt i hvordan beregne buttsveis og hvordan beregne kilsveis. Det er gitt utyllende eksempler på beregning av sveiste konstruksjonsdetaljer utsatt or strekk- og trykkbelastning, bøyning og vridning. Disse beregningseksemplene ølger Norsk Standard. Til slutt inner du et sett med oppgaver som kan gi deg bedre orståelse og øvelse i teorien presentert. Foratter av dette kompendium har tidligere jobbet i lere år ved Teknologisk Institutt, avd. Materialteknologi. Han har jobbet mye med sveiseteknologi, bl.a. kurs i beregning av sveiste konstruksjoner or sveiseteknisk personell. Han har også jobbet med oppdrag og prosjekter or implementering av ny teknologi i sveiserelatert næringsliv. 01 Henning Johansen side 3
ANVENDTE SVEISEMETODER Figuren under viser de vanlige sveisemetodene. SVEISEMETODER SMELTE- ANDRE MOTSTANDS- SVEISING METODER SVEISING Kaldtrykks- PUNKT- GAS- LYSBUE- sveising SVEISING SVEISING SVEISING Eksplosjons- SØMsveising SVEISING pulver MIG TIG Friksjons- Brendstuksveising Sveising Elektro- Ultralyd Høyrekvensgas induksjon Elektronstråle Laser Figur.1 Sveisemetoder generelt. De vanligst brukte sveisemetodene er: a) Gassveising: Gassveising er den eldste av sveisemetodene. Sveisevarmen dannes vanligvis ved at acetylen orbrenner med oksygen. Gassene tiløres en sveisebrenner, se Figur neste side, hvor de orbrenner i en lamme som bør være nøytral eller ha et lite acetylenoverskudd or å motvirke oksidering av smeltebadet. Sveisingen kan oregå som oppsmelting av grunnmaterialet, eller det tilsettes materiale inn i sveiselammen i orm av stavelektroder. For å løse opp oksidene på elektroden og grunnmaterialet, og or å beskytte smelten mot oksygen ra atmosæren og ra lammen, dekkes elektroden og grunnmaterialet med et lussmiddel ør sveisingen. Metoden benyttes ikke så mye i dag. Metodene TIG (Tungsten Inert Gas) og MIG (Metal Inert Gas) har i stor grad tatt over. Utstyret er billig og kan benyttes ved sveising av stål og aluminium. Metoden benyttes mest til reparasjonsveising. Figur. Prinsipp or gassveising. 01 Henning Johansen side 4
b) Buesveising med dekkede elektroder: Når en lysbue dannes mellom en elektrode og arbeidsstykket, smelter begge deler og danner en sveiseorbindelse, se Figuren under. Elektroden består av en kjernetråd av grunnmaterialet med et dekke av lussmiddel. Dekket har til oppgave å jerne oksid og å stabilisere lysbuen. Det er hygroskopisk, så elektrodene må lagres tørt. Metoden gir porer, dårlig innbrenning og lussmiddelrester som or gassveising. MIGmetoden (Metal Inert Gas) benyttes deror ote i stedet. Metoden brukes ote til reparasjonsveising. Utstyret er billig, og likeretteren kan også benyttes or sveising av både stål og aluminium. Figur.3 Prinsipp or buesveising med dekkede elektroder. c) TIG (Tungsten Inert Gas): Denne metoden er vist i Figuren under. Her tiløres sveisevarmen ved en lysbue mellom en ikke-smeltende wolram- (tugsten) elektrode og arbeidsstykket. Sveisingen kan oregå med eller uten tilsettmateriale. Ved bruk av tilsettmateriale, øres dette inn i lysbuen hvor det smelter. For å beskytte smelten mot lut (hydrogen, oksygen, nitrogen), strømmer det en beskyttelsesgass av argon, helium (inert gas) eller en blanding igjennom munnstykket og over smeltebadet. TIG-sveising med bruk av vekselstrøm er mest vanlig. Dette or ikke å smelte elektroden. Metoden gir god kvalitet i sveis utørt i alle sveisestillinger og ved bruk av alle typer uger. Den er velegnet or både manuell- og maskinell sveising. Metoden er mest ordelaktig ved materialtykkelser ra 0,7 4mm. God rotinnbrenning gjør at metoden nyttes mye der hvor det er mulig bare å komme til ra bare en side, or eksempel på rør, og til orbindelser med komplisert geometri. Figur.4 Prinsipp or TIG-sveising. 01 Henning Johansen side 5
d) MIG (Metal Inert Gas): Ved MIG-sveising mates en elektrodetråd ra en spole gjennom munnstykket. Denne smelter i lysbuen som dannes mellom elektrodetråden og arbeidsstykket og overøres til sveiseugen. Beskyttelsesgas tiløres gjennom sveisepistolen på samme måte som or TIG-sveising. Se Figuren under. Ved MIG-sveising benyttes likestrøm og elektroden holdes positiv. Elektroden, sveisetråden, blir derved den varmeste polen. Dette gir også oppbryting av oksidbelegget, oksidrensing på arbeidsstykket. Vanligvis benyttes argon som beskytteklsesgass, men en blanding av 70% helium og 30% argon gir bedre innbrenning i arbeidsstykket. Vanlig elektrodediameter er 0,8 4mm. For hver elektrode innes det en grensestrømstyrke der materialoverøringen ra elektroden til arbeidsstykket går ra store enkeltdråper som kortslutter elektroden mot arbeidsstykket, til en mengde smådråper som overøres som en dusj. Vi snakker om henholdsvis kortbuesveising og spraybuesveising. Metoden brukes særlig på materialer ra ca. 3mm og oppover. Sveisehastigheten er høy, or materialtykkelser i området 4 0mm ligger den på 35-70cm/min. For konvensjonell MIG ved horisontalsveising er avsettytelsen opptil 5kg/time. For vertikalsveising er den maksimalt 3kg/time. MIG- og TIG-metodene er i dag de sveisemetodene som brukes mest or stål og aluminium. Figur.5 Prinsipp or MIG-sveising. 01 Henning Johansen side 6
3 SVEISEANGIVELSER PÅ TEGNINGER Både sveiseuger og sveiser angis på tegningene med symboler. Alle angivelsene skal være lette å lese, og må være entydige. Hvis symbolene ikke oppyller disse kravene, må sveisen tegnes ut og målsettes i større skala. Norsk Standard, NS 141, viser hvordan sveiser skal angis med symboler på tegninger. I iguren er: Figur 3.1 System or sammensetning av sveisesymbolet. 1 pillinje henvisningslinjer: a reeranselinje (hellinje) b identiiseringslinje (stiplet linje) 3 sveisesymbol Symbol or sveis på motsatt side skal angis på den stiplede linjen, b. På tegninger som utøres etter NS, skal den stiplede linjen tegnes under den heltrukne linjen, a. 01 Henning Johansen side 7
Eksepler på bruk av grunnsymboler etter NS 141: Tabell 3.1 Bruk av grunnsymboler ved angivelse av sveiser. 01 Henning Johansen side 8
4 RIKTIG FUGETYPE NS 47 oreskriver ugeormer or konstruksjonsstål og NS 473 or aluminium. I standardene er det angitt ugebetegnelse, symbol, ugeorm, sveisemetode, ugemål, sveisestilling og det er gitt noen kommentarer. Tabellen under viser et utdrag av NS 47. Tabell 4.1 Fugeormer or konstruksjonsstål etter NS 47. 01 Henning Johansen side 9
5 SPENNINGSFORDELING I SVEISEFORBINDELSER Figuren under viser hvordan kratstrømmen går i noen sveiseorbindelser. På denne måten kan vi danne oss et bilde av spenningsorløpet ved å tegne inn tenkte kratlinjer på samme måte som vi gjør ved behandling av væskers strømning. Forbindelse Kratlyt Spenningsordeling i snitt A Figur 5.1 Krat- og spenningsordeling i orskjellige sveiseorbindelser. 01 Henning Johansen side 10
Figurene under viser spenningsordeling og kratlinjer i sveiseorbindelser. Figur 5. Kilsveis. a) spenningsordelingen - s strekkspenning og b bøyespenning b) kratlinjer Figur 5.3 Spenningsordeling og kratlinjer langs kilsveiser. 01 Henning Johansen side 11
6 SVEISESPENNINGER Etter sveising vil det opptre restspenninger i konstruksjonsdetaljen. Figuren under viser restspenninger etter buttsveis mellom to ikke innspente plater. a) Buttsvis i rittliggende plate b) Fordeling av lengdespenningene x over bredden y-y c) Fordeling av tverrspenningene y over lengden x-x kurve 1: For ikke-innspente plater kurve : For innspente plater Figur 6.1 Typisk ordeling av restspenninger i ikke-innspente buttsviste plater. Det er viktig å tenke på hvor sveisene plasseres i en konstruksjon. Plasser sveisene der hvor spenningene er lave, hvis mulig. Figur 6. Plassering av sveiser i dampbeholder med jevnt ordelt indre trykk. 01 Henning Johansen side 1
7 SVEISBARHET OG SVEISESIKKERHET At et materiale er godt sveisbart, vil si at det kan sveises med vanlige metoder og tilsettmaterialer på en enkel måte uten spesielle ekstra tiltak or å oppnå et tilredsstillende resultat. Med tilredsstillende resultat mener man at sveisen skal være uten sveiseeil av betydning, og at sveisen, både selve sveisemetallet og den varmepåvirkete sone av grunnmaterialet skal ha egenskaper som er minst like gode som grunnmaterialet. Generell sveisbarhet vil aldri kunne garanteres ordi sveisbarheten er avhengig av: Grunnmaterialets egenskaper Anvendt sveisemetode Materialdimensjoner Sveisebetingelser Konstruksjonsutorming Aktuelle dritsorhold or den sveiste konstruksjonen Da sveisbarhet således bare sier noe om grunnmaterialet, er det hensiktsmessig å innøre et annet begrep, nemlig sveisesikkerhet, som skal omatte hele den sveiste konstruksjonen. Sveisesikkerheten gir uttrykk or den dritssikkerhet en sveiset stålkonstruksjon har. De alvorligste deekter eller eil som en sveiseoperasjon kan øre til i sveisen eller i den tilgrensende varmepåvirkede sone, og som kan tilbakeøres til grunnmaterialets egenskaper er: Varmsprekker Kaldsprekker Inneslutninger Forringelse av grunnmaterialets egenskaper i overgangssonen Sveisesikkerhetsbegrepet skjelner mellom tre typer eil: 1. Mindre, opprinnelige sprekker Alle sveiste konstruksjoner har eil. Mindre roteil, kratersprekker, kantsår osv. kan alle være årsak til at det oppstår sprekker etter en viss dritstid. Disse sprekkene kan i alminnelighet lett repareres.. Utmattingssprekker Tretthetsbrudd i sveiste orbindelser er alminnelige ved utmattingspåkjente konstruksjoner. Særlig opptrer disse sprekkene når omgivelsene har en korrosiv karakter. Disse bruddene skriver seg ra de samme sveiseeil som nevnt oran. De to nevnte eil er mindre arlige hvis de enten stopper eller utvikles langsomt. Hvis sprekker dannes i et område hvor spenningene er relativt store, innebærer de en potensiell are or at de kan utløse et restbrudd som sprøbrudd, hvis temperaturen synker under konstruksjonens omslagstemperatur. 01 Henning Johansen side 13
3. Sprøbrudd Brudd av denne typen er de mest alvorlige brudd i sveiste konstruksjoner. Forenklet sagt, er orutsetningene or at et sprøbrudd kan oppstå ølgende: leraksiale spenninger begynnelsessprekk sprøtt materiale Fleraksiale spenninger og små sprekker vil det alltid være i enhver konstruksjon. Dette gjelder spesielt sveiste konstruksjoner. Den viktigste variabelen blir da sprøtt materiale. De leste lands standarder prøver å løse dette med krav til valg av materialkvalitetsgrupper eller pålitelighetsklasser. 01 Henning Johansen side 14
8 PÅLITELIGHETSKLASSER - Pålitelighetsklasser astsettes i samsvar med NS 3490 i orhold til mulige konsekvenser or brudd eller unksjonssvikt av en konstruksjon eller konstruksjonsdel. - Pålitelighetsklassene brukes hovedsakelig or å dierensiere krav til kontroll av prosjektering, grunnorhold, materialer, tilstand og vedlikehold or orskjellige konstruksjonstyper og or å dierensiere kravene til omanget av kontroll under utørelse og bruk. - Pålitelighetsklassene er gitt av tabellen under: Pålitelighetsklasse Konsekvens ved sammenbrudd 1 Liten Mindre garasjer og lagerskur i en etasje, båtnaust, brygger or sport og ritid. Også kalt sikkerhetsklasse 1. Middels Bygninger i høyst to etasjer, master, tårn, siloer og skorsteiner utenom tettbebyggelse, mindre kaier og havneanlegg, dritsbygninger i landbruket, hytter der skredare opptrer under bruk, påhengsvegger, havbruksanlegg. Også kalt sikkerhetsklasse. 3 Stor Broer, større kaier og havneanlegg, store tribuner og store orsamlingslokaler, bolig-, kontor- og administrasjonsbygg med mer enn to etasjer, industrianlegg, master, tårn, siloer og skorsteiner ved tettbebyggelse. Også kalt sikkerhetsklasse 3. 4 Særlig stor Varmekratverk, dammer med risiko or store lomskader, stor industrianlegg med risiko or eksplosjoner o.l., hovedkonstruksjoner i installasjoner til havs. Også kalt sikkerhetsklasse 4. Tabell 8.1 Pålitelighetsklasser. Konstruksjonsdeler som ikke inngår i hovedbæresystemet av en konstruksjon, kan ha lavere pålitelighetsklasse enn hovedbæresystemet. 01 Henning Johansen side 15
9 KRAV TIL UTFØRELSE OG MATERIALER 9.1 Krav til utørelse. Avhengig av konstruksjonens eller konstruksjonsdelens pålitelighetsklasse, er krav til prosjekteringskontroll og utørelseskontroll klassiisert etter tabellen under: Pålitelighetsklasse Kontrollklasse or prosjektering og utørelse Begrenset Normal Utvidet 1 x x 3 x 4 Skal spesiiseres Tabell 9.1 Krav til prosjekt- og utørelseskontroll. 01 Henning Johansen side 16
9. Krav til materialer. Grunnmaterialer og orbindelsesmidler skal or eksempel tilredsstille kravene i Norsk Standard. De nominelle verdiene or lytespenning, y, og strekkasthet, u er gitt i tabellen under or de vanligste konstruksjonsstål. Tabell 9. Nominelle asthetsverdier. Materialene skal tilredsstille ølgende krav (ved plastisk analyse): a) orholdet u 1, y b) bruddorlengelsen δ 15 5 % c) tøyning ε u som svarer til u skal tilredsstille Hvor ε er tøyningen som svarer til y y ε 15ε u y 01 Henning Johansen side 17
9.3 Slagseighet. Materialet skal ha tilstrekkelig slagseighet, slik at sprøbrudd ikke opptrer ved konstruksjonens laveste dritstemperatur i løpet av dens dimensjonerende brukstid. Dette kravet er oppylt dersom platetykkelsen ikke overskrider verdiene i de påølgende tabeller. For pålitelighetsklasse 1 og : Tabell 9.3 Maksimale tykkelser (mm) or ulike stålsorter i pålitelighetsklasse 1 og. 01 Henning Johansen side 18
For pålitelighetsklasse 3: Tabell 9.4 Maksimale tykkelser (mm) or ulike stålsorter i pålitelighetsklasse 3. 01 Henning Johansen side 19
10 ELASTISKE BEREGNINGSMETODER - Forutsetter at konstruksjonen er i elastisk tilstand. BEREGNINGSMETODER GRENSETILSTANDER 1) BRUDDGRENSETILSTANDEN DEFINERT kapasitet. FASTLEGGES i relasjon til aren or: - brudd - store elastiske orskyvninger - tøyninger som kan sammenlignes med brudd Metoder basert på maksimale laster. Bruddgrenselaster. Dimensjonerende last: F F γ F last som virker γ lastaktor Avhenger av lasttype. (NS3490) 1,5 or dominerende nyttelast 1,05 or andre nyttelaster 1, or egenlast d BRUKSGRENSETILSTANDEN DEFINERT grense som ikke skal overskrides ved orutsatt bruk. FASTLEGGES i relasjon til aren or uakseptable: - orskyvninger - tøyninger - spenninger - nedbøyninger - o.l. Metoder basert på tillatte, virkelige opptredende laster. Brukslaster. Dimensjonerende last: F last som virker F d F Maksimal elastisk bæreevne. Tillatt spenning. j Dimensjonerende spenning: x + y x y + 3τxy d γ y M j x Tillatt spenning: + y xy + 3 τxy till n F F y F lytegrensen til materialet γ M materialaktor 1,1 or tverrsnittskapasitet (grunnmateriale) γ M or sveiseorbindelser, se butt- og kilsveis j opptredende d ( d ) F lytegrense til materialet n F sikkerhetskoeisient ) Avhengig av konstruksjonens- og belastningens art. j opptredende till 1) ) Grensetilstander, se neste side Størrelsen på sikkerhetskoeisient N F, se side 01 Henning Johansen side 0
En konstruksjon beregnes etter omstendigheter, GRENSETILSTANDER: 1) LASTOMSTENDIGHETENE Belastning eller påkjenning. Denne er gitt igjennom konstruksjonens hensikt. Eksempel, Kranbro hvor last er egenvekt og kranlast. ) HVA KONSTRUKSJONEN TÅLER Hvordan den kan oppøre seg ør den ikke lenger kan sies å ylle sin unksjon. a) Kranlasten blir så stor at kranen bryter sammen. Bruddgrensetilstanden b) Ved noe mindre last bøyer kranbroen seg så mye at løpekatten ikke kjører ordentlig på den, men søker mot midten på broen. Bruksgrensetilstanden c) Når kranbroen bøyer seg ned, orandrer kranen sporvidde. Kransene på kranhjulene ligger da mot skinnene og gjør at kranen går or tregt. Figur 10.1 Grensetilstander. a) Brudd. b) Dritsteknisk uheldig deormasjon. c) Slitasjemessig og dritsmessig uønsket deormasjon. 01 Henning Johansen side 1
STØRRELSEN PÅ SIKKERHETSKOEFFISIENT n F : Denne må avgjøres i hvert enkelt tilelle: - Som absolutt laveste verdi må vi regne n F 1,5. Det orutsetter at stålet er gjennom valset og gjennom smidd, og at det er glødd. Vi må også være sikre på at det ikke er gjort eilaktige orenklinger og antakelser ved beregningen. - Vanlig brukte verdier n F,0 -,5 For øvrig vil sikkerhetsgraden avhenge av konstruksjonens art og belastningens art. Konstruksjonens art: Hvis det er are or skade på personell ved eventult brudd i konstruksjonen, må vi øke sikkerhetskoeisienten. Belastningens art: De laveste verdiene or sikkerhetskoeisienten gjelder bare or rolig virkende belastning. 01 Henning Johansen side
11 SVEISTE KONSTRUKSJONER GENERELT Som lastbærende sveiser benyttes: - Buttsveiser (med ull eller delvis gjennomsveising) - Kilsveiser - K-sveiser (med ull eller delvis gjennomsveising) Figur 11.1 Buttsveiser, kilsveiser og K-sveiser. 01 Henning Johansen side 3
1 BUTTSVEIS 1.1 Buttsveis generelt GENERELT: kapasiteten av en buttsveis med ull gjennomsveising kapasiteten av den svakeste av de platene som inngår i orbindelsen Sveisens kapasitet påvises ved spenningene: opptr. j + + 3τ x y x y xy dim. d γ y M hvor : y lytegrensen or orbindelsens svakeste del F γ M 1,1 som or tverrsnittskapasitet grunnmateriale Det orutsettes at det benyttes en elektrode som gir et sveiseavsett som har en lytespenning og bruddasthet som ikke underskrider grunnmaterialets verdier. Buttsveiser med delvis innsveising dimensjoneres som kilsveiser. a-målet settes til: a a nom. mm Figur 1.1 Buttsveiser med delvis gjennomsveising. 01 Henning Johansen side 4
K-sveiser (T-buttsveiser) som består av delvis gjennomsveiste buttsveiser orsterket med kilsveiser, kan dimensjoneres som buttsveis med ull gjennomsveising. Dette orutsetter totalt : a nom. t steg og det usveiste gap : c nom. 0, t c nom. 3mm maksimum Dersom disse orutsetningene ikke er tilstede; Dimensjonering som or kilsveis med a a nom. - mm. Figur 1. Fuger or K-sveiser (T-buttsveiser). 1. Buttskjøt og T-skjøt Buttskjøt R T-skjøt F F t R t Figur 1.3 Buttskjøt og T-skjøt. F Normalspenning : Skjærspenning : τ F A s R A s F t l R t l hvor A s sveisetverrsnitt l lengde t tykkelse sveis / plate 01 Henning Johansen side 5
13 KILSVEIS 13.1 Kilsveis generelt Sveisesnitt: l τ τ τ a Figur 13.1 Kilsveis. Sveisesnitt. Spenningskomponenter: Normalspenninger : - normalt på sveiseretningen Skjærspenninger : τ - parallell med lengderetningen τ Spenningene antas jevnt ordelt over sveisens rotmål, a-mål. Figur 13. Laster og resulterende spenningskomponenter. Jevnørende spenning (generelt) etter deviasjonshypotesen: + + 3τ + 3τ j ll ll ll ( j x + y x y + 3τ xy ) 01 Henning Johansen side 6
13. Kilsveis etter maksimal elastisk spenningstilstand (bruddgrensetilstanden). Kapasitet: Sveisens kapasitet pr. lengdeenhet kan beregnes etter metode a) eller b): Metode a) Spenningskomponentene på basis av opptredende kreter pr. sveisens lengdeenhet og ølgende spenningskomponenter deineres etter iguren under: Figur 13.3 Spenningskomponenter i kilsveisen. er ubetydelig og settes lik 0. Spenningene antas jevnt ordelt over sveisens rotmål, a-mål. Sveisens kapasitet påvises ved spenningene: u opptr. + 3τ + 3τ dim. ( er ubetydelig og settes lik 0) j ll γ β M W og u γ M hvor : u B bruddastheten or orbindelsens svakeste del β W korrelasjonsaktor avhengig av grunnmaterialets nominelle bruddasthet etter tabellen under. γ M materialaktor 1,5 or sveiste orbindelser. Tar hensyn til evt. kapasitetsreduksjon orårsaket av korrosjon eller mekanisk nedbrytning. Ståltype Bruddasthet u ( B ) [N/mm ] Korrelassjonsaktor β w S 35 360 0,8 S 75 430 0,85 S 355 510 0,9 S 40 50 1,0 S 460 550 1,0 Tabell 13.1 Bruddasthet u og korrelasjonsaktor β W. 01 Henning Johansen side 7
Metode b) Sveisens kapasitet pr. lengdeenhet, uavhengig av kratens retning i orhold til sveisens orientering: F W,d W, d a [ N / mm] hvor a sveisens a (rot) -mål Sveisens dimensjonerende skjærspenning: d u 1 τ d (Se eksempel 4 side 33) 3 γ β 3 W, d M w 13.3 Sveisesømmens geometri kilsveisens nominelle a-mål, a nom. settes lik høyden av den største trekant som kan innskrives i kilsveisens tverrsnitt. Figur 13.4 Deinisjon av a-mål or kilsveiser. generelt: a min. 3mm ved automatisk pulversveising: a 1. a nom. or a 10mm a a nom. + mm or a > 10mm a nom. a Figur 13.5 Automatisk pulversveising gir ekstra innsveising. Sveisens lengde ved lastoverøring skal være eller l 40mm l 6 a 01 Henning Johansen side 8
13.4 Utorming av kilsveis Kilsveis skal: - normalt utøres med ugevinkel 60 0-10 0 - skal ikke avsluttes på hjørnet av de sammenøyde komponenter, men øres rundt hjørnet i en lengde av a Avbrutte kilsveis: - Gapet L 1 skal ikke overskride minste av ølgende verdier: - 00mm - 1 t tynnest ved TRYKK L 1 min. - 16 t tynnest ved STREKK - 5% av stiveravstanden or stivere som er orbundet til plate påkjent i trykk eller skjær - Skal avsluttes med -sidig sveis med lengde L 0 0,75 t smalest - Skal ikke brukes i konstruksjoner i korrosivt miljø eller utmattingspåkjente konstruksjoner Figur 13.6 Avbrutte kilsveiser. En enkel kil- eller K-sveis skal ikke benyttes i en usymetrisk orbindelse der det på grunn av lastens eksentrisitet oppstår et moment om sveisens rot. Figur 13.7 Ugunstige ensidige kil- og K-sveiser. Slike sveiser kan or eksempel benyttes ved sveising rundt perierien av et hulproil uten at eksentrisitet oppstår. 01 Henning Johansen side 9
14 SVEISEFORBINDELSER UTSATT FOR STREKK / TRYKK Eksempel 1 Buttsveis med ull gjennomsveising F Gitt: - materiale S35 (St37) - γ 1,5 - γ M 1,1 KONTROLLER SVEISEN! Løsning: Opptredende normalspenning: F γ 3 100 10 1,5 opptr. t b 15 100 100N/mm opptr. b100 F100kN t15 Figur 14.1 Buttsveis med ull gjennomsveising. Dimensjonerende normalspenning: y 35 13,6N/mm d d γ 1,1 M opptr. d 100 < 13,6 OK! Eksempel Kilsveis, langsgående F F 70 l 50 6 8 6 F F/ F/ Gitt: - manuell buesveising - materiale S355 - γ Msv 1,5 γ Mst 1,1 - γ 1,5 - sveisen er like sterke som stengene BESTEM: Lengde l Figur 14. Langsgående kilsveis. Stenger: F γ A A? A 1 70 8 560mm minst, dimensjonerende A 50 6 600mm F γ A 1 01 Henning Johansen side 30
setter F γ A 1 γ y d M st γ y M st A1 y 560 355 F 10480N γ γ 1,5 1.1 Sveis: M st j + 3τ + 3τll j F γ 3 4A s F γ 3 4al 3τ ll maks. 6 45 0 a a maks. 6 sin45 0 4,5mm velger a 4mm j opptr. d γ Msv u β W setter opptr. d F γ 3 4al γ u Msv β W 4al 3 γ γ u F M sv β W l 3 γ γ M β sv 4a u W F 3 1,5 1,5 0,9 10480 43,mm 4 4 510 Velger l 50mm 01 Henning Johansen side 31
Eksempel 3 F F Kilsveis, tversgående Figur 14.3 Tversgående kilsveis. 10 60 F F Gitt: - sveisene er like sterke som stengene - det sveises med manuell buesveising - materiale er S35 - γ M-stengene 1,1 - γ M-sveisene 1,5 BESTEM: a) Sveisens a-mål b) Kraten F Stenger: opptr. o γ F A setter: Opptredende spenning dimensjonerende spenning, o d d γ F y A γ M F Sveis: A γ γ y M 60 10 35 85.455N 85,4kN 1,5 1,1 45 τ 0 45 0 τ når vinkel 45 0 (vanligvis) 0 1 τ sin 45 τ 1 γ F A s j + 3τ + 3τ ll + 3τ 4 0 1 γ F A s j γ F A s opptr. o Setter: Opptredende spenning dimensjonerende spenning, o d d γ F A s γ M u β W 01 Henning Johansen side 3
γ β γ F 1,5 0,8 1.5 85,4 10 3 M W A s u 360 51,6mm a A L s 51,6 4,mm 60 Velger a 5mm Eksempel 4 Kilsveis, belastet i en skrå retning a 10 F Gitt: - manuell buesveising - materiale S355 -F 150kN - γ M 1,5 γ 1,5 170 45 0 16 BESTEM: Sveisens a-mål Figur 14.4 Kilsveis belastet i en skrå retning. Sveisens kapasitet pr. lengdeenhet kan beregnes uavhengig av kratens retning i orhold til sveisens orientering. FW, d W, d a [ N/mm] Sveisens dimensjonerende skjærspenning: 1 510 1 u W, d τ d 61,7N/mm γ M β w 3 1,5 0,9 3 γ F FW, d W, d a l sv γ F a l sv W,d Velger a 3mm 3 1,5 150 10 170 61,7,5mm 01 Henning Johansen side 33
15 SVEISEFORBINDELSER UTSATT FOR BØYNING Eksempel 5 Bjelke sveist ast i en vegg med kilsveis. (Se igur under.) Bøyespenning : b M I b x sveis y hvor: M b bøyemoment I x late treghetsmoment y avstand Skjærspenning p.g.a. bøying: τ b T S I b xsveis s hvor: T skjærkrat S statisk moment av laten utenor beregningsplanet b bredden av beregningsplanet Fordelingen av spenningene b og τ b vises til venstre i iguren under. τ b τ Figur 15.1 Bjelke sveis ast i vegg med kilsveis. Figuren viser at skjærspenningen τ b blir omtrent like stor over hele høyden h og at den er liten i overkant og underkant. Vi kan deror orenkle beregningene ved å anta at hele skjærkraten tas opp av den vertikale sveisen og at den ordeler seg jevnt over h. Belastningen F ligger parallelt med skjærkraten T, så den tilsvarer: F τ ll a h (se iguren) τ b er vanligvis liten. Unntak er or veldig korte bjelker, da blir b (M b ) liten og τ b blir stor i orhold. Da bør vi beregne τ b etter gitte ligning. 01 Henning Johansen side 34
Gitt: - F 6.50N - b 10mm h 100mm L 300mm a 4mm Kontroller lattstål og sveis. - materiale S35 - manuell buesveising FLATTSTÅL: 3 M γ F L 1,5 650 300 813 10 Nmm b I x b h 1 3 10 100 1 3 833 10 3 mm 4 M h 813 10 100 3 b b maks. Ix 3 833 10 168,9N/mm γ F 1,5 650 τ 9,4N/mm b h 10 100 j b + 3τ 168,9 + 3 9,4 maks. 169,7N/mm Opptredende spenning dimensjonerende spenning 35 y opptr. j d γm 1,1 169,7 < 13,6 OK! 13,6N/mm SVEIS: Vi må kontrollere snitt A og B i iguren. Ix sveis Ix sveis 1 1 1 1 3 3 [( b + a)( h + a) b h ] 3 3 3 4 [( 10 + 4)( 100 + 4) 10 100 ] 1056 10 mm Snitt A: M b I h 813 10 100 3 b + a 4 A 3 + x 1056 10 τ 0 sveis 143,8N/mm j + τ + 3τll + 0 3τ b 0 b 45 τ 0 τ sin 45 b b b b b 45 0 01 Henning Johansen side 35
j 4 τ b b b b 143,8 ja 03,6N / mm Snitt B: M b I h 813 10 100 3 b A 3 x 1056 10 sveis 133,N/mm 133, b τ b b γ F a h 1,5 650 4 100 τ ll 94,N/mm 11,7N/mm jb + τ + 3τ ll 4 94, + 3 11,7 b b 189,4N/mm Kontroll: og jmaks. ja u opptr. d γm βw 360 03,6 360 OK! 1,5 0,8 b u A γm 143,8 360 101,7 88 OK! 1,5 01 Henning Johansen side 36
16 SVEISEFORBINDELSER UTSATT FOR VRIDNING - Forbindelser med sirkulære tverrsnitt: Vrispenning: Ip sveis π 3 τ v M I v p sveis r 4 4 [( d + a) d ] hvor: M v vrimoment I p polart late treghetsmoment r radius, avstand til beregningspunkt Forenkling: 3 πd Ip sveis a gyldig når d >> a 4 Figur 16.1 Ringormet kilsveis utsatt or vridning. Ved innesting av "kasseproiler", anvendes: M v Bredts ormel: τv Ao a Hvor: A o Areal innskrevet av sveisens rot uavhengig av kasseproilets orm. Eksempel: Rektangulært tverrsnitt M v h τv gyldig når 0,5 bh a b Figur 16. Rektangulært tverrsnitt. A o b h i Bredts ormel. 01 Henning Johansen side 37
17 REFERANSER 1 Dahlvig, Christensen, Strømsnes (1991). Konstruksjonselementer. Yrkesopplæring ans. ISBN 8-585-0700-1 Henning Johansen (1989). Beregning av sveiste konstruksjoner. Teknologisk Institutt. ISBN 8-567-0418-7 3 Henning Johansen (1989). Konstruktiv utorming av sveiste konstruksjoner. Teknologisk Institutt. 4 Sverre E. Kindem (1991). Mekanikk 1. Statikk og asthetslære. Yrkesopplæring i.s. ISBN 8-585-08-4 5 Espen J. Thrane (1978). Aluminium-konstruksjoner. Universitets-orlaget. ISBN 8-00-5968-4 6 Standard Norge (001). NS347 Prosjektering av stålkonstruksjoner. Beregnings- og konstruksjonsregler. 7 Standard Norge (1991). NS3490 Prosjektering av konstruksjoner. Krav til pålitelighet. 01 Henning Johansen side 38
18 VEDLEGG 18.1 Øvingsoppgaver OPPGAVE 1 To plater med mål som vist i iguren under, sveises sammen med V-uge. Figur O1 Plateskjøt med V-uge. Mål i mm. Strekkraten F 60.000 N, platematerialet er S35JR, materialkoeisienten settes lik 1,1 og lastkoeisienten lik 1,5. a) Bestem spenningen i sveisen. b) Hvor stor er utnyttelsesgraden av sveisen? OPPGAVE Figuren under viser en overlappskjøt utørt med to kilsveiser. Figur O Overlappskjøt med kilsveis. Mål i mm. Strekkraten F 100.000 N og platematerialet er S75. a) Dimensjoner sveisene på iguren. b) Hvor stor må bredden på lattstålet være? 01 Henning Johansen side 39
OPPGAVE 3 En rørormet torsjonsaksel med diameter Ø 60/50mm er skjøtt med en buttsveis. Materialet i akselen er S355. a) Hvor stort vrimoment kan overøres? OPPGAVE 4 Et løteøre av 15mm plate, som vist i iguren under, er sveist ast på langsidene med kilsveis. a) Beregn jevnørende spenning i sveisen. Figur O4 Løteøre. Mål i mm. OPPGAVE 5 Figuren under viser et rørstykke som er 00mm langt og påsveist en arm på150mm. Røret er estet til en vegg med kilsveis, a-mål lik 5mm, og belastes med en rolig virkende krat F 10.000N. Materiale er S355. a) Kontroller sveisen. Figur O5 Rørstykke. Mål mm. 01 Henning Johansen side 40
OPPGAVE 6 Den sveiste konstruksjonen i iguren under belastes med en krat på F 6,5kN. All sveis har a-mål lik 5mm. Figur O6 Sveist konstruksjon. Mål i mm. a) Gjør passende antagelser om lastoverøring, og beregn jevnørende spenning i sveisen i punktene A, B og C. 01 Henning Johansen side 41
OPPGAVE 7 Figuren under viser en snor som er belastet med en krat F 100kN. Snora løper over en trinse og er estet i veggen. Trinsen er lagret på to stk. I-00 bjelker. I-bjelkene er sveist til veggen som vist i iguren. Materialet i bjelkene er S75. a) Kontroller sveisen. Figur Trinse lagret på to I-bjelker. Mål i mm. 01 Henning Johansen side 4
OPPGAVE 8 Figuren under viser en vinkelarm av materiale S355. Vinkelarmen er estet til en aksel som utsettes or en påkjenning (stangkrat) F 1,5kN (som gir stangkraten F 3,kN). Sveisen er utørt som en kilsveis med a-mål på 5mm. a) Kontroller sveisen. Figur O8 Vinkelarm. Mål i mm. 01 Henning Johansen side 43
OPPGAVE 9 Figuren under viser en konsoll bestående av en HE 160B bjelke. Bjelken er belastet med F 100kN (bruddgrensetilstanden, F d 100kN) i avstand e 50mm ra innestingen. Konsollen sveises med kilsveis (manuell sveising). (Vanligvis sveises det rundt hele proilet.) Materialasthet y ( F ) 35N/mm. Rundt lensene velges kilsveis med a 7mm. Langs livplate velges kilsveis med a 5mm. a) Kontroller kilsveisen. Figur O9 Konsoll. 01 Henning Johansen side 44
OPPGAVE 10 Figuren under viser et lattstål, 0 x 100mm, som er estet til en vegg med tosidig kilsveis. Materialasthet y ( F ) 35N/mm. Sveisemetode benyttet er manuell buesveising. Bruddgrenselasten (F d ) er: I) Kraten N 150kN (Se igur) og virker sentrisk i lattstålet. Ia) Kontroller grunnmaterialet Ib) Beregn kilsveisens a-mål (etter NS, kilsveisens kapasitet - metode b) Ic) Kontroller sveisen(etter NS, kilsveisens kapasitet - metode a) II) Kraten N 1 75kN (Se igur) og virker i underkant av lattstålet, og a-målet er 5mm. IIa) Kontroller grunnmaterialet IIb) Kontroller kilsveisen Figur O10 Flattstål sveist til en stiv vegg. Mål i mm. 01 Henning Johansen side 45
18. Fasit til øvingsoppgaver OPPGAVE 1 a) Bestem spenningen i sveisen. Spenningen i sveisen opptredende spenning: b) Hvor stor er utnyttelsesgraden av sveisen? Utnyttelsesgraden av sveisen: α 53% 11.5N/mm o OPPGAVE a) Dimensjoner sveisene på iguren. velger a 8mm Velger l 45mm b) Hvor stor må bredden på lattstålet være? Velger b 50mm OPPGAVE 3 a) Hvor stort vrimoment kan overøres? Vrimomentet: M v.733nm OPPGAVE 4 a) Beregn jevnørende spenning i sveisen. Opptredende spenning jevnørende spenning: o 115,1N / mm j OPPGAVE 5 a) Kontroller sveisen. Opptredende spenning jevnørende spenning: Kontroll: OK! OPPGAVE 6 j 191,7N / mm a) Gjør passende antagelser om lastoverøring, og beregn jevnørende spenning i sveisen i punktene A, B og C. pkt. A) j 178,0N / mm A pkt. B) pkt. C) jb jc 133,4N / mm 44,9N / mm OPPGAVE 7 a) Kontroller sveisen. Jevnørende spenning: Kontroll: OK! ja 350,4N / mm og jb 30,3N / mm OPPGAVE 8 a) Kontroller sveisen. Jevnørende spenning: Kontroll: OK! j 65,6N / mm og A jb 57,N / mm 01 Henning Johansen side 46
OPPGAVE 9 a) Kontroller kilsveisen. Jevnørende spenning: Kontroll: OK! ja 180,N / mm og jb 7,1N / mm OPPGAVE 10 I) N150kN: Ia) Normalspenning: Ib) Ic) Kontroller grunnmaterialet. opptr. Kontroll: OK! Beregn kilsveisens a-mål etter metode b) NS. a 3mm 11,5N / mm Kontroller kilsveisens a-mål etter metode a) NS. j 311,0N / mm Kontroll: OK! II) N 1 75kN: IIa) Kontroller grunnmaterialet. maks. 5,N / mm Kontroll: IKKE OK! IIb) Kontroller sveisen, a5mm. Jevnørende spenning: Kontroll: OK! j 180,4N / mm 01 Henning Johansen side 47