Sveiste konstruksjoner 8200357066 [PDF]

Zitiervorschau

Helge Helgesen

Sveiste konstruksjoner

Universitetsforlaget AS Oslo-Bergen-Stavanger-Tromsø

© Universitetsforlaget AS 1987 ISBN 82-00-35706-6

Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i under­ visningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Omslag: Tor Berglie Trykk: P. J. Schmidt A/S Bogtrykkeri, Vojens 1987

Forord

Å konstruere med stål gir mange muligheter. Hensikten med denne boka er å vise hvordan man kan utnytte en del av disse mulighetene, øke sikkerheten og redusere vekten i konstruksjo­ nen. Det er nyttet nye beregningsmetoder og henvist til stan­ darder for stålkonstruksjoner. Beregninger er vist uten å gjøre bruk av differensialregning osv. Når en har kompliserte spenningsbilder i sveisen, og når ønsket lengde på sveisen er kjent, har det vært vanskelig å beregne a-målet. Boka viser en måte å løse dette problemet på, nemlig ved å behandle sveisen som en linje uten areal for så å kunne beregne det nødvendige a-mål. Det er forsøkt å gjøre innholdet av boka så lett tilgjengelig som mulig ved hjelp av illustrasjoner og eksempler. Forfatteren vil sette pris på å bli gjort oppmerksom på eventuelle feil i boka. Ved henvendelse til forfatteren kan interesserte lærere få tilsendt oppgavesamling og forslag til prosjektoppgaver til kostpris. Bergen, januar 1987 Helge Helgesen

Innhold

1 INNLEDNING 7

5 OPPBYGNINGEN AV ELE­ MENTER VED SVEISING 59 Lagerbukker 59

2 KOSTNADSHENSYN VED SVEISING 12 Kostnader ved sveising 12

Forsterkninger 63 Armer og braketter 63 Hjul, lagerhus og tromler 65 Søyler og bjelker 67 Stabiliteten i sveiste konstruksjo­ ner 68

Faktorer som gir rimelige løsnin­ ger 14 Kostnadsberegninger av sveis 14 Automatisering - når svarer det seg? 16 Det er en vei til å forbedre kon­ struksjonen - finn den! 18 Sjekkliste for økonomiske sveise­ forbindelser 19

3 STÅL FOR SVEISING 20 Tilgjengelige materialer 21 Halvfabrikater for sveising 22 Enkel sveisemetallurgi 22 Betydningen av legeringselementene 24 Valg av stålkvalitet 26 Prissammenligning av stål 30 Sjekkliste for valg av stål 30

4 KONSTRUKTIV UTFOR­ MING FOR SVEISING 34

Skjøter 34 Detaljer ved sveising 37 Tromler og hjul 40 Braketter 42 Lagerhus 44 Festing av søyler 45 Avstivninger og ribber 46 Fundamenter og rammer 52 Kontroll av deformasjoner ved sveising 55

6 EKSEMPLER PÅ SVEISTE KONSTRUKSJONER 71

Rammer og fundamenter 71 Braketter 76 Tromler og hjul 78 Armer og ledd 79 Beholdere og tanker 80 Avstivninger 82 Søyler 84 Diverse 85

7 DIMENSJONERINGSPRINSIPPER FOR SVEISTE FOR­ BINDELSER 87 Tidligere måte å dimensjonere sveis på 88 De nye prinsippene for dimensjo­ nering 88 Dimensjonerende materialfasthet 88 Dimensjonerende last 89 Krefter 89 Grensetilstander 91 Sikkerhet mot utmatting 92 Sikkerhet mot knekking 93 Elastiske i motsetning til plastiske beregninger 94

8 BEREGNINGER AV STA­ TISK PÅKJENTE FORBIN­ DELSER 96 Grunnlag 96

Materialvalg med tanke på ned­ bøyning 181

Dimensjonering av sveis 99 Beregning av a-mål 102 Kontroll av spenning i sveis 106 Statisk påkjente buttsveiser 107 Statisk påkjente kilsveiser 108 Torsjonspåkjente forbindelser 121

12 RAMMER, BORDPLATER OG DEKK 182

Rammer 182 Torsjonsstivhet i rammer 183 Bordplater 192 Bordplater med spor 194 Dekk 195

9 BEREGNINGSVERKTØY 122

Bestemming av treghetsmoment 122 Hensyn ved bøyespenninger 136 Beregning av krumme bjelker 140 Bruk av lommekalkulatorer 144

13 FORBINDELSER OG KNUTEPUNKTER 199 Skjøting av fagverk 199

Forbindelser mellom bjelker 203 Skjøting av rør 204 Vinkelkonstruksjoner 207 Søyleforbindelser 208

10 BEREGNING AV DYNA­ MISK PÅKJENTE FORBIN­ DELSER 147 Utmattingspåkjenning 147 Beregning av utmattingspåkjente sveiseforbindelser 150 Punkter å passe på ved konstruk­ sjon mot utmatting 154 Slag og sjokkbelastninger 158 Beregning av konstruksjoner ut­ satt for sjokklast 160 Punkter å passe på ved konstruk­ sjon mot sjokklast 164 Vibrasjon 165 Vibrasjons- og støykontroll 167

14 KNEKKING AV SØYLER OG PLATER 214

Knekking av søyler 214 Knekking av sammensatte stavtverrsnitt 222 Vipping 224 Knekking av plater 225

15 TABELLER MED FORM­ LER OG DATA 231

16 SYMBOLER OG FORKOR­ TELSER 265

11 NED BØYNING 169

Beregning av nedbøyning 169 Konstruksjoner med nedbøyning 173 Maxwells teori for nedbøyning 174 Strengmodeller av bjelker 176 Nedbøyning på grunn av egenvek­ ten av konstruksjonen 178 Elastiske konstruksjoner 179 Nedbøyning av bjelker med for­ skjellige tverrsnitt 181

Symboler 265 Engelske forkortelser for sveising og tilhørende prosesser 269 Forkortelser for institusjoner 272 Det greske alfabetet 274

REFERANSER 275

STIKKORD 276

1 Innledning

På verdensbasis er sveising under utvikling. Det kommer stadig ny teknologi og nye metoder. Bruksområdet og vanske­ graden av sveising øker. Det gjelder for eksempel jetmotorer, undervannssveising og store konstruksjoner med grove di­ mensjoner. Bedre spesialstål skal sveises sammen med vanlig stål for å utnytte det bedre. Det krever ofte mer sveising enn før. Et mål for hvordan sveising har økt, er at i 1940 ble det i USA produsert ca. 5 kg elektroder for hvert tonn stål. I 1970 hadde dette økt til 16 kg pr. tonn stål. I denne perioden har bruken av stål økt slik at bruken av sveising har steget ca. 1000 prosent i de siste 40 år. Norge har hatt sin del av denne utviklingen. Mye av norsk industri er basert på platearbeid. En stor del av dette henger sammen med skipsbygging. Vi har også fått oljeinstallasjoner i Nordsjøen og sekundære behov i forbindelse med det. I de fleste konstruksjoner og på svært mange arbeidsfelter blir sveising brukt som et bindemiddel. Det er store økonomi­ ske fordeler ved å bruke sveiste konstruksjoner. Fremstillingen er kort. Sveising er en viktig og akseptert del av vår industri. Det som kanskje kunne være bedre, er forståelsen av hva som foregår når en sveiser, og hvordan en bør konstruere for sveising slik at en får mest mulig ut av konstruksjonen. Sveising gir nye muligheter og stiller andre krav enn andre former for sammenføyning. Konstruktøren får større frihet. De som konstruerer sveiste maskindeler eller store struktu­ rer, mangler ofte utdanning på dette feltet. De kan ha rede på materialer og kunnskap om beregningsmetoder, men mangler tilstrekkelig kunnskap om de faktorene som har betydning for sveising. Konstruktørene trenger å vite om hvordan de skal bruke stålet effektivt, og hvordan de skal bygge stivhet inn i konstruksjonen for å motvirke torsjon. De må komme bort fra 7

å tenke som om det var støpte deler og klinkede eller skrudde forbindelser. En moderne sveist forbindelse er en integrert del av en helhet og har sitt eget utseende. Sveising kan deles inn i fire fagområder:

1 2 3 4

Sveisemateriallære - metallurgi Sveisemetoder og systemer Sveiste konstruksjoner og styrkeberegningen av dem Kontroll av sveis

Her skal vi særlig behandle sveiste stålkonstruksjoner. En sveist konstruksjon er en helhet. En skikkelig utført sveis er sterkere enn grunnmetallet. Den er kompakt og normalt stivere enn konstruksjoner som er utført med andre sammenføyningsmetoder. Sveiste forbindelser er best ved utmattingspåkjenning, slag og vibrasjoner. Med sveising kan vi redusere vekt og kostna­ der. Metoden egner seg ved plastiske beregninger. Den kan gi vektreduksjon og spare penger, og den kan gi kompakt og stiv konstruksjon som oppfyller konstruktørens ønsker. Det finnes mange sveisemetoder, og stadig nye kommer. Nesten alle tenkelige konstruksjoner og metaller lar seg sveise. Mange sveiste konstruksjoner blir ikke beregnet for styrke. De blir vanligvis overdimensjonert for å være sikre. En viktig fordel ved sveising faller da bort. Selv ved overslagsberegnin­ ger kan vi vanligvis også oppnå dimensjonsreduksjoner, større sikkerhet og økonomiske besparelser. For å kunne utføre beregninger av en sveis er det ofte nødvendig å forenkle. I stedet for opptredende spenninger bruker vi gjerne begrepet nominelle spenninger. Det gjør vi fordi det kan være svært komplisert å beregne nøyaktig hvilke spenninger som opptrer. Ofte kommer det fram spenninger ved selve sveiseoperasjonen. I selve sveisen er det heldigvis ekstra styrke, ofte 50% og mer enn i grunnmaterialet. Selv en dårlig sveis har derfor oftest styrke nok. Vi vil derfor her i utgangspunktet se bort fra virkningene av sveisefeil og indre spenninger i sveis. Ved dimensjonering av sveiste forbindelser er det nødvendig å sjekke spenninger i: a sveisen b grunnmaterialet ved sveisen c punkter med spenningskonsentrasjon

Med riktig utforming av konstruksjonen og riktig sveising kan sveisespenningene reduseres. Om nødvendig kan de elimineres ved varmebehandling. Likevel er det viktig for konstruktøren å ha i tanken at det oppstår fleraksede spenninger på grunn av 8

krymping i sveisemetallet, og svekkinger på grunn av oppvar­ ming ved sveising. Beregninger og dimensjonering er for det meste basert på NS 3472. Det stoffet vi presenterer her, vil forhåpentligvis gjøre det lettere å konstruere og beregne sveiste stålkonstruksjoner. Denne korte lista med spørsmål kan være til hjelp når en skal begynne på en sveist konstruksjon.

1 Definer oppgaven som skal løses: a Hva er den primære oppgaven for konstruksjonen? b Er det en ny konstruksjon? c Dersom det er en ombygging av eksisterende utstyr, kunne det gjøres på en helt annen måte? 2 Analyse av eksisterende konstruksjoner: a Er den overdimensjonert? b Hvilke deler av konstruksjonen bør beholdes? c Hva sier kunden om utstyret? d Hva trengs for å forbedre konstruksjonen? 3 Bestem belastningsforholdene: a Hva slags belastninger blir konstruksjonen utsatt for? b Er det motorer eller hydrauliske krefter? c Dersom ingen sikker last kan beregnes, så anta en last.

4 Viktige konstruksjonsfaktorer: a Konstruksjonen må være sterk og stiv nok, men en må passe på ikke å overdimensjonere. b Pass på sikkerhetsfaktorer. c Betyr det mye hvordan konstruksjonen ser ut? d Bruk ribber for styrke. e Bruk lukkede profiler (firkantrør) for torsjon. f Bruk høystyrkestål bare når og hvor det er nødvendig. Husk på vansker med å skaffe disse. g Sjekk lagerliste for tilgjengelige stål. h Sjekk muligheter for å kjøpe deler. i Tenk på vedlikeholdet.

5 Valg av konstruksjon: a Velg konstruksjoner som ikke krever for dyrt verktøy. b Bruk standard profiler om mulig. c Konstruer for så få deler som mulig. d Om mulig bør delene passe inn i hverandre. 6 Platefor arbeid: a Er det likegyldig om platene er skåret ved flammeskjæring, klipping eller saging?

9

b Må platekanten ha sveisefuger? c Ha omtanke for å utnytte platen best mulig. 7 Forming av plater og bruk av støpte deler: a Brekking av platekant som vist på figur 1.1 før sveising. b Preg ribber i flate plater for styrke (figur 1.2). c Vurder å sveise inn støpte deler om nødvendig. d Bruk påleggssveis lokalt der det er nødvendig.

a Velg en sveis som krever minst mulig tilsatsmateriale. b Bruk maskin- eller robotsveis der det er mulig. c Der det er tykke plater, bruk dobbelt V-fuge istedenfor enkel. (Se figur 1.3.) d Konstruer med tanke på at sveiseren skal komme til.

Fig. 1.3

9 Størrelsen på sveisen: a Vi skal siden se hvordan vi beregner nødvendig sveis. Det er viktig ikke å oversveise. Dessuten er «-målet viktig. Ved å gå fra 7 mm sveis til 8 mm oppnår en:

10

a-mål mm

areal mm 2

% øking av areal

styrke %

pris %

7

49

100

100

100

8

64

130

114

140

merknader

minst to strenger

b For å oppnå likeverdig styrke, bruk lengre sveis med mindre stål. c Ribber og flenser trenger lite sveis. 10 Bruk av seksjoner: a Ved å lage en sveist konstruksjon i seksjoner kan en fordele arbeidet på flere. Det gir kortere leveringstid. Ofte kommer en bedre til også. b Bedre mulighet for maskinsveis og til å arbeide horison­ talt. c En kan lettere måle seksjoner og sjekke for tetthet.

11 Bruk av sveisebord og jigger: a Ved serier kan en redusere arbeidstiden ved å bruke jigg. Det må være enkelt å bruke jiggen. b Ved store serier kan det være nyttig med to jigger, en for sveising og en for å sette opp i. c Med sveisebord kan en arbeide mer horisontalt og i rett arbeidshøyde. Det gjør det mulig å bruke større elektro­ der.

12 Montering: a Rengjør skjøtene. b Pass på at det ikke er for store gap. De er kostbare! c Bruk jigger og holdere under sveisingen. d Sveis de mest fleksible delene først. e Bruk maskinsveis der det er mulig. f Bruk høyutbytteelektroder og få strenger for å redusere sveisespenningene.

11

2 Kostnadshensyn ved sveising

Her som i annen industri er det nyttig å tenke på konkurrente­ ne som en grunn til å holde kostnadene nede. Kostnadene i forbindelse med sveiste konstruksjoner må tas med i betrakt­ ningene gjennom alle trinn i utviklingen. Det er ikke nok å tenke på kostnadene ved selve sveisingen, en må ta med materialvalg og metoder for å fremstille elementene. Den evnen sveiste konstruksjoner har til å konkurrere, skriver seg fra økonomiske og styrkemessige forhold. Men om konstruksjonen er rett utført, kan den også være pen. Det er fire grunner til at sveising har hatt slik suksess: 1 Godt skjæreutstyr, både for termisk skjæring og klipping. 2 Kraftige bukkemaskiner, plateformemaskiner og annet ut­ styr. 3 Forbedrede sveiseelektroder, sveiseutstyr og nye sveiseprosesser som gir en god sveis. 4 Kraner og manipulatorer som gjør det mulig å sveise større deler av en konstruksjon horisontalt.

Kostnader ved sveising En ingeniør trenger å fastslå sveisekostnadene av en rekke grunner, for eksempel: 1 ved anbudsberegningen 2 ved å sammenligne med alternative konstruksjoner 3 ved å sammenligne med alternative fremstillingsmetoder. Som vi ser, er sveisekostnadene ikke det eneste vi må ta med når vi beregner hva en konstruksjon vil koste. Vi må dele opp slik at vi kan sammenligne forskjellige skjøter og komme frem til den mest økonomiske. Ved sveiste konstruksjoner er det ikke bare sveisingen som er viktig, men også kostnaden av materialene og forarbeidet på 12

delene som skal sveises. Selve bokføringen må kunne passe med det som blir brukt i de forskjellige firmaer. Grunnlaget er likevel lønnsutgifter, materialer og fortjeneste, selv om disse faktorene er delt mer opp eller har andre navn som dekningsbidrag osv. Størst betydning har lønnsutgiftene. En skiller gjerne mellom kostnadene av en sveis og kostnadene av en sveist konstruksjon. I kostnadene til en sveist konstruksjon er kostnadene til skjøteforberedelsene tatt med. Viktige faktorer som påvirker sveisekostnaden, er: 1 2 3 4 5

Om sveisen er horisontal, vertikal eller opp-ned. Om den foregår på et verksted eller ute «i felten». Lokalforholdene der sveisingen foregår. Om godt utstyr for håndtering og sveising er tilgjengelig. Om sveiserne er godt utdannet og flinke.

I ethvert tilfelle kan en beregne tverrsnittet av en sveis. Det kan igjen brukes til å beregne sveiseavsettet. Dette kan brukes for å sammenligne de forskjellige sveisemetodene. Se figur 2.1, som viser avsett pr. tidsenhet for forskjellige sveisemetoder.

Fig. 2.1

La oss anta at materialandelen av en konstruksjon utgjør 30% og arbeidskostnaden de resterende 70%. Øker vi materialmengden med 10%, som er en ganske stor økning, og dette fører til at det blir 10% færre arbeidstimer, er konstruksjonen blitt billigere. Å endre fordelingen mellom materialer og arbeidstid vil være mulig for et stort antall konstruksjoner.

13

Faktorer som gir rimelige løsninger Flinke og oppfinnsomme ingeniører. Flinke og arbeidsomme metallarbeidere og sveisere. God tilgang på materialer. God utnyttelse av materialene. God kontroll av utført arbeid. At mest mulig av arbeidet kan foregå på verkstedet. Utstyr til å håndtere sveisearbeidet slik at mest mulig kan gjøres horisontalt. 8 At seksjonene lages så store som mulig. 9 At monteringen kan skje enten med skruer eller sveising uten for mye tilpasning. 1 2 3 4 5 6 7

Kostnadsberegninger av sveis Vi har slått fast at det er viktig å kjenne kostnadene ved sveising. For å kunne beregne dem, er det nødvendig å definere en del punkter. A. Arbeidertimekostnad: Denne omfatter alle kostnader ved å ha en arbeider i arbeid, og en rimelig fortjeneste. Utgifter til elektrisk strøm osv. er tatt med her. B. Sveiseavsett i vekt (kg/time): Dette er vekten av metall som kan overføres til fugen i løpet av en time ved en gitt sveisestrøm og 100% intermittensfaktor (det vil si 60 minutter med lysbue pr. time).

C. Sveiseeffektivitetsfaktor: Denne faktoren er en desimalbrøk av intermittensfaktoren. Vi får sveiseeffektivitetsfaktoren ved å dividere lysbuetimer pr. dag med arbeidstimer pr. dag. Eksempler på sveiseeffektivitetsfaktorer: Tabell 2.1

Sveiseprosess

Sveiseeffektivitetsfaktor

Dekket elektrode Halvautomatisk MAG Halvautomatisk rørelektrodesveising Automatisk MAG Automatisk rørelektrodesveising

0,3 0,45 0,45 0,8 0,8

D. Arbeidskostnad pr. kilo avsett: = ^7v(kr/kg) D ‘ C

14

(2-1)

E. Elektrodekostnad: (kr pr. kg) F. Avsetteffektivitet: Avsetteffektiviteten blir oppgitt av leve­ randøren, og vi bruker desimaler i stedet for prosent. Merk at lange dekkede elektroder har bedre faktor enn kortere. £ G. Elektrodekostnad (pr. kg avsett): — (kr/kg)

(2.2)

£

Siden en del sveisemetoder bruker dekkgass, tar vi det med.

H. Gassforbruk (liter pr. time) Tabell 2.2 Sveiseprosess

Gassforbruk (liter pr. min.)

H - Gassforbruk (liter pr. time)

Ingen 5-6 7 8,5-9,5

Ingen 300-360 420 510-570

Dekket elektrode MAG massiv tråd Rørelektrode opp til 1,6 mm Rørelektrode over 2 mm

Prisen på dekkgass er avhengig av gasstypen og om den er lett å få tak i. I. Gasspris (kroner pr. liter) H”I J Gasskostnad (kr pr. kg avsett) = ——(kr/kg)

(2.3)

D

En lignende beregningsmåte kan vi sette opp for andre sveiseprosesser. Når en kjenner de enkelte faktorene, er det mulig å sette opp en sammenligning mellom to sveisemetoder. Om vi nå summe­ rer D + G + J, får vi kostnaden pr. kilo sveiseavsett. Regneeksempel

La oss sammenligne kostnadene ved to sveiseprosesser. I begge tilfeller skal det samme sveisearbeidet utføres. Vi kaller dem metode 1 og metode 2. Til metode 1 bruker vi en 4 mm dekket elektrode. Til metode 2 bruker vi M A G-sveising med 1,6 mm tråd. Videre antar vi: Arbeidstimekostnaden: A = 140,00 kr pr. time i begge tilfeller Sveiseavsett i vekt metode 1: = 1,4 kg pr. time Sveiseavsett i vekt metode 2: B2 = 2,0 kg pr. time Sveiseeffektivitetsfaktor, tabell 2.1, metode 1: = 0,30 Sveiseeffektivitetsfaktor, tabell 2.1, metode 2: C2 = 0,45 15

Elektrodekostnad med metode 1: Er = 14,00 kr pr. kg Elektrodekostnad med metode 2: E2 = 20,00 kr pr. kg Avsetteffektiviteten med metode 1: Ft = 0,7 Avsetteffektiviteten med metode 2: F2 — 0,8 Gassforbruk bare med metode 2: H = 510 liter pr. time Gasspris bare med metode 2: / = 0,03 kr pr. liter Selve utregningene er satt opp i tabellform. (Se tabell 2.3.) Tabell 2.3 Kostnad pr. kg Sveiseavsett (kr/kg)

Metode 1 (kr/kg)

Metode 2 (kr/kg)

Diff. 1-2

Arbeidskostnad: A

D =-------Bx C

140 ---------- = 333 30 1,4 0,3

140 ——-------- = 155,55 2,0 • 0,45

177,75

14 — = 20,0 0,7

20 — = 25,00 0,8

-5,00

ingen

510 0,03 —= 7,65 2,0

-7,65

353,30

188,20

165,10

Elektrodekostnad: E G=F

Gasskostnad: Hxl J =------B

Total kostnad pr. kg sveiseavsett

Vi har nå regnet ut kostnadene ved sveiseavsettet. Kostnaden er noenlunde proporsjonal med volumet. Det er da viktig ikke å bruke for mye sveis. Sett for eksempel at en kunne greie seg med 6 mm sveis, men legger på til 8 mm tz-mål. Volumet og prisen øker da med ca. 78%.

Automatisering - når svarer det seg? Som vi kan se av regneeksemplet vårt, er arbeidskostnadene størst. Sveising er en tidkrevende prosess. Går vi fra manuell til halvautomatisk sveising, blir arbeidsinnsatsen mindre. Går vi videre til automatisk sveis, blir den enda mindre. Sveiseeffektivitetsfaktoren er viktig for å redusere arbeidskostnadene. (Se figur 2.2.) 16

Fig. 2.2

For å kunne øke effektiviteten har en delt opp en del sveisearbeider i små og enkle operasjoner som er lette å lære, og som må gjentas ofte av operatøren. Ved å utføre slikt arbeid vil sveiseren lett føle seg mer som en maskin enn som et menneske. Det blir lett fravær og «gjennomtrekk» i bedriften. Der det før var en betydelig forskjell mellom faglært og ufaglært arbeidskraft, er det nå liten forskjell. Arbeidskostnadene har bare steget og steget, slik figur 2.3 viser. Selv om en person til tider kan sveise like raskt som en robot, er det vanskelig, om ikke umulig, å gjøre det en hel dag. Kvaliteten av arbeidet kan heller ikke bli så jevn ved manuell sveising som med robot.

17

Investering i en sveiserobot er kapitalkrevende, men i mange tilfeller lønner det seg. Andre ikke-økonomiske faktorer som også kan forsvare innkjøpet av en robot er: økt produktivitet, bedre kvalitet, den kan utføre farlige operasjoner. Som med all mekanisering og automatisering blir det ikke fortjeneste med en gang av å installere en robot. Det krever tid og opplæring. Når det gjelder å regne ut om det svarer seg, er det flere måter å bestemme avkastningen av en slik investering på uten at vi skal gå i detaljer her. Inntjeningstiden kan være fra under et år og til flere år. Figur 2.4 viser syklusen av en slik investering. De enkelte firmaer har forskjellige krav til tilbakebetalingstiden for slike investeringer. Den bør i alle fall være under fire ar. o

Fig. 2.4

Det er en vei til å forbedre konstruksjonen - finn den! Først og fremst må en søke løsninger som reduserer arbeidsutgiftene. Bare små forandringer i fasongen kan ha stor betyd­ ning. Det gjelder også når en skal holde skrapmengden nede. En må også huske på at forandringer i konstruksjonen er dyrere etter at produksjoner har begynt, enn på tegnebrettstadiet. Om konstruktiv utforming og tilpasning se kapitlene 4 og 6. Ved gode sveiste konstruksjoner kan en spare både arbeids­ tid og materialer. 18

Sjekkliste for økonomiske sveise­ forbindelser A Ved sveisekonstruksjoner: 1 Ikke sveis når det ikke er nødvendig. Bruk formede eller bøyde plater når det er mulig. 2 Reduser tversnittet på sveisen så langt som mulig. 3 Spesifiser kilesveis med måte. Husk at dersom en dobler (2-målet, dobler en styrken, men sveisetverrsnittet og vekten blir firedoblet. 4 Pass på at det blir lett for sveiseren å komme til. 5 Bruk sveisesymboler der dimensjon er angitt.

B

Sveiseprosedyre: 1 Skriftlig sveiseprosedyre eller arbeidsbeskrivelse for alle oppgaver. 2 Velg den sveisemetoden som er mest hensiktsmessig for jobben. 3 Elektrodevalget må være tilpasset sveisemetoden. 4 Ved bruk av dekkede elektroder: husk at lange elektro­ der gir mindre stumptap enn korte elektroder. 5 For trådelektroder er det viktig å bruke så store spoler som mulig.

C Stål- og platearbeid: 1 Delene må lages nøyaktige, spesielt bøyde og bukkede deler. 2 Kantene av sveiseskjøtene må være skikkelig tillaget. 3 Unngå konstruksjoner som krever maskinering før en kan sveise. 4 Bruk om mulig automatisk flammeskjæring heller enn manuelt utstyr. 5 Sørg for at materialene beveger seg mot sveiseavdelingen og helst at alle delene kommer frem på samme tid. D Ved sveisingen: 1 Bruk jigger eller lignende og sørg for skikkelig sammen­ stilling av delene før sveising. 2 Unngå oversveising. Følg tegningene eller spesifikasjo­ nene. 3 Sveis sammen seksjoner når det er mulig. 4 Bruk hjelpeutstyr når det er tilgjengelig. Utstyr som bord, manipulatorer, rullebukker og kraner kan være til stor hjelp. 5 Sørg for at sveiseren har skikkelige og trygge arbeidsfor­ hold og alltid er under opplæring. 19

3 Stål for sveising

Når vi nå skal se på stål for sveising, vil det si konstruksjonsstål. De fleste konstruksjoner blir i dag sveist mer eller mindre. Sveising blir dermed et stort emne som vi må begrense sterkt i denne boken. Spesialstål av forskjellige slag tar vi ikke med. Hovedkravene til konstruksjonsstål er: -

Styrke og seighet Sveisbarhet Formbarhet Utmattingsfasthet Motstand mot spenningskorrosjonssprekker

Viktige metallurgiske hjelpemidler som er tatt i bruk for å oppfylle disse kravene, er: Utviklingen av fmkornbehandling (mikrolegering) - Reduksjon av negative lagringselementer (P.S.H.N.O.) Kontrollert valsing (sluttvalsing ved lav temperatur) - Utviklingen av varmebehandlet stål (EHS og AR) Kravet til stål med gode sveiseegenskaper har presset stålverkene til stadig å forbedre prosessene sine. Resultatet er stadig flere ståltyper og betegnelser. Det er fem grupper av stål for konstruksjoner:

1 2 3 4 5

20

Karbonstål Karbonmanganstål Mikrolegerte stål Lavlegerte stål med høy styrke Legert varmebehandlet stål

Tilgjengelige materialer Selv om vi kan velge et stort antall stål fra kataloger, lister og tabeller, så er ikke alle like tilgjengelige, selv om stål er det mest tilgjengelige metallet en kan tenke seg. Noen stål må leveres fra verk og andre fra lager i utlandet med lange leveringstider og krav til minstekvantum. Vanlig St 37 og St 52 kan en få i de fleste platedimensjoner og valsede profiler fra lokale leve­ randører. Det er viktig at en så langt som mulig bruker tilgjengelige materialer. Alt på konstruksjonsstadiet bør en derfor ta kontakt med stålleverandørene og å finne ut hva de har. Figur 3.1 viser et utvalg av valsede profiler. Det er ganske utrolig hva en kan bygge opp ved hjelp av stålplater og disse stålprofilene. En annen viktig egenskap ved stål er at det lar seg skjære til på mange måter, og at det kan formes.

Fig. 3.1

21

Halvfabrikater for sveising For å spare tid og forbedre kvaliteten er det etter hvert kommet leverandører av halvfabrikater for sveising. En slik kombinasjon kan gi mange gode løsninger. En skal også ha i tankene at en med fordel kan sveise sammen deler av smistål og deler av støpestål til plater og profiler. Å begynne å forme endeplater for tanker uten at en har spesialutstyr for dette, vil være dumt, når en kan kjøpe dem ferdig formet. Til rør finnes det en hel del komponenter som er laget til for å bli sveist sammen. Figurene 3.2 og 3.3 viser noen slike. Her som ved all konstruksjon er det viktig å vite hva en kan få tak i og hvor en får tak i det.

Fig. 3.2

Fig. 3.3

Enkel sveisemetallurgi Ved smeltesveising er det spesielt tre reaksjoner som har interesse:

22

1 Under sveising blir grunnmaterialet og fugemetallet utsatt for et varmesjokk, og det påvirker den krystallinske struktu­ ren. 2 Det skjer en oppløsning og diffusjon av gasser som lager poredannelse i sveisemetallet. 3 Det danner seg oksider og slagg i smeltebadet.

På figur 3.4 ser vi en sveisesøm, den varmepåvirkede sonen, ofte kalt HAZ (heat-affected zone), og den totale sveisesonen. Smeltesonen består hovedsakelig av tilsatsmateriale oppblan­ det med noe av grunnmaterialet. Ved temperaturer over 800°C har stålet en ensartet krystallinsk struktur kalt austenitt.

Fig. 3.4

Dersom avkjølingen foregår langsomt nok, vil smeltesonen danne et finkornet, seigt materiale. Ved hurtig avkjøling kan vi risikere å få et hardt og sprøtt materiale i sveisesonen. Både grunnmaterialet og tilsatsmaterialet påvirker dette forholdet. Også den varmepåvirkede sonen endrer struktur. Omkrystallisering kan føre til at et finkornet materiale blir grovkornet, hardt og sprøtt. Disse endringene i sveisesonen kan vi motvir­ ke ved utgløding etter sveisingen. Men i de fleste tilfeller blir dette for dyrt og komplisert. Stål som har mer enn 0,25% C, blir herdet dersom det blir varmet opp over ca. 800 °C og bråkjølt. For legerte stål bruker vi karbonekvivalent i stedet for karbon som vurderingsgrunn­ lag for å bedømme om sveisen vil ta herdsel. Det er forskjellige formler for denne faktoren. Formel (3.1) er en av dem:

23

Ec = C

Mn ^Cr + MO +V

Ni + Cu < 0,45 ~E5 = 0,41

t ~ 25 mm t > 25 mm

(3.1)

Sveising med høyere karboninnhold enn 0,25% og høyere Ecverdier enn angitt ved formel (3.1) er mulig, men da må arbeidsstykket forvarmes slik at det får en langsom avkjøling. Det en i sveiseteknikken først og fremst søker, er konstruksjonsstål og elektroder som gir god sveisbarhet uten forvarming eller ettergløding. Det vil igjen si at en må holde seg til stålkvaliteter som er garantert sveisbare.

Betydningen av legeringselementene Det er fem typer konstruksjonsstål for sveising. Her har vi kalt dem A, B, C, D og E (se figur 3.5). A og B blir ofte satt i samme 1000

—

900

SEIGHERDET ~800

e: \ 700

MARTENSITT

-

CL

BAINITT

— 600 LU 1/1

Z 500 LU æ o LU 400

-

—1 300

200

100

KARBONSTÅL

KARBONMANGAN STÅL

A

B

MIKROLEGERT STÅL

LAVLEGERT STÅL MED HØY STYRKE

EKSTRA HØYFASTE STÅL (EHS)

«««((.)

^-éO

(3) (£)

pivot Une a, ’ un't deflection of panc/fyn)

pr~7°

read sida a of triangkifcmcjoad) (in ) (^é) read "side a. ‘of triangkfoniform load) (in)

Se prikket linje Fig. 4.48

Figur 4.48 viser nedbøyning og nødvendig avstand mellom ribbene, som er her plassert diagonalt på platen. Se avstanden «a» på figuren. Figur 4.49 viser nedbøyning og nødvendig avstand mellom ribbene. De er her plassert langs bredden av platen. Se utsnitt på figuren.

49

l-9o

fe_/oo

,bc £

50

Eksempel 2: Punktlast » 2000 Ibs Platehøyde 1000 mm ~ 40" Platetykkelse 12 mm ~ 1/2" Maks. tillatt nedbøyning f = 0,0001mm mm Bestem ribbeavstand b

Løsning eksempel 2: Starter 1 c går til 2 går til 3 går til 4 går til 5 går til 6 c

ender opp ved 7 c = — - 18% a

Ribbeavstand 18 b =----- a = 0,18-1000 = 180 100

Avstivning av bjelker ved hjelp av ribber eller avstandsstykker er vanlig. Figurene 4.50 og 4.51 viser eksempler på dette. Ribbene kan plasseres på en eller begge sider av bjelken.

Fig. 4.51

51

o

Fundamenter og rammer Fundamenter og rammer er ofte de største komponentene som blir sveist. Her der det også mulig å spare mest i vekt og dimensjoner. Vanligvis er det store krav til stivhet i konstruk­ sjonen. Sveiste konstruksjoner har en tendens til å vibrere mer enn støpte, og det bør vi også ta hensyn til. Figur 4.52 viser et sveist fundament for en maskin. Figur 4.53 viser oppbygningen av et fundament. Figur 4.54 viser elementene som et maskinfundament er bygd opp av. Føtter for maskinfundamenter er vanlig. De kan med fordel lages av lavlegert stål. Ved å sveise på føtter får vi en praktisk og økonomisk avslutning på fundamentet. Eksempler på sveiste føtter er vist på figurene 4.55 og 4.56. I Norge er ordet rammer knyttet til konstruksjoner med stive momentforbindelser. Eksempler der det blir brukt gene­ relt bærende rammekonstruksjoner og stålskjelett, er kontor­ bygg, lagre, fabrikkbygg, tunge industribygg og helikopterdekk. Stive momentforbindelser er en forutsetning ved vanlig momentfordeling mellom bjelker og søyler, og likeså for stabilitetsberegning, det vil si undersøking av knekklengdene i søylen. Det naturlige kravet er at en slik forbindelse har den samme styrken som bjelken eller søylen. 52

Fig. 4.54

53

Fig. 4.55

Fig. 4.56

54

Kontroll av deformasjoner ved sveising Dette er også et stort emne. Å beregne bevegelsen og forutsi den er meget vanskelig. Sveising gir store temperaturdifferan­ ser mellom den varmepåvirkede sonen og resten av metallet. Idet temperaturen øker, faller flytegrensen og elastisitetsmodulen, mens temperaturutvidelseskoeffisienten øker. Dette er vist på figur 4.57. Andre ting som påvirker deformasjonen av konstruksjonen, er ytre krefter fra jigger og innspenninger under sveisingen. Til slutt skal vi også nevne tiden for oppvarming og avkjøling av sveisesonen. Her kommer de forskjellige sveisemetodene inn. Når det oppstår deformasjon ved sveising, er det fordi selve sveisen krymper. Det fører til forskjellige problemer som er vist på figur 4.58. Dersom deformasjon skal kunne reduseres, må både kon­ struktøren og sveiseren gjøre sitt. Her er en liste med punkter som en må passe på: 1 Overdimensjoner ikke sveisen. Jo mer metall det er i den, dess mer krymper den. 2 Om mulig, bruk diskontinuerlig sveisesøm. Se figur 4.59. 3 Legg så få sveisestrenger som mulig. Det er bedre å bruke én stor enn flere små elektroder. 4 Plasser sveisen så nær nøytralaksen til konstruksjonen som mulig. 5 Fordel sveisene på begge sider av nøytralaksen.

(

dW £0l) 3

TEMP.rO—*

Fig. 4.57

55

Buttsveiser

e) Trekking ved sveis over nøytralaksen

b) Vinkelkrymp

c) Krymp i lengderetningen

Fig. 4.58

f) Trekking ved sveis under nøytralaksen

56

8 Planlegg sveisesekvensene. Ved at en sveiser forskjellige steder på konstruksjonen, kan krympingene motvirke hverandre. 9 Prøv å redusere sveisetiden. 10 Ta bort krympespenningene etter sveisingen der det er nødvendig, enten ved å varme sveisen eller ved kaldbearbeiding.

Å rette deler etter sveising ved hjelp av varme går ut på følgende: 1 Fastlegg deformasjonen i konstruksjonen. 2 Prøv å finne tyngdepunktaksen i konstruksjonen. 3 Varm opp den korte delen slik at den også krymper. Se figur 4.62.

Før sveising

Fig. 4.62

Klemmer og jigger som låser delene på plass under sveising, blir nok oftest brukt på mindre deler. Det blir til og med brukt vannkjølte jigger for tynnplatesveising. Se figur 4.63.

Fig. 4.63

57

Bruk av åk er en annen måte å kontrollere bøyning av plater ved sveising på. Ved hjelp av åk som sveises på platene og kiler som slås inn, kan platene holdes under sveisingen. Eksempler på dette er vist på figurene 4.64 og 4.65. Sveis

Fig. 4.64

d)

c)

b)

Fig. 4.65

58

5 Oppbygningen av elementer ved sveising

På grunn av lave grunninvesteringer er sveiste deler blitt mer og mer vanlig. En vurderer alltid om en del kan fremstilles ved sveising istedenfor ved støping. Elementene kan bli klippet eller termisk skåret fra plater eller profiler og så sveist sammen. Noen ganger kan deler av konstruksjonen være støpt eller formet ved andre prosesser. Plater eller profiler kan så sveises sammen til de støpte eller formede delene. Sveiste konstruksjoner blir vanligvis sterkere og lettere, en stor fordel ved de fleste konstruksjoner. Konstruktøren må ha god fantasi og ha kjennskap til alle slags profiler, rør og plater som finnes i handelen. Skal det lages en serie av deler, svarer det seg vanligvis å lage en jigg eller holder for elementene slik at de blir holdt på plass under sveisingen. Rekkefølgen av sammensveisingen av elementene kan også være viktig for at resultatet skal bli godt.

Lagerbukker De neste illustrasjonene viser eksempler på oppbygningen av lagerbukker og små fundamenter. På figur 5.1 ser vi et sveist fundament. Det er en tre-kanals støtte der belastningen kan være plassert på over- og underside. Rektangulære plater er sveist etter hverandre i kanallengderetningen. Figur 5.2 viser en lagerbukk som er bygd opp av en T-profil og fire vinkeljern. Figur 5.3 viser oppbygningen av en delt lagerbukk. Den øvre delen er plater og stangstål, den nedre delen er en I-bjelke. Figur 5.4 viser et spesialkanalstål som med jevne mellom­ rom er forsterket med vinkelstål. Figur 5.5 viser et forsterket feste for overgang til hengslet Ibjelke. 59

60

Fig. 5.9

61

Figurene 5.6, 5.7, 5.8, og 5.9 og 5.10 viser oppbygningen av forskjellige festebraketter eller lagerbukker. Dette viser også at en ofte må forandre på en påtenkt form for å få et godt resultat. Det krever mer av konstruktøren å få frem et pent resultat ved sveiste konstruksjoner. Lagerbukkene på figurene 5.9 og 5.10 kan bygges opp av relativt tynne plater og likevel bli tilstrekkelig stive for last i alle retninger. Figur 5.11 viser en lagerbukk, en støtte eller et fundament for lettere belastninger bygd opp av kanalstål, vinkler og plater. I stedet for kanaler, kunne det med fordel vært brukt firkantrør. Figur 5.12 viser oppbygningen av et fundament for tunge belastninger. For å få store nok dimensjoner på T-stålene kan en dele I-bjelker slik figuren viser. Figur 5.13 viser elementene som en lagerbukk er bygd opp av.

Fig. 5.12

62

Forsterkninger En justerbar brakett er formet av fire plater slik figur 5.14 viser. Figur 5.15 viser hvordan to plater og et tykkvegget rør er brukt til å forsterke en I-bjelke for en bom i en heisekran. Det er viktig å utnytte det bukkeutstyret en har tilgjengelig. Det gir ofte mindre sveis og gode konstruksjoner. Se figur 5.16 som eksempel.

Armer og braketter Figur 5.17 viser et sveist universalledd bygd opp av et formet flatstål, plater, rør og et vinkelstål. Figur 5.18 viser en sveist monteringsbrakett. Hele braketten er formet av to stålplater. 63

Fig. 5.19

Fig. 5.17

Figur 5.19 viser en brakett eller fundamentdetalj, bygd av varmvalset kanalstål og stålplater. Figur 5.20 viser to armer i detalj. Figur 5.21 viser en samling braketter og armer sveist sammen av rør, bolter og plater.

64

Hjul, lagerhus og tromler Figur 5.22 viser forskjellige metoder for å sveise sammen tannhjulsemner. Den samme metoden kan også brukes for skiver og andre hjul. Forsterkningene blir nødvendige for de store hjulene. Vi skal nå se eksempler på oppbygningen av elementer ved bruk av rør. Figurene viser runde rør fordi disse er vanskeligst å forbinde med andre elementer. I dag er det vanlig å bruke firkantrør i mange konstruksjoner; de er vanligvis enklere å sveise til plater og andre deler. Rør som kontruksjonselement gir stor styrke i forhold til vekten. Figur 5.23 viser forslag til lagerhus bygd opp av rør, plater og vinkler. Figur 5.24 viser hvordan en kan sveise føtter eller fester til rør, sylindere eller mindre beholdere og tanker. En aksling rett gjennom rullen eller trommelen vil gjøre det lettere å sveise delene sammen, men fra akslingen vil det komme lite styrke. Dersom tappene skal maskineres etter sveisingen, er det vanlig å lage rullene som vist på figur 5.25. For vanlige belastninger er en skive i enden på røret nok. Den behøver ikke en gang å være så tykk som antydet på figur

Tannhjul

Flatrem

Kilerem

Fig. 5.22

65

5.25. For store belastninger kan større krefter overføres ved hjelp av avstivningsribber, se figur 5.26, eller en kan bruke dobbelte skiver i røret som vist på figur 5.27.

66

Søyler og bjelker Figur 5.28 viser et utvalg av føringer og avstivninger for søyler. Figur 5.29 viser hvordan en utfører bøying av vinkel- og kanalstål. Lignende operasjoner kan gjøres for bjelker og andre profiler. Mange stålkonstruksjoner kan bygges opp av firkantrør. Slike rør blir brukt mer og mer. Likevel forekommer det at en må bruke andre profiler eller forsterke ferdige profiler. Ek­ sempler på slike bjelker og søyler er vist på figurene 5.30 og 5.31. Som vist på figur 5.30 kan slike bjelker bygges opp av stålplater og valsede profiler. Slike oppbygninger er oftest helsveiste. Det gir vanligvis en betydelig vektbesparelse. Figur 5.32 viser en ekspandert bjelke. Ved termisk skjæring og ved å snu ende mot ende og så sveise delene sammen får vi en dypere bjelke som er sterkere og stivere enn den opprinneli­ ge bjelken. Et slikt profil gir også muligheter for å føre rør og kanaler gjennom bjelken.

Fig. 5.28

Fig. 5.29

67

Fig. 5.33 viser hvordan en går frem for å oppnå en bjelke med spissing for økende belastning eller for tak med fall.

Stabiliteten i sveiste konstruksjoner Fra tid til annen kan en se vitenskapelig litteratur ta opp punkter som kryp og utløsning av sveisespenninger. Alle data underbygger at sveiste konstruksjoner i praksis er stabile og døde. Det skal ytre krefter eller høye temperaturer til for å påvirke dem. Vi skal kort se på:

1 Kryp Metaller får med tiden en tiltakende forlengelse når de er utsatt for spenning. Dette kaller vi kryp eller sig. For å få merkbare verdier må for eksempel stål ha en spenning opp mot flytegren­ sen og helst en temperatur på flere hundre grader. Vanlig stål varmet opp til 200°C og belastet til nær flytegrensen i 25 år under disse forholdene, vil strekke seg 0,0001 mm/mm. Dette skulle indikere at kryp ved temperaturer under 400 °C ikke er noe problem for dimensjonsstabiliteten ved stål. Se figur 5.34. 68

Fig. 5.31

2 Sveisespenninger En sveis kan ha spenninger lik flytespenningen til metallet. Disse strekkspenningene vil gi trykkspenninger andre steder, med tilhørende deformasjoner. Når disse justeringene har funnet sted, blir det vanligvis ikke mer bevegelse i konstruksjo­ nen. Skal delen maskineres videre og en tar bort materiale, kan det på ny oppstå ubalanse og deformasjon. For slike deler er 69

det best å foreta en varmebehandling etter sveisingen og før maskineringen. Figur 5.34 viser hvordan flytegrensen for vanlig stål synker når det blir varmet opp slik at sveisespennin­ gene blir utløst. Det er viktig at sveiste deler er skikkelig støttet opp ved slik varmebehandling, og at oppvarming og avkjøling skjer jevnt.

Fig. 5.32

Fig. 5.33

6 Eksempler på sveiste konstruksjoner

I bare få tilfeller vil en ved å se igjennom dette kapitlet finne akkurat det problemet du skal løse. Det vi skal ta for oss her, er prinsipielle løsninger og eksempler på løsninger som så kan overføres til andre oppgaver. Det kan være til god hjelp også å se på figurene i kapitlene 4 og 5. Det er grunnleggende for en konstruktør å vite hva slags oppgaver konstruksjonen skal utføre. Hva slags belastninger blir den utsatt for? Er det trykk, strekk, skjær, torsjon eller bøyepåkjenning, eller en kombinasjon av disse? Vil delen bli utsatt for statisk eller dynamisk last? En konstruktør må stille seg selv og andre en hel del spørsmål, som: Er det nødvendig? Hva vil det koste? Kan det gjøres på en annen måte? Konstruksjonen må tilfredsstille krav til: 1 Styrke og stivhet 2 Sikkerhet - men overdimensjonering koster penger 3 Utseende - men der delen ikke er synlig, er ikke dette kritisk 4 Materialkvaliteter og tilgjengelige dimensjoner.

Rammer og fundamenter På støpte fundamenter er det ofte nødvendig med vorter som vist på figur 6.1. Bruker en profiler eller formede plater som på figur 6.2, er det ikke alltid nødvendig. Overflaten på den formede eller sveiste delen er flat nok, men skulle det være nødvendig med vorter, så er det vanligvis mulig å sveise dem slik figur 6.2 viser. Er det store plater som skal sveises på, må en passe på at de er tykke nok, ellers kan kilsveisen rundt kantene føre til at midten av platen reiser seg fra underlaget. Det er en uheldig situasjon. Se figur 6.4. Gode fundamenter kan lages av stålprofiler, og ofte kan disse sveises rett på rammen. Se figur 6.5 og figur 6.6 a. 71

Figur 6.6 viser hvordan to fundamenter kan utvikles fra flere enheter til å konstrueres i en kompakt del. Ved massepro­ duksjon er det mindre oppstillingstid ved denne løsningen som er vist på figur 6.6 c. Fundamentene a og b er sveist på, mens c kan skrus eller sveises på. En av fordelene ved sveiste funda­ menter er at en lett kan sette på braketter eller labber der det er ønskelig. Forlengelse av fundamentet kan en utføre slik figur 6.7 viser. Slike braketter kan lages ferdig før en sveiser dem på. Figurene 6.6 b og c viser bruk av formede plater. Bukking i kantpresser gjør det mulig å lage billigere deler enn om disse skal sveises sammen. Figur 6.8 viser to utgaver av det samme fundamentet: a er sveist opp av profiler, b er formet av en plate og så sveist. Figur 6.9 viser et støpt pumpefundament og alternative utkast til sveiste konstruksjoner. Som vi ser, er det mange alternativer. I dette tilfellet skal det lages ti enheter. Antallet er viktig når det gjelder å finne den beste løsningen og hvor mye

Fig. 6.7

Fig. 6.9

72

tid en kan legge i den. Figur 6.9 a er et støpt fundament, de andre alternativene er sveist. De har forskjellig kostnad, og da alt var vurdert, ble alternativ d valgt. Figur 6.10 viser et sveist fundament for et heisespill. Her er det et krav at fundamentet skal skrus til rammen. Figur 6.11 viser huset til en spesialmotor i sveist utførelse. Det blir mer og mer vanlig å sveise motorhus for små og mellomstore elektro­ motorer. Figur 6.12 viser at fundamenter kan formes av stålprofiler eller av plater. Ofte er det enklere å bruke profiler, men resultatet går da på bekostning av utseendet og økt vekt. Figurene 6.12 og 6.13 viser to løsninger for fundamenter der kravet til styrke er forskjellig i de to tilfellene. Figur 6.14 a viser platedelene brukt for å lage sveiste dokker til en tredreiebenk. Som en ser, er det brukt trukkede deler, så her har en basert konstruksjonen på masseproduksjon. Vil en ha avrundede former, kan også det oppnås ved sveising. Figur 6.15 viser noen detaljer av en rammekonstruk-

Fig. 6.12

Fig. 6.13

73

Fig. 6.15

sjon. For tynnere plater blir det nødvendig å nytte MIGsveiseteknikk. I mange tilfeller vil slike avrundinger koste ekstra arbeid og penger. Det er ikke likegyldig hvordan hjørnene i en ramme er formet, spesielt når det er små platetykkelser og dimensjoner. Figur 6.16 viser to måter. Løsning b er å foretrekke i de fleste

Fig. 6.16

74

SVEIS

(TYP)

tilfeller. Figur 6.17 viser en del av en ramme for en tilhenger. Her er det viktig å ha tilstrekkelig stivhet og styrke, men konstruksjonen må ikke bygge for mye i høyden. Figur 6.18 viser rammen for en 12-sylindret dieselmotor for skipsinstallasjon. Merk hvor få tverribber som er brukt. Stivhet og lav vekt er oppnådd ved bruk av høye sidevegger. På figur 6.19 ser vi et helsveist veivhus av stål for en 12-sylindret dieselmotor. Figur 6.20 viser hvordan en i et bilchassis bruker forskjellige sveisemetoder for å skjøte sammen delene. På en slik sammen­ stilling kan det være flere hundre sveiser. Til slutt skal vi vise noen detaljer som er brukt ved rammer og fundamenter. Figur 6.21 viser noen slike. Ofte må en skjære vekk den rette delen og deretter forme det slik at en kan oppnå

75

pene og sterke forbindelser. Noen ganger kan små påheng også gjøre stor nytte. Figur 6.22 viser hvordan en kan feste et fundament til gulv eller ramme.

Braketter Som vi har sett, kan sammensveising av stål gi økonomiske løsninger på nesten alle slags konstruksjonsproblemer. Løsningene kan ofte bli lettere og stivere enn med andre metoder, men de krever en god del av kontruktøren. Figur 6.23 viser utviklingen fra en støpt brakett på a til en nær ideell sveist løsning på figur c, som består av bare to deler. Formede ståldeler og sammenføyning av disse ved sveising kan gi lette og sterke konstruksjoner. Det er viktig å forme delene så langt som mulig før sveisingen. Figur 6.24 a, b og c viser braketter som er godt formet før sveisingen. Tynne 76

tverrsnitt kan brukes, og materiale kan plasseres der det gir størst styrke. Braketten på figur 6.25 a har en belastning som angitt. Ved å sette inn avstivere som vist på figur 6.25 c blir risikoen for brudd sterkt redusert. Figur 6.26 a viser en brakett som er sveist til livplaten på en bjelke. Løsning b er langt bedre på grunn av god innspenning. 77

Fig. 6.22

Tromler og hjul Store skiver og hjul blir nå som oftest sveist sammen, noe som tidligere har vært mer vanlig for mindre hjul. Det er enkelt å 78

Fig. 6.27

skjære til en rund skive og kutte eller skjære til nav og krans. For større hjul som på figur 6.27 kreves det en del mer. I kapittel 4 er det vist eksempler på oppbygningen av mindre hjul. Vi skal her se nærmere på spesielle utførelser. Figur 6.28 viser en skive sveist til en aksel ved hjelp av elektronstrålesveis. Figur 6.29 a viser en tauskive formet til av to halvdeler og deretter sveist sammen. Figur 6.29 b viser et mindre tannhjul der en har sveist på et stort nav. Figur 6.30 viser et turbinnav og en aksel som er sveist sammen. Det stiller store krav til sveisen. Figur 6.31 viser en formet nokke. Den er formet av to halvdeler pluss et nav. I skjøten mellom de to halvdelene må det legges på så mye sveis at det ikke blir noen fordypning ved skjøten. Fig. 6.30

Armer og ledd Figur 6.32 viser de vanligste måtene å bygge opp armer og ledd på ved sveising. Merk at med sveising kan vi bruke forskjellige materialer i deler av armen. Sveiste armer gir mulighet for stor eksentrisitet. Se figur 6.33. Det er også mulig å lage store armer. Se figur 6.34. En kan lage både tynne og lette armer. Eksempler er vist på figurene 6.35 og 6.36. Det er også lett å feste ting på armer og ledd. Se skjoldet som er sveist på en del av et universalledd på figur 6.37.

79

Fig. 6.31

Fig. 6.34

Fig. 6.36

Beholdere og tanker

Fig. 6.37

Sn,tt A A

Der er mange typer beholdere og uendelig mange utførelser. Noen har flate vegger, andre er avrundet. Noen beholdere skal bare romme faste stoffer, andre skal inneholde flytende væsker, og så har vi gasstanker. 80

Det første en konstruktør må ha rede på, er om beholderen skal være tett. Det neste konstruktøren må passe på, er at den har tilstrekkelig styrke og stivhet. Krav til sikkerhet må også tas med. Er trykket over en halv atmosfære, kommer krav fra kjelekontrollen og andre klassifiseringsinstitusjoner inn. Særlig for tanker med rette vegger er det ofte nødvendig å bruke forsterkningsribber. Se figur 6.38. Det er ikke lett å sveise eller lodde en tank tett, men det lar seg gjøre. En av måtene som gir et godt resultat ved små og middelstore tanker, er vist på figur 6.39. Her er kantene falset opp på en av delene for å gi mulighet til å sveise uten tilsatsmateriale. Som det også er vist, er det ikke nødvendig at veggene er like tykke. Atkomst for rengjøring og inspeksjon må en også ta hensyn til. Normalt skal en tank eller en beholder ha tilknytning og i noen tilfeller skillevegger. Figur 6.40 viser noen løsninger for lette beholdere. Figur 6.41 viser en rørstuss som er sveist på en dampkjel med pulverdekket buesveising.

Fig. 6.38

Fig. 6.39

81

Avstivninger Fig. 6.41

I noen tilfeller har en konstruksjon tilstrekkelig styrke, men for stor nedbøyning. Noen ganger er det kravet til nedbøyning 82

som bestemmer dimensjonene på konstruksjonen. Dersom det bare er at nedbøyningen er for stor, kan det svare seg å legge på en forsterkning som vist på figur 6.42. Figur 6.38 viser horisontale ribber, som ofte blir brukt for tanker. Binger kan like gjerne ha vertikale ribber for avstivning. Se figur 6.43. Til korte ribber kan en bruke flatstål. Se figur 6.44 a. Dersom

Fig. 6.42

Fig. 6.43

83

lengden på spenning som skal stives av, øker, må en ty til profilstål. Se figurene 6.44 b, c, d og e. Også U-formede ribber blir mer og mer brukt. Se figur 6.45.

Søyler

Fig. 6.45

Foruten firkantrør og bjelkeprofiler kan en også bruke sveiste boksbjelker og sammensatte søyler som vist på figur 6.46. Søyler er normalt utsatt for trykkbelastning, men noen ganger kan de være utsatt for torsjon og bøyemoment. Figur 6.47 viser en interessant oppbygning av en søyle ved hjelp av ekspanderte bjelkeprofiler. Disse er så bundet sammen med plater. I store søyler kan det bli nødvendig med en eller flere skjøter.

Fig. 6.46

84

Diverse Figur 6.48 viser oppbygningen av en meget stor sveist gravemaskinskuff. Skuffen veier ca. 150 tonn. Figur 6.49 viser en tannhjulsveksel. Et slikt hus må oppfylle følgende krav: 1 Gi tilstrekkelig støtte for lagerne 2 Holde på olje for smøring 3 Sørge for at oljen blir kjølt 4 Ha rom nok rundt tannhjulene til at det ikke blir unødig pisking av oljen. Figur 6.50 viser en ramme av stålplater som er sveist sammen. Figur 6.51 viser en sveist bunnpanne for en dieselmotor som er bygd opp av stålplater og profiler.

Fig. 6.50

Fig. 6.48

Fig. 6.49

85

I sveiste stålkonstruksjoner som i all konstruksjon er det viktig å tenke på og sørge for at en kommer til med sveising, skruing og vedlikehold. Figur 6.52 viser hvordan en må ta hensyn til nøkkelklaring ved skrudde forbindelser. (For mål, se Norsk Standard.)

Fig. 6.51

86

7 Dimensjoneringsprinsipper for sveiste forbindelser

Ideen med å ha en sikkerhetsfaktor i forbindelse med sveiste stålkonstruksjoner er å gardere seg mot det usikre. Som vi skal se, er det mange slags usikkerhetsfaktorer ved slike konstruk­ sjoner. Det kan være usikkerheter ved: -

beregningene belastningen konstruksjonsmaterialet miljøet som konstruksjonen skal brukes i sveiseren.

Sveisesonen består av flere områder. Vi kan dele den opp i smeltet område, som består av sveisemetallet, og varmepåvirket sone. Sveisemetallet består stort sett av en størknet blanding av grunnmateriale og tilsatsmateriale. Hva denne blandingen består av, og hvordan den er avkjølt, betyr mye for resultatet. Andre faktorer som er svært viktige, er sveiserens kvalifikasjoner og utstyr, og inspeksjonen av arbeidet. Vi skal ikke her gå i dybden av disse problemene, men bare nevne at de er der. Men selv med alle disse mulighetene for feil har en skikkelig sveis et overskudd av styrke. Det kommer av at sveiseelektroden er produsert med en bedre kontroll og er av høyere kvalitet enn stålet som blir sveist. Med andre ord er det en ekstra sikkerhet i selve sveisemetallet som vi tar med ved beregninger. Ved å skjære ned på dimensjonene innenfor en gitt sikkerhet reduserer vi vekten. Bruk av høyfaste stål kan også redusere vekten og noen ganger være rimeligere enn vanlig stål fordi en bruker mindre av det. Selv om utgangspunktet for å bestemme tillatt spenning i en sveis er flytespenningen, er det ikke noen overensstemmelse mellom forskjellige standarder og koder for slikt. En må også være forsiktig med å sammenligne spenningen i et tilfelle med et annet, med mindre en har full oversikt over materialet, belastningstilfellet, miljøet sveisen skal være i, og kvaliteten på utført arbeid. 87

Tidligere måte å dimensjonere sveis på En gikk ut fra bruddfastheten (i noen tilfeller flytegrensen) i materialet og satte inn en sikkerhetsfaktor som skulle dekke alt, og kom da til en tillatt spenning for materialet. For så å bestemme tillatt spenning i selve sveisen ble det lagt på en ekstra sikkerhetsfaktor eller reduksjonskoeffisient (~) på tillatt spenning for materialet.

De nye prinsippene for dimensjonering I dag går en ut fra flytegrensen for materialet. Det blir lagt inn en sikkerhet på lasten så vel som på materialet og fremstillin­ gen av konstruksjonen. Det blir oftest ikke kalt sikkerhetsfak­ torer, men koeffisienter.

Dimensjonerende materialfasthet Tillatt spenning blir nå kalt dimensjonerende materialfasthet, /dfd = — eller

(7.1)

Etter NS 3472 har vi at:

Materialkoeffisienten ym blir bestemt på grunnlag av bruddkonsekvensene og utførelseskontrollen i verkstedet og på byggeplassen. Tabell 7.1 Materialkoeffisient ym

Bruddkonsekvenser

Utførelseskontroll i verkstedet og på byggeplassen

meget alvorlig ZA = 6-8

ZA = 3-5

mindre alvorlig Za = 0-2

1,15 1,10

1,15 1,10 1,05

1,10 1,05 1,00

alvorlig

kontrollomfang

Liten Middels Omfattende

NB: ym-verdiene forutsetter bruk av lastkoeffisienter som gitt i NS 3479. Ved beregninger i bruksgrensetilstand nyttes ym = 1.0. Utmattingspåkjente konstruksjoner skal ha utførelseskontroll «middels» eller «omfattende.»

88

Krav til stålmaterialer

> 1,2

(7.2)

Jy

m.a. seige materialer med - bruddforlengelse t)5 minst 12% - spennings-forlengelsesdiagrammet har et flyteplatå på minst 1,2% Tabell 7.2 Normverdi for materialfastheter — fy

Tilsvarende Norsk Standard

Godstykkelse mm maks.

°F — fy N/mm2

St37

12 120 12 122 12 123

16 40 63

235 225 215

340-470

St44

12 132

16 40 63

275 265 255

410-540

12 153

16 40 63

355 345 335

490-630

Stålkvalitet

St52

N/mm2

Dimensjonerende last Som nevnt nærmer en seg nå sikkerhetsproblemet fra to sider: sikkerheten til materialet og sikkerheten til lasten. Den di­ mensjonerende lasten blir bestemt som den ugunstigste kombi­ nasjonen av karakteristiske laster multiplisert med sine respek­ tive lastkoeffisienter. Med andre ord er det forskjellige lastkoeffisienter for forskjellige lasttyper. Lastkoeffisienten kalles yf (se NS 3479).

Koeffisient Koeffisient Koeffisient Koeffisient

for egenvekt for nyttelast for jordlast for vanntrykk

yfg yfp yfj yfv

= = = =

1,2 1,6 1,4 1,1

Krefter I mekanikken har vi lært å bestemme hvor store kreftene er, dersom en eller flere krefter er kjent. Figur 7.1 viser krefter i 89

Fig. 7.1

forskjellige konstruksjoner. Noen ganger er de kjent, men svært ofte er krefter eller spenninger, spesielt i maskindeler, ukjent. Det er tre forskjellige belastningstyper:

1 Statisk last. Eksempel: væske i en tank. 2 Slaglignende last. Eksempel: eksenterpresse. 3 Dynamisk last. Eksempel: roterende aksel.

For å være på den sikre siden har det vært en tendens til å regne med større last enn den virkelige, siden denne ofte er ukjent. For å redusere vekten og forbedre konstruksjonen er det blitt mer alminnelig å bruke prøvemetoder for å bestemme last eller spenning i en del. Det kan også gi en forsikring om at de verdiene en har beregnet matematisk, er de rette. En kan også få svar på spørsmål som det er vanskelig å få frem matematisk. Det finnes flere slike verktøy, for eksempel eksperimentell spenningsanalyse: 1 Strekklappmetoden: (Dette er nok den viktigste metoden.) Strekklappene kan være ganske små. De gir avlesninger under hele belastningsforløpet. En leser av forandring i 90

elektrisk motstand som står i forhold til spenningen i delen. En oppnår linearitet ved slike målinger. 2 Fotoelastisk spenningsanalyse: Metoden er basert på at en sender polarisert lys gjennom en gjennomsiktig modell av delen en vil kontrollere. En kan da tydelig se spenninger og spenningskonsentrasjoner. En kan også få små rosetter som en kan lime på delen en vil undersøke, og det er da mulig å lese spenningen rett av på disse. 3 Det finnes også et sprøtt, malinglignende belegg som en kan påføre delen. Når delen blir belastet, kan en oppdage overflatespenninger og spenningskonsentrasjoner ved at belegget slår sprekker. 4 For store laster kan en også bruke mekaniske spenningsmålingsutstyr.

Grensetilstander Dimensjonering av stålkonstruksjoner blir foretatt ved en beregningsmessig kontroll av to grensetilstander, bruddgrensetilstanden og bruksgrensetilstanden. I disse grensetilstandene sammenligner en den dimensjonerende lastvirkningen med en kapasitet som er bestemt ved prøving eller beregning, eller med en foreskrevet grenseverdi (spenning, forskyvning osv.). Jam­ før NS 3472. Bruddgrensetilstanden svarer til en definert kapasitet hos en konstruksjon eller et konstruksjonselement. Kapasiteten er fastlagt i relasjon til faren for brudd eller store uelastiske forskyvninger eller tøyninger som kan sammenliknes med brudd. Flytebrudd kan karakteriseres som det laveste bruddkriteriet. Kapasiteten skal kontrolleres for: 1 Flytebrudd for statisk last. 2 Flytebrudd med mulighet for gjentatt flyting ved variasjon av laststillingene. 3 Knekking. Bruksgrensetilstanden svarer til en definert grense som ikke skal overskrides ved normal bruk av en konstruksjon eller et konstruksjonselement. Denne grensen er fastlagt i relasjon til faren for ikke-akseptable forskyvninger, tøyninger, rissdannelser, spenninger eller lignende. I bruksgrensetilstanden skal følgende kontrolleres:

1 Forskyvninger (hvis forskyvningene må begrenses på grunn av hva konstruksjonen skal brukes til). 91

2 Utmatting (ved utmattingsvirkende laster). 3 Dynamiske virkninger som kan ha betydning for funksjonen av konstruksjonen.

Sikkerhet mot utmatting Over tid vil en dynamisk belastet konstruksjonsdel tåle mindre enn en statisk belastet del. For stål er det mulig å få oppgitt vekselfastheten ved bøyning for materiale crvb, som er en lavere verdi enn fy for det samme materialet. crvb er utmattingsfasthet ved bøyning for et materiale. Er vekselfastheten crvb kjent, kan vi beregne vekselfastheten crv ut fra: