Пособие
по расчету и конструированию
сварных соединений
стальных конструкций
(к главе СНиП II-23-81)

Утверждено
приказом ЦНИИСК
им. Кучеренко
от 28.11.83 № 372/л

Москва Стройиздат 1984

Рассмотрены вопросы расчета и конструирования сварных соединений с угловыми швами, позволяющими сократить расход основных видов ресурсов при сварке строительных стальных конструкций без ущерба для надежности и несущей способности соединений и конструкций в целом.

Даны примеры расчета соединений.

Для инженерно-технических работников проектных организаций и заводов-изготовителей строительных конструкций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пособие составлено к главе СНиП II-23-81. В Пособии приведен ряд новых решений, направленных на экономию основных видов ресурсов, расходуемых при выполнении сварочных работ. Основное внимание уделено рациональному проектированию сварных соединений с угловыми швами, которые составляют по массе наплавленного металла около 90 % от общего количества сварных швов. Поэтому наибольший эффект может быть получен от оптимизации размеров этих швов.

Новые нормы проектирования дают возможность сократить удельный расход наплавленного металла в строительных стальных конструкциях на 35-40 %.

Текст из главы СНиП II-23-81 отмечен в Пособии вертикальной чертой, в скобках указаны соответствующие номера пунктов и таблиц главы СНиП.

Пособие разработано ЦНИИСК им. Кучеренко (канд. техн. наук В.М. Барышев, при участии инж. Ю.А. Новикова).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При проектировании сварных соединений следует:

принимать минимально необходимое количество и минимальные размеры сварных швов;

предусматривать применение высокопроизводительных механизированных способов сварки;

предусматривать применение эффективных сварочных материалов (электродов, электродных проволок, защитных газов, флюсов);

предусматривать такое расположение и размеры сварных швов, при которых максимально сокращалась бы необходимость кантовки конструкций при их изготовлении, а также уменьшились бы размеры соединяемых деталей;

обеспечивать свободный доступ к местам наложения швов и удобное пространственное положение с учетом выбранного способа и технологии сварки и принятого метода неразрушающего контроля шва.

1.2. Сокращение массы наплавленного металла при проектировании сварных соединений и элементов конструкций достигается путем повышения расчетных сопротивлений соединений с угловыми швами за счет применения эффективной технологии сварки и электродных материалов; соблюдения требований по назначению минимально допустимых катетов угловых швов, устанавливаемых в зависимости от наибольшей толщины свариваемых элементов, вида сварки и механических свойств стали; применения односторонних угловых швов в поясах сварных двутавров, при приварке ребер жесткости, диафрагм и других деталей, а также уменьшения количества деталей в элементах конструкций или их размеров (применения односторонних ребер жесткости, исключения фасонок в решетчатых конструкциях или уменьшения их размеров в связи с повышением расчетных сопротивлений соединений с угловыми швами и др.).

1.3. При проектировании сварных соединений следует учитывать, что увеличение сечений швов по сравнению с регламентированными в главе СНиП II-23-81 не только не повышает работоспособность конструкций, но в ряде случаев снижает ее.

2. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

2.2. Расчетные сопротивления сварных соединений, определенные по формулам, которые приведены в главе СНиП II-23-81, обеспечиваются при соблюдении следующих условий:

подготовка материалов, сборка конструкций, сварка и контроль качества осуществляются в соответствии с требованиями главы СНиП III-18-75; сварочные материалы для стыковых соединений соответствуют прочности свариваемой стали и условиям эксплуатации конструкций и применяются в соответствии с табл. 1 прил. 1;

сварочные материалы для расчетных угловых швов применяются в соответствии с табл. 2 прил. 1 с учетом условий эксплуатации конструкций, указанных в табл. 1 прил. 1.

2.3. Расчетные сопротивления стыковых соединений, выполняемых всеми видами дуговой сварки, принимаются равными расчетным сопротивлениям стального проката при условии физического контроля качества швов в растянутых элементах и соблюдении требований п. 13.42 главы СНиП II-23-81 об обеспечении полного провара соединяемых элементов путем двухсторонней сварки, односторонней с подваркой корня шва или односторонней сварки на подкладке.

В случаях, когда в стыковых соединениях невозможно обеспечить полный провар элементов, рекомендуется принимать R_wy =0,7 R_у.

2.4. Несущая способность сварных соединений с угловыми швами зависит от ориентации шва относительно направления усилия, действующего на соединение. Однако учет этой зависимости существенно усложняет расчет соединения, в связи с чем расчетные сопротивления соединений с угловыми швами в главе СНиП II-23-81 приняты для наименее благоприятной ориентации (флангового шва) и независимыми от величины угла между продольной осью шва и направлением силового вектора, действующего на него.

2.5. Предельным состоянием для сварных соединений с угловыми швами является опасность разрушения. В связи с этим их расчетные сопротивления установлены по временному сопротивлению металла: для металла шва - в зависимости от нормативного сопротивления металла шва R_wf = f (R_wun); для металла границы сплавления - в зависимости от нормативного сопротивления основного металла R_wz = f (R_un).

Числовые значения расчетных сопротивлений сварных соединений с угловыми швами приведены в табл. 2 и 3 прил. 1.

3. РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение и сжатие следует проводить в соответствии с п. 11.1 главы СНиП II-23-81.

3.2. С целью повышения эффективности использования наплавленного металла в соединениях с расчетными угловыми швами предусмотрено применение электродных материалов, обеспечивающих повышенные прочностные свойства металла шва. При этом возникает необходимость проверки прочности соединений по двум опасным сечениям: по металлу шва и по металлу границы сплавления.

где l_w - расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм; β_f и β_z - коэффициенты, принимаемые при сварке элементов из стали: с пределом текучести до 580 МПа (5900 кгс/см²) по табл. 1 (34); с пределом текучести свыше 580 МПа (5900 кгс/см²) независимо от вида сварки, положения шва и диаметра сварочной проволоки β_f = 0,7 и β_z = 1; γ_wf и γ_wz - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I₁, I₂, II₂ и II₃, для которых γ_wf = 0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением R_wun = 410 МПа (4200 кгс/см²) и γ_wz = 0,85 для всех сталей.

При сварке с использованием технологических приемов, направленных на повышение производительности наплавки, которые сопровождаются снижением глубины проплавления (например, сварка при удлиненном вылете электрода, при прямой полярности постоянного тока, с применением дополнительного присадочного материала и т.п.), значения коэффициентов рекомендуется принимать β_f = 0,7 и β_z = 1.

1,1 R_wz < R_wf ≤ R_wz β_z / β_f;                                                  (3)

R_wz < R_wf ≤ R_wz β_z / β_f.                                                        (4)

Таблица 1 (34)

Примечание. Значения коэффициентов соответствуют нормальным режимам сварки.

3.5. Левая часть выражений (3) и (4) 1,1 R_wz < R_wf и R_wz < R_wf означает необходимость применения электродных материалов, обеспечивающих высокую прочность металла шва. Правая часть этих выражений R_wf ≤ R_wz β_z / β_f указывает верхний предел значения R_wf, выше которого увеличение прочности металла шва нецелесообразно, поскольку несущую способность соединения будет определять сечение по металлу границы сплавления.

При проектировании сварных соединений возможны исключения из требований, указанных в выражениях (3) и (4), которые определяются дискретностью значений входящих в них параметров, ограниченностью ассортимента сварочных проволок для механизированной сварки и условиями организации производства. Поэтому в ряде случаев для расчетных угловых швов целесообразно применять сварочную проволоку, при которой R_wf ≤ R_wz β_z / β_f.

Например, проволоку марки Св-08Г2С целесообразно применять при сварке в углекислом газе однопроходных швов (/г/<8 мм) в конструкциях из стали ВСт3, которая обеспечивает минимальный расход наплавленного металла из всех возможных вариантов полуавтоматической и ручной сварки; проволоку марок Св-08А и Св-08ГА - при автоматической сварке под флюсом конструкций из стали ВСт3 (применение проволоки Св-08ГА обосновано в случаях, когда на одном производственном участке одновременно выполняется сварка конструкций из малоуглеродистой и низколегированной стали).

3.6. В зависимости от значений R_wf, R_wz и β_f, характеризующих соединение с угловыми швами, прочность одного из двух расчетных сечений меньше прочности другого сечения. Поэтому для расчета такого соединения на срез (условный) достаточно произвести проверку менее прочного сечения. Расчетные сечения, по которым следует производить проверку прочности соединения с угловыми швами, в зависимости от параметров R_wun, R_un и β_f, указаны в табл. 2 (для конструкций во всех климатических районах, кроме I₁, I₂, II₂, II₃) и табл. 3 (для конструкций в климатических районах I₁, I₂, II₂, II₃).

Примечание. Коэффициенты β_f и β_z связаны зависимостью , поэтому в табл. 2 и 3 значения β_z не приводятся.

3.7. Предельные усилия на сварные соединения с угловыми швами для наиболее распространенных сочетаний электродных материалов, условий сварки и катетов швов приведены в табл. 1 и 2 прил. 2.

3.8. Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента, на одновременное действие сил и момента, а также поясных соединений с угловыми швами в составных двутавровых балках следует производить по двум сечениям в соответствии с требованиями пп. 11.3, 11.5 и 11.16 главы СНиП II-23-81. При этом в общем виде расчетные формулы представляют собой сравнение напряжений, возникающих от действия усилий в расчетном сечении по шву (τ_f) и по металлу границы сплавления (τ_z), с соответствующими расчетными сопротивлениями с учетом коэффициентов условий работы:

τ_f ≤ R_wf γ_wf γ_c;

τ_z ≤ R_wz γ_wz γ_c.

Таблица 2

Таблица 2а

Таблица 2б

Примечания: 1. Значение нормативных сопротивлений R_un и R_wun указаны в МПа (кгс/см²). 2. Буквы Ш и Г указывают, что при данном сочетании R_un, R_wun и β_f расчет соединения с угловыми швами должен производиться соответственно по металлу шва или по металлу границы сплавления. 3. Для стального проката с R_un = 685 МПа (7000 кгс/см²) расчет соединения с угловыми швами должен производиться по металлу шва.

Таблица 3

Таблица 3а

Таблица 3б

Таблица 3в

Примечания: 1. Обозначения даны в табл. 2а, б. 2. Таблица составлена с учетом коэффициентов γ_wf и γ_wz, значения которых указаны в п. 11.2 главы СНиП II-23-81. 3. Для стального проката с R_un = 685 МПа (7000 кгс/см²) расчет соединения с угловыми швами должен производиться по металлу шва.

Примеры расчета соединений приведены в прил. 3 (примеры 1-4).

3.9. Расчет таврового соединения с разделкой кромок элемента с неполным его проваром (рис. 1) на действие продольной и поперечной сил рекомендуется производить по двум сечениям по формулам:

по металлу шва

N / (2,6 hl_w) ≤ R_wf γ_wf γ_c;                                                     (5)

по металлу границы сплавления

N / (2,8 hl_w) ≤ R_wz γ_wz γ_c,                                                    (6)

где h - глубина разделки кромок, значения которой следует принимать согласно соответствующему стандарту на основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений; l_w - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на t_m, или полной его длине в случае вывода концов шва за пределы стыка.

В формулах (5) и (6) учтено наличие двух швов в соединении.

Тавровые соединения с разделкой кромок (рис. 1) целесообразно применять в случаях, когда катеты швов должны быть k_f > 14 мм. При этом назначение разделки кромок должно производиться с учетом технологических возможностей производства.

Пример расчета соединения в соответствии с рекомендациями настоящего пункта приведен в прил. 3 (пример 5).

Рис. 1. К расчету таврового соединения с разделкой кромок элемента и неполным его проваром

3.10. Тавровые соединения с лобовыми угловыми швами, рассчитываемые на действие растягивающей силы (пп. 3.3 и 3.9) по двум сечениям, следует рассчитывать также на растяжение по основному металлу в сечении, перпендикулярном направлению действия силы (рис. 2, сечение 3-3).

В соединении с двухсторонним швом без разделки кромок (рис. 2а) расчет по сечению 3-3 следует производить по формуле

N / (2,8 β_f k_f l_w) ≤ R_th γ_c;                                                     (7)

в соединении с двухсторонним швом и k-образной разделкой кромок расчет по сечению 3-3 следует производить по формулам:

при полном проваре прикрепляемого элемента (рис. 2, б)

N / (1,3 tl_w) ≤ R_th γ_c;                                                           (8)

при частичном проваре прикрепляемого элемента (рис. 2, в)

N / [2 (h + 0,15t) l_w] ≤ R_th γ_c;                                             (9)

в соединении с односторонним швом и разделкой кромок при полном проваре прикрепляемого элемента (рис. 2, г) расчет по сечению 3-3 следует производить по формуле

N / (1,15 tl_w) ≤ R_th γ_c.                                                         (10)

В формулах (7) - (10): l_w - длина шва, принимаемая равной его полной длине; t - толщина прикрепляемого элемента; h - глубина разделки кромок; R_th - расчетное сопротивление растяжению в направлении толщины проката, которое следует принимать R_th = 0,5 R_u.

Рис. 2. К расчету таврового соединения по основному металлу в сечении, перпендикулярном направлению растягивающей силы

Расчет соединений по сечению 3-3 не следует производить в следующих случаях:

в соединениях с двухсторонним угловым швом без разделки кромок (рис. 2, а), а также с разделкой кромок и частичным проваром прикрепляемого элемента (рис. 2, в) - при соблюдении соотношения между значениями временного сопротивления свариваемых элементов R^A_un ≤ R^Б_un;

в соединениях с двухсторонним угловым швом и k-образной разделкой кромок (рис. 2, б) - при соблюдении соотношения значений характеристик прочностных свойств R^A_yn ≤ 0,65 R^Б_un.

4. КОНСТРУИРОВАНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

4.1. Общие требования к конструкции сварных соединений, направленные на повышение их надежности и работоспособности, а также технологичности, изложены в пп. 12.2-12.3 и 12.6-12.8 главы СНиП II-23-81.

4.2. Одним из наиболее важных условий сокращения удельного расхода наплавленного металла в конструкциях при выполнении конструктивных и слабонагруженных угловых швов является назначение минимальных катетов швов в соответствии с табл. 38 главы СНиП II-23-81, размеры которых зависят от толщины свариваемых элементов, предела текучести стали, вида сварки и вида соединения.

4.3. При проектировании сварных соединений с угловыми швами необходимо учитывать, что количество наплавленного металла пропорционально квадрату катета шва. Поэтому завышение k_f даже на 1 мм приводит к значительному перерасходу наплавленного металла. Например, увеличение массы наплавленного металла в швах k_f = 10 мм по сравнению с k_f = 9 мм составляет почти 20 %, а в швах k_f = 6 мм по сравнению с k_f = 5 мм - более 40 %.

Из двух расчетных угловых швов с одинаковым расчетным сечением экономичнее по расходу наплавленного металла тот, который имеет меньший катет (и соответственно большую длину).

Указанные ограничения не распространяются на односторонние угловые швы, выполненные с проваром на всю толщину прикрепляемого элемента.

Общие положения о применении односторонних угловых швов в элементах конструкций изложены ниже в данном разделе пособия, примеры применения приведены в прил. 4.

4.5 (12.10). Для расчетных и конструктивных угловых швов в проекте должны быть указаны вид сварки, электроды или сварочная проволока, положение шва при сварке.

Положение шва при сварке необходимо указывать для расчетных угловых швов, так как оно определяет величину коэффициентов β_f и β_z, входящих в расчетные формулы. В случае, когда на стадии проектирования положение шва неизвестно, оно должно быть указано предположительно, а при разработке деталировочных чертежей (КМД) уточнено с соответствующей корректировкой величины k_f углового шва.

4.6. При применении прерывистых швов и электрозаклепок в соответствии с п. 12.13 главы СНиП II-23-81 расстояние между соседними концами участков прерывистого шва должно составлять не более 18t для сжатых элементов и не более 24t для растянутых элементов (t - толщина наиболее тонкого из свариваемых элементов).

Конструкции сварных соединений в фермах

4.7 (13.9). Расстояние между краями элементов решетки и пояса в узлах сварных ферм с фасовками следует принимать равным a = 6t - 20 мм, но не более 80 мм (t - толщина фасонки, мм) (рис. 3 Пособия).

4.8 (13.9). Между торцами стыкуемых элементов поясов ферм, перекрываемых накладками, следует оставлять зазор а не менее 50 мм (рис. 4 Пособия).

4.9. Сварные швы, прикрепляющие элементы решетки фермы к фасовкам, следует выводить на торец элемента на длину 20 мм (рис. 5). Лобовые швы по торцам элементов решетки применять не рекомендуется, поскольку из-за увеличения остаточных сварочных напряжений ухудшаются условия эксплуатации фасонки.

4.10 (13.10). В узлах ферм с поясами из тавров, двутавров и одиночных уголков крепление фасонок к полкам поясов встык следует осуществлять с проваром на всю толщину фасонки (рис. 6 Пособия).

В конструкциях группы 1, а также эксплуатируемых в климатических районах I₁, I₂, II₂ и II₃ стыковые швы, прикрепляющие фасонки к полкам поясов, следует выполнять согласно рис. 6б.

Рис. 3. Узел фермы с фасовками

Рис. 4. Стык поясов ферм с накладками

Рис. 5. Схемы выведения швов на торец элемента

Рис. 6. Узел фермы с фасовкой, привариваемой встык к элементу сечения пояса

а - для климатических районов II₄ и II₅; б - для климатических районов I₁, I₂, II₂, II₃.

4.11. В узлах ферм с поясами из двутавров, тавров и одиночных уголков, в которых фасонки прикреплены к полкам поясов стыковыми швами, допускается пересечение угловых швов нахлесточных соединений раскосов со стыковыми швами.

Конструкции сварных соединений в колоннах

4.12. В центрально-сжатых колоннах и стойках двутаврового сечения допускается применять односторонние поясные швы. При этом в узлах крепления связей, балок, распорок и других элементов в зоне передачи усилия следует применять двухсторонние поясные швы, выходящие за контуры прикрепляемого элемента (узла) на длину 30k_f с каждой стороны (рис. 7).

Рис. 7. Расположение двухстороннего поясного шва в колонне в узле примыкания балки

Рис. 8. Расположение швов, прикрепляющих фасонку соединительной решетки колонны

Рис. 9. Монтажный стык колонны с накладками

В конструкциях, возводимых в климатических районах I₁, I₂, II₂ и II₃, а также при применении ручной дуговой сварки швы должны быть непрерывными по всей длине фасонки.

4.14. При прикреплении колонн к опорным плитам толщиной более 80 мм катеты угловых швов следует устанавливать по табл. 38 главы СНиП II-23-81, принимая толщину плиты равной 80 мм.

4.15. В монтажных стыках колонн, выполняемых на накладках со сварными швами, швы следует не доводить до стыка на 25 мм с каждой стороны (рис. 9) или обеспечить зазор в стыке не менее 50 мм. Накладки рекомендуется применять прямоугольной формы.

Конструкции сварных соединений в балках

4.17. При применении односторонних поясных швов в сварных двутавровых балках должны быть выполнены следующие требования:

расчет устойчивости стенок балок должен быть произведен в соответствии с требованиями пп. 7.2 и 7.3 главы СНиП II-23-81;

расчетная нагрузка должна быть приложена симметрично относительно поперечного сечения балки (СНиП II-23-81, п. 13.26);

устойчивость сжатого пояса балки должна быть обеспечена в соответствии с п. 5.16а главы СНиП II-23-81, а именно путем применения сплошного жесткого настила, непрерывно опирающегося на сжатый пояс балки и надежно с ним связанного (плиты железобетонные, плоский и профилированный металлический настил, волнистая сталь и т.п.);

в местах приложения к поясу балки сосредоточенных нагрузок, включая нагрузки от ребристых железобетонных плит, должны быть установлены поперечные ребра жесткости (СНиП II-23-81, п. 13.26).

В ригелях рамных конструкций у опорных узлов следует применять двухсторонние поясные швы, протяженность которых должна быть не менее высоты сечения ригеля (рис. 10).

В балках и ригелях рамных конструкций, рассчитываемых согласно требованиям пп. 5.18-5.23 главы СНиП II-23-81 (с учетом развития пластических деформаций), применение односторонних поясных швов не допускается.

Расчет устойчивости одностороннего ребра жесткости следует производить согласно требованиям пп. 7.10-7.13 главы СНиП II-23-81.

В балках с односторонними поясными швами ребра жесткости на стенке следует располагать со стороны, противоположной расположению односторонних поясных швов (рис. 11).

Рис. 10. Расположение двухстороннего поясного шва в опорном узле ригеля

Рис. 11. Расположение односторонних ребер жесткости в балке с односторонними поясными швами

Рис. 12. Взаимное расположение стыковых швов и ребер жесткости на стенке балки

Рис. 13. Примыкание ребер жесткости к элементам сечения сварной балки

4.20. Торцы вертикальных ребер жесткости сварных балок в местах примыкания их к поясам [(за исключением нижних торцов опорных ребер, а также ребер, располагаемых со стороны, противоположной односторонним поясным швам (см. рис. 11)] должны иметь скосы, размеры которых рекомендуется принимать 40×40 мм (рис. 13).

В табл. 1 и 2 в скобках указаны марки проволок, рекомендуемых в дополнение к табл. 55 главы СНиП II-23-81.

Звездочкой * отмечены марки проволок, которые рекомендуется применять при специальном обосновании.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Материалы для сварных соединений и расчетные сопротивления сварных соединений

¹ R_wf = 215 МПа (2200 кгс/см²) только для швов k_f ≤ 8 мм в конструкциях из стали с пределом текучести 305 МПа (3100 кгс/см²) и более (рекомендуется в дополнение к табл. 56 главы СНиП II-23-81).

² R_wf = 240 МПа (2450 кгс/см²) только для швов k_f ≤ 8 мм в конструкциях из стали с пределом текучести 440 МПа (4500 кгс/см²).

³ R_wf = 280 МПа (2850 кгс/см²) только для швов k_f ≤ 8 мм в конструкциях из стали с пределом текучести 590 МПа (6000 кгс/см²), рекомендуется в дополнение к табл. 56 главы СНиП II-23-81.

Таблица 3. Расчетные сопротивления срезу (условному) металла границы сплавления сварных соединений с угловыми швами

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Несущая способность соединений с угловыми швами

Таблица 1. Предельные усилия на сварные соединения с угловыми швами для конструкций во всех климатических районах, кроме I₁, I₂, II₂, II₃

Примечания к табл. 1 и 2. В таблицах указаны предельные усилия для наиболее опасного сечения, установленного с помощью табл. 2 настоящего Пособия. Усилия рассчитаны по формулам (120) и (121) главы СНиП II-23-81, в которых значения R_wf, R_wz, β_f, β_z приняты соответственно по табл. 3 и 34 главы СНиП II-23-81; в табл. 7 принято: γ_wf = γ_wz = γ_c = 1; в табл. 8 принято: γ_wf = 0,85 для металла шва с R_wun = 410 МПа, γ_wz = 0,85 для всех сталей, γ_c = 1.

Таблица 2. Предельные усилия на сварные соединения с угловыми швами для конструкций в климатических районах I₁, I₂, II₂, II₃

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Примеры расчета сварных соединений

Пример 1. Расчет сварного соединения с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения шва.

Консоль двутаврового профиля прикрепляется угловым швом путем обварки по периметру профиля. Размеры поперечного сечения показаны на рис. 14 прил. 3.

Изгибающий момент М = 75 кН · м. Материал консоли - листовая сталь марки 15ХСНД (R_yn = 345 МПа, R_un = 490 МПа). Сварка выполняется полуавтоматом в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм марки Св-08Г2С в нижнем положении (R_wf = 215 МПа, β_f = 0,9). Коэффициенты условий работы γ_wf = γ_c = 1.

Необходимо определить катет углового шва.

Решение. Сечение, по которому следует производить расчет сварного соединения для указанного сочетания стали, сварочной проволоки и способа сварки в соответствии с табл. 2 настоящего Пособия, - по металлу шва. Расчет должен выполняться по формуле (122) главы СНиП II-23-81:

M / W_f ≤ R_wf γ_wf γ_c.

Момент сопротивления расчетного сечения периметра швов

W_f = I_f / y_max,

где момент инерции расчетного сечения

;

y_max = h / 2 + k_f.

Для углового шва k_f = 10 мм:

I_f = 0,9 {2 · 24³ · 1/12 + 2 · 18 · 1 [25,6 + 1) / 2]² + 2 (18 - 0,6) 1 [(24 - 1) / 2]²} = 11946 см⁴;

y_max = 25,6 / 2 + 1 = 13,8 см; W_f = 11946,9 / 13,8 = 866 см³.

Напряжение в шве:

τ_f = М / W_f = 75 · 10³ / 866 = 86,6 МПа;

τ_f / R_wf = 86,6 / 215 = 0,4.

Таким образом, при k_f = 10 мм напряжение условного среза в соединении τ_f в 0,4 раза ниже расчетного сопротивления R_wf. Следовательно, катет углового шва в соединении должен быть принят k_f = 4 мм.

Рис. 14. К примеру расчета сварного соединения с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов

b_f = 18 см; t_f = 0,8 см; t_w = 0,6 см; h_w = 24 см; h = 25,6 см

Рис. 15. К примеру расчета сварного соединения с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения швов

l₁ = 30 см; l₂ = 20 см

Проверка прочности соединения при k_f = 4 мм показывает правильность расчета:

I_f = 4764 см⁴; y_max = 13,2 см; W_f = 361 см³; τ_f = M / W_f = 75 · 10³ / 361 = 208 < 215 МПа.

Пример 2. Расчет сварного соединения с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения швов.

Полоса прикрепляется двумя горизонтальными и одним вертикальным швом (рис. 15).

Изгибающий момент M = 55 кН · м. Материал пластины - сталь марки ВСт3 (R_un = 370 МПа). Сварка выполняется покрытыми электродами типа Э46 (R_wf = 200 МПа, β_f = 0,7). Коэффициенты условий работы γ_wf = γ_c = 1. Необходимо определить катет углового шва.

Решение. Для указанного сочетания стали, электродов и способа сварки в соответствии с табл. 2 настоящего Пособия расчетным сечением является сечение по металлу шва, поэтому расчет должен выполняться по формуле (124) главы СНиП II-23-81:

.

Центр тяжести периметра швов определяется по формуле

x_ц = (l²₁ - 0,5 l₂ k_f) / (2l₁ + l₂).

При k_f = 10 мм х_ц = (900 - 0,5 · 20) / (60 + 20) = 11 см.

Координаты точки А, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов, х = 19 см, у = 10 см.

Моменты инерции расчетного сечения соединения по металлу шва относительно его главных осей:

I_fx ≈ β_f {l³₂ k_f / l₂ + 2l₁ k_f [(l₂ + k_f) / 2]²};

.

Для углового шва k_f = 10 мм с учетом того, что расчетная длина шва принимается меньше его полной длины на 10 мм (l₁ = 29 см):

I_fx = 0,7 {20³ · 1/12 + 2 · 29 · 1 [(20 + 1) / 2]²} = 4942 см⁴;

I_fy = 0,7 {2[29³ · 1/12 + 29 · 1 (29 / 2 - 11)²] + 20 · 1 (11 + 1/2)²} = 5194 см⁴;

Расстояние от центра тяжести периметра швов до точки А

 см.

Напряжения в соединении:

τ_f = 55 · 10³ · 21,5 / (4942 + 5194) = 117 МПа.

τ_f / R_wf = 117 / 200 = 0,58.

Таким образом, при k_f = 10 мм напряжения в соединении τ_f составляют 0,58 от расчетного сопротивления (R_wf). Следовательно, катет шва в соединении должен быть принят k_f = 5,8 мм ≈ 6 мм.

Проверка прочности соединения при k_f = 6 мм показывает правильность расчета:

I_fx = 2864 см⁴; I_fy = 3078 см⁴;  = 21,5 см.

τ_f = 55 · 10³ · 21,5 / 5942 = 199 < 200 МПа.

Пример 3. Расчет сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил.

Полоса прикрепляется двумя горизонтальными и одним вертикальным швом (рис. 16). Продольная сила N = 100 кН, поперечная сила Q = 38 кН. Материал пластины - сталь марки ВСт3 (R_un = 370 МПа). Сварка выполняется покрытыми электродами типа Э46 (R_wf = 200 МПа, β_f = 0,7). Коэффициенты условий работы γ_wf = γ_c = 1.

Необходимо определить катет углового шва.

Решение. Для указанного сочетания стали, электродов и способа сварки в соответствии с табл. 2 настоящего Пособия расчетным сечением является сечение по металлу шва. Поэтому расчет должен выполняться по формуле (126) главы СНиП II-23-81: τ_f ≤ R_wf γ_wf γ_c.

Принимаем k_f = 10 мм.

1. Определяем напряжение в соединении от продольной силы N τ_N = N / A_w,

где расчетная площадь шва A_w = (2l₁ + l₂) k_f β_f.

Рис. 16. К расчету сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил

l₁ = 30 см; l₂ = 20 см; l₃ = 81 см

С учетом того, что расчетная длина шва принимается меньше его полной длины на 10 мм:

A_w = (2 · 29 + 20) 1 · 0,7 = 54,6 см²,

τ_N = 100 · 10 / 54,6 = 18,3 МПа.

2. Определяем напряжение в соединении от поперечной силы Q.

Результирующее напряжение τ_{Q рез} является суммой векторов напряжения от силы Q, перенесенной в центр тяжести периметра швов τ_Q, и напряжения от момента τ_мQ:

τ_Q = Q / A_w = 38 · 10 / 54,6 = 7 МПа;

.

Центр тяжести периметра швов определяется по формуле

x_ц = (l²₁ - 0,5l₂k_f) / (2l₁ + l₂) = (900 - 0,5 · 20 · 1) / (60 + 20) = 11 см.

Координаты точки А, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов: x = 19 см, у = 10 см.

Моменты инерции расчетного сечения соединения по металлу шва относительно его главных осей:

I_fx ≈ β_f {l³₂ k_f / 12 + 2l₁ k_f [(l₂ + k_f) / 2]²} =

 = 0,7 {20³ · 1/12 + 2 · 29 · 1[(20 + 1) / 2]²} = 4942 см⁴,

I_fy ≈ β_f {2 [l³₁ k_f / 12 + l₁ k_f (l₁ / 2 - x_ц)²] + l₂ k_f (x_ц + k_f / 2)²} =

= 0,7 {2 [29³ · 1/12 + 29 · 1 (29 / 2 - 11)²] + 20 · 1 (11 + 1 / 2)²} = 5194 см⁴.

Расстояние точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения соединения:

 см.

τ_мQ = 38 · 1 · 10³ / (4942 + 5194) 21,5 = 80,6 МПа.

Результирующее напряжение от действия поперечной силы Q:

,

где α - угол, определяемый размерами соединения (см. рис. 16);

 МПа.

3. Определяем угол между векторами  и .

Угол φ определяют, пользуясь координатным методом на плоскости и свойством скалярного произведения двух векторов:

,

где  и  - векторы; || и || - длины векторов.

Поскольку скалярное произведение двух векторов равно сумме произведений соответствующих координат этих векторов  ·  = x₁x₂ + y₁y₂ и длина вектора равна

; , .

В рассматриваемом примере координаты вектора : х₁ = τ_N, y₁ = 0; координаты вектора : x₂ = τ_yQ sin α, y₂ = τ_yQ cos α + τ_Q:

4. Определяем суммарное напряжение в соединении

τ_f / R_wf = 96,2 / 200 = 0,48.

Таким образом, при k_f = 10 мм суммарное напряжение в 0,48 раза меньше расчетного сопротивления. Следовательно, катет шва в соединении следует принять k_f = 5 мм.

Рис. 17. К расчету сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил и момента

l₁ = 20 см; l₂ = 16 см; l₃ = 90 см

Проверка прочности соединения при k_f = 5 мм показывает правильность расчета:

А_w = 27,3 см²; τ_N = 100 · 10 / 27,3 = 36,6 МПа;

τ_Q = 38 · 10 / 27,3 = 13,9 МПа; I_fx = 2366 см⁴; I_fy = 2557 см⁴;

τ_мQ = 38 · 10³ · 21,5 / 4923 = 166 МПа;

 МПа; cos φ = 0,43;

 МПа < 200 МПа.

Пример 4. Расчет сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил и момента.

Консоль, подвергающаяся действию продольной и поперечной сил и момента, прикрепляется угловым швом по периметру соприкасающихся поверхностей (рис. 17).

Продольная сила N = 195 кН, поперечная сила Q = 30 кН, изгибающий момент М = 24,5 кН · м. Материал консоли - сталь марки 18пс (R_un = 370 МПа), R_wz = 165 МПа. Сварка выполняется полуавтоматом в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм марки Св-08Г2С в нижнем положении (R_wf = 215 МПа; β_f = 0,9; β_z = 1,05). Коэффициенты условий работы γ_wz = γ_c = 1.

Необходимо определить катет углового шва.

Решение. Сечение, по которому следует производить расчет сварного соединения для указанного сочетания стали, сварочной проволоки и способа сварки в соответствии с табл. 2 настоящего Пособия, - по металлу границы сплавления. Поэтому расчет должен выполняться по формуле (126) главы СНиП II-23-81:

Принимаем k_f = 10 мм.

1. Определяем напряжение в соединении от продольной силы N:

τ_N = N / A_w,

где расчетная площадь шва A_w = 2 (l₁ + l₂) k_f β_z.

С учетом того, что расчетная длина шва принимается меньше его полной длины на 10 мм (l₁ = 19,5 см, l₂ = 15,5 см):

A_w = 2(19,5 + 15,5) · 1 · 1,05 = 73,5 см².

τ_N = 195 · 10 / 73,5 = 26,5 МПа.

2. Определяем напряжение в соединении от поперечной силы Q.

Результирующее напряжение τ_{Q рез} является суммой векторов напряжения от силы Q, перенесенной в центр тяжести периметра швов (τ_Q), и напряжения от момента (τ_мQ):

τ_Q = Q / A_w = 30 · 10 / 73,5 = 4,1 МПа;

.

Моменты инерции расчетного сечения соединения по металлу границы сплавления относительно его главных осей:

I_zx ≈ β_z {2l³₂ k_f / 12 + 2l₁ k_f [(l₂ + k_f) / 2]²} =

 = 1,05 {2 · 15,5³ · 1/12 + 2 · 19,5 · 1[(15,5 + 1) / 2]²} = 3439 см⁴,

I_zy ≈ β_z {2l³₁ k_f / 12 + 2l₂ k_f [(l₁ + k_f) / 2]²} =

= 1,05 {2 · 19,5³ · 1/12 + 2 · 15,5 · 1 [(19,5 + 1) / 2]²} = 4717 см⁴.

Расстояние точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения соединения:

 см.

τ_мQ = 30 · 10³ · 12,8 / 8156 = 47 МПа.

Результирующее напряжение от действия поперечной силы в плоскости хоу:

,

где α - угол, определяемый размерами соединения (см. рис. 17).

 МПа.

3. Определение напряжения в соединении от момента М:

τ_м = Мy_max / I_zy;

y_max = l₁ / 2 + k_f = 20 / 2 + 1 = 11 см;

τ_м = 24,5 · 10³ · 11 / 4717 = 57 МПа.

4. Результирующее напряжение от действия продольной силы N и момента М в плоскости хоz:

 МПа.

5. Определение угла между векторами  и .

Угол φ определяют, пользуясь координатным методом в пространстве и свойством скалярного произведения двух векторов:

,

где  и  - векторы; || и || - длины векторов.

Поскольку скалярное произведение двух векторов равно сумме произведений соответствующих координат этих векторов  ·  = x₁x₂ + y₁y₂ и длина вектора равна корню квадратному из суммы квадратов его координат , .

В рассматриваемом примере координаты вектора :

х₁ = τ_N; y₁ = 0; z₁ = τ_м;

координаты вектора :

x₂ = τ_мQ sin α; y₂ = τ_мQ cos α + τ_Q; z₂ = 0;

6. Определяем суммарное напряжение в соединении

τ_z / R_wz = 89,7 / 165 = 0,54.

Таким образом, при k_f = 10 мм суммарное напряжение в 0,54 раза меньше расчетного сопротивления. Следовательно, катет шва в соединении следует принять k_f = 6 мм.

7. Проверяем прочность соединения при k_f = 6 мм:

Проверка прочности соединения при k_f = 5 мм показывает правильность расчета:

А_w = 2 (19,5 + 15,5) 0,6 · 1,05 = 44,1 см²;

τ_N = 195 · 10 / 44,1 = 44,2 МПа;

τ_Q = 30 · 10 / 44,1 = 6,8 МПа;

I_zx = 1983 см⁴; I_zy = 2754 см⁴;

τ_мQ = 30 · 10³ · 12,8 / 4737 = 81 МПа;

 МПа;

τ_м = 24,5 · 10³ · 10,3 / 2754 = 92 МПа;

 МПа;

;

 МПа < 165 МПа.

Пример 5. Расчет сварного таврового соединения с разделкой кромок и неполным проваром прикрепляемого элемента на действие растягивающей силы.

Элемент толщиной t_m = 30 мм и длиной l = 500 мм, на которой действует сила N = 2300 кН, прикрепляется угловыми швами с разделкой кромок (рис. 1 настоящего Пособия). Материал элемента - сталь марки 18Гсп (R_wz = 175 МПа). Коэффициенты условий работы γ_wf = γ_wz = 1; γ_c = 0,95.

Необходимо выбрать тип электрода для ручной сварки, обеспечивающей требуемую несущую способность соединения.

Расчет соединения производится по формуле (5), в которой расчетная длина шва l_w = 500 - 30 = 470 мм, глубина разделки кромок h = 10 мм (соединение типа Т9 по ГОСТ 5264-80),

R_wf ≥ N / (2,6hl_wγ_c) = 2300 · 10 / (2,6 · 1 · 47 · 0,95) = 198 МПа.

По табл. 5 приложения выбираем R_wf = 200 МПа, соответствующее электродам типа Э46 и Э46А.

Производим проверку прочности по металлу границы сплавления по формуле (6) 2300 · 10 / 2,8 · 1 · 47 · 0,95 = 184 МПа.

Таким образом, применение электродов типа Э46 и Э46А обеспечивает необходимую несущую способность данного соединения.

Пример 6. Расчет сварного таврового соединения по основному металлу в сечении, перпендикулярном направлению растягивающей силы.

Элемент А длиной l = 200 мм, на который действует сила N = 1200 кН, прикрепляется швом с односторонней разделкой кромки к элементу Б (рис. 2г настоящего Пособия). Оба элемента выполнены из листового проката стали марки 10ХСНД толщиной 20 мм (R_y = 355 МПа, R_u = 480 МПа). Коэффициент условий работы γ_с = 1. Необходимо рассчитать соединение по сечению 3-3.

Расчет соединения производится по формуле (10), в которой длина шва l_w = l =200 мм:

R_th = 0,5 · 480 = 240 МПа;

N / (1,15tl_w) = 1200 · 10 / (1,15 · 2 · 20) = 260 > 240 МПа.

Таким образом, необходимо увеличить толщину t элемента А или длину шва l_w. Увеличение необходимо произвести пропорционально соотношению между расчетными сопротивлениями соединяемых элементов следующим образом:

t^A = 1,74tR^A_y / R^Б_u или l^A_w = 1,74l_wR^A_y / R^Б_u.

где t^A (l^A_w) - толщина (длина) элемента А, выбираемая из условия обеспечения прочности элемента Б по сечению 3-3.

t^А = 1,74 · 20 · 355 / 480 = 26 мм.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Примеры применения односторонних угловых швов в стальных конструкциях

1. Поперечные ребра и диафрагмы

2. Ребра в бункерах

3. Продольные ребра в балках

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Основные буквенные обозначения

М  -  момент, изгибающий момент;

N  -  продольная сила;

I_fx, I_fy   -  момент инерции расчетного сечения по металлу шва относительно его главных осей;

I_zx, I_zy  -  моменты инерции расчетного сечения по металлу границы сплавления относительно его главных осей;

R_и   -  расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению;

R_un -  временное сопротивление стали разрыву, принимаемое равным минимальному значению σ_в по государственным стандартам и техническим условиям на сталь;

R_wf  -  расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу шва;

R_wu -  расчетное сопротивление стыкового сварного соединения сжатию, растяжению, изгибу по временному сопротивлению;

R_wun -  нормативное сопротивление металла шва по временному сопротивлению;

R_ws -  расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сдвигу;

R_wy -  расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сжатию, растяжению и изгибу по пределу текучести;

R_wz -  расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу границы сплавления;

R_y -  расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести;

R_yn   -    предел текучести стали, принимаемый равным значению предела текучести (σ_т) по государственным стандартам и техническим условиям на сталь;

w_f, w_z   -  моменты сопротивления расчетных сечений соответственно по металлу шва и по металлу границы сплавления;

k_f   -  катет углового шва;

l_w  -  длина сварного шва;

t    -  толщина;

β_f, β_z  -  коэффициенты для расчета, углового шва соответственно по металлу и по металлу границы сплавления;

γ_c  -  коэффициент условий работы;

γ_m -  коэффициент надежности по материалу;

γ_u  -  коэффициент надежности в расчетах по временному сопротивлению;

γ_wf, γ_wz -  коэффициенты условий работы соответственно металла шва и металла границы сплавления;

γ_wm   -  коэффициент надежности по материалу шва;

γ_zm    -  коэффициент надежности по материалу границы сплавления.

СОДЕРЖАНИЕ