Нормативное сопротивление металла шва по временному сопротивлению

Обновлено: 25.06.2024

Сварное соединение образуется в результате проведения технологической операции, в результате которой образуются межатомные связи между расплавленным металлом деталей. Необходимым условием плавления служит нагрев детали или ее пластическая деформация. Сварной шов получается достаточно прочным, если все работы были выполнены согласно разработанной технологии, а также были проведены верные расчеты соединений. Перед тем, как познакомиться с конкретными примерами расчета сварного шва, определимся, что подразумевается под этим понятием.

В тривиальной классификации швы делятся на рабочие и связующие. Внешние механические нагрузки приходятся именно на рабочие швы. Разрушение этого соединения ведет к полному разрушению конструкции. Связующие швы обеспечивают одновременную стыковку составляющих конструкции. Они испытывают нагрузки при деформации основного металла. Эти нагрузки существенно ниже тех, что приходятся на рабочие швы. Разрушение связующего шва не повлияет на целостность всего соединения, поэтому на прочность рассчитывают именно рабочие швы.

Сами соединения также классифицируются, в зависимости от метода стыковки деталей. Различают стыковые, нахлесточные, угловые, тавровые и торцевые соединения. Если сварка и является самым надежным способом соединения деталей, то некоторых недостатков она не лишена. К достоинствам можно отнести равномерное распределение прочности, экономию материала, эстетичный внешний вид. Но стесненном пространстве выполнять сварку практически невозможно. К тому же не каждый металл обладает хорошей свариваемостью. При воздействии механических нагрузок напряжения концентрируются именно на зоне сварного шва.

Нормативные документы

Основным документом, определяющим нормы проектирования стальных конструкций, являются строительные нормы и правила (СНиП) СНиП II-23-81, утвержденные приказом ЦНИИСК им. Кучеренко от 28.11.83 № 372/л. В этом документе одной из глав приведены правила расчета сварных соединений.

Однако данный документ носит обобщенный характер и касается не только сварочных работ, но и других видов соединений, поэтому «справочником» профессионального сварщика выступает пособие по расчету и конструированию сварных соединений стальных конструкций, разработанное тем же институтом. В пособии рассмотрены теоретические и практические вопросы расчета сварных соединений с угловыми швами. Правильные расчеты способны обеспечить экономию расходных материалов при высоких показателях прочности и надежности.

Расчетные сопротивления сварных соединений

Для разных соединений, а также разных напряженных состояний определены формулы расчета сопротивлений. Они приведены в виде таблицы. Согласно данным из этой таблицы, Для стыковых сварных соединений при сжатии, растяжении и изгибе определены следующие формулы расчета сопротивлений.

По пределу текучести – R_wy = R_y.
По временному сопротивлению – R_wu = R_u.

По пределу текучести – R_wy = 0,85 R_y.
При деформации сдвига – R_ws = R_s.
Для угловых швов R_wf=0,55*(R_wun/γ_wm).

Здесь R_wy — расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сжатию, растяжению и изгибу по пределу текучести, R_y — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести, R_wu — расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сжатию, растяжению, изгибу по временному сопротивлению, R_u — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению, R_ws — расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сдвигу, R_s — расчетное сопротивление стали сдвигу, R_wf — расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу шва, R_wun — нормативное сопротивление металла шва по временному сопротивлению.

Для швов, полученных в режиме ручной дуговой сварки, R_wun принимает значение временного сопротивления разрыва и определяется ГОСТом. Для автоматической и полуавтоматической сварки эти значения берутся из таблицы настоящего СНиП. Коэффициент надежности γ_wm равен 1,25 или 1,35, в зависимости от показателя R_wun.

Теоретическая база

Произвести расчет сварных соединений – это значит определить границы предельно допустимой нагрузки, исходя из технических свойств материала и самого шва. Для стыковых соединений нагрузки центрального сжатия и растяжения рассчитываются по формуле: N/tl_w ≤ R_wyγ_c.

N – предельная нагрузка.

t – минимальная толщина заготовок.

l_w – расчетная длина шва. Чтобы определить расчетную длину необходимо общую длину шва уменьшить на величину 2t.

γ_c – коэффициент условий работы. Параметр указан в отдельной таблице СНиП II-23-81.

Угловые швы испытывают продольные и поперечные нагрузки. Расчет производится на два среза, один из которых представляет собой сечение по металлу, а другой – по границе сплавления. В первом случае необходимо пользоваться формулой:

N/(β_fk_fl_w) ≤ R_wfγ_wfγ_c, где коэффициент β_f берется равным 0,7, k_f – катет углового шва, l_w – расчетная длина, коэффициенты условий работы γ равны единице, кроме некоторых климатических районов, где он составляет 0,85. Более точные значения коэффициентов при различных параметрах катетов швов берутся из таблицы:

Вид сварки при диаметре сварочной проволоки d, мм	Положение шва	Коэффициент	Значения коэффициентов β_f и β_z при катетах швов, мм
			3-8	9-12	14-16	18 и более
Автоматическая при d = 3 — 5	В лодочку	β_f	1,1			0,7
		β_z	1,15			1
	Нижнее	β_f	1,1	0,9		0,7
		β_z	1,15	1,05		1
Автоматическая и полуавтоматическая при d = 1,4 — 2	В лодочку	β_f	0,9		0,8	0,7
		β_z	1,05		1
	Нижнее, горизонтальное, вертикальное	β_f	0,9	0,8	0,7
		β_z	1,05	1
Ручная; полуавтоматическая проволокой сплошного сечения при d < 1,4 или порошковой проволокой	В лодочку нижнее, горизонтальное, вертикальное, потолочное	β_f	0,7
		β_z	1

Угловые швы после расчета размеров должны свариваться электродами или проволокой. Расчетные сопротивления были приведены выше. Они касаются элементов из стали с высшей степенью текучести до 285 МПа. Значение R_wf должно превышать значение R_wz. При ведении ручной дуговой сварки R_wf превышает R_wz в 1,1 раза. Однако этот показатель не должен быть более R_wzβ_z / β_f. Для сталей с пределом текучести более 285 МПа справедливо следующее соотношение:

Группы климатических районов, влияющих на коэффициент работы, назначены в одной из таблиц приложения к СНиП.

К понятию расчета сварного шва относится также определение момента сил, действующих перпендикулярно плоскости шва. Для соединений, в которых присутствуют угловые швы, данный показатель также рассчитывается по двум сечениям.

В сечении по металлу:

В сечении по границе сплавления:

M – рассчитываемый момент;

W_f – момент силы сопротивления сечения по металлу;

W_z – момент силы сопротивления сечения по границе сплавления.

Момент сил, действующих в плоскости шва, определяется следующим образом:

по границе сплавления:

J_fx и J_fy – моменты инерции сечения по металлу, взятые относительно главных осей этого сечения;

J_zx и J_zy – моменты инерции по границе сплавления;

x и y – координаты точки шва, которая максимально удалена от его центра тяжести.

Можно рассчитать результирующее действие продольных и поперечных сил, а также момент этой результирующей. Если геометрическую сумму напряжений в сечении по металлу обозначить, как τ_f, а в сечении по границе – τ_z, то необходимые условия расчета будут выглядеть следующим образом:

Для сварных стыковых соединений определено соотношение, согласно которому оцениваются нормальные напряжения в сварном шве. Но так как эта формула приведена для распределения нагрузки на балку, то величины напряжений по плоскостям балки следует заменить на нормальные напряжения в зоне шва по взаимно перпендикулярным направлениям. Получится следующее выражение:

Осталось рассмотреть еще одно соединение – тавровое. В ситуации, когда разделка кромок подразумевает неполный провар, расчет продольной нагрузки производится следующим образом:

Формулы приведены соответственно для двух сечений. Величина h показывает глубину разделки кромок.

Онлайн

Несмотря на то, что в СНиП приложением предоставляются примеры расчета основных сварных соединений, читать данный документ может только профессиональный квалифицированный мастер с техническим образованием. Запоминать все формулы и параметры нет необходимости, так как существуют онлайн калькуляторы, позволяющие провести расчеты по заданным параметрам. Например, можно провести расчет сварного шва на срез онлайн, выбрав тип соединения.

Стыковое соединение с прямым и косым швом. Параметры ввода: угол скоса, толщина детали, предельно допустимые напряжения растяжения или сжатия. Калькулятор рассчитает предельно допустимые усилия.
Hахлесточное соединение. Параметры ввода: катет шва, периметр угловых швов, допускаемое напряжение на срез. Результат – допускаемое усилие.
Tавровое соединение. Параметры ввода: катет шва, толщина и ширина элемента, допускаемое напряжение шва на срез. Результат – допускаемое усилие.

Возможности калькуляторов ограничены видами сварных швов. Некоторые программы могут производить расчеты для следующих случаев:

Нормативное сопротивление металла шва по временному сопротивлению

Значения нормативных и расчетных сопротивлений при растяжении, сжатии и изгибе листового, широкополосного универсального проката и труб приведены в таблице В.3, фасонного проката - в таблицах В.4 и В.5 (приложение В).

Значения расчетных сопротивлений проката смятию торцевой поверхности, местному смятию в цилиндрических шарнирах и диаметральному сжатию катков приведены в таблице В.6 (приложение В).

6.2 Расчетные сопротивления гнутых профилей следует принимать равными расчетным сопротивлениям листового проката, из которого они изготовлены.

6.3 Значения расчетных сопротивлений отливок из углеродистой стали следует принимать по таблице В.7 (приложение В).

6.4 Расчетные сопротивления сварных соединений для соединений различных видов и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в таблице 4.

Примечание - Значения коэффициентов надежности по металлу шва следует принимать равными: 1,25 - при 490 Н/мм ; 1,35 - при 590 Н/мм .

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения элементов из сталей с разными нормативными сопротивлениями следует принимать как для стыкового соединения из стали с меньшим значением нормативного сопротивления.

Значения нормативных и расчетных сопротивлений металла угловых швов приведены в таблице Г.2 (приложение Г).

6.5 Расчетные сопротивления одноболтового соединения следует определять по формулам, приведенным в таблице 5.

Значения нормативных и расчетных сопротивлений срезу и растяжению стали болтов в одноболтовых соединениях приведены в таблице Г.5, а смятию элементов, соединяемых болтами, в таблице Г.6 (приложение Г).

Значения расчетных сопротивлений растяжению фундаментных болтов приведены в таблице Г.7 (приложение Г).

Расчетное сопротивление растяжению U-образных болтов , указанных в 5.8, следует определять по формуле

6.7 Расчетное сопротивление растяжению высокопрочных болтов, классов прочности не менее 10.9, следует определять по формуле

6.8 Расчетное сопротивление растяжению высокопрочной стальной проволоки , применяемой в виде пучков или прядей, следует определять по формуле

6.9 Значение расчетного сопротивления (усилия) растяжению стального каната следует принимать равным значению разрывного усилия каната в целом, установленному НД на стальные канаты, деленному на коэффициент надежности по материалу =1,6.

7 Расчет элементов стальных конструкций при центральном растяжении и сжатии

7.1 Расчет элементов сплошного сечения

7.1.1 Расчет на прочность элементов из стали с нормативным сопротивлением 440 Н/мм при центральном растяжении или сжатии силой N следует выполнять по формуле

Расчет на прочность растянутых элементов, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, а также растянутых или сжатых элементов из стали с нормативным сопротивлением >440 Н/мм следует выполнять по формуле (5) с заменой значения на .

7.1.2 Расчет на прочность сечений в местах крепления растянутых элементов из одиночных уголков, прикрепляемых одной полкой болтами, следует выполнять по формуле (5), а сечений растянутого одиночного уголка из стали с пределом текучести до 380 Н/мм , прикрепляемого одной полкой болтами, поставленными в один ряд по оси, расположенной на расстоянии не менее 0,5b (b - ширина полки уголка) от обушка уголка и не менее 1,2d (d - диаметр отверстия для болта с учетом положительного допуска) от пера уголка, по формуле

Группы стальных конструкций

Группа 1. Сварные конструкции* или их элементы, работающие в особо тяжелых условиях (согласно ГОСТ 25546), в том числе максимально стесняющих развитие пластических деформаций, или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических**, вибрационных или подвижных нагрузок [балки крановых путей; балки рабочих площадок; балки путей подвесного транспорта; элементы конструкций бункерных и разгрузочных эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузки от подвижных составов; главные балки и ригели рам при динамической нагрузке; пролетные строения транспортёрных галерей; фасонки ферм; стенки, окрайки днищ, кольца жесткости, плавающие крыши, покрытия резервуаров и газгольдеров; бункерные балки; оболочки параболических бункеров; стальные оболочки свободно стоящих дымовых труб; сварные специальные опоры больших переходов линий электропередачи (ВЛ) высотой более 60 м; элементы оттяжек мачт и оттяжечных узлов].

Группа 2. Сварные конструкции либо их элементы, работающие при статической нагрузке при наличии растягивающих напряжений [фермы; ригели рам; балки перекрытий и покрытий; косоуры лестниц; оболочки силосов; опоры ВЛ, за исключением сварных опор больших переходов; опоры ошиновки открытых распределительных устройств подстанций (ОРУ); опоры транспортёрных галерей; прожекторные мачты; элементы комбинированных опор антенных сооружений (АС) и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы], а также конструкции и их элементы группы I при отсутствии сварных соединений и балки подвесных путей из двутавров по ГОСТ 19425 при наличии сварных монтажных соединений.

Группа 3. Сварные конструкции либо их элементы, работающие при статической нагрузке, преимущественно на сжатие [колонны; стойки; опорные плиты; элементы настила перекрытий; конструкции, поддерживающие технологическое оборудование; вертикальные связи по колоннам с напряжениями в расчетных сечениях связей свыше 0,4Ry; анкерные, несущие и фиксирующие конструкции (опоры, ригели жестких поперечин, фиксаторы) контактной сети транспорта; опоры под оборудование ОРУ, кроме опор под выключатели; элементы стволов и башен АС; колонны бетоновозных эстакад; прогоны покрытий и другие сжатые и сжато-изгибаемые элементы], а также конструкции и их элементы группы 2 при отсутствии сварных соединений.

Группа 4. Вспомогательные конструкции зданий и сооружений (связи, кроме указанных в группе 3; элементы фахверка; лестницы; трапы; площадки; ограждения; металлоконструкции кабельных каналов; вспомогательные элементы сооружений и т.п.), а также конструкции и их элементы группы 3 при отсутствии сварных соединений.

1 При назначении стали для конструкций зданий и сооружений класса КС-3 (ГОСТ 27751) номер группы конструкций следует уменьшать на единицу (для групп 2-4).

2 При толщине проката t > 40 мм номер группы конструкций следует уменьшать на единицу (для групп 2-4); при толщине проката * Конструкция или её элемент считается имеющим сварные соединения, если они расположены в местах действия значительных расчетных растягивающих напряжений или ** Конструкции относятся к подвергающимся воздействию динамических нагрузок, если отношение абсолютного значения нормального напряжения, вызванного динамической нагрузкой, к суммарному растягивающему напряжению от всех нагрузок в том же сечении

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

Рассмотрены вопросы расчета и конструирования сварных соединений с угловыми швами, позволяю щ ими 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 э тих швов.

Новые нормы проектирования дают возможность сократить удельный расход наплавленного металла в строительных стальных конструкциях на 3 5-4 0 % .

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 соедине н ий 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

2.1 (3.4). Расчетные сопротивления сварных соединений для различных видов соединений и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 3 СНиП II-23-81.

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

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 соед и нений 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.

3.3 ( 1 1.2). Сварные соединения с угловыми швами при действии продольной и поперечной сил следует рассчитывать на срез (условный) по двум сечениям:

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 МП а (5900 кгс/см 2 ) по табл. 1 (34); с пределом текучести свыше 580 МПа (5900 кгс/см 2 ) 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 I ₁ , I ₂ , II ₂ и II ₃ , для которых γ _wf = 0 ,8 5 для металла шва с нормативным сопротивлением R_wun = 410 МПа (4200 кгс/см 2 ) 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.

3. 4 ( 11.2). Для угловых швов, размеры которых установлены в соответствии с расчетом, в элементах из стали с пределом текучести до 285 МПа (2900 кгс/см 2 ) следует применять электроды или сварочную проволоку согласно табл. 2 прил. 1 настоящего пособия, для которых расчетные сопротивления срезу по металлу шва R_wf должны быть более R_wz , а при ручной сварке не менее чем в 1,1 раза превышают расчетные сопротивления срезу по металлу границы сплавления R_wz , но не превосходят значений R_wz β_z / β_f

в элементах из стали с пределом текучес т и свыше 285 МПа (2900 кгс/см 2 ) допускается применять электродные материалы, для которых выполняется условие

Вид сварки при диаметре сварочной проволоки d , мм

Значения коэффициентов β _f и β _z при катетах швов, мм

Читайте также: