Порядок расчета стальных конструкций стыковыми швами

Обновлено: 16.05.2024

Расчет угловых сварных швов на прочность обязателен при любом напряженно- деформированном состоянии элемента. Как уже отмечалось при рассмотрении основных видов сварных швов, и при растяжении, и сжатии, и при изгибе, и в любом другом напряженном состоянии рассматриваемого элемента конструкции на одном из катетов углового сварного шва всегда будут действовать касательные напряжения.

При этом на второй катет сварного шва могут действовать растягивающие (сжимающие) нормальные напряжения и (или) касательные напряжения в зависимости от напряженно деформированного состояния рассматриваемого элемента конструкции и положения шва в пространстве.

В целом основные положения, принимаемые при расчете угловых сварных швов, такие же как и при расчете остальных элементов конструкции.

Так как сопротивление металла сдвигу или срезу при действии касательных напряжений значительно меньше сопротивления растяжению, сжатию или изгибу при действии нормальных напряжений, то расчет угловых сварных швов (расчет на условный срез) сводится к определению касательных напряжений, которые должны быть меньше расчетного сопротивления.

Предполагается, что разрушение углового сварного шва может произойти в двух плоскостях: по металлу шва и по границе сплавления, поэтому расчет угловых швов производится для этих двух сечений:

Рисунок 529.3. Расчетные сечения угловых швов

А теперь рассмотрим возможные напряженные состояния элементов, соединяемых угловыми швами, более подробно.

Расчет угловых сварных швов производится по следующим формулам:

1. Расчет угловых швов при центральном растяжении (рисунок 529.2.д)) или сжатии (действии силы N)

Рисунок 529.2. Основные виды сварных соединений с угловыми швами.

И лобовые и фланговые швы рассчитываются на условный срез

1.1. по металлу шва (сечение 1 на рисунке 529.3):

где N - значение продольной растягивающей (или сжимающей) силы, приложенной по оси, совпадающей с центром тяжести сечения (без эксцентриситета). Может измеряться в кгс, тс, Н, кН;

β_f - безразмерный коэффициент, определяемый по следующей таблице:

Таблица 529.2. (согласно СНиП II-23-81* "Стальные конструкции")

Примечание: почему при расчетах я рекомендую пользовать именно этой таблицей, а не таблицей из актуализированной редакции указанного СНиПа, достаточно подробно объясняется в статье, посвященной рассмотрению основных видов сварных швов.

k_f - катет углового шва. Принимается по конструктивным требованиям или согласно расчету. Измеряется в мм или см.

l_w - суммарная длина угловых швов с учетом непровара в начале и в конце шва. Например, если рассчитывается один угловой шов длиной l, то его расчетная длина составит:

l_w = l - 2t (529.1.1)

где t - толщина наименьшей из свариваемых деталей.

В целом произведение β_fk_fl_w - это и есть площадь рассматриваемого сечения.

R_wf - расчетное сопротивление срезу по металлу шва. Определяется по следующей таблице:

Таблица 530.2. Расчетные сопротивления сварных соединений (согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции")

Примечания:

1. Значения коэффициентов надежности по металлу шва γ_wm следует принимать:

γ_wm = 1,25 - при R_wun ≤ 490 Н/мм 2 (4900 кг/см 2 );

γ_wm = 1,35 - при R_wun ≥ 590 Н/мм 2 (5900 кг/см 2 )

Значения R_wun и R_f определяются по следующей таблице:

Таблица 531.1. (согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции")

Примечание:

В ныне неактуальном СНиП II-23-81* и старых справочниках, таблица вида 530.2 сопровождалась следующими примечаниями:

1. Для угловых швов, выполняемых ручной сваркой, значения R_wun принимают равными значениям временного сопротивления разрыву металла шва (σ_в) согласно ГОСТ 9467-75*.

Приводить здесь таблицу из ГОСТа, по которой можно определить временное сопротивление разрыву шва, я не буду. Просто скажу, что в маркировке электродов это значение уже указано в кгс/мм 2 . Например:

- для электродов Э38 R_wun = σ_в = 38 кгс/мм 2 (3800 кгс/см 2 )

- для электродов Э42А R_wun = σ_в = 42 кгс/мм 2 (4200 кгс/см 2 ) и так далее вплоть до Э150 (сейчас такие марки электродов даже и не рассматриваются).

На мой взгляд это учень удобно, тем не менее сейчас все принято выражать в единицах системы СИ, что и отображено в таблице 531.1.

γ_с - коэффициент условий работы элементов конструкций и соединений, принимаемый по следующей таблице:

Таблица 530.3. Коэффициенты условий работы элементов и соединений стальных конструкций (согласно СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции")

1.2. По металлу границы сплавления (сечение 2 на рисунке 529.3):

где β_z - безразмерный коэффициент, определяемый по таблице 529.2.

R_wz - расчетное сопротивление металла на границе сплавления, определяемое по таблице 530.2, где R_un - нормативное сопротивление проката, определяемое по следующей таблице:

Таблица 171.8. (согласно ГОСТ 27772-88 для стальных конструкций зданий и сооружений)

Примечание: заменяемые марки стали приводятся отдельно.

Тут добавлю, что при центральном растяжении или сжатии элемента из свариваемых деталей во фланговых швах на обеих катетах шва будут действовать касательные напряжения. В лобовых швах на одном из катетов будут действовать растягивающие или сжимающие нормальные напряжения, имеющие такое же значение, как и касательные напряжения на втором катете.

Я это все к тому, что иногда в справочниках напряжения, определяемые для других видов напряженно-деформированного состояния обозначаются как нормальные, т.е. литерой "σ". Формально тут большой ошибки нет и делается это больше для того, чтобы различать напряжения, возникающие при действии изгибающего момента и других возможных воздействий. Но все равно нельзя забывать, что расчет производится именно на условный срез, т.е. на действие касательных напряжений, имеющих, впрочем, такое же значение, как нормальные на втором катете. А вот направления действия касательных напряжений действительно могут быть разными, что мы вскоре и увидим.

2. Расчет сварных соединений с угловыми швами при действии изгибающего момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов

Т.е. в данном случае имеется в виду, что через рассматриваемые швы можно провести одну плоскость и эта плоскость будет перпендикулярна плоскости действия момента. К положению плоскости, в которой может произойти разрушение шва, данная формулировка никакого отношения не имеет.

Как правило такая ситуация возникает при расчете сварного соединения втавр двухсторонними швами (рисунок 529.2.г)) или односторонними швами (рисунок 529.3). При этом угловые швы рассчитываются на условный срез

2.1. по металлу шва (сечение 1 на рисунке 529.3):

2.2. по металлу границы сплавления (сечение 2 на рисунке 529.3):

где М - значение изгибающего момента, определяемое по эпюре "М".

W_f и W_z - моменты сопротивления расчетных сечений сварного соединения по металлу шва и по границе сплавления с металлом соответственно.

Например при соединении втавр двухсторонними швами моменты сопротивления составят:

Как правило, разделив момент М на момент сопротивления W, мы определяем нормальные напряжения, поэтому в некоторых старых учебниках и справочниках (например: А.П.Мандриков, Примеры расчета металлических конструкций, М.-1991) формулы (531.3) и (531.4) имеют другую форму записи, примерно такую:

Но сути это не меняет.

1. В СНиП II-23-81* и старых справочниках значение расчетного сопротивления R_wf и R_wz при всех возможных расчетных случаях дополнительно умножалось на коэффициенты условий работы шва γ_wf или γ_wz соответственно.

Значение этих коэффициентов принималось равным 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I₁ (согласно ГОСТ 16350-80: очень холодный, среднемесячная температура воздуха в январе от -50 до -30), I₂ (холодный, температура от -30 до -15), II₂ (арктический восточный, температура от -28 до -18) и II₃ (арктический западный, температура от -30 до -2), для которых γ_wf = 0.8 при R_wun = 410 МПа и γ_wz = 0.85 для всех сталей.

На мой взгляд данное ограничение значения расчетного сопротивления вводилось с целью уменьшения риска хрупкого разрушения сварного соединения при низких температурах. Сейчас оно не действует, но думаю, знать о нем надо.

2. Вообще-то это примечание следовало сделать при рассмотрении первого раздела, но он и так получился перенасыщенным информацией, поэтому оставлю это примечание здесь.

3. Расчет угловых швов при действии изгибающего момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости швов и действии продольной силы N

Подобная ситуация часто встречается при расчете разного рода опорных площадок, поэтому я выделил ее в отдельный раздел, хотя в СП 16.13330.2011 такой вариант загружения отдельно не рассматривается.

Тем не менее, при загружении опорной площадки некоторой силой, приложенной с эксцентриситетом, возникает следующая ситуация, которую я решил проиллюстрировать картинкой из все того же А.П.Мандрикова:

Рисунок 531.1.

В этом случае угловые швы рассчитываются на условный срез

3.1. по металлу шва:

3.2. по металлу границы сплавления:

где значение касательных напряжений определяется в зависимости от рассматриваемого сечения по формулам (531.1) и (531.2), а значение условно нормальных напряжений - по формулам (531.3.2) и (531.4.2) соответственно.

Конечно же согласно требований ныне действующих нормативных документов более правильно вести речь только о касательных напряжениях относительно осей х и у. Т.е. т_wf = т_y, σ_wf = т_х и так далее, но как уже говорилось, на окончательные результаты расчета это ни как не влияет, при этом старый подход выглядит более наглядным.

4. Расчет угловых швов при действии изгибающего момента М в плоскости сварных швов

Подобная ситуация часто встречается при расчете стыковых соединений с накладками, т.е. при одновременном использовании и лобовых и фланговых швов (см. рисунок 529.2.в)), а также при соединении внахлест лобовыми или фланговыми швами (см. рисунок 529.2.а) и б)). Это означает, что как и в предыдущем случае касательные напряжения действуют как вдоль оси х, так и вдоль оси у. Соответственно задача сводится к определению равнодействующей этих двух напряжений. Расчет в этом случае выполняется по следующим формулам:

4.1. по металлу шва:

4.2. по металлу границы сплавления:

где х и у - координаты рассматриваемой точки сварного соединения относительно главных осей х-х и у-у. Как правило рассматриваемая точка максимально удалена от центра тяжести О расчетного сечения.

I_fx, I_fy, I_zx, I_zy - моменты инерции рассматриваемых сечений швов относительно главных осей.

Так как рассчитываемые швы находятся в одной плоскости с действующим моментом, то для определения указанных моментов инерции необходимо кроме катета, длины шва и соответствующих коэффициентов также знать расстояние между швами, чего не требовалось при рассмотрении швов, находящихся в плоскости, перпендикулярной плоскости действия момента.

В нормативных документах вопросу определения моментов инерции для угловых сварных швов внимания не уделяется, но на мой взгляд это достаточно сложный вопрос и вообще его рассмотрению следует посвятить отдельную статью, а пока ограничимся следующим примером:

При соединении внахлест только лобовыми швами и при расстоянии между центрами тяжести лобовых швов, равном l (центры тяжести и расстояние l на рисунке 529.2.а) не показаны), значения моментов инерции для сечения металла шва составят:

5. Расчет угловых швов при действии момента М, продольной N и поперечной V сил в плоскости сварных швов

Это наиболее общий случай напряженно-деформированного состояния, проиллюстрированный в СП 16.13330.2011 следующим образом:

Рисунок 531.2. Расчетная схема сварного соединения с угловыми швами в общем случае загружения.

Расчет в этом случае выполняется по следующим формулам:

5.1. по металлу шва:

5.2. по металлу границы сплавления:

где т_f и т_z - касательные напряжения в рассматриваемой точке расчетного сечения сварного соединения по металлу шва и по металлу границы сплавления, определяемые по формуле:

где т_N и т_V - касательные напряжения, определяемые по формулам (531.1) и (531.2), а т_Мх и т_Му - горизонтальная и вертикальная составляющие касательных напряжений при действии момента, определяемые по следующим формулам:

Но и это еще не все. При проектировании строительных конструкций необходимо также соблюдать конструктивные требования, предъявляемые к сварным соединениям.

На этом пока все.

Доступ к полной версии этой статьи и всех остальных статей на данном сайте стоит всего 30 рублей. После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью, адресом электронной почты и продолжением статьи. Если вы хотите задать вопрос по расчету конструкций, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Зараннее большое спасибо.)). Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье "Записаться на прием к доктору"

Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783

Номер карты Ymoney 4048 4150 0452 9638 SERGEI GUTOV

Для Украины - номер гривневой карты (Приватбанк) 5168 7422 4128 9630

Рассчитать формулу нахлесточное соединения

Доктор, как увязать формулы 531.7(8) с формулами 531.14 и 531.15. Судя по всему в знаменателе должна быть сумма моментов инерции тМх = М*х/(Iy+Ix) и тМу = М*у/(Iy+Ix). В подтверждение предлагаю книгу: Металлические конструкции (вопросы и ответы), Бирюлев В.В., страница 56

Судя по чему? Будьте добры, распишите более подробно. Можете цитировать Бирюлева В.В.

При N=0 и Q=0 формула (531.13) т = ((тN + тМх)^2 + (тV + тМу)^2)^1/2 при знаменателе (Iy+Ix) примет вид т = ((М*х/(Iy+Ix))^2 + (М*х/(Iy+Ix))^2)^1/2 и сведется к формуле (531.7) тМ = М(х^2 + у^2)^1/2/(Ix + Iy). У господина Бирюлева (книга есть на двг.ру) тxM = M*r*cos(a)/(Ify+Ifx), тyM = M*r*sin(a)/(Ify+Ifx), где r=(х^2 + у^2)^1/2, cos(a)=y/r, sin(a)=x/r, соответственно тxM = M*r*(y/r)/(Ify+Ifx), тyM = M*r*(x/r)/(Ify+Ifx). Хмм. не заметил даже, что x и y наоборот у него, так что по Бирюлеву тМх = М*y/(Iy+Ix) и тМу = М*x/(Iy+Ix)

Так уже значительно лучше. Если я правильно понял господина Бирюлева в вашем изложении, то после сокращения формул тxM = M*r*(y/r)/(Ify+Ifx), тyM = M*r*(x/r)/(Ify+Ifx) получается, что тxM = M*y/(Ify+Ifx), тyM = M*x/(Ify+Ifx), где f - это символ функции. А аргумент функции и значение функции - это вроде бы разные вещи. Поэтому ваш логический переход Ify+Ifx = Iy+Ix пока ничем не обоснован с чисто математической точки зрения. Обоснуйте.

Хорошо, avatar, развивайте свою мысль: если формулы 531.14 и 531.15 неправильные (как вы утверждаете), то значит и с остальными формулами что-то не так. Например, формула σwf = М/Wf ≤ Rwfγc (531.3.2) по вашей логике должна выглядеть так: σwf = М/(Wfх + Wfу) ≤ Rwfγc. Где ошибка?
И тут не нужны какие-то доп.картинки, формулы и примеры расчетов - это все теория, которую следует подтверждать практикой. А для научного диспута, который мы тут затеяли, вполне достаточно 4 картинок, которые есть в данной статье, общих знаний строймеха и сопромата, ну и конечно же - геометрии, без нее никуда.

Ошибка в том, что формула нормального напряжения (531.3.2) относится к напряжению от действия момента в плоскости, перпендикулярной плоскости швов, а формула касательных напряжений (531.7) - к действию момента в плоскости швов. Например, формула тМ = М(х2 + у2)1/2/(Ifx + Ify) ≤ Rwfγc (531.7) по вашей логике должна выглядеть так: тМ = ((Mx/Iy)^2 + (My/Ix)^2)^1/2 = M((x/Iy)^2 + (y/Ix)^2)^1/2. Где ошибка?
И это далеко не научный дискурс. Просто мне было интересно, откуда молодой инженер взял эти формулы.

Я деменцию бесплатно не лечу, тем более в таком запущенном состоянии. Хочешь лечиться - запишись на прием, нет - до свидания. И да, если действительно хочешь лечиться, то сначала сам разберись:
1. Вокруг какой оси вращает момент поперечное сечение шва в первом и во втором случае?
2. Чем крутящий момент отличается от изгибающего и какой более простой формулой можно заменить формулу (531.7)?
3. Что такое площадки напряжений и как суммируются нормальные и касательные напряжения на главных площадках при плоском напряженном состоянии хотя бы по первой теории прочности?
Для начала хватит. Задачку по геометрии ты решил правильно, поэтому не безнадежен.

А зачем дурик усы сбрил или откуда молодой инженер взял формулы - это ты у Петровича спроси, может он знает. Ему пациенты такие вопросы часто задают.

Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье "Записаться на прием к доктору" (ссылка в шапке сайта).

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:

N / ( β_f k_f l_w ) ≤ R_wf γ_wf γ_c ; (1) [12 0]

по металлу границы сплавления

N / ( β_z k_f l_w ) ≤ R_wz γ_wz γ_c . (2) [121 ]

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

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

Автоматическая при d = 3 - 5

Автоматическая и полуавтоматическая при d = 1 , 4 - 2

Нижнее, горизонтальное, вертикальное

Ручная; полуавтоматическая проволокой сплошного сечения при d < 1, 4 или порошковой проволокой

В лодочку нижнее, горизонтальное, вертикальное, потолочное

Примечан ие . З н ачения коэффициентов соответствуют нормальным режимам сварки.

При выборе электродных материалов следует учитывать группы конструкций и климатические районы , указанные в табл. 55 (В Пособии табл. 1 прил. 1).

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 механизирован н ой 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 .

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 I ₁ , I ₂ , II ₂ , II ₃ ) и табл. 3 (для конструкций в климатических районах I ₁ , I ₂ , II ₂ , II ₃ ).

Примечан ие . 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 угло в ыми 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 п п . 11.3, 11.5 и 11 .1 6 главы СНиП II-23-81. При этом в общем виде расчетные формулы представляют собой сравнение напряжений, возникающих от действия усилий в расче т ном сечении по шву (τ _f ) и по металлу границы сплавления (τ _z ), с соответствую щ ими расчетными сопротивлениями с учетом коэффициентов условий работы:

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

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3. РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

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.

Вид сварки при диаметре сварочной проволоки d , мм

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

Расчет стыковых сварных швов на прочность, общие положения

Первое и самое главное, что хочется сказать по поводу расчета стыковых сварных швов - согласно п.14.1.14 СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции":

"Не требуется выполнять расчет сварных стыковых соединений при применении сварочных материалов согласно приложению Г, полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества соединений при растяжении".

А от себя я бы добавил:

А также в том случае, если сварное соединение проектируется в таком сечении элемента конструкции, где действующие напряжения минимальны.

Во всех остальных случаях расчет на прочность необходим.

Таблица 530.1 (Таблица Г.1 из приложения). Материалы для сварки, соответствующие стали

Расчет стыковых сварных швов

Общие положения, принимаемые при расчете металла сварного шва, ни чем не отличаются от общих положений, принимаемых при расчете элементов конструкций, в данном случае стальных. Т.е. для того, чтобы рассчитать сварное соединение, нужно сначала определить, в каком напряженно-деформированном состоянии находится свариваемый элемент конструкции.

От напряженного состояния материала зависит значение принимаемого расчетного сопротивления материала шва, которое следует принимать по следующей таблице:

Примечание: Общие указания, относящиеся к расчету угловых швов, приводятся отдельно.

Расчет стыковых сварных швов на прочность (по первой группе предельных состояний) выполняется по следующим формулам:

1. Прямых при центральном растяжении (рисунок 529.1.а)) или сжатии:

где N - продольная растягивающая (или сжимающая) сила приложенная без эксцентриситета;

2. Прямых при действии изгибающего момента:

где W_w = tl_w 2 /6 - момент сопротивления рассматриваемого сечения;

М - значение изгибающего момента для рассматриваемого сечения, определяемое по эпюре "М".

3. Прямых при действии нормальных и касательных напряжений (плоское напряженное состояние)

4 Прямых при чистом сдвиге

По формуле (530.4)

5. Косых

Нормативные документы рекомендуют проектировать стыковые сварные соединения листовых деталей как правило прямыми швами (для полного провара используются выводные планки), чтобы уменьшить расход металла при изготовлении конструкций, поэтому никаких отдельных формул для расчета косых стыковых швов не приводится.

Как правило наклонное сечение косого стыкового шва не совпадает с главными площадками напряжений, т.е. материал шва находится в плоском напряженном состоянии и его следует рассчитывать по формулам (530.3) и (530.4).

При центральном растяжении или сжатии также должны соблюдаться следующие условия:

Объемное напряженное состояние при расчете стальных элементов конструкций и их соединений как правило не рассматривается.

Расчет сварных соединений

Сварка - наиболее доступный, надежный и эффективный способ соединения отдельных деталей при создании металлоконструкций. При соблюдении сварочных технологий швы получаются прочными, а готовые изделия качественными. Но в зависимости от условий проведения сварки, толщины и вида свариваемого металла характеристики соединений могут быть разными. Определить насколько прочным и монолитным будет изделие поможет расчет сварных швов, проведенный перед процессом сваривания.

Выполненный в процессе составления проекта расчет сварных соединений позволяет выбрать правильно материал, которые будет обладать достаточным запасом прочности и сможет выдерживать возлагаемые на него нагрузки.

Методика расчета соединений

Различают несколько разновидностей сцеплений металла и для каждой из них расчет сварного шва проводится индивидуально. В зависимости от расположения свариваемых деталей соединения разделяются на:

угловые, когда перпендикулярно одна к другой располагаются свариваемые детали. Для повышения прочности конструкции необходимо правильно определить предельные усилия на сварной угловой шов;
стыковые. Здесь соединяются торцы деталей, при этом одна часть выступает продолжением второй. Такой способ сцепления сопровождается минимальными показателями концентрации напряжения и считается самым рациональным. Швы могут быть прямыми и косыми;
нахлесточные, при которых элементы деталей немного накладываются один на другой. Как правило применяют такую технологию при сваривании металлов, толщина которых не превышает 5 мм, когда необходимо укрепить шов;
тавровые. Внешне напоминают угловые. Скрепляемые элементы располагаются под прямым углом друг к другу, но соединяются торцами. При производстве металлоконструкций такие стыки применяются довольно часто. Им характерна простота исполнения, экономичность и высокая прочность. Для качественного выполнения такого типа соединений хорошим помощником будет методичка, расчет таврового сварного соединения по ней можно выполнить с безупречной точностью, и избежать возможных ошибок.

Как рассчитывают сечение сварного углового шва или других видов соединений? Существуют общепринятые формулы, по которым проводится расчет сварочных швов разных стыков. Также в свободном доступе в интернете есть специальная программа расчета сварных соединений, по которой при введении необходимых параметров можно получить требуемый результат.

Какие параметры потребуются для расчета

Чтобы с минимальной погрешностью провести расчет сварки, следует знать какие параметры влияют на прочность стыков. Для определения процесса сжатия и растяжения материала следует применять формулу:

При расчете потребуются следующие показатели:

Yс - коэффициент преобладающих на рабочем месте условий. параметр общепринятый, указан в стандартизованных таблицах. Его просто необходимо вставить в формулу, по которой совершается расчет сварного углового шва;
Rу - сопротивление свариваемого материала с учетом предела текучести. Определяется по стандартным таблицам;
Ru - сопротивление металла в соответствии временного сопротивления. Значения для подставки в формулу нужно поискать в таблицах;
N - максимально допустимая нагрузка, которую шов способен выдерживать;
t - минимальная толщина материала свариваемых элементов;
lw - наибольшая длина сварного соединения, при расчете ее уменьшают на 2t;
Rwу - определяемое в зависимости от предела прочности сопротивление.

В случае, когда необходимо сварить в единую конструкцию разные по структуре металлы, показатели Ru и Ry берутся по материалу с наименьшей прочностью.

Так же если требуется провести расчет сварочного шва на срез, то показатели следует выбирать того материала, у которого прочность меньше.

При проектировании стальных конструкций основным требованием является обеспечение максимально возможной прочности стыка и неподвижности соединяемых им элементов. Согласно требований и с учетом расположения и размеров швов можно с точностью установить оптимальный их тип. Если для создания металлоконструкции требуется выполнить сразу несколько швов, то располагать их необходимо таким образом, чтобы на каждый из них равномерно распределялась нагрузка.

Определить такие параметры можно посредством математических вычислений. Если полученные результаты будут неудовлетворительными, то в конструкцию необходимо внести изменения и еще раз провести все расчеты с новыми параметрами.

Особенности расчетов для изделий с угловыми стыками

Определение длины сварного шва на отрыв проводится с учетом силы, направленной к центру тяжести. Сечение при подсчетах следует выбирать с высокой степенью опасности.

Расчет сварного шва на срез осуществляется по формуле:

Вне зависимости от типа металлов каждый из показателей влияет на прочность стыков:

N - максимальная нагрузка, которая на стык оказывает давление;
ßf, ßz - указаны в таблице и не зависят от марки стали. Как правило ßz равно 1, ßf - 0,7;
Rwf - значение сопротивления срезу. Указано в таблицах ГОСТов;
Rwz - существующее на линии стыка сопротивлению. Значения стандартные и берутся из таблицы;
Ywf - составляет 0,85 для стыка, материалу которого свойственно сопротивление 4200 кгс/см²;
Ywz - для всех марок стали составляет 0,85;
с - коэффициент условий рабочей среды, стандартное значение из таблиц;
kf - указывает на толщину создаваемого шва, измерять следует по линии сплавления;
lw - исчисляется по общей длине стыка, уменьшенного на 10 миллиметров.

Вычислять значения можно по линии соединения или по свариваемому материалу. Расчет угловых сварных швов выполняется на основании сечения.

Чтобы понять, как правильно осуществить расчет сварных соединений и конструкций примеры и задачи можно посмотреть на специализированных сайтах в интернете.

Расчеты при нахлесточных стыках

Расчет сварочного шва, выполняемого внахлест выполняется с учетом типа и положения соединения, поскольку при такой технике стыки могут быть угловыми, лобовыми и фланговыми.

При сваривании металлических деталей внахлест определяется прочность линии скрепления и минимальная площадь сечения. Формула площади сварного шва подразумевает использование меньшей высоты треугольника условного стыка. При одинаковых размерах катетов этого треугольника для ручной сварки высота составляет 0,7.

При автоматической и полуавтоматической сварке глубина нагревания материала больше, поэтому за высоту принимаются указанные в типовых таблицах условные показатели.

Как рассчитать длину сварочных стыков от массы металла

Для определения длины соединения существует формула, обозначающая соотношение массы наплавки на протяженности одного метра спая.

Формула следующая: L = G/F × Y, в которой L обозначает протяженность сварочного шва, G - вес наплавляемого металла, F - площадь поперечного сечения, Y - удельный вес присадки.

Полученное значение следует умножить на определенные измерениями метры. Чтобы правильно провести исчисления целесообразно предварительно посмотреть пример, расчет длины сварного шва по которому выполнен в реальности.

Нужно понимать, что ни одна формула не способна обеспечить безупречно точного результата. Расходный материал следует покупать с запасом примерно 5-7%. Иногда удается немного сэкономить на присадке, но это под силу только опытным сварщикам, обладающим соответственными навыками.

Порядок проведения расчетов сварных стыков

Чтобы определить какие нагрузки способен выдерживать образуемый при сварке стык, необходимо правильно подобрать все необходимые данные для расчета сварного шва. Предотвратить ошибки при математических исчислениях можно, если при их выполнении придерживать следующего порядка:

Определить с минимальными погрешностями пространственное положение, форму и размеры, характерные сварочному соединению.
Далее на контактируемую со свариваемым элементом площадь повернуть следует опасное сечение (с наивысшим напряжением). Необходим поворот в случаях, когда на исследуемой конструкции плоскость стыка не соответствует его сечению. После поворота должно образоваться новое сечение, которое называют расчетным.
Дальнейшие действия состоят в поиске на образовавшемся вследствие поворота сечении центра масс.
Следующий этап - перемещение в центр масс внешней приложенной нагрузки.
Установить какое напряжение в расчетном сечении возникает в момент воздействия всех силовых нагрузок, в частности нормальной и поперечной усилий, изгибающего и крутящего моментов.
Когда известно напряжение необходимо найти в сечении точку, подвергающуюся наибольшим нагрузкам. В этой точке все воздействующие на поверхность нагрузки сочетаются одновременно, что позволяет установить суммарную. В итоге получается максимум, которому шов будет подвергаться.
Вычисляется максимально допустимое напряжение, которое будет оказывать силовое воздействие на полученный в результате сварки шов.
Завершающий этап состоит в сравнении максимальных показателей суммарного и допустимого напряжений. Это позволит получить расчетное сопротивление сварного шва и определить размеры, которые обеспечат полноценную и безопасную эксплуатацию создаваемой металлоконструкции. Для большей достоверности полученной информации рекомендовано провести дополнительный проверочный расчет.

Не нужно забывать о том, что актуальным расчет сварного шва на срез или прочность будет только в том случае, когда строго соблюдена технология создания соединений. В любом случае важно и нужно рассчитывать стыки, поскольку только с точность установленные параметры способны обеспечить прочные и долговечные сварочные соединения.

Дефекты сварных соединений при неправильных расчетах

В случае со сварочными металлоконструкциями следует понимать, что эффективная и безопасная их работа и расчет угловых сварных швов, стыковых, тавровых или нахлесточных непосредственно взаимосвязаны между собой. Если проигнорировать или же неправильно выполнить исчисления, то существенно повышаются риски образования дефектов и неточностей в готовом изделии.

Чаще всего возникают следующие браки:

подрезы. Образуются по линии соединения или возле него канавки, приводящие к быстрому разрушению конструкции;
поры. Визуально они практически незаметны, возникают вследствие проникновения газов, образующихся в процессе плавления электрода и металла;
непровары. Участки, на которых недостаточно расплавился металл, в результате чего на варочном стыке возникли пробелы;
сторонние включения. Одна из наиболее опасных ошибок, вследствие которой значительно понижается прочность соединения и со временем в нем возникают трещины;
холодные и горячие трещины. Первые образуются после остывания конструкции из-за окисления в процессе плавления. Вторые возникают в процессе плавления металла при нарушении сварочной технологии, например, при неправильном выборе электродов.

Избежать всех этих дефектов можно если предварительно выполнить вычисления по существующим формулам. Это поможет создать качественные соединения, способные выдерживать критические нагрузки и усилия при эксплуатации конструкции.

Калькуляторы сварных швов

Существуют специализированные калькуляторы, с помощью которых без особых навыков несложно провести расчет длины сварного шва, определить оптимальные параметры угловых, точечных и стыковых соединений.

Проверить по калькулятору можно все существующие типовые стыки с прилагаемыми к ним нагрузкам с разными силовыми усилиями. Исчисления помогут выбрать подходящий к конкретной конструкции размер и тип стыкового соединения, а также безошибочно подобрать материал для сваривания. Расчеты позволяют установить необходимые геометрические значения сварочного шва и провести его проверку на прочность.

Не рекомендовано к точечным соединениям, стыкам с разделкой кромок и к электрозаклепкам прилагать усталостную нагрузку, поскольку расчет таких швов не поддерживается и результаты будут неточными. Также при вычислениях не учитываются изменения механических характеристик металлов, возникающие вследствие воздействий остаточных напряжений и температурных режимов.

Инструменты для контроля размеров сварных швов

Геометрические параметры сварочных соединений определяются с помощью специальных инструментов, позволяющих с минимальными погрешностями измерить основные показатели и характеристики, выполненных технологией сваривания конструкций.

К числу таких инструментов принадлежат типовые шаблоны, универсальные устройства и измерители, принцип действия которых состоит на замерах одного конкретного параметра.

У каждого профессионального сварщика должен быть в наличии набор измерительных инструментов для проведения замеров для предварительных расчетов перед процессом сваривания, а также определения качества шва готовой конструкции.

Интересное видео

Читайте также: