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

     
     
     РАЗРАБОТАНО ЦНИИСК им.Кучеренко (канд. техн. наук В.М.Барышев, при участии инж. Ю.А.Новикова)
     
     УТВЕРЖДЕНО приказом ЦНИИСК им. Кучеренко от 28.11.83 N 372/л
     
      
     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.
     
     

     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 .
     
     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 ; для металла границы сплавления - в зависимости от нормативного сопротивления основного металла .
     
     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  - расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм;  и  - коэффициенты, принимаемые при сварке элементов из стали: с пределом текучести до 580 МПа (5900 кгс/см) по табл.1 (34); с пределом текучести свыше 580 МПа (5900 кгс/см) независимо от вида сварки, положения шва и диаметра сварочной проволоки  и ;  и  - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах , ,  и , для которых  для металла шва с нормативным сопротивлением  МПа (4200 кгс/см) и  для всех сталей.
     
     

Таблица 1 (34)

     
     
     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  и .
     

                                    ;                                                                                       (3)

                                              .                                                                                          (4)

     3.5. Левая часть выражений (3) и (4)  и  означает необходимость применения электродных материалов, обеспечивающих высокую прочность металла шва. Правая часть этих выражений  указывает верхний предел значения , 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 .
     
     Например, проволоку марки Св-08Г2С целесообразно применять при сварке в углекислом газе однопроходных швов ( 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 ,  и , 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 , , , указаны в табл.2 (для конструкций во всех климатических районах, кроме , , , ) и табл.3 (для конструкций в климатических районах , , , ).
     
     Примечание. Коэффициенты  и  связаны зависимостью , поэтому в табл.2 и 3 значения  не приводятся.
     
     

Таблица 2

     
     
Таблица 2а

     
     
Таблица 2б

          
     Примечания: 1. Значение нормативных сопротивлений  и  указаны в МПа (кгс/см). 2. Буквы Ш и Г указывают, что при данном сочетании ,  и  расчет соединения с угловыми швами должен производиться соответственно по металлу шва или по металлу границы сплавления. 3. Для стального проката с  МПа (7000 кгс/см) 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  и , значения которых указаны в п.11.2 главы СНиП II-23-81. 3. Для стального проката с  МПа (7000 кгс/см) расчет соединения с угловыми швами должен производиться по металлу шва.
     
     
     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  и по металлу границы сплавления , с соответствующими расчетными сопротивлениями с учетом коэффициентов условий работы:
     

;

.

     
     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

                                        ;                                                                              (5)

     
     по металлу границы сплавления
     

                                          ,                                                                              (6)

     
где  - глубина разделки кромок, значения которой следует принимать согласно соответствующему стандарту на основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений;  - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на , 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  мм. При этом назначение разделки кромок должно производиться с учетом технологических возможностей производства.    
     

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

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

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

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

                                        ;                                                                            (7)

     в соединении с двухсторонним швом и -образной разделкой кромок расчет по сечению 3-3 следует производить по формулам:
     
     при полном проваре прикрепляемого элемента (рис.2, б)
     

                                         ;                                                                                       (8)

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

                                           ;                                                                          (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
     

                                       .                                                                                  (10)

     
     В формулах (7)-(10):  -  длина шва, принимаемая равной его полной длине;  - толщина прикрепляемого элемента;  - глубина разделки кромок;  - расчетное сопротивление растяжению в направлении толщины проката, которое следует принимать .
     
     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 ;
     
     в соединениях с двухсторонним угловым швом и -образной разделкой кромок (рис.2, б) - при соблюдении соотношения значений характеристик прочностных свойств .
     
     

     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  даже на 1 мм приводит к значительному перерасходу наплавленного металла. Например, увеличение массы наплавленного металла в швах  мм по сравнению с  мм составляет почти 20%, а в швах  мм по сравнению с  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.
     

     Положение шва при сварке необходимо указывать для расчетных угловых швов, так как оно определяет величину коэффициентов  и , 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  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  для сжатых элементов и не более  для растянутых элементов ( - толщина наиболее тонкого из свариваемых элементов).
     
     

Конструкции сварных соединений в фермах

     
Рис.3. Узел фермы с фасонками

     
Рис.4. Стык поясов ферм с накладками

     
     
     4.9. Сварные швы, прикрепляющие элементы решетки фермы к фасонкам, 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.
     
     

Рис.5. Схемы выведения швов на торец элемента

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

     
a - для климатических районов  и ;
б - для климатических районов , , ,  

     
     
     В конструкциях группы 1, а также эксплуатируемых в климатических районах , ,  и  стыковые швы, прикрепляющие фасонки к полкам поясов, следует выполнять согласно рис.6б.
     
     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  с каждой стороны (рис.7).
     

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

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

     
     
     В конструкциях, возводимых в климатических районах , ,  и , 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.
     
     

Рис.9. Монтажный стык колонны с накладками

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).
     
     

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

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

     
Рис.12. Взаимное расположение стыковых швов и ребер жесткости на стенке 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 40х40 мм (рис.13).
     
     

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

     
     
           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

     
     
Таблица 1 (55). Материалы для сварки, соответствующие маркам стали

     
_______________

     *  МПа (2200 кгс/см) только для швов  мм в конструкциях из стали с пределом текучести 305 МПа (3100 кгс/см) и более (рекомендуется в дополнение к табл.56 главы СНиП II-23-81).
     
     **  МПа (2450 кгс/см) только для швов  мм в конструкциях из стали с пределом текучести 440 МПа (4500 кгс/см).
     
     ***  МПа (2850 кгс/см) только для швов  мм в конструкциях из стали с пределом текучести 590 МПа (6000 кгс/см) 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 , , ,

          
     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 , , ,  приняты соответственно по табл.3 и 34 главы СНиП II-23-81; в табл.7 принято: ; в табл.8 принято:  для металла шва с  МПа,  для всех сталей, .
     
     
     Таблица 2. Предельные усилия на сварные соединения с угловыми швами для конструкций в климатических районах , , ,
     

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.
     
     

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

 см;  см;  см;  см;  см

     
     
     Изгибающий момент  кН·м. Материал консоли - листовая сталь марки 15ХСНД ( МПа,  МПа). Сварка выполняется полуавтоматом в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм марки Св-08Г2С в нижнем положении ( МПа, ). Коэффициенты условий работы .
     
     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:
     

.

     
     Момент сопротивления расчетного сечения периметра швов
     

,

     
     где момент инерции расчетного сечения
     

;

     
.

     
     Для углового шва  мм:
     

           см;

     
       см;
     
      см.
     
     Напряжение в шве:
     

 МПа;

.

     
     Таким образом, при  мм напряжение условного среза в соединении  в 0,4 раза ниже расчетного сопротивления . Следовательно, катет углового шва в соединении должен быть принят  мм.
     
     Проверка прочности соединения при  мм показывает правильность расчета:
     

 см;  см;  см;

 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).
     
     

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

 см;  см

     
     
     Изгибающий момент  кН·м. Материал пластины - сталь марки ВСт3 ( МПа). Сварка выполняется покрытыми электродами типа Э46 ( МПа, ). Коэффициенты условий работы . 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

     
     При  мм  см.
     
     Координаты точки А, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов,  =19 см, =10 см.
     
     Моменты инерции расчетного сечения соединения по металлу шва относительно его главных осей:
     

;


.

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

 см;

 см;

     
     Расстояние от центра тяжести периметра швов до точки А
     

 см.

     
     Напряжения в соединении:
     

 МПа.

.

     
     Таким образом, при  мм напряжения в соединении  составляют 0,58 от расчетного сопротивления . Следовательно, катет шва в соединении должен быть принят  мм  мм.
     
     Проверка прочности соединения при  мм показывает правильность расчета:
     

 см;  см;  см.

     
 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  кН, поперечная сила  кН. Материал пластины - сталь марки ВСт3 ( МПа). Сварка выполняется покрытыми электродами типа Э46 ( МПа, ). Коэффициенты условий работы .
     
     

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

 см;  см;  см

     
     
     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: .
     
     Принимаем  мм.
     
     1. Определяем напряжение в соединении от продольной силы     

,

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

 см,

 МПа.

     
     2. Определяем напряжение в соединении от поперечной силы .
     
     Результирующее напряжение  является суммой векторов напряжения от силы , перенесенной в центр тяжести периметра швов , и напряжения от момента :
     

 МПа;

.

     
     Центр тяжести периметра швов определяется по формуле
     

 см.

     
     Координаты точки А, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов:  см,  см.
     
     Моменты инерции расчетного сечения соединения по металлу шва относительно его главных осей:
     

 см,

  см.

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

 см.

 МПа.

     
     Результирующее напряжение от действия поперечной силы :
     

,

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

 МПа.

     
     3. Определяем угол между векторами  и .
     
     Угол  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  и длина вектора равна
     

; ,

.

     В рассматриваемом примере координаты вектора : , ; координаты вектора : , :
     

.

     
     4. Определяем суммарное напряжение в соединении
     

 МПа.

.

     
     Таким образом, при  мм суммарное напряжение в 0,48 раза меньше расчетного сопротивления. Следовательно, катет шва в соединении следует принять  мм.
     
     Проверка прочности соединения при  мм показывает правильность расчета:
     

см;  МПа;

 МПа;  см;  см;

     
 МПа;

 МПа; ;

 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).
     
     

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

 см;  см;  см     

     Продольная сила  кН, поперечная сила  кН, изгибающий момент  кН·м. Материал консоли - сталь марки 18пс ( МПа),  МПа. Сварка выполняется полуавтоматом в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм марки Св-08Г2С в нижнем положении ( МПа; ; ). Коэффициенты условий работы .
     
     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  мм.
     
     1. Определяем напряжение в соединении от продольной силы :
     

,

     
где расчетная площадь шва .

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

 см.

 МПа.

     
     2. Определяем напряжение в соединении от поперечной силы .
     
     Результирующее напряжение  является суммой векторов напряжения от силы , перенесенной в центр тяжести периметра швов (), и напряжения от момента ():
     

 МПа;

.

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

 см;

 см.

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

 см.

 МПа.

     
     Результирующее напряжение от действия поперечной силы в плоскости :
     

 ,

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

     
 МПа.

     
     3. Определение напряжения в соединении от момента :
     

;

 см;

 МПа.

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

 МПа.

     
     5. Определение угла между векторами  и .
     
     Угол  определяют, пользуясь координатным методом в пространстве и свойством скалярного произведения двух векторов:
     

,

     
где  и  -  вектора;  и  - длины векторов.

     
     Поскольку скалярное произведение двух векторов равно сумме произведений соответствующих координат этих векторов  и длина вектора равна корню квадратному из суммы квадратов его координат ,

.

     
     В рассматриваемом примере координаты вектора :
     

; ; ;

     
координаты вектора :

; ; ;

 .
   

     6. Определяем суммарное напряжение в соединении
     
     

 МПа,

     
.

     Таким образом, при  мм суммарное напряжение в 0,54 раза меньше расчетного сопротивления. Следовательно, катет шва в соединении следует принять  мм.
     
     7. Проверяем прочность соединения при  мм:
     

 см;

 МПа;

 МПа;

 см;  см;

 МПа;

 МПа;

 МПа;

 МПа;

;

 МПа.

     
     Пример 5. Расчет сварного таврового соединения с разделкой кромок и неполным проваром прикрепляемого элемента на действие растягивающей силы.
     
     Элемент толщиной  мм и длиной  мм, на которой действует сила  кН, прикрепляется угловыми швами с разделкой кромок (рис.1 настоящего Пособия). Материал элемента - сталь марки 18Гсп ( МПа). Коэффициенты условий работы ; .
     
     Необходимо выбрать тип электрода для ручной сварки, обеспечивающей требуемую несущую способность соединения.
     
     Расчет соединения производится по формуле (5), в которой расчетная длина шва  мм, глубина разделки кромок  мм (соединение типа Т9 по ГОСТ 5264-80),
     

 МПа.

     
     По табл.5 приложения выбираем  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 Э46A обеспечивает необходимую несущую способность данного соединения.
     
     Пример 6. Расчет сварного таврового соединения по основному металлу в сечении, перпендикулярном направлению растягивающей силы.
     
     Элемент А длиной  мм, на который действует сила  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 ( МПа,  МПа). Коэффициент условий работы . Необходимо рассчитать соединение по сечению 3-3.
     
     Расчет соединения производится по формуле (10), в которой длина шва  мм:
     

 МПа;

 МПа.

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

 или ,

     
где  - толщина (длина) элемента А, выбираемая из условия обеспечения прочности элемента Б по сечению 3-3.

 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

     


Текст документа сверен по:
официальное издание
М.: Стройиздат, 1984