POLITECHNIKA WROCAAWSKA
WYDZIAA BUDOWNICTWA LDOWEGO I WODNEGO
ANTONI BIEGUS
PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH
WEDAUG EUROKODU 3
CZŚĆ 5 POACZENIA SPAWANE
WYKAADY
WROCAAW 2012
ANTONI BIEGUS
PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH WEDAUG EUROKODU 3
CZŚĆ 5 POACZENIA SPAWANE
SPIS TREŚCI
1. Charakterystyka ogólna połączeń spawanych .......................................................... 4
2. Spawalność stali .............................................................................................................. 6
3. Podział spoin i złączy spawanych & ............................................................................. 9
3.1. Klasyfikacja spoin ................................................................................................. 9
3.2. Spoiny czołowe ..................................................................................................& 12
3.3. Spoiny pachwinowe ..........................................................................................& 16
4. Obliczanie nośności połączeń spawanych ..............................................................& 20
4.1. Zało\enia i zasady obliczania spoin ........................................................... 20
4.2. Nośność obliczeniowa spoin pachwinowych ..............................................& 23
4.3. Nośność obliczeniowa spoin czołowych ........................................................... 25
4.4. Nośność obliczeniowa spoin pachwinowych obwodowych .............................. 26
4.5. Nośność obliczeniowa spoin otworowych ......................................................... 26
4.6. Obliczanie połączeń zakładkowych obcią\onych osiowo .............................. 27
4.7. Obliczanie zło\onych połączeń ze spoinami pachwinowymi ......................... 28
4.8. Połączenia z pasem bez \eber ............................................................................ 31
5. Uwagi końcowe ............................................................................................................ 33
Literatura ........................................................................................................................ 35
P O D Z I K O W A N I E
P O D Z I K O W A N I E
P O D Z I K O W A N I E
P O D Z I K O W A N I E
Autor serdecznie dziękuje Panu dr. in\. Dariuszowi Czepi\akowi za trud korekty
pracy i wniesione uwagi redakcyjne oraz merytoryczne
Połączenia spawane
1.Charakterystyka ogólna połączeń spawanych
Stalowe ustroje nośne budowli są realizowane dwuetapowo. W pierwszym etapie, w wy-
twórniach konstrukcji stalowych poszczególne elementy składowe konstrukcji (kształtowniki,
blachy) łączy się w podzespoły monta\owe, które noszą nazwę elementów wysyłkowo-
monta\owych. Podział ustroju nośnego na podzespoły monta\owe wynika z ograniczeń gaba-
rytów środków transportowych oraz skrajni drogowych i kolejowych. W drugim etapie, po
przetransportowaniu elementów wysyłkowo-monta\owych na plac budowy, są one scalane w
docelowy ustrój nośny. Połączenia monta\owe elementów wysyłkowo-monta\owych na bu-
dowie są najczęściej typu rozbieralnego i wykonuje się je na śruby. Aączenie elementów skła-
dowych (kształtowników walcowanych, blach, itp.) w podzespoły monta\owe w wytwórniach
konstrukcji stalowych uzyskuje się przede wszystkim w wyniku spawania, (w przypadku kon-
strukcji cienkościennych równie\ przez zgrzewanie) i są to połączenia nierozbieralne. Spawa-
nie jest jedną z podstawowych technik wytwarzania konstrukcji stalowych.
Rys. 1. Schemat procesu powstawania spoin
Spawanie jest procesem łączenia, w którym przez działanie skoncentrowanego zródła cie-
pła następuje lokalne stopienie łączonych elementów metalowych po obu stronach linii złą-
cza. Zazwyczaj podczas spawania następuje tak\e dodanie spoiwa, którym jest metal o skła-
dzie chemicznym zbli\onym do składu chemicznego spawanych elementów. Spoiwo ulega
stopieniu i wymieszaniu z ciekłym materiałem rodzimym, tworząc tzw. jeziorko spawalnicze.
Po odjęciu (lub przemieszczeniu) zródła ciepła jeziorko spawalnicze wychładza się i krystali-
zuje, przekształcając się w spoinę, która trwale i w sposób nierozłączny zespala elementy ze
sobą.
Takie spajanie materiału wymaga u\ycia skoncentrowanego zródła ciepła, wytwarzającego
temperaturę przewy\szającą topienie stali wiązki energii cieplnej za pomocą spawalniczych
zródeł ciepła (temperatura topienia stali to około 14001534oC). Współcześnie stosowanymi
zródłami ciepła przy spawaniu są łuk elektryczny, strumień plazmy bądz promień lasera. W
przeszłości stosowano równie\ płomień powstający w wyniku spalania gazów palnych w at-
mosferze tlenu.
Jeśli pod wpływem wysokiej temperatury brzegi łączonych elementów ulegają stopieniu
(tj. są doprowadzone do stanu płynnego) mówi się o spawaniu, jeśli zaś tylko do stanu pla-
stycznego ( ciastowatego ) i połączenie wymaga docisku, to mamy do czynienia ze zgrzewa-
niem.
Spawanie wymaga zazwyczaj doprowadzenia dodatkowego materiału o składzie chemicz-
nym zbli\onym do materiału części łączonych, zgrzewanie zaś nie. Złącze powstałe z metalu
stopionego podczas procesu spawania nazywa się spoiną. Materiał elementów łączonych jest
nazywany materiałem rodzimym. Dodatkowy metal doprowadzony do spawania nazywa się
spoiwem, otrzymany ze spoiwa, nosi nazwę stopiwa. Spoina obejmuje przetopiony materiał
rodzimy oraz dodatkowy (stopiwo).
Celem spawania jest uzyskanie złącza spajanych elementów o właściwościach mechanicz-
nych, fizycznych i chemicznych zbli\onych do materiału rodzimego. Dlatego te\ zaleca się,
aby dodawane do spawania spoiwo miało odpowiednio lepsze właściwości, zwłaszcza odno-
szące się do plastyczności. Wówczas wytrzymałość poprawnie wykonanego połączenia spa-
wanego przy obcią\eniu statycznym jest nie mniejsza od wytrzymałości materiału rodzimego.
Wytrzymałość zmęczeniowa spoin, ze względu na nieuniknione w złączu karby postaciowe i
strukturalne, jest z reguły mniejsza. Zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej spoin uzysku-
je się przez obróbkę cieplną (normalizację i wy\arzanie odprę\ające) oraz mechaniczną
(młotkowanie, zeszlifowanie nadlewu spoiny czołowej lub odpowiednie zakończenia spoiny
pachwinowej).
Spawanie jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym sposobem łączenia wyrobów sta-
lowych. Połączenia spawane charakteryzują się licznymi zaletami w porównaniu z innymi
metodami łączenia. Do najwa\niejszych zalet nale\ą:
" łatwość i szybkość wykonania połączeń wskutek mniejszej pracochłonności (brak tra-
sowania, wiercenia otworów itp., które występuje w połączeniach na śruby),
" mo\liwość pełnej automatyzacji procesu łączenia elementów i uniwersalność zastoso-
wania do wszystkich rodzajów konstrukcji,
" wysoka wytrzymałość i niezawodność połączeń łatwe uzyskiwanie złącz, których no-
śność jest równa nośności łączonych elementów; wykonawstwo w warsztacie umo\li-
wia przemysłową kontrole jakości, gwarantującą wysoką niezawodność,
" mo\liwość zwiększenia asortymentu przekrojów poprzecznych prętów w konstrukcjach
(przekroje rurowe, skrzynkowe, teowe itp.),
" mniejszy cię\ar łączników w porównaniu z połączeniami nitowymi i śrubowymi,
" zmniejszenie liczby nakładek, blach węzłowych itp. w połączeniach,
" łatwość wykonania zabezpieczeń antykorozyjnych i przeciwpo\arowych,
" łatwość wzmocnienia zrealizowanych konstrukcji.
Natomiast do wad połączeń spawanych nale\y zaliczyć:
" trudności związane ze spawaniem stali o du\ej zawartości węgla oraz niektórych stali
stopowych, a tak\e grubych blach,
" wprowadzanie energii cieplnej w spawany materiał zmienia strukturę materiału powo-
dując niejednorodność strukturalną i mechaniczną złącza,
" powstawanie dodatkowych naprę\eń i odkształceń spawalniczych,
" konieczność wykonywania spoin przez wykwalifikowanych spawaczy i pod stałą kon-
trolą nadzoru technicznego,
" wysoki koszt materiałów i urządzeń stosowanych przy spawaniu.
2. Spawalność stali
Rozmaite stale reagują w odmienny sposób na proces spawania. Zdolność stali do utwo-
rzenia połączenia spawanego spełniającego wymagania eksploatacyjne nazywa się spawalno-
ścią. Połączenia spawane będzie bezpieczne nie tylko wtedy, gdy stal jest spawalna, ale rów-
nie\ gdy zastosuje się właściwą technologię spawania, a tak\e odpowiednią konstrukcję złą-
cza. Istotnym zagadnieniem jest problem spawalności, czyli najogólniej biorąc przydatności
stali na konstrukcje spawane. Jest to cecha związana nie tylko z rodzajem spawanego materia-
łu (m.in. jego składu chemicznego) ale zale\y tak\e od intensywności wprowadzania ciepła
podczas spawania, szybkości chłodzenia elementu po procesie spawania, technologii spawa-
nia oraz parametrów konstrukcyjnych złącza (grubości elementu, sztywności konstrukcji itp.).
Spawalność jest pojęciem zło\onym, gdy\ zale\y od du\ej liczby czynników, tak \e ujęcie
ich wpływu w sposób syntetyczny nie jest mo\liwe. Jest to kompleksowa charakterystyka me-
talu rodzimego i dodatkowego oraz technologii łączenia. Jednocześnie spawalność jest poję-
ciem względnym, tzn. niektóre stale mogą być nieprzydatne na konstrukcje spawane jedną
metodą, a stają się przydatne przy spawaniu inną metodą. Podobnie na przykład zawartość
jednego składnika w stali mo\e być ze względu na u\ycie jednego gatunku elektrod uznana za
niedopuszczalną, podczas gdy w przypadku innego gatunku elektrod zawartość tego składnika
nie będzie przeszkadzać. Niekiedy dzięki zabiegom dodatkowym, na przykład podgrzewaniu
podczas spawania, mo\na wykonać połączenia stali, w standardowych warunkach uznawanej
za nie spawalną. Dlatego zamiast rozpatrywać pojęcie spawalności ogólnej, praktyczniej jest
rozwa\ać je w zakresie szczegółowym. Wtedy spawalność mo\na klasyfikować jako: meta-
lurgiczną, konstrukcyjną i technologiczną.
Spawalność metalurgiczna zale\y od sposobu wytworzenia stali, jej składu chemicznego i
struktury, stopnia uspokojenia, sposobu obróbki elementów, rodzaju spoiwa itp.
Spawalność konstrukcyjna jest związana z szeregiem innych cech, do których mo\na zali-
czyć: stopień sztywności konstrukcji i mo\liwość swobody odkształceń elementów spawa-
nych, grubość tych elementów oraz grubość, długość i rozmieszczenie spoin, sposób kształ-
towania węzłów i elementów z wyeliminowaniem miejsc podatnych na pęknięcia, zapewnie-
nie mo\liwości wstępnego podgrzewania i wy\arzania elementów łączonych.
Spawalność technologiczna określa wymagania dotyczące wyboru procesów spawania,
doboru parametrów spawania, przyjęcia kolejności wykonywania spoin, a tak\e zastosowania
metody obróbki cieplnej i mechanicznej spoin.
Najczęściej operuje się pojęciem spawalności metalurgicznej stali, zale\nej od składu che-
micznego. Jeśli stal ma nieodpowiedni skład chemiczny, to złącze spawane staje się skłonne
do kruchych pęknięć.
W przypadku stali konstrukcyjnych pojęcie spawalności jest zwykle upraszczane do za-
gadnienia uzyskania spawanego złącza bez pęknięć. W zale\ności od technologii spawania
rozró\nia się pęknięcia gorące (krystalizacyjne), pęknięcia zimne, pęknięcia lamelarne, pęk-
nięcia zmęczeniowe i kruche (rys. 2).
Rys. 2. Pęknięcie: a) gorące, b) zimne, c) lamelarne
Pęknięcia gorące (krystalizacyjne) są pęknięciami międzykrystalicznymi zachodzącymi w
temperaturze około 1200 1350oC zbli\onej do temperatury krystalizacji jeziorka spawalni-
czego. Najczęściej są to pęknięcia w linii środkowej spoiny. Przyczyną ich powstawania są
zanieczyszczenia związkami siarki i fosforu krystalizującej spoiny. W początkowej fazie sty-
gnięcia spoiny, (gdy zakończył się proces krystalizacji ciekłego materiału a na granicach ziarn
pozostała ciekła eutektyka stopu Fe-S) powstające naprę\enia skurczowe powodują rozrywa-
nie materiału, zaczynając, od miejsca eutektyki, nie stawiającej \adnego oporu mechaniczne-
go. Unikanie nisko topliwej eutektyki polega na neutralizowaniu siarki za pomocą manganu.
Stal jest odporna na pęknięcia gorące wtedy, gdy stosunek zawartości manganu do siarki jest
w niej nie mniejszy od 25, a wskaznik odporności na pękanie gorące Hcs < 4, przy czym
Si Ni
S + P + +
25 100
HCS = 1000 , (1)
3Mn + Cr + Mo + V
gdzie: C, Mn, Cr, ... poszczególne pierwiastki stopowe w procentach..
Pęknięcia zimne powstają po całkowitym skrzepnięciu roztopionego metalu w końcowej
fazie stygnięcia lub tu\ po całkowitym ostygnięciu, lub po upływie pewnego czasu po zakoń-
czeniu spawania (tzw. pęknięcia zimne). Występują one najczęściej obok spoiny w strefie
wpływu ciepła materiału lub te\ w strefie wtopienia. Ich nazwa bierze się stąd, \e pojawiają
się one dopiero po ostygnięciu złącza, a czasami nawet kilka godzin po spawaniu (stąd kon-
trole spoin nale\y przeprowadzać dopiero po 16 godzinach od ukończenia spawania). Przy-
czyną ich pojawienia się jest równoczesne występowanie trzech czynników:
- wzrostu twardości i spadku ciągliwości w obszarze strefy wpływu ciepła,
- występowanie wodoru w spoinie,
- występowanie pospawalniczego stanu naprę\eń i odkształceń.
Miarą odporności stali na pęknięcia zimne jest równowa\nik węgla
Mn Cr + V Mo Ni Cu P
Ce = C + + + + + + + 0,0024t , (2)
6 5 4 15 13 2
gdzie:
C, Mn, Cr, ... poszczególne pierwiastki stopowe w procentach,
t uśredniona grubość elementów łączonych w milimetrach.
Skłonność stali do tworzenia twardej struktury martenzytu podczas stygnięcia austenitu ro-
śnie ze wzrostem zawartości węgla. Je\eli C < 0,20% i Ce < 0,4 , to stal jest dobrze spawalna,
a je\eli Ce > 0,6 , to stal nie jest spawalna. Dla wartości pośrednich równowa\nika, tzn.
Ce = 0,4 0,6 , stal jest spawalna warunkowo. Nale\y wówczas zastosować odpowiednią
technologię spawania, spowalniającą odpływ ciepła, jak np. poprzez zwiększoną energię spa-
walniczego zródła ciepła lub wstępne podgrzewanie materiału wzdłu\ brzegów łączonych.
Pęknięcia lamelarne powstają, gdy naprę\enia skurczowe działają w kierunku po grubo-
ści blach. Mają one najczęściej postać uskokową (schodkową). Na ich tworzenie się wpływa
istnienie naprę\eń prostopadłych do powierzchni blachy i skłonność blach do tego typu pęka-
nia, wywołana najczęściej wtrąceniami niemetalicznymi. Jednym z podstawowych sposobów
zapobiegania takiej postaci zniszczenia jest odpowiednie ukształtowanie spoiny, a przede
wszystkim wybór odpowiedniego gatunku stali na konstrukcje obiektu. Zagadnienie doboru
stali ze względu na ciągliwość międzywarstwową omówiono w PN-EN 1993-1-10: 2007 Eu-
rokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych - Część 10: Dobór stali ze względu na odpor-
ność na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową.
Pęknięcia zmęczeniowe i kruche nie nalezą ściśle do uszkodzeń technologicznych zwią-
zanych ze spawaniem. Zale\ą one głównie od sposobu obcią\enia konstrukcji, choć proces
spawania ma wpływ na odporność (trwałość) zmęczeniową.
Spawalność stali konstrukcyjnych zale\y przede wszystkim od ich gatunku. Stale niesto-
powe wg PN-EN 10025-2 mo\na uwa\ać za stale łatwo spawalne, gdy grubość spawanych
części nie przekracza 25 mm. W przypadku większych grubości elementów wykonanych z ta-
kich stali nale\y stosować odpowiednią technologie spawania. Równie\ spawanie stali kon-
strukcyjnych, drobnoziarnistych po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym wg PN-
EN 10025-3 wymaga stosowania odpowiedniej technologii spawania.
W zale\ności od spawalniczego zródła ciepła spawanie dzieli się na gazowe i elektryczne.
W pierwszym przypadku ciepło wytwarza spalający się gaz (acetylen, wodór, metan), nato-
miast w drugim łuk elektryczny, strumień plazmy, strumień elektronów, strumień fotonów.
3. Podział spoin i złączy spawanych
3.1. Klasyfikacja spoin
Spoiny klasyfikuje się w zale\ności od konstrukcji, sposobu wykonania, poło\enia i pracy.
Pod względem konstrukcyjnym oraz z uwagi na kształt przekroju poprzecznego rozró\nia
się następujące rodzaje spoin: czołowe (rys. 3a), pachwinowe (rys. 3b), szerokobruzdowe
(rys. 3c) i obwodowe (rys. 4a) i otworowe (rys. 4b). Najwa\niejsze z punktu widzenia kon-
strukcyjnego są spoiny czołowe i pachwinowe.
Rys. 3. Rodzaje spoin: a czołowe, b pachwinowe, c szerokobruzdowe;
1, 2 łączone elementy, 3 spoina
Rys. 4. Spoiny obwodowe (a) i otworowe (b): 1, 2 łączone elementy, 3 spoina pachwinowa
Spoiny czołowe (rys. 3a) są najczęściej układane w specjalnych rowkach utworzonych w
zukosowanych brzegach łączonych elementów. Uzyskuje się je podczas łączenia elementów,
poło\onych zwykle w jednej płaszczyznie, w wyniku wypełnienia przestrzeni miedzy nimi,
gdy brzeg przynajmniej jednego z łączonych elementów jest przetopiony na całej grubości.
Spoinę czołową z pełnym przetopem definiuje się jako spoinę, która ma całkowity przetop
i jest wtopiona w materiał rodzimy na całej grubości t złącza. Spoina czołowa z niepełnym
przetopem (rys. 5a) ma głębokość mniejszą od całkowitej grubości t materiału rodzimego.
Spoiny czołowe przerywane nie powinny być stosowane.
Spoiny pachwinowe (rys. 3b) układa się w rowkach naturalnych, powstających między
powierzchniami łączonych elementów. Są one z reguły łatwe do wykonania, gdy\ nie wyma-
gają ukosowania brzegów. Jednak w porównaniu ze spoinami czołowymi praca złącza, w któ-
rym zastosowano spoiny pachwinowe jest gorsza (szczególnie w konstrukcjach obcią\onych
dynamicznie) z uwagi na nierównomierny rozkład naprę\eń w połączeniu.
Rys. 5. Spoina: czołowa z niepełnym przetopem (a) oraz pachwinowa z głębokim przetopem (b)
W przypadku spoin pachwinowych obwodowych (rys. 4a) średnica otworu okrągłego d
lub szerokości otworu owalnego spoiny pachwinowej obwodowej nie powinna być mniejsza
od czterokrotnej grubości t blachy z otworem: d > 4t . Spoinę otworowe (czopowe) mogą
być stosowane jako ścinane, w celu zapobie\enia wybrzuszeniu lub separacji części zakład-
kowych lub jako złącza pośrednie w elementach zło\onych. Średnica otworu okrągłego spo-
iny otworowej powinna być, co najmniej o 8 mm większa ni\ grubość blachy zawierającej
otwór.
Na rys. 6 pokazano nazwy poszczególnych stref połączeń spawanych, w fazie przygoto-
wania brzegów oraz wykonanym
Rys. 6. Elementy złącza przed i po wykonaniu
Podział spoin ze względu na pozycję w czasie spawania (rys. 7a) jest następujący: podolna
(rys. 7b), naboczna (rys. 7c), naścienna (rys. 7d), okapowa (rys. 7e), pułapowa (rys. 7f), pio-
nowa (rys. 7g). Najdogodniejszą do wykonania spoiny jest pozycja podolna, zapewniająca
dobrą jakość spoiny, natomiast najtrudniejsza jest pozycja pułapowa (sufitowa), w której
trudno jest zapewnić dobrą jakość spoiny.
Z uwagi na charakter pracy (wytę\enia) spoin mo\na wyró\nić dwie kategorie: spoiny no-
śne (konstrukcyjne, które przenoszą siły wewnętrzne w łączonym przekroju i nale\y je obli-
czać) oraz spoiny sczepne (o wymiarach minimalnych, słu\ące do monta\owego łączenia
elementów, których nie oblicza się).
Ze względu na sposób wykonania spoin pachwinowych mo\na wyró\nić spoiny ciągłe tj.
uło\one bez przerw między nimi i przerywane z przerwami między nimi. Spoiny czołowe
wykonuje się tylko jako ciągłe.
Rys. 7. Pozycje spawania usytuowanie spoin (opis w tekście)
3.2. Spoiny czołowe
Spoiny czołowe powstają podczas łączenia elementów, poło\onych zwykle w jednej płasz-
czyznie, w wyniku wypełnienia przestrzeni miedzy tymi elementami, gdy brzeg przynajmniej
jednego z dwu łączonych elementów jest przetopiony na całej grubości. W celu przetopienia
elementu na całą grubość za pomocą minimalnej ilości energii cieplnej nale\y odpowiednio
zukosować jego brzeg (rys. 8). Kształt ukosowania zale\y od grubości elementu t oraz od tego
czy będzie podczas spawania swobodny dostęp do tego brzegu z obydwu stron.
Rys. 8. Cięcie i ukosowanie: a pojedynczym palnikiem, b głowicą trójpalnikową (nu-
mery palników oznaczają kolejność cięcia)
Gdy podczas spawania mo\liwy jest dostęp tylko z jednej strony, wówczas taką spoinę na-
zywa się spoiną jednostronną, a je\eli będzie dostęp z obu stron spoiną dwustronną. Blachy
cienkie (o grubości t < 4 mm przy jednostronnym dostępie oraz t < 8 mm przy dwustronnym
dostępie) nie wymagają ukosowania brzegów. Utworzona spoina nosi nazwę spoiny typu I.
Kształt ukosowania w przekroju poprzecznym przez złącze zale\y głównie od grubości bla-
chy. Najczęściej jest to odcięcie pryzmatu jednostronnego lub dwu pryzmatów od brzegu za
pomocą palnika acetylenowo-tlenowego, przesuwanego mechanicznie. Stosuje się te\ ukoso-
wanie za pomocą obróbki skrawaniem. Po zestawieniu obydwu elementów do spawania z
pewnym prześwitem otrzymuje się jeden lub dwa rowki spawalnicze (rys. 8).
Rowek zapełnia się stopiwem, tzn. materiałem natopionym ze spoiwa. Powierzchnię spo-
iny od strony spawania nazywa się licem spoiny, a od strony gardzieli rowka granią spoiny
(rys. 9c). Spoiny czołowe, łączące elementy o grubości większej od 6 mm wykonuje się wie-
lowarstwowo (rys. 9b), przy czym w miarę wzrostu szerokości warstwy wykonuje się ją wie-
lościegowo (warstwa graniowa i kilka następnych są wykonywane jako jednościegowe). Głę-
bokość przetopienia materiału rodzimego przy ściankach rowka nazywa się wtopem spoiny.
Spoiny wykonywane jednostronnie mogą mieć wady w postaci nieprzetopienia grani, co jest
związane z niemo\nością odpowiedniego dojścia elektrody.
Rys. 9. Oznaczenia: a rowka spawalniczego i b spoiny
Aby uzyskać dobre przetopienie na całej grubości łączonych elementów nale\y odpowied-
nio zukosować ich krawędzie. Kształt ukosowania krawędzi blach zale\y przede wszystkim
od grubości i rodzaju spawanego złącza. Rodzaje ukosowań i oznaczenia spoin czołowych
przedstawiono na rys. 10. Na rysunkach wykonawczych spoiny czołowe oznacza się symbo-
lami I, V, Y, 2V, X, U, 2U, K adekwatnie do kształtu ukosowanie łączonych krawędzi ele-
mentów.
Rys. 10. Rodzaje ukosowań i oznaczenia spoin czołowych
Aącząc elementy o ró\nych grubościach stosuje się albo spoinę niesymetryczną, gdy ró\ni-
ca grubości jest nie większa ni\ 10 mm, albo stosuje się podwójne ukosowanie grubszej bla-
chy, gdy ró\nica grubości jest większa ni\ 10 mm (rys. 11).
Nachylenie płaszczyzny przechodzącej przez krawędzie górne rowka lub nachylenie dru-
giej płaszczyzny ukosu wynosi nie więcej ni\ 1:1 w konstrukcjach obcią\onych statycznie
oraz 1:4 w konstrukcjach obcią\onych dynamicznie (rys. 11). Podwójnego ukosowania grub-
szej blachy mo\na uniknąć, jeśli mo\na elementy połączyć współosiowo. Wykonuje się wów-
czas obustronną spoinę symetryczną.
Na początku i końcu spoiny czołowej, od strony lica powstają zawsze wgłębienia nazywa-
ne kraterem. Jest ono wynikiem ciśnienia gazów z elektrody na roztopiony metal. Ze względu
na niepełną grubość spoiny w tych miejscach traktuje się je jako wadliwe o małej nośności.
Rys. 11. Spoiny czołowe blach o ró\nej grubości
Zapobieganie kraterom polega na stosowaniu płytek wybiegowych, które mocuje się pro-
wizorycznie spoinami sczepnymi (rys. 12). Wykonanie spoiny rozpoczyna się i kończy na
płytkach wybiegowych, które następnie się usuwa (odcinając płomieniem acytylenowo-
tlenowym lub piłą, a brzegi szlifuje się).
Rys. 12. Sposoby zapobiegania kraterom spoin czołowych (a) oraz spoin pachwinowych (b),
1 element wybiegowy
3.3. Spoiny pachwinowe
W porównaniu do spoin czołowych spoiny pachwinowe są z reguły łatwiejsze do wykona-
nia (nie wymagają ukosowania brzegów). Układa się je w naturalnym rowku między ścian-
kami łączonych elementów. Zazwyczaj przygotowanie przed spawaniem polega na dokład-
nym oczyszczeniu pasm przykrawędziowych (które będą łączone) z rdzy, tłuszczów, zgorze-
liny walcowniczej itp.). Jednak w porównaniu z spoinami czołowymi praca złącza w którym
zastosowano spoiny pachwinowe jest gorsza (szczególnie w konstrukcjach obcią\onych dy-
namicznie) z uwagi na nierównomierny rozkład naprę\eń w połączeniu.
W zale\ności od lica spoiny rozró\nia się spoiny pachwinowe płaskie (rys. 13a zasadni-
czo o kształcie równoramiennego trójkąta z minimalnym nadlewem), wklęsłe (rys. 13b), wy-
pukłe (rys. 13c). Niekiedy spoina pachwinowa mo\e być niesymetryczna (rys. 13d).
Rys. 13. Kształty spoin pachwinowych: a) płaska, b) wklęsła, c) wypukła, d) niesymetryczna
płaska
Spoiny pachwinowe mo\na stosować do łączenia części, których ścianki tworzą kąt od 600
do 1200. Kąty mniejsze są dopuszczalne przy zało\eniu, \e spoina będzie traktowana jako
czołowa z niepełnym przetopem (np. rys. 14). Przy kątach większych od 1200 nośność spoin
pachwinowych określa się eksperymentalnie według zasad przedstawionych w Załączniku D
do PN-EN 1990.
Rys. 14. Połączenie spawane o zmiennej grubości spoiny
Jako efektywną grubość spoiny pachwinowej a przyjmuje się wysokość największego
trójkąta (z równymi lub nierównymi ramionami) wpisanego w obrys przekroju poprzecznego
spoiny, mierzona prostopadle do zewnętrznego boku tego trójkąta (rys. 13). W przypadku
spoiny pachwinowej z głębokim przetopem, którą pokazano na rys. 5b, mo\na uwzględniać
jej dodatkową grubość, o ile wstępne badania wyka\ą, \e wymagana głębokość wtopienia
mo\e być regularnie uzyskiwana.
Grubość spoiny pachwinowej nale\y przyjmować w zale\ności od grubości łączonych ele-
mentów i powinna mieścić się w przedziale
0,2tmax d" aw d" 0,7tmin oraz 2,5 < mmaw d" 16mm , (3)
gdzie:
tmax grubość grubszego elementu łączonego,
tmin grubość cieńszego elementu łączonego.
Powy\sze warunki są podyktowane koniecznością wprowadzenia odpowiedniej ilości ciepła,
gwarantującej dobrą jakość spoiny pachwinowej.
Je\eli bok spoiny pachwinowej b jest większy ni\ 8 mm, wówczas spoinę wykonuje się ja-
ko wielościegową, co pokazano na rys. 15.
Rys. 15. Spoina pachwinowa wielościegowa (numery oznaczają kolejność układania ściegów)
Na początku i końcu spoiny pachwinowej powstają kratery (odcinki wadliwe o małej no-
śności). Zapobieganie występowaniu kraterów w połączeniach spoin pachwinowych polega
na stosowaniu korytek wybiegowych (rys. 12b).
Jako efektywną długość spoiny leff przyjmuje się długość, na której spoina ma pełny prze-
krój. Mo\na ją przyjmować jako długość całkowitej spoiny, zmniejszonej o dwie efektywne
grubości spoiny a . Jeśli spoina ma pełny przekrój na swojej długości łącznie z początkiem i
końcem, redukcja długości efektywnej (ze względu na początek i koniec) nie jest wymagana.
Nie nale\y stosować spoin pachwinowych o długości efektywnej mniejszej ni\ 30 mm, ani
sześciokrotnej grubości spoiny aw .
Spoiny pachwinowe mogą być wykonane jako ciągłe lub przerywane. Wymagania doty-
czące przerw ( L1, L2 ) pomiędzy sąsiednimi odcinkami Lw spoin pachwinowych przerywa-
nych pokazano na rys. 16. Przyjmuje się je jako wartość mniejszą z odległości pomiędzy koń-
cami spoin po przeciwległych stronach i odległości pomiędzy końcami spoin po tej samej
stronie. W ka\dym ściegu przerywanej spoiny pachwinowej jej odcinek skrajny wykonuje się
zawsze na ka\dym końcu łączonych części. W elementach zło\onych, w których blachy łączy
się spoinami przerywanymi, zalecane są ciągłe spoiny pachwinowe na ka\dym końcu i z ka\-
dej strony blachy na długości nie mniejszej ni\ 3/4 szerokości wę\szej z łączonych blach.
Rys. 16. Spoiny pachwinowe przerywane: a rozciągane, b ściskane
Nie nale\y zakładać spoin pachwinowych w wewnętrznych naro\ach kształtowników wal-
cowanych na gorąco (rys. 17a, b) poniewa\ są to miejsca o podwy\szonej zawartości węgla
siarki fosforu, a więc o gorszej spawalności. Równie\ nale\y unikać zakładania spoin w stre-
fach zgniotu materiału kształtowników giętych na zimno (rys. 17c), gdy
tfy
r
< , (4)
t 600
gdzie
r promień gięcia blachy (rys. 17c),
t grubość blachy (rys. 17c),
fy granica plastyczności stali blachy.
gdy\ strefy te mają obni\oną ciągliwość i mogą w nich powstać pęknięcia złączy (rys. 17c).
Rys. 17. Miejsca w których nie nale\y zakładać spoin pachwinowych
Spawanie w strefie odkształconej na zimno przez gięcie jest dopuszczalne co do proporcji
promienia gięcia w stosunku do grubości blachy r / t , które przedstawiono w tabl. 1.
Tablica 1. Warunki umo\liwiające układanie spoin w strefie odkształconej na zimno
4. Obliczanie nośności połączeń spawanych
4.1. Zało\enia i zasady obliczania spoin
W wymiarowaniu spoin i połączeń spawanych, obcią\onych przewa\ająco statycznie
przyjmuje się zazwyczaj następujące zało\enia:
" spoiny i materiał rodzimy są elementami jednorodnymi (izotropowymi),
" nie uwzględnia się efektu spiętrzenia naprę\eń i działania naprę\eń własnych rozpa-
truje się jedynie naprę\enia nominalne od przyło\onych obcią\eń,
" łączone spoinami części są sztywne, a ich odkształcenia są pomijalnie małe, co pozwala
przyjmować liniowe rozkłady naprę\eń w spoinach.
Wymienione zało\enia są mo\liwe pod warunkiem zachowania właściwej konstrukcji i tech-
nologii kształtowania połączeń spawanych. Dodatkowo wymagany jest poziom jakości spoin
C według PN-EN ISO 5817. Powy\sze zało\enia umo\liwiają przyjęcie równomiernego roz-
kładu naprę\eń w spoinach zarówno na ich grubości jak i na długości, podczas gdy w rzeczy-
wistości nie są one równomierne.
Rzeczywisty rozkład linii sił w połączeniu spawanym jest zaburzony z powodu spiętrzenia
naprę\eń (rys. 18, 19). Jeśli w spoinie czołowej usunie się lico i grań (obrobić mechanicznie)
to spiętrzenie naprę\eń w złączu nie wystąpi. Najmniejsze spiętrzenie naprę\eń występuje w
złączach doczołowych (rys. 18), znacznie większe zaś w połączeniach ze spoinami pachwi-
nowymi (co jest zrozumiałe gdy rozwa\y się ich geometrię rys. 19). Mierzy się je stopniem
spiętrzenia, definiowanym jako stosunek naprę\eń maksymalnych max do naprę\eń średnich
(rys. 18). Pojawiające się spiętrzenie naprę\eń wywołuje powstanie i rozwinięcie się stref
n
odkształconych plastycznie, które umo\liwiają plastyczną redystrybucje sił w całej spoinie.
Rys. 18. Spiętrzenie naprę\eń w złączu doczołowym: a) na powierzchni, b) na grubości
Rys. 19. Rzeczywisty rozkład naprę\eń sprę\ystych w połączeniach spawanych
Ocenę bezpieczeństwa tj. stanu granicznego nośności połączenia spawanego przeprowadza
się analizując stan wytę\enia w punkcie złącza, w którym występują maksymalne naprę\enia
materiału spoiny. W tym celu nale\y wyznaczyć siły przekrojowe ( M , NEd , VEd ) w prze-
Ed
kroju połączenia. Następnie nale\y ustalić potencjalną (teoretyczną) powierzchnię zniszczenia
spoiny i jej wymiary obliczeniowe, tzn. grubość obliczeniową aw oraz długość obliczeniową
lw . Sprawdzenie stanu granicznego nośności spoiny polega na analizie naprę\enia maksymal-
nego w jej przekroju obliczeniowym (potencjalnej płaszczyznie zniszczenia) według elemen-
tarnych wzorów wytrzymałości materiałów.
W spoinie czołowej potencjalna powierzchnia zniszczenia przechodzi przez środek spoiny
i jest prostopadła do jej lica (rys. 20a, b). Jako grubość obliczeniową spoiny przyjmuje się
grubość cieńszego z łączonych elementów tmin , natomiast jako długość leff przyjmuje się
szerokość elementu b , gdy zastosowano płytki wybiegowe, lub szerokość elementu b minus
dwie grubości obliczeniowe spoiny aw (są to umowne długości kraterów końcowych), gdy
nie zastosowano płytek wybiegowych.
Rys. 20. Potencjalne powierzchnie zniszczenia A oraz ogólny układ naprę\eń w spoinie:
czołowej (a, b) oraz pachwinowej (c, d)
W spoinie pachwinowej za potencjalną powierzchnię zniszczenia przyjmuje się po-
wierzchnię ukośną, przechodzącą przez wysokość aw trójkąta wpisanego w obrys spoiny
(rys. 20c, d). Jako jej długość obliczeniową leff przyjmuje się długość zakładu elementów,
gdy zastosowano korytka wybiegowe (rys. 12b) lub przedłu\ono spoiny poza długość zakładu
na sąsiednie krawędzie elementów na dwie grubości spoiny aw . W przeciwnym przypadku
nale\y od długości zakładu odjąć dwie grubości spoiny aw , jako długości kraterów końco-
wych.
Spoinę pachwinową uwa\a się za nośną, gdy jej długość obliczeniowa lw na odcinku pro-
stoliniowym spełnia warunek
lw e" min(6aw, 30 mm) . (5)
Postanowienia PN-EN 1993-1-8 dotyczą nośności połączeń spawanych elementów ze stali
spawalnych, które są przywoływane w PN-EN 1993-1-1, o grubości materiału nie mniejszej
ni\ 4 mm (w przypadku mniejszych grubości elementów nale\y stosować PN-EN 1993-1-3).
W takich połączeniach materiał spoiny musi mieć właściwości mechaniczne spoiwa porów-
nywalne z właściwościami materiału rodzimego. Ponadto wymagane jest, aby spoiny były
wykonane na odpowiednim poziomie jakości; zazwyczaj jest to poziom jakości C wg PN-EN
ISO 5817.
Jako kryterium oceny nośności spoin jest stosowane porównanie naprę\eń w spoinie w sto-
sunku do obliczeniowej nośności spoiny (metoda kierunkowa wg PN-EN 1993-8) lub alterna-
tywnie porównanie siły działającej na jednostkę długości do nośności obliczeniowej spoiny o
jednostkowej długości (metoda uproszczona wg PN-EN 1993-1-8).
W metodzie kierunkowej ocenę stanu granicznego nośności połączenia bada się analizując
stan jego wytę\enia w punkcie, w którym występują maksymalne naprę\enia materiału spo-
iny. W tym celu nale\y wyznaczyć obliczeniowe siły wewnętrzne ( M , NEd , VEd ) w prze-
Ed
kroju połączenia. Następnie ustala się potencjalną powierzchnię zniszczenia spoiny A (rys.
20) i jej wymiary obliczeniowe, tzn. grubość obliczeniową spoiny aw oraz długość oblicze-
niową spoiny leff .
4.2. Nośność obliczeniowa spoin pachwinowych
Zgodnie z PN-EN 1993-1-8 nośność obliczeniowa spoin pachwinowych mo\e być okre-
ślona za pomocą metody kierunkowej lub metody uproszczonej.
Metoda kierunkowa jest metodą ogólną, odwzorowującą najwierniej wytę\enie spoin pa-
chwinowych pod wpływem obcią\enia. Siły przenoszone przez spoinę o długości jednostko-
wej rozkłada się na składowe równoległe i prostopadłe do osi podłu\nej spoiny oraz składowe
normalne i styczne do płaszczyzny jej przekroju. Następnie wyznacza się naprę\enia w prze-
kroju spoiny pachwinowej, które pokazano na rys. 20d oraz rys. 21. W obliczeniach przyjmu-
je się równomierny rozkład naprę\eń w przekroju spoiny i wyznacza się naprę\enia składowe:
" normalne prostopadłe do przekroju spoiny Ą" ,
" normalne równoległe do przekroju spoiny ,
II
" styczne (w płaszczyznie przekroju) prostopadle do osi spoiny Ą" ,
" styczne (w płaszczyznie przekroju) równoległe do osi spoiny II .
Wg PN-EN 1993-1-8 nośność obliczeniowa spoiny pachwinowej (rys. 21; tj. sprawdzenie
wytrzymałości w zło\onym stanie naprę\enia) jest wystarczająca, gdy spełnione są zale\ności
fu 0,9 fu
2 2 2
Ą" + 3(Ą" +II) d" oraz Ą" d" , (6)
wł ł
M 2 M 2
gdzie:
fu nominalna wytrzymałość na rozciąganie stali słabszej z łączonych części,
w współczynnik korekcyjny uwzględniający wy\sze właściwości mecha-
niczne materiału spoiny w stosunku do materiału rodzimego; wartość
współczynnika w podano w tabl. 2,
ł = 1,25 częściowy współczynnik bezpieczeństwa nośności spoin.
M 2
Rys. 21. Składowe naprę\eń w przekroju spoiny pachwinowej
Tabl. 2. Współczynniki korekcyjne w spoin pachwinowych
Gatunek stali S235 S275 S355 S420, S460
0,80 0,85 0,90 1,00
Współczynnik korekcyjny w
Według wzoru (6) mo\na obliczać spoiny pachwinowe dowolnie zorientowane względem
działającego obcią\enia. Sprawdzenie nośności w tym przypadku opiera się na wytrzymałości
materiału na rozciąganie fu .
Według postanowień PN-EN 1993-1-8 alternatywną do metody kierunkowej jest metoda
uproszczona obliczania nośności spoin pachwinowych. W tej metodzie, niezale\nie od poło-
\enia płaszczyzny przekroju spoiny względem działającej siły, obliczeniową nośność spoiny
na jednostkę jej długości Fw,Rd określa się ze wzoru
Fw,Rd = fvw,da . (7)
We wzorze (7) a jest grubością spoiny, a fvw,d jest obliczeniową wytrzymałością spoiny na
ścinanie, którą wyznacza się ze wzoru
fu 3
fvw,d = , (8)
wł
M 2
gdzie fu , w - jak we wzorze (6).
Warunek obliczeniowej nośności spoiny jest spełniony, gdy w ka\dym jej punkcie wy-
padkowa Fw,Ed wszystkich sił ( NĄ",Ed ,VĄ",Ed ,VII,Ed o wartościach obliczeniowych; rys. 22)
przenoszona przez jednostkę długości spoiny spełnia warunek
Fw,Ed d" Fw,Rd . (9)
Na rys. 22 pokazano graficzną interpretację warunku nośności (9) w metodzie uproszczo-
nej wytę\enia spoiny pachwinowej.
Rys. 22. Składowe sił wewnętrznych w przekroju spoiny pachwinowej
4.3. Nośność obliczeniowa spoin czołowych
Nośność obliczeniową spoin czołowych o pełnym przetopie, z odpowiednim poziomem
jakości wykonania, przyjmuje się równą nośności obliczeniowej słabszej z łączonych części,
pod warunkiem, \e będzie wykonana z odpowiedniego materiału wykazującego w próbie roz-
ciągania spoiny minimalną granicę plastyczności i minimalną wytrzymałość na rozciąganie
nie mniejszą od wartości nominalnych tych parametrów materiału rodzimego.
Nośność obliczeniową spoin czołowych z niepełnym przetopem (rys. 5a) wyznacza się sto-
sując metodę dla spoin pachwinowych z głębokim przetopem. Ich grubość przyjmuje się nie
większą od głębokości przetopu, jaka mo\e być regularnie uzyskiwana.
Nośność obliczeniową czołowego złącza teowego, z dwiema spoinami czołowymi z nie-
pełnym przetopem i nadbudowanymi spoinami pachwinowymi (rys. 23) mo\na wyznaczyć
jak w przypadku spoin czołowych z pełnym przetopem, pod warunkiem, \e całkowita nomi-
nalna grubość spoiny (z wyłączeniem niezespawanej szczeliny) jest nie mniejsza ni\ grubość
t środnika złącza teowego, oraz \e szerokość niezespawanej szczeliny jest nie większa ni\
mniejsza z wartości t / 5 i 3 mm . Jeśli nie są spełnione te wymagania, to ich grubość ustala
się jak dla spoin pachwinowych z głębokim przetopem, a nośność obliczeniową spoin nale\y
obliczać jak w przypadku spoin czołowych z niepełnym przetopem.
Rys. 23. Efektywny pełny przetop w czołowym złączu teowym
4.4. Nośność obliczeniowa spoin pachwinowych obwodowych
Nośność obliczeniowa spoin pachwinowych obwodowych (wieńczących, uło\onych do-
okoła obwodu otworu wyciętego w jednej z blach w złączu zakładkowym rys. 4a) określa
się jak dlaspoin pachwinowych.
4.5. Nośność obliczeniowa spoin otworowych
Nośność obliczeniową spoin otworowych Fw,Rd (rys. 4a) określa się z wzoru
Fw,Rd = fvw,d Aw , (10)
gdzie:
fvw,d obliczeniowa wytrzymałość spoiny na ścinanie według wzoru (8),
Aw przekrój obliczeniowy spoiny, przyjmowany jako pole powierzchni otworu,
który wypełnia spoina.
4.6. Obliczanie połączeń zakładkowych obcią\onych osiowo
W połączeniach zakładkowych obcią\onych osiowo rozkład ścinających naprę\eń jest nie-
równomierny (rys. 24). Największe spiętrzenia występują na końcach spoin. Mierzy się je
stopniem spiętrzenia, definiowanym jako stosunek naprę\eń na skraju spoiny (maksymal-
nych) do naprę\eń średnich. Stopień spiętrzenia naprę\eń wzrasta wprost proporcjonalnie do
stosunku długości spoiny do jej grubości lw / aw , a tak\e jest uzale\niony od proporcji pola
przekroju poprzecznego łączonych elementów A1 / A2 (rys. 24). Wyrównanie naprę\eń na ca-
łej długości spoiny występuje dopiero po pojawieniu się plastycznych odkształceń na ich koń-
cach, w miarę wzrostu obcią\enia. Według PN-EN 1993-1-8 przyjmuje się, \e całkowite wy-
równanie naprę\eń w spoinie występuje gdy jej długość nie przekracza lw = 150aw .
Rys. 24. Wytę\enie w długich połączeniach zakładkowych; 1, 2 łączone elementy, 3 spoina
Jeśli długość spoiny nie przekracza 150aw , wówczas mo\na przyjmować obliczeniowo
równomierny rozkład naprę\eń na długości spoiny i składowe naprę\eń we wzorze (6) przyj-
mują następujące wartości:
FEd
II = , (11)
awlw
"
Ą" = Ą" = 0 , (12)
gdzie:
FEd obliczeniowa wartość siły działającej w spoinie,
aw , lw odpowiednio grubość i długość spoiny pachwinowej.
Wzór (6) przybiera wówczas następującą postać
fu
2
3II d" . (13)
wł
M 2
Ze względu na nierównomierny rozkład naprę\eń na długości w tzw. długich połącze-
niach zakładkowych tj. gdy lw > 150aw (rys. 24) nośność obliczeniową spoin zmniejsza się
stosując współczynnik redukcyjny Lw .
Współczynnik redukcyjny Lw przyjmuje się:
" w przypadku połączeń zakładkowych dłu\szych ni\ 150aw
0,2Lj
Lw,1 = 1,2 - , (14)
150aw
" w przypadku spoin pachwinowych dłu\szych ni\ 1,7 m łączących \ebra poprzeczne w ele-
mentach spawanych z blach
Lw
Lw,2 =1,1- lecz 0,6 d" Lw,2 d"1,0 , (15)
17
gdzie:
Lj całkowita długość zakładki w kierunku przekazywania siły,
LLw,2 długość spoiny (w metrach).
4.7. Obliczanie zło\onych połączeń ze spoinami pachwinowymi
W połączeniach doczołowych, teowych lub zakładkowych obcią\onych mimośrodowo
spoiny podlegają w ogólnym przypadku jednoczesnemu wytę\eniu od siły osiowej, siły po-
przecznej, momentu zginającego i momentu skręcającego. Wówczas są one nierównomiernie
wytę\one. Procedura obliczeń (na podstawie sprę\ystego rozkładu naprę\eń) tak wytę\onych
połączeń spawanych przedstawia się następująco:
" określenie kładu spoin,
" sprowadzenie obcią\eń do środka cię\kości układu spoin,
" znalezienie w układzie spoin punktu, w którym składowe naprę\eń będą największe
(niekiedy nale\y przeanalizować stan naprę\eń w kilku punktach),
" wyznaczenie w przyjętych do obliczeń punktach naprę\eń: normalnych, stycznych (od
działania sił wewnętrznych) i sprawdzenie ich wypadkowych ze wzoru (6).
W przypadku wytę\enia spoiny od siły podłu\nej, sił poprzecznych i dwukierunkowego
zginania naprę\enia normalne oraz styczne wyznacza się ze wzorów:
M
FEd M y,Ed z,Ed
= + z + y , (16)
Aw Iy Iz
Vz,Ed
= , (17)
z
Aw,v
Vy,Ed
= , (18)
y
Aw,v
gdzie:
FEd obliczeniowa siła podłu\na, prostopadła do kładu spoin,
M , M obliczeniowe momenty zginające względem odpowiednich osi prze-
y,Ed z,Ed
kroju,
Vy,Ed , Vz,Ed obliczeniowe siły poprzeczne względem odpowiednich osi przekroju,
Aw pole przekroju poprzecznego kładu spoin,
Aw,v pole przekroju poprzecznego kładu spoin uło\onych obok ścianek
kształtownika, stanowiących pole przekroju czynnego przy ścinaniu
mocowanego kształtownika,
Iy , Iz momenty bezwładności kładu spoin względem osi głównych,
y , z współrzędne punktu, w którym określa się naprę\enia.
Naprę\enia normalne obliczone ze wzoru (16) (rys. 21, 25) są nachylone pod kątem 45o
do powierzchni obliczeniowej (zniszczenia). Sprawdzając nośność spoiny według wzoru (6)
nale\y naprę\enia rozło\yć na składowe naprę\eń prostopadłych do płaszczyzny zniszcze-
nia Ą" i składowe naprę\eń równoległych do płaszczyzny zniszczenia II = Ą" . Oblicza się
je ze wzoru
Ą" = Ą" = . (19)
2
Rys. 25. Rozkład naprę\eń w spoinie pachwinowej
Jeśli kład spoin jest wytę\ony obcią\eniem skręcającym, to naprę\enia styczne w rozpa-
trywanym punkcie oblicza się ze wzoru
Mo,Edr
M = , (20)
Io
gdzie:
Mo,Ed moment skręcający,
Io biegunowy moment bezwładności kładu spoin,
r odległość rozpatrywanego punktu od środka cię\kości spoin.
W obliczenia nośności spoin przydatne są charakterystyki geometryczne ro\nych układów
spoin, które podano w tabl. 3.
Tablica 3. Charakterystyki geometryczne ro\nych układów spoin
4.8. Połączenia z pasem bez \eber
W przypadku spawanego połączenia poprzecznej blachy z nieu\ebrowanym pasem kształ-
townika o przekroju dwuteowym (rys. 26a) lub skrzynkowym (rys. 26b), ze względu na od-
kształcalność pasa i nierównomierny rozkład naprę\eń w spoinie, nale\y zredukować szero-
kość pasa (blachy) do szerokości efektywnej beff .
Rys. 26. Efektywna szerokość w złączu teowym bez \eber
Zredukowaną (współpracującą) szerokość efektywną nieu\ebrowanego kształtownika I lub
H (rys. 26) oblicza się ze wzoru
beff = tw + 2s + 7kt , (21)
f
gdzie s = r w przypadku dwuteowników walcowanych na gorąco, a s = 2a w przypadku
kształtowników spawanych ( a - grubość spoiny łączącej pas ze środnikiem).
Współczynnik k w zale\ności (21) oblicza się ze wzoru
t fy, f
f
k = d" 1,0 , (22)
tp fy, p
gdzie: fy, f , fy, p - granica plastyczności stali odpowiednio pasa kształtownika i blachy łą-
czonej z pasem.
Mo\na nie stosować \eber w połączeniu jak na rys. 26, gdy spełniony jest warunek
f
y, p
beff e" bp , (23)
fu, p
gdzie: fu jest wytrzymałością na rozciąganie stali blachy przyspawanej do kształtownika, a
bp jest szerokością tej blachy.
5. Uwagi końcowe
Spawanie stali jest procesem zło\onym, którym zajmuje się dział techniki spawalnictwo.
Dlatego projekt budowlanej konstrukcji stalowej zaleca się konsultować pod względem tech-
nologicznym ze specjalistami z dziedziny spawalnictwa.
Spawanie stali mo\e wpływać negatywnie na parametry wytrzymałościowe i u\ytkowe
budowlanych konstrukcji stalowych.
Podczas spawania tylko niewielka część elementu podlega intensywnemu nagrzaniu, a\ do
temperatury topnienia stali, podczas, gdy cała jego reszta pozostaje w temperaturze otoczenia.
Gdy temperatura w spoinie zaczyna spadać następuje jej skurcz (rys. 27). Jest on jednak unie-
mo\liwiany przez zamocowanie spoiny w sztywnych ściankach mniej ogrzanej części ele-
mentu, czego skutkiem są odkształcenia spawalnicze łączonych elementów, a przede wszyst-
kim powstanie w nich naprę\eń spawalniczych. Skurcz spoin powoduje utworzenie się prze-
strzennego stanu naprę\eń spawalniczych.
Rys. 27. Skurcz przestrzenny spoiny
Skutkiem odkształceń spawalniczych konstrukcji mo\e być: skrócenie podłu\ne (rys. 28a),
wygięcie względne (rys. 28b), wygięcie kątowe (rys. 28c), utrata stateczności lokalnej(rys.
28d).
Na rys. 29 pokazano przykłady rozkładu naprę\eń spawalniczych w elementach o ró\nych
kształtach. Naprę\enia spawalnicze są naprę\eniami własnymi, tzn. istnieją w elemencie jesz-
cze przed przyło\eniem do niego jakichkolwiek obcią\eń i są one zrównowa\one w przekroju
elementu. Ich wpływ objawia się dopiero w trakcie eksploatacji obiektu budowlanego.
Występowanie w konstrukcji naprę\eń spawalniczych jest zdecydowanie negatywne w od-
niesieniu do jej nośności, gdy\ mogą się one sumować z naprę\eniami od oddziaływań ze-
wnętrznych, doprowadzając do wyczerpania nośności materiału. Aby zmniejszyć ich nega-
tywne skutki nale\y stosować właściwe rozwiązania konstrukcyjne i odpowiednie technologie
spawania oraz zabiegi po spawaniu [3], [14].
Rys. 28. Przykłady odkształceń spawalniczych: a) skrócenie podłu\ne, b) wygięcie
względne, c) wygięcie kątowe, d) utrata stateczności lokalnej
Rys. 29. Przykłady rozkładu naprę\eń spawalniczych w elementach o ró\nych kształtach
Literatura
[1] Biegus A.: Nośność graniczna stalowych konstrukcji prętowych. PWN, Warszawa Wro-
cław, 1997.
[2] Biegus A.: Obliczanie spoin według Eurokodu 3. Builder nr 11/2009.
[3] Bródka J., Kozłowski A., Ligocki I., Aaguna J., Ślęczka L.: Projektowanie i obliczanie po-
łączeń i węzłów konstrukcji stalowych. Polskie Wydawnictwo Techniczne, Rzeszow
2009.
[4] Kozłowski A., Ślęczka L., Wierzbicki S.: Projektowanie połączeń spawanych wg PN-EN
1993-1-1 i PN-EN 1993-1-8. In\ynieria i Budownictwo nr 3/2008.
[5] Kiełbasa Z., Kozłowski A., Kubiszyn W., Pisarek S., Reichhart A., Stankiewicz B., Ślęcz-
ka L., Wojnar A.: Konstrukcje stalowe. Przykłady obliczeń według PN-EN 1993-1. Część
pierwsza. Wybrane elementy i połączenia. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszow-
skiej. Rzeszów 2009.
[6] PN-90/B- 03200 Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie.
[7] PN-EN 1993-1-1: 2006. Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Re-
guły ogólne i reguły dla budynków.
[8] PN-EN 1993-1-3: 2008. Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych Część 1-3:
Reguły ogólne Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilo-
wanych na zimno.
[9] PN-EN 1993-1-8: 2006 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-8: Pro-
jektowanie węzłów.
[10] PN-EN-1993-1-9: 2007. Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-9:
Zmęczenie.
[11] PN-EN-1993-1-10: 2007. Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-10:
Dobór stali ze względu na odporność na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową.
[12] PN-EN 1090-2:2009. Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Część 2: Wy-
magania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych.
[13] PN-EN ISO 5817 Spawanie. Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu, i ich stopów (z wy-
jatkiem spawanych wiązką). Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych.
[14] Rykaluk K.: Konstrukcje stalowe. Podstawy i elementy. Dolnośląskie Wydawnictwo
Edukacyjne, Wrocław 2006.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
A Biegus Cz 5 Połaczenia spawaneA Biegus Cz 4 Połaczenia śruboweA Biegus Proj wg EC3 CZĘŚĆ 5 Polaczenia SpawaneA Biegus Cz 6 Elementy zginane 2013 11 276 Polaczenia spawaneProjektowanie połączeń spawanychA Biegus Cz 3 Wymiarowanie konstrukcji 2013 04 09OMPRZ Połączenia spawaneObliczanie polaczen spawanych teoriaBADANIE MAKROSKOPOWE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH13 POŁACZENIA SPAWANE napręzenia spawalniczeIwięcej podobnych podstron