4_ŚLĘCZKA.pdf

Lucjan

ŚLĘCZKA *

OBLICZANIE I KONSTRUOWANIE POŁĄCZEŃ

I WĘZŁÓW SPAWANYCH

1. Wprowadzenie

Spawanie jest juŜ od blisko stu lat jedną z podstawowych technik łączenia w stalowych

konstrukcjach budowlanych. Właściwe ukształtowanie i zagwarantowanie właściwej

nośności połączeń spawanych jest jednym z elementów zapewnienia odpowiedniego

poziomu niezawodności konstrukcji stalowych. PoniewaŜ prace spawalnicze wywierają

znaczny

wpływ

całkowity

koszt

wykonawstwa,

więc

niezbędne

jest

równieŜ

uwzględnianie i tego aspektu przy projektowaniu połączeń spawanych.

W referacie podano główne zasady projektowania połączeń spawanych obciąŜonych w

sposób przeraŜająco statyczny, wynikające z wdraŜanych w naszym kraju przepisów

normalizacji europejskiej (eurokodów).

2. Ogólne zasady kształtowania złączy spawanych

2.1. Kształtowanie wytrzymałościowe

Wytrzymałościowe kształtowanie połączeń spawanych polega na zapewnieniu ich

nośności stosownie do działających obciąŜeń w miarodajnych sytuacjach obliczeniowych,

które mogą wystąpić w trakcie wykonania i uŜytkowania konstrukcji (sytuacje trwałe,

przejściowe, wyjątkowe czy sejsmiczne) [N9]. W przypadku obciąŜeń statycznych jest to

Dr inŜ., Politechnika Rzeszowska

209

nośność spręŜysta lub plastyczna, w przypadku obciąŜeń zmiennych równieŜ trwałość

zmęczeniowa. Dopiero w następnej kolejności spełniane są inne zadania, np. ekonomia

wytwarzania połączenia.

ZauwaŜyć naleŜy, Ŝe w normie PN-EN 1993-1-8 [N13], która swoim zakresem obejmuje

projektowanie połączeń spawanych prawie całkowicie pominięto zagadnienia konstrukcyjne

i technologiczne oraz wynikające z nich ograniczenia w projektowaniu połączeń spawanych.

Niektóre z zaleceń konstrukcyjnych pojawiają się w normach PN-EN 1011-1

PN-EN 1011-

4 [N4]

[N7] oraz PN-EN 1090-2 [N8]. Dostępne są takŜe w literaturze na ten temat np. [1],

[2], [11] i [17].

Zalecenia poprawnego wytrzymałościowego kształtowania połączeń spawanych są

następujące:

A) Zasady ogólne

- Połączenia powinny mieć odpowiednią nośność. Przepisy projektowania konstrukcji

nakazują spełnienie ogólnego warunku stanu granicznego nośności:

PN-EN

1990

(6.8)

(1)

gdzie:

E d – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań, takiego jak siła wewnętrzna,

moment lub wektor reprezentujący kilka sił wewnętrznych lub momentów,

R d – wartość obliczeniowa odpowiedniej nośności (w tym wypadku nośności

połączenia spawanego).

Jest to tzw. projektowanie połączenia „na siłę”.

W wielu przypadkach trzeba jednak rozpatrzyć sytuację, czy nie będzie korzystniejsze

takie zaprojektowanie połączenia spawanego, aby jego nośność była nie mniejsza od

nośności łączonych elementów (tzw. projektowanie „na przekrój”):

lub

(2)

gdzie:

N t,Rd , M c,Rd – obliczeniowa nośność przekroju łączonego elementu przy obciąŜeniu

siłą podłuŜną lub momentem zginającym,

R d – wartość obliczeniowa nośności połączenia spawanego (na działanie siły

podłuŜnej lub momentu zginającego).

Projektowanie połączeń spawanych o pełnej nośności (czyli o nośności nie mniejszej niŜ

nośność łączonych elementów) jest bardzo istotne w konstrukcjach, w których moŜliwe

jest powstanie przegubów plastycznych. NaleŜą do nich konstrukcje w których

przeprowadza się analizę plastyczną lub takie na które mogą działać obciąŜenia

wyjątkowe. W obu przypadkach układ konstrukcyjny jest wówczas w stanie

zachowywać się ciągliwie w obszarze połączenia, lecz nie przez ciągliwość spoin, lecz

przez moŜliwość powstania odkształceń plastycznych w przyległym do nich materiale

rodzimym.

Wybór podejścia projektowego – czy obliczenia prowadzić „na przekrój” czy „na siłę”

naleŜy do projektanta. Istniejące postanowienia normowe regulują jedynie projektowanie

210

połączeń belek ze słupami lub styków belek. Norma PN-EN 1993-1-8/6.2.3(5)

stwierdza:

W przypadku węzła belki ze słupem lub styku belki, w miejscach potencjalnych

przegubów plastycznych i obrotów przy dowolnym obciąŜeniu, spoiny powinny być

zdolne do przeniesienia momentu równego co najmniej mniejszej z poniŜszych wartości:

obliczeniowej nośności plastycznej przy zginaniu dołączanego elementu M pl,Rd ,

pomnoŜonej przez współczynnik

obliczeniowej nośności przy zginaniu węzła M j,Rd ,

gdzie:

α = 1,4 - w przypadku ram, których układ stęŜeń spełnia kryterium (5.1) z EN

1993-1-1/5.2.1(3) w odniesieniu do przechyłu;

α = 1,7 - we wszystkich innych wypadkach.

- Połączenia naleŜy konstruować tak, aby środek cięŜkości spoin oraz składników

połączeń takich jak blachy, przykładki itp. pokrywał się z osią elementów łączonych.

W ten sposób unika się dodatkowych momentów zginających.

- Złącza między częściami o róŜnym przekroju powinny być ukształtowane tak, aby

uniknąć nadmiernej koncentracji napręŜeń w złączu.

- NaleŜy dąŜyć do usytuowania styków poza miejscem największego wytęŜenia

elementów.

- NaleŜy unikać nadmiernego skupienia spoin, zbyt małej odległości pomiędzy nimi

a takŜe ich krzyŜowania. Z uwagi na powstawanie zmian strukturalnych w strefie

wpływu ciepła oraz przestrzennego stanu napręŜeń, wywołanego napręŜeniami

własnymi i usztywniającym działaniem spoin, w takich miejscach ciągliwość jest

ograniczona, co moŜe zwiększać skłonność do pękania. Zalecane odległości pomiędzy

odcinkami spoin w blachach węzłowych kratownic pokazano na rys. 1a [1]. Przy

połączeniach Ŝeber i przepon w belkach spawanych i elementach płytowych (rys. 1b),

naleŜy stosować odpowiednie otwory i wycięcia. UmoŜliwiają one łatwy dostęp do

układanych spoin i zapobiegają krzyŜowaniu się spoin.

Rys. 1. Unikanie skupienia spoin: a) zalecane odległości pomiędzy odcinkami spoin,

b) otwory i wycięcia w Ŝebrach i przeponach

- Nie naleŜy spawać w strefie odkształconej na zimno przez gięcie, cięcie na noŜycy

gilotynowej lub przez przebijanie otworów. Minimalna odległość spoin od takiej strefy

powinna być większa od pięciokrotnej grubości blachy. Spawanie w obszarze tej strefy

jest dopuszczalne, gdy materiał podlega obróbce cieplnej po gięciu, np.

normalizowaniu lub gdy spełnione są warunki co do proporcji promienia gięcia w

stosunku do grubości blachy r/t przedstawione w PN-EN 1993-1-8/Tabl. 4.2,

(Tablica 1).

211

- Wszystkie

zalecenia

dotyczące

wykonawstwa

połączeń

powinny

być

podane

w dokumentacji rysunkowej.

Tablica 1.

Tab l ica 4.2. Warunki s p awania w pobliŜu stref zgniotu wg PN-EN 1993-1-8

Największa grubość (mm)

Ogólnie

WydłuŜenie

przy

formowaniu na

zimno (%)

Stal

całkowicie

uspokojona

(Al≥ 0,02 %)

r/t

ObciąŜenie

przewaŜająco

statyczne

ObciąŜenie

zmęczeniowe

≥ 25

≥ 10

≥ 3,0

≥ 2,0

≥ 1,5

≥ 1,0

dowolna

B) Połączenia ze spoinami czołowymi

- NaleŜy zadbać o moŜliwość uzyskania pełnego przetopienia grani. W przypadku

obustronnego dostępu, naleŜy projektować spoiny dwustronne lub jednostronne z

podpawaniem grani. Przy dostępie jednostronnym wskazane jest stosowanie spoin na

podkładkach.

- Złącza doczołowe blach o róŜnych grubościach powinny zapewnić łagodną zmianę

przekroju (rys. 2). Przy łączeniu blach o grubości róŜniącej się o więcej niŜ 10 mm

naleŜy grubszą z blach zukosować stosując pochylenie nie większe niŜ 1:4 [N5]. Przy

blachach o mniejszej róŜnicy grubości właściwe pochylenie moŜna uzyskać przez

odpowiednie ukształtowanie spoiny.

Rys. 2. Zmiana przekroju w styku blach o róŜnych grubościach

C) Połączenia ze spoinami pachwinowymi

- Jednostronna spoina pachwinowa (takŜe czołowa o niepełnym przetopie oraz czołowa

jednostronna) nie powinna być poddana momentowi zginającemu wywołującemu

rozciąganie w grani spoiny (rys. 3).

212

Rys. 3. Spoiny pachwinowe z efektem rozciągania grani

- Spoiny pachwinowe ułoŜone pomiędzy elementami, których ścianki tworzą kąt

mniejszy niŜ 60

(rys. 4), nie powinny być przeznaczane do

pełnego przenoszenia obliczonych sił [N4], [N13].

lub większy niŜ 120

Rys. 4. Spoiny pachwinowe o niepełnej nośności

- W połączeniach zakładkowych ze spoinami pachwinowymi podłuŜnymi obowiązują

ograniczenia nakazujące stosować długość kaŜdej ze spoin większą od odstępu

pomiędzy nimi, a dodatkowo odstęp pomiędzy spoinami b powinien być mniejszy od

trzydziestu grubości blachy (rys. 5). Wynika to z przeciwdziałania przeciwko

powstaniu efektu szerokiego pasa.

Rys. 5. Połączenie zakładkowe ze spoinami pachwinowymi podłuŜnymi

- W połączeniach zakładkowych wykonywanych tylko przy uŜyciu spoin poprzecznych,

naleŜy zachowywać odpowiednią długość zakładki (rys. 6) [N8]

Rys. 6. Minimalna długość połączenia zakładkowego ze spoinami pachwinowymi

poprzecznymi

213

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: