Post on 27-Feb-2019
5.0. Połączenia
– 85 –
5.4. Połączenia spawane
5.4.1. Konstrukcja
Rys. 5.28. Podział spoin (nad przekrojami przedsta-
wiono symbole – poz. 2 wg rys. 5.29a)
Spoiny
Inne Pachwinowe Czołowe
Dwustronne Jednostron. Otworowa Grzbietowa Brzeżna Dwustronne Jednostronne
7
4
3 5 2
6 8
Widok spoiny:
- od strony lica
a n x L (e) a n x L (e)
1
- od strony grani
a)
b)
c) d)
Rys. 5.29. Oznaczenie spoin; a) ogólny symbol, b) sposób pokazania od której strony spoina jest przed-
stawiona na rysunku, c) spoina przerywana, n – ilość odcinków spoiny, L - długość odcinka spo-
iny, e - długość przerwy, d) spoina odcinkowo-naprzemianległa
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 86 –
Oznaczenia spoin na rysunkach
Informacje umieszczane na symbolu spoiny wg rysunku 5.20a:
Wymiar przekroju poprzecznego (grubość spoiny).
Wymiar przekroju wzdłużnego (długość spoiny).
Znaki dodatkowe: spoina z licem płaskim, z licem wypukłym, z licem
wklęsłym, obróbka skrawaniem przejścia, usunięcie metodą obróbki skrawa-
niem nadlewu lica.
Znaki dodatkowe: spoina wykonana po zamkniętym obwodzie, wyko-
nana w montażu.
Znaki dodatkowe: spoina z podpawaną granią, spawana z podkładką
spawalniczą.
Wymiary brzegów spoiny (kąt pochylenia, odstęp między prefabrykatami itp.).
Symbole przedstawiające: nr spoiny, metoda spawania, jakość spoiny, metoda kontroli,
nr instrukcji spawania itp.
Materiały stosowane na złącza spawane
- stale konstrukcyjne zwykłej jakości przeznaczone do spawania: St0S, St2S, St3S, St4S,
- stale do wyrobu rur: R, R35, R45,
- stale o podwyższonych właściwościach wytrzymałościowych: 15GA, 18G2A,
10G2ANb, 10H, 10HA,
- inne, spełniające warunek tzw. przelicznika węglowego, liczonego wg wzoru:
1
2
3
5
6
7
8
4
Złącza spawane
Krzyżowe Przylgowe Narożne Teowe Zakładkowe Stykowe
Rys. 5.30. Podział złączy spawanych
5.0. Połączenia
– 87 –
% 45,015156555
≤++++++=CuNiMnVMoCr
CCe (5.60)
gdzie: C, Cr, Mo, V, Mn, Ni, Cu – procentowa zawartość dodatków stopowych w stali.
5.4.2. Obliczenia
Klasyfikacja konstrukcji spawanych
Zgodnie z PN-87/M-69008 rozróżnia się w zależności od sumy wskaźników ZA + ZB
trzy klasy konstrukcji spawanych (tab. 5.13).
Tab. 5.13. Klasy konstrukcji spawanych wg PN-87/M-69008.
Klasa konstrukcji
spawanej lub zgrzewanej
Suma wskaźników
ZA + ZB
1 powyżej 7
2 3 ÷ 7
3 poniżej 3
Tab. 5.14. Wskaźnik ZA do tablicy 5.13 wg PN-87/M-69008.
Stopień wykorzystania wytrzyma-
łości spoiny, %
< 50 50 ÷ 80 > 80
Rodzaj obciążenia, metoda wymiarowa-
nia wskaźnik ZA
Statyczne lub qusistatyczne 0 0 01) lub 1
Zmęczeniowe, przy liczbie cyklów < 6⋅105 0 1 2
Zmęczeniowe przy liczbie cyklów > 6⋅105 1 2 3
1) Przy spoinach ściskanych.
Zakres wymagań i badań dotyczących jakości złączy spawanych klasy 1 i 2 należy
przyjmować w zależności od wartości wskaźnika ZA wg tablicy 5.15.
Tab. 5.15. Wskaźnik ZB do tablicy 5.13 wg PN-87/M-69008.
Zagrożenie życia ludzkiego
nieprawdopo-
dobne
mało
prawdopodobne
bardzo
prawdopodobne Straty materialne
wskaźnik ZB
niewielkie - < 1p 0 2 4
średnie - 1p ÷ 10p 2 4 6
duże - > 10p 4 6 8
p – średnia roczna płaca pracownika gospodarki uspołecznionej.
Zgodnie z PN-EN 25817 (PN-ISO 5817) wyróżnia się poziomy jakości: D – wymaga-
nia łagodne, C – wymagania średnie, B – wymagania ostre.
Zalecenia ogólne wykonywania i obliczania spoin
Typ spoiny i związane z nim przygotowanie brzegów (wg PN-75/M-69014 i PN-
73/M-69015) powinny być dostosowane do grubości prefabrykatów, gatunku stali i metody
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 88 –
spawania.
Tab. 5.16. Wymagania dotyczące badań i jakości spoin klasy 1 i 2.
Zakres badań, %1)
Wskaźnik
ZA Rodzaje badań radiograf. lub ul-
tradźwiękowych
oględziny
zewnętrzne
Klasa wadli-
wości złącza
wg norm2)
3 ≥ 10 1 lub 24)
2 ≥ 5 3
1
Oględziny zewnętrzne, badania
radiograficzne3)
, lub/i ultradź-więkowe
3) ≥ 2 4
0 Oględziny zewnętrzne (ewtl. do-
datkowo radiogr.3)
lub ultradźw.) ≥ 1
100
55)
1) Podany zakres badań radiograficznych lub ultradźwiękowych odnosi się do spoin, w których
sumaryczna długość poprawek P wynosi poniżej 2% długości zbadanych spoin. Zakres ba-
dań powinien być zwiększony dwukrotnie, gdy P = 2 ÷ 5%, zwiększony 5-krotnie gdy P >
5%. 2)
Dla radiograficznych – wg PN-74/M-69772, ultradźwiękowych – PN-77/M-70055, oględzin
zewn. – PN-84/M-69072. 3)
Spoin pachwinowych nie kontroluje się metodą radiograficzną, a metodą ultradźwiękową tylko w szczególnych przypadkach.
4) Klasę ustala konstruktor.
5) Klasa 5 może być dopuszczona pod warunkiem, że nie ma wad Ea i Eb oraz, że na odcinku
N (wg PN-74/M-69772) sumaryczne zmniejszenie przekroju spoiny nie przekracza 25%.
Przyjmowane grubości obliczeniowe spoin przedstawiono w tablicy 5.17.
Na rysunku 5.31 przedstawiono zalecenia konstrukcyjne wybranych spoin. Styki po-
szczególnych części przekroju (pasów, środników) należy projektować w płaszczyznach pro-
stopadłych do osi łączonych elementów. W połączeniu dwuteownika spawanego (rys. 5.31b),
styk pasa rozciąganego przy obciążeniach dynamicznych powinien być przesunięty względem
styku środnika.
a t h
l ≥ 0,75 b ∩ l ≥ 0,75 h
a1 ≤ 5 l1
a1 - l1 ≤ 15 t1 ∩ a1 - l1 ≤ 200 mm
a) b)
b
a
la - l1 1 1
1
t
l
h
1t
Rys. 5.31. Konstruowanie wybranych spoin,
a) zalecenia przy konstruowaniu spo-
in przerywanych, b) przesunięcie spo-
in czołowych w belce obciążanej zmę-
czeniowo
5.0. Połączenia
– 89 –
Tab. 5.17. Wytyczne dotyczące grubości spoin a [mm].
Charakter obciążenia Ro-
dzaj
spoin
Warunki Statyczne Zmęczeniowe
t1 = t2 a = t1 = t2
t2 – t1 < t1 lub
t2 – t1 < 10 mm
a = t1
a = t1
Gru
bośc
i
pre
fab
ryk
ató
w
t2 – t1 > t1 lub
t2 – t1 > 10 mm
a = t1
a = t1
Zaliczyć do
spoin czołowych a = t
c ≤ 3, c ≤ 0,2 t
Σai ≥ t
Czo
łow
e
Dla spoin niepełnych
a = g – 2 mm
a1 < 0,7⋅t a2 < 0,6⋅t
Spawanie w zwykłych
warunkach
a = anom ⋅
≤≤≤∩⋅
mm 16
t 0,7 a
mm 2,5
mm 10 t 0,2 1nom
2 t2 > t1
Jednwarstw. a = 1,3 anom Spaw.
autom.
łukiem
krytym
Wielowar-
stwowe a = 1,2 anom ≤ anom – 2 mm
Pac
hw
ino
we
Spoiny obwodowe rur a = anom ≤ t1, t1 – grubość rury
Długość spoin przyjmowaną w obliczeniach wytrzymałościowych jest długością rze-
czywistą pomniejszoną się o dwie grubości ze względu na osłabienie kraterem początkowym i
końcowym spoiny. W przypadku spawania z zastosowaniem przykładek wybiegowych dłu-
gość rzeczywista jest długością obliczeniową.
Długość obliczeniową przyjmuje się jako równą sumarycznej długości spoin Σli.
Zalecenia obliczeniowe
Spoin pachwinowych przerywanych nie należy stosować:
- w przypadku obciążeń dynamicznych,
- w elementach bezpośrednio narażonych na korozję atmosferyczną lub chemiczną, a także
eksploatowanych w warunkach podwyższonych wilgotności,
- w strefach skokowej zmiany sztywności,
g
t 2
t 1
>1:1
t 2
t 1
>1:1
2t 1t
>1:4
a4 c a3
1a a
t
2
a 1 a2
t
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 90 –
- w przypadku jednoczesnego występowania znacznych naprężeń normalnych i stycznych.
W tablicy 5.18 usystematyzowano zalecenia konstrukcyjne dla poszczególnych rodza-
jów spoin.
Tab. 5.18. Zalecenia konstrukcyjne przy obliczaniu złączy
Spoiny Rodzaj obciążenia Połączenie lub rodza-
je naprężeń Uwzględnia się w obl.
1)
Czołowe Statyczne lub zmę-czeniowe
Wszystkie rodzaje
naprężeń Całą długość spoiny
Tylko styczne Całą długość spoiny
Normalne + styczne Rzut długości na kierunek
równoległy do obciążenia
Połącz. zakładkowe Tylko spoiny podłużne:
li ≥ b, b ≥ 30 t1
Statyczne
Spoiny przerywane 10⋅a ≤ li ≥ 100⋅a,
li ≥ 40 mm
Wszystkie połączenia Rzut długości na kierunek
równoległy do obciążenia
Spoiny otworowe
Pachwinowe
Zmęczeniowe
Spoiny przerywane Nie uwzględnia się
Statyczne 100% nośności sp. czoło-
wych + 50% sp. pachw. Czołowe +
pachwinowe Zmęczeniowe
Wszystkie rodzaje
złączy i naprężeń Tylko sp. czołowe
1) a – grubość spoiny, b – odstęp między spoinami, li – długość i-tej spoiny w złączu.
Współdziałanie spoin z połączeniami gwintowymi w złączu można uwzględnić,
przyjmując, że:
- obciążenie osiowe rozdziela się na poszczególne łączniki proporcjonalnie do ich nośności;
- obciążenie momentem w płaszczyźnie połączenia rozdziela się na poszczególne łączniki w
postaci sił prostopadłych do ramion obrotu i proporcjonalnych do odległości łączników od
środka obrotu, który można utożsamić ze środkiem ciężkości grupy łączników przenoszą-
cych obciążenie momentem. Współdziałanie to można uwzględnić w następujących przy-
padkach połączeń mieszanych, zakładkowych:
• w połączeniach zakładkowych na śruby pasowane i nity, przy wzmacnianiu i odnowie
istniejących połączeń;
• w połączeniach kategorii C wg [1] (obciążanych prostopadle do osi łączników, w złą-
czach zakładkowych, sprężanych tzn. przenoszących obciążenia ciernie, pracujących w
stanie granicznym nośności) wzmocnionych spoinami poprzecznymi lub podłużnymi,
pod warunkiem ich wykonania przed pełnym sprężaniem, lecz po wstępnym dokręce-
5.0. Połączenia
– 91 –
niu (napięciu) śrub do wartości 50 % wymaganej siły sprężającej; przyjmuje się przy
tym, że spoiny podłużne mogą przenosić nie więcej niż 40 % całkowitego obciążenia;
• w stykach montażowych belek dwuteowych o wysokim środniku, w których pasy połą-
czono spoinami, a środnik - nakładkami na zasadzie połączenia ciernego kategorii C,
sprężonego po uprzednim zaspawaniu pasów.
Metoda stanów granicznych (wg [1])
Do obliczeń połączeń spawanych należy przyjmować współczynniki wytrzymałości
spoin α - wg tablicy 5.19 oraz wytrzymałość obliczeniową stali fd przy czym w przypadku
łączenia części ze stali różnych gatunków, należy przyjmować fd o wartości mniejszej.
Tablica 5.16. Wartości współczynników wytrzymałości spoin wg [1].
Współcz, wytrzymałości
spoin1)
Rodzaj
spoiny
Stan naprężeń w rozpatrywanej części
lub wytrzymałość stali Re, MPa α⊥ α| |
Ściskanie lub zginanie 1
Czołowe Rozciąganie równomierne (ν=1)
lub mimośrodowe (ν<1) 1-0,15 ν2)
0,6
(przy ści-
naniu)
Re ≤ 225 0,9 0,8
255 < Re ≤ 355 0,8 0,7 Pachwinowe
355 < Re ≤ 460 0,7 0,6 1)
Podane wartości współczynników należy zmniejszyć: o 10 % - w przypadku spoin montażowych (wykonywanych na budowie);
o 20 % - w przypadku spoin pułapowych;
o 30 % - gdy zachodzą jednocześnie ww. przypadki 2)
Podana zależność dotyczy spoin normalnej jakości, kontrolowanych zgrubnie; ν
- stosunek naprężeń średnich do maksymalnych. W przypadku zapewnienia
kontroli defektoskopowej można przyjmować α⊥ = 1, przy czym klasa wadliwo-
ści złącza wg PN-87/M-69772 powinna być najwyżej R4 - przy grubości łączo-
nych części do 20 mm, R3 - przy grubości większej niż 20 mm, R2 - przy ob-
ciążeniach dynamicznych.
Warunek wytrzymałościowy przy obciążeniach statycznych
Podstawowy warunek wytrzymałościowy, w metodzie stanów granicznych, przy obli-
czaniu spoin, przedstawia się następująco.
S p o i n y c z o ł o w e
Jeżeli pole przekroju obliczeniowego spoin jest nie mniejsze niż pole przekroju łączo-
nych elementów i jeśli ponadto α ⊥ = 1 , to odrębne sprawdzenie nośności połączenia jest
zbędne. W pozostałych przypadkach nośność połączeń należy sprawdzać wg wzorów:
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 92 –
- dla naprężeń działających w jednej płaszczyźnie:
d||stdgr ff ⋅α≤τ+τ⋅α≤σ+σ ⊥ (5.61)
- dla naprężeń działających w dwóch płaszczyznach:
σα
τα⊥
+
≤
2 2
||
fd (5.61a)
gdzie: σ, τ - naprężenia w przekroju obliczeniowym połączenia, (w stanie sprężystym),
α α⊥ , || - odpowiednie współczynniki wytrzymałości spoiny wg tablicy 5.19, fd - na-
prężenia obliczeniowe (wg tab. 3.7 lub wzorów 3.17).
W wyjątkowych przypadkach połączeń rozciąganych na pojedynczą niepełną spoinę
czołową, należy uwzględnić w obliczeniach dodatkowe zginanie spowodowane mimośrodem
siły względem osi przekroju obliczeniowego spoiny.
S p o i n y p a c h w i n o w e
Warunek wytrzymałości dla spoin pachwinowych w złożonym stanie naprężenia (rys.
5.32, 5.33a), jest określony następująco:
≤σ
≤τ+τ+σχ
⊥
⊥⊥
d
d
22
||
2
f
f)(3 (5.62)
gdzie: χ = 0,7 dla stali Re ≤ 255 [MPa];
χ = 0,85 dla stali 255 < Re ≤ 355 [MPa];
χ = 1.0 dla stali 355 < Re ≤ 460 [MPa];
Dopuszcza się obrócenie powierzchni czynnej spoiny na płaszczyznę jednego z łączo-
nych prefabrykatów celem uproszczenia obliczeń (zyskuje się pewien zapas wytrzymałości).
Nośność połączeń zakładkowych (rys. 5.33b) można sprawdzić wg wzorów:
τ
τ⊥
σ⊥
a
z
Rys. 5.32. Przekrój czynny spoiny pach-winowej z ozna-
czeniami naprężeń do wzoru (5.62), a, z – parametry
grubości spoiny
5.0. Połączenia
– 93 –
• przy obciążeniu osiowym: d||F fla
F⋅α≤
⋅=τ∑
(5.63)
• przy obciążeniu siłą F i momentem M:
( ) ( )τ τ τ τ α= + + ≤ ⊥M F F dfcos sinΘ Θ2 2 (5.64)
gdzie: τ - naprężenie wypadkowe, przy czym tF wg wzoru 5.63 oraz:
0
MI
rM ⋅=τ (5.64a)
r - odległość rozpatrywanego punktu od środka ciężkości spoin, I0 - biegunowy (wzglę-
dem środka ciężkości spoin) moment bezwładności figury utworzonej przez kład prze-
kroju obliczeniowego na płaszczyznę styku: Io = Ix + Iy, Θ - kąt między wektorami na-
prężeń τF i τM w rozpatrywanym punkcie spoiny (0 ≤ Θ ≤ 1800).
Nośność połączeń teowych (rys. 5.33a) można sprawdzić wg wzoru (5.61), obliczając
naprężenia σσσσ i ττττ w przekroju utworzonym przez kład przekroju obliczeniowego spoin na
płaszczyznę styku i przyjmując właściwe dla spoin pachwinowych współczynniki α ⊥ i | |α .
Jeśli kąt między łączonymi prefabrykatami 450 ≤ αααα < 90
0, to nośność połączenia należy
sprawdzić wg wzoru (5.62).
Warunek wytrzymałościowy przy obciążeniach zmęczeniowych
Obowiązuje gdy: ilość planowanych cykli zmęczeniowych: N > 104 i zakresy zmien-
ności obciążeń: ∆σ ≤ 1,5⋅fd, ∆τ ≤ 0,9⋅fd;
αααα
y
x
a t a
Fy
Fz
M
z
x
t
M
ττττ
0000
y
ττττττττF
r
e
x
M = F e.
F
ΘΘΘΘ
b) a)
Rys. 5.33. Spoiny pachwinowe, a) połączenie pasa ze środnikiem, b) połączenie zakładkowe obciążone
siłą i momentem
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 94 –
− obliczeniowe zakresy zmienności obciążeń:
minmaxminmax τ−τ=τ∆σ−σ=σ∆ (5.65)
Tabl. 5.20. Kategorie zmęczeniowe materiału wg [1].
Opis elementu (karbu) Kategoria zmęcz.
∆σC, ∆τC, MPa
Kształtowniki spawane (dwuteowe, teowe, skrzynkowe ze spoinami
podłużnymi)
− ciągłymi specjalnej jakości (obrobionymi)
− ciągłymi wykonywanymi automatycznie
− ciągłymi wykonywanymi ręcznie
− przerywanymi (pachwinowymi) itp.
125
115
100
80
Styki poprzeczne spawane:
− styki kształtowników i blach na spoiny czołowe pełne specjalnej
jakości (obrobione)
− inne styki poprzeczne i elementy w strefie żeber poprzecznych (za-
kończonych w odległości > 10 mm od krawędzi elementu)
115
80
Elementy w strefie zakończenia nakładek spawanych:
− przy grubości nakładki i pasa < 20 mm
− przy grubości materiału > 20 mm
45
36
Elementy w połączeniach zakładkowych (rys. 5.27a):
− elementy główne (do obliczeń σ należy przyjmować szerokość nie
większą niż rozstaw spoin podłużnych zwiększony o ich długość) − elementy dospawane
57
45
Połączenia teowe i krzyżowe:
− na spoiny czołowe K specjalnej jakości (obrobione)
− inne styki wymiarowane na pełną nośność przekroju
− spoiny pachwinowe o nośności mniejszej niż nośność łączonego
elementu
80
57
36
Styki pasa ze środnikiem w elementach obciążonych siłą skupioną (np.
w belkach podsuwnicowych):
− spoiny czołowe K specjalnej jakości (obrobione)
− spoiny czołowe K normalnej jakości
− dwustronne spoiny pachwinowe obrobione
− dwustronne spoiny pachwinowe normalnej jakości
80
57
45
36
Spoiny pachwinowe obciążone (ścinane) w kierunku długości spoiny,
ciągłe i w połączeniach zakładkowych
(80)
Przy naprężeniach normalnych naprzemiennych (∆σroz = −∆σści) lub wyłącznie ściska-
nych (∆σroz = 0):
ściroz 6,0 σ∆⋅+σ∆=σ∆ (5.66)
gdzie: ∆σroz, ∆σści - zakresy zmienności naprężeń odpowiednio: rozciągających i ściskają-
cych,
− obliczeniowe zakresy zmienności obciążeń przy uwzględnieniu niejednorodnego widma
5.0. Połączenia
– 95 –
naprężeń:
)Kln(1
)max(
)Kln(1
)max(cc −
τ∆=τ∆
−σ∆
=σ∆ (5.67)
gdzie: K ≤ 1 - stopień wypełnienia widma; w przypadku widma jednorodnego zachodzi:
K = 1 → ∆σc = ∆σ, ∆τc = ∆τ,
− wytrzymałość zmęczeniowa:
L
5
1
6
CRL
m
1
6
CRN
102
N
105735,0 τ∆≥
⋅⋅τ∆=τ∆σ∆≥
⋅⋅σ∆⋅=σ∆ (5.68)
gdzie: ∆σC, ∆τC - kategoria zmęczeniowa (wytrzymałość zmęczeniowa normatywna - tablica
5.20), ∆σL, ∆τL - trwała wytrzymałość zmęczeniowa - tablica 5.21, m - wykładnik po-
tęgowy przyjmujący wartości: m = 3 dla N ≤ 5⋅106, m = 5 dla N > 5⋅10
6,
Tabl. 5.21. Wytrzymałość zmęczeniowa wg [1].
N = 104
105 10
6 2⋅10
6 5⋅10
6 10
7 10
8
Wytrzymałość zmęczeniowa ∆σR, MPa
∆σC ∆σD ∆σL
931 433 201 160 118 103 65
815 379 176 140 103 90 57
729 338 157 125 92 80 51
670 311 145 115 85 74 46
583 271 127 100 74 64 40
466 217 101 80 59 51 32
332 154 72 57 42 37 23
262 122 57 45 33 29 18
209 98 45 26 27 23 15
Wytrzymałość zmęczeniowa ∆τR, MPa
231 146 92 ∆τC =
80 67 58
∆τL =
37
∆σD - wytrzymałość zmęczeniowa przy stałej amplitudzie naprężeń, ∆σL - wytrzymałość zmęczeniowa trwała,
∆τL - wytrzymałość zmęczeniowa trwała przy ścinaniu.
Gdy grubość ścianki t > 25 mm należy przyjmować zredukowaną wytrzymałość obliczenio-
wą: 4
1
RRredt
25
⋅σ∆=σ∆ (5.69)
− warunki nośności - dla "czystych" naprężeń:
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 96 –
fat
R
c
fat
R
c γτ∆
≤τ∆γσ∆
≤σ∆ (5.70)
gdzie: γfat = 1 ÷ 1,2 - częściowy współczynnik bezpieczeństwa; dla przeciętnych warunków
eksploatacji, inspekcji i konserwacji γfat = 1, w skrajnie niekorzystnych warunkach γfat
= 1,2.
− warunek nośności - dla "złożonych" naprężeń:
1
53
≤
τ∆τ∆
+
σ∆σ∆
R
C
R
C (5.71)
Metoda naprężeń dopuszczalnych
Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach statycznych
Naprężenia dopuszczalne spoin stanowią maksymalną wartość naprężeń jakie mogą
wystąpić w wymiarowanym przekroju bez groźby plastycznego odkształcenia konstrukcji.
=
⋅=′
e
er
rn
x
Rk
ksk
(5.72)
gdzie: Re - granica plastyczności słabszego z łączonych materiałów, xe - współczynnik bez-
pieczeństwa w układach w których nie dopuszcza się odkształceń plastycznych
przyjmuje się xe = 1,6, n – indeks określający rodzaj naprężenia, przyjmuje oznacze-
nia: r (dla rozciągania), c (dla ściskania), g (dla zginania), t (dla ścinania), s (dla skrę-
cania), s - współczynnik statycznej wytrzymałości spoiny uwzględniający rodzaj na-
prężenia i jakość spoiny. Wartości tego współczynnika ujęto w tablicy 5.23.
Warunek wytrzymałościowy przy obciążeniach statycznych
Podane poniżej warunki wytrzymałościowe spoin odnoszą się do obciążeń statycz-
nych. W przypadku zmęczeniowego charakteru obciążeń przyjmuje się jako obliczeniową
wartość obciążenia, jego wartość maksymalną. Naprężenia dopuszczalne k’z także ulegają
zmianie.
Spoiny czołowe
• Spoiny rozciągane osiowo (rys. 5.34a dla b = 0):
σ =⋅
≤ ′Q
a lk r (5.73)
5.0. Połączenia
– 97 –
gdzie: k’r - naprężenia dopuszczalne przy rozciąganiu spoiny, a – obliczeniowa szerokość spoiny, l – obliczeniowa długość spoiny.
Tabl. 5.23. Wartości współczynnika statycznej wytrzymałości spoiny s.
dla stali o Re min, MPa Rodzaj
spoiny
Rodzaj
naprężenia Re ≤ 255 255 < Re ≤
355
355 < Re ≤
460
Ściskanie osiowe
Ściskanie przy zginaniu 1,0 1,0 1,0
Rozciąganie osiowe
Rozciąganie przy zgina-
niu
0,851)
0,81)
0,81)
Czołowa
Ścinanie i skręcanie 0,6 0,6 0,6
Pachwi-
nowa Ścinanie i skręcanie 0,8 0,7 0,6
1) Wyszczególnione wartości dotyczą spoin kontrolowanych zgrubnie. W
przypadku badanych defektoskopowo (radiologicznie, ultradźwięko-
wo) przyjmuje się s = 1,0.
• Spoiny rozciągane nieosiowo (rozciąganie ze zginaniem, rys. 5.34a):
rks1,1l
b61
la
Q⋅⋅≤
⋅+⋅
⋅=σ (5.74)
• Spoiny zginane („czyste” zginanie dwuosiowe, rys. 5.34b):
g2
y
2
z
y
y
z
zg k1,1
al
M6
al
M6
W
M
W
M ′⋅≤⋅
⋅+
⋅⋅
=+=σ (5.75)
• Spoiny zginane i ścinane (rys. 5.34c):
′⋅≤τ⋅+
σ=σ
⋅=τ′≤
⋅⋅⋅
=⋅
=σ
g
2
t
2
g
red
tg2
z
g
k1,13s
al
Pk
al
cP6
W
cP
(5.76)
w przypadku gdy c ≤ 0,5a można pominąć sprawdzanie σ i σred.
c) b) a)
a
Q b
P
Q l
l/2
Mz
My
c
Rys. 5.34. Spoiny czołowe - plan
obciążeń, a - rozciągane,
b – zginane dwuosiowo, c
- ścinane i zginane
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 98 –
W przypadku obliczeń spawanego środnika belki dwuteowej należy przyjąć wskaźnik
wytrzymałości przekroju na zginanie Wx dla całego przekroju belki (spoina przenosi tyko
część obciążeń gnących).
Spoiny pachwinowe i otworowe
• Spoiny obciążone siłą tnącą (rys. 5.35a, przy osiowym ścinaniu: e = b/2.):
( )
′≤⋅⋅
⋅=τ
′≤⋅⋅−⋅
=τ
t
22
2t
t
11
1t
klab
eQ
klab
ebQ
(5.77)
• Spoiny obciążone momentem skręcającym (rys. 5.35b):
s2
sr
s
0
ss k
ad
M2
W
M ′≤⋅⋅π
⋅==τ (5.78)
• Spoiny obciążone momentem gnącym i siłą ścinającą (rys. 5.35c):
( )
′⋅≤τ⋅+σ=σ
+⋅⋅=τ′≤
⋅⋅⋅
=σ
g
2
t
2
gred
tg
z
g
k1,13
bha2
Pk
I2
hlP
(5.79)
gdzie: 2 (h + b) - łączna długość odcinków spoin w kierunku równoległym do siły Q, Iz -
moment bezwładności kładu przekrojów spoiny:
Ih a b a
b ah a
z = ⋅⋅
+⋅
+ ⋅ ⋅+
212 12 2
3 3 2
(5.79a)
W spoinach belek dwuteowych (rys. 5.27) łączących środnik z pasami (półkami) wa-
runek wytrzymałościowy spoin położonych poza miejscem przyłożenia skupionych sił ze-
a
b) c) a) l
P l1
Q e
a h
b
a b l2 ds
Rys. 5.35. Wybrane spoiny pachwinowe, a - ścinane, b - skręcane, c - ścinane i zginane
Ms
5.0. Połączenia
– 99 –
wnętrznych określony jest wzorami:
- dla spoin ciągłych:
( )12
th
2
thtb
12
tb2I
2
thtbS
kIa2
SP
3
s
2
p
p
3
p
z
pp
t
z
t
⋅+
+⋅⋅+
⋅⋅=
+⋅⋅=
′≤⋅⋅
⋅=τ
(5.80)
gdzie: a – grubość spoiny,
- dla spoin przerywanych:
t
1z
t kl
t
Ia2
SP ′≤⋅⋅⋅
⋅=τ (5.80a)
W miejscu przyłożenia siły rozłożonej P na długości c warunki wytrzymałości mają postać:
( )
( ) A
P
t2ca2
P
2
2
k3
p
r
222
=τ⋅+⋅⋅
⋅=τ=σ
′≤τ+τ⋅+σ⋅χ=σ
αα
αα
(5.81)
gdzie: A – powierzchnia przekroju dwuteownika.
Warunek wytrzymałościowy przy obciążeniach zmęczeniowych
Warunek wytrzymałościowy dla spoin obciążonych zmęczeniowo opisany jest wzora-
mi:
⋅
−β−+β⋅
⋅≤∪=τ
⋅
−β−+β⋅
⋅≤∪=σ
RR
Z
R
Zx
Z
W
M
F
P
RR
Z
R
Zx
Z
W
M
F
Q
et
t
te
tz
ts
e
rc
e
rcz
rc
x
g
,
0
max,maxmax
max,maxmax
2
2
(5.82)
t
th
b
s
p
p
l1
P
t
c
Rys. 5.36. Spoiny belek dwute-
owych
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 100 –
Tab. 5.24. Współczynnik działania karbu w spoinach [3].
Rodzaj połączenia Współcz. β Lp.
Widok Przekrój St3S 18G2
1
1,0 1,0
2
1,2 1,33
3
1,4 1,8
4
1,6 2,2
5
2,0 2,3
6
a = b, a ≥ 2
2,3 3,2
7
2,5 3,5
8 jak lp. 6 przy a = b, a = 1 3,0 4,0
9
3,4 4,4
10
4,0 4,9
gdzie: Qmax, Pmax - maksymalna wartość siły rozciągającej lub ścinającej spoinę, Mg,max, Ms,
max - maksymalna wartość momentu zginającego lub skręcającego spoinę, Wx, W0 -
wskaźnik wytrzymałości przekroju spoiny przy zginaniu i skręcaniu, Zrc, Zt - długo-
trwała granica wytrzymałości zmęczeniowej materiału przy rozciąganiu (ściskaniu) i
przy ścinaniu (Zt = Zs), xz - zmęczeniowy współczynnik bezpieczeństwa spoin, powi-
nien zawierać się w zakresie xz = 1,6 ÷ 1,8, β - współczynnik działania karbu, Zależy
od rodzaju spoiny, kształtu złącza i materiału łączonych półfabrykatów; dla stali St3S i
18G2 wartości tego współczynnika przedstawiono w tablicy 5.24, Re, Ret - granica
plastyczności dla rozrywania i przy ścinaniu, R - współczynnik asymetrii cyklu:
b a
5.0. Połączenia
– 101 –
1
1RR
max
min
max
min
+−
=∪=κκκκκκκκ
ττττττττ
σσσσσσσσ
(5.83)
gdzie: κ - współczynnik stałości obciążenia (wz. 3.9).
Piśmiennictwo
[1] PN-90/B-03200 Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie. PKNMiJ,
[2] PN-76/B-03001 Konstrukcje i podłoża budowli. Ogólne zasady obliczeń, PKNMiJ,
[3] M. Dietrich: Podstawy Konstrukcji Maszyn, tom II, WNT, Warszawa 1995.
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 102 –
5.5. Połączenia zgrzewane
Nominalne średnice zgrzeiny punktowej wg [2] przedstawiono w tablicy 5.25.
Tab. 5.25. Nominalna średnica zgrzeiny punktowej.
Klasa zgrzeiny Grubość elementów
łączonych, mm A B C
do 0,5 4 3
0,5 ÷ 1,0 5 4
1,0 ÷ 1,5 6 5
1,5 ÷ 2,0 7 6
2,0 ÷ 2,5 8 7
2,5 ÷ 3,0 9 8
Nie
określa
się
Klasa A (jakość wysoka) - kompleksowe sterowanie elektroniczne zgrzewarką,
- zmienne, nastawialne warunki zgrzewania,
- hydrauliczny lub pneumatyczny docisk elektrod.
Klasa B (jakość normalna) - zmienne, nastawialne warunki zgrzewania,
- sterowanie czasu zgrzewania,
- docisk elektromagnetyczny lub jak w klasie A.
Klasa C (bez jakości) - nie określa się.
Ilość zgrzein punktowych w złączu:
Rys. 5.28. Współczynnik wytrzy-
małości zmęczeniowej zgrze-
in w funkcji wsp. asymetrii
cyklu zmęczeniowego ρ =
σmin/σmax wg [3]: 1- materiał
rodzimy o grubości g = 1 ÷
5 mm, 2 - złącze dwunakład-
kowe symetryczne, 3 - złącze
zakładkowe
5.0 Połączenia
– 103 –
P
Qxmz mzm ⋅⋅= (5.84)
gdzie: mzm - współczynnik wytrzymałości zmęczeniowej, rysunek 5.36 (dla obciążeń sta-
tycznych mzm = 1), xm - współczynnik bezpieczeństwa liczony względem wytrzyma-
łości doraźnej materiału, Q - siła obciążająca złącze, P - siła niszcząca jedną zgrzeinę,
wg tablicy 5.26.
Tabl. 5.23. Siła niszcząca pojedynczej zgrzeiny P [kN] wg [3].
Klasa A Klasa B Klasa C Gr. blach
mm Rm=300 MPa 340 380 300 340 380 300 340 380
0,5 + 0,5 2,3 2,5 2,9 1,3 1,4 1,6 0,9 1,0 1,1
1,0 + 1,0 4,3 5,0 5,5 2,8 3,2 3,5 2,2 2,4 2,7
1,5 + 1,5 7,1 8,0 9,1 4,9 5,5 6,3 4,0 4,5 5,1
2,0 + 2,0 10,5 12,0 13.2 7,7 8,8 9,7 6,5 7,4 8,1
2,5 + 2,5 14,7 16,7 18,7 11,2 12,8 14,3 9,7 11,0 12,4
3,0 + 3,0 19,2 21,8 24,3 15,2 17,2 19,2 13,3 15,1 16,9
Piśmiennictwo
[1] Dietrich M. i inni: Podstawy Konstrukcji Maszyn t. 2, PWN, Warszawa 1988.
[2] PN-74/M-69020 Spawalnictwo. Klasyfikacja jakości zgrzein punktowych, PKNMiJ,
[3] PN-74/M-69021 Wytyczne projektowania, wykonywania i kontroli złączy zgrzewanych
punktowo, PKNMiJ.
Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
– 104 –
5.6 Połączenia nitowane
5.6.1. Połączenia zwykłe
Obliczenie połączeń nitowanych wymaga spełnienie następujących warunków:
- wytrzymałość na naciski powierzchniowe nitu i elementów łączonych:
σ d d
Q
n d gk=
⋅ ⋅≤
min
(5.85)
gdzie: Q - siła obciążająca złącze, n - ilość nitów w złączu, d - średnica nitu, gmin - najmniej-
sza suma grubości elementów łączonych przenoszących obciążenie w tym samym kie-
runku, kd - naciski dopuszczalne td k5,2k ⋅≅ , kt - naprężenia dopuszczalne na ścina-
nie:
− połączenia zwykłe: kt = 80 ÷ 210 MPa,
− połączenia mocno-szczelne: kt = 42,5 ÷ 70 MPa,
− wartości wyższe przyjmować dla materiałów łączonych o wyższych wartościach Re, niższe
dla większej ilości nitów.
- wytrzymałość na ścinanie nitu:
τπt t
Q
d n zk=
⋅ ⋅ ⋅≤
2 (5.86)
gdzie: z - ilość powierzchni ścinanych.
- wytrzymałość elementów łączonych na rozrywanie (ściskanie):
( )σ r r
Q
l n d gk=
− ⋅ ⋅≤
max min
(5.87)
gdzie: l - szerokość złącza, nmax - liczba nitów w pierwszym rzędzie nitowym przy połącze-
niach blach lub kształtowników lub w rzędzie najbliższym środka złącza przy połą-
czeniu nakładkowym, kr - naprężenia dopuszczalne na rozrywanie elementów łączo-
nych.
Zalecenia konstrukcyjne
Odstęp osi nitów od brzegu blachy: e ≤ 1,6 d.
W połączeniach mocnych przyjmuje się średnicę nitów d ≅ 2 g (g – ogólnie, suma
grubości złącza).
5.0 Połączenia
– 105 –
Materiał nitów znormalizowanych: St2N Rm = 340 ÷ 420 MPa, Re = 190 MPa, A10
= 26 %. Materiały elementów złącza przyjmować o właściwościach podobnych do materiału
nitów.
5.6.2. Zbiorniki ciśnieniowe
Zbiorniki ciśnieniowe o płaszczu nitowanym wymagają spełnienia następujących za-
leżności:
≤⋅⋅π⋅⋅
=τ
≤⋅⋅
⋅=σ
t21
r1
kmd
Dp2
kvg2
Dp
(5.88)
gdzie: p - ciśnienie maksymalne w zbiorniku, D - średnica walczaka, g - grubość ścianki (po-
za złączem), v - współczynnik osłabienia złącza:
vt n d
t
x=− ⋅
(5.89)
t - podziałka nitów w rzędzie, m - ilość rzędów w szwie, kt - naprężenia dopuszczalne
na ścinanie (tabl. 5.27).
Tabl. 5.27. Wartości naprężeń dopuszczalnych na ścinanie.
Rodzaj połączenia m kt, MPa
1 70
2 65 Zakładkowe
3 60
2 60 Nakładkowe
podwójne 4 57,5
Piśmiennictwo
[1] Dietrich M. i inni: Podstawy Konstrukcji Maszyn t. 2, PWN, Warszawa 1988.
[2] PN-70/M-82952. Nity z łbem kulistym, PKNMiJ,
[3] PN-70/M-82954. Nity z łbem płaskim, PKNMiJ,
[4] PN-70/M-82956. Nity z łbem soczewkowym niskim, PKNMiJ,
[5] PN-70/M-82957. Nity z łbem soczewkowym, PKNMiJ,
[6] PN-70/M-82958. Nity z łbem grzybkowym, PKNMiJ,
[7] PN-70/M-82959. Nity z łbem trapezowym, PKNMiJ.