Проектирование соединений стальных конструкций
Сварные соединения
14.1.1 При проектировании стальных конструкций со сварными соединениями следует:
назначать минимальные размеры сварных швов с учетом требований 14.1.4 -14.1.6, а также применять минимально необходимое количество расчетных и конструктивных сварных швов;
обеспечивать свободный доступ к местам выполнения сварных соединений с учетом выбранного вида и технологии сварки.
14.1.2 Основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений следует принимать по ГОСТ 5264, ГОСТ 8713, ГОСТ 11533, ГОСТ 11534, ГОСТ 14771, ГОСТ 23518.
14.1.3 При выборе электродов, сварочной проволоки и флюсов следует учитывать группы конструкций и расчетные температуры, указанные в приложениях В и Г.
14.1.4 При проектировании сварных соединений следует исключать возможность хрупкого разрушения конструкций согласно требованиям раздела 13.
14.1.5 При проектировании тавровых и угловых сварных соединений элементов стальных конструкций с растягивающими напряжениями в направлении толщины проката с целью исключения возможности слоистого разрушения металла под сварным швом, как правило, следует:
применять стали для конструкций группы 1 согласно приложению В, с пределом текучести до 375 Н/мм2, а также стали с гарантированными механическими свойствами в направлении толщины проката согласно требованиям ГОСТ 28870;
применять сварочные материалы с пониженной прочностью и повышенной пластичностью; использовать технологические приемы сварки, направленные на снижение остаточных сварочных напряжений; не применять порошковую проволоку;
отказаться от применения одностороннего углового шва и перейти к двустороннему;
заменять угловые соединения тавровыми, а в последних обеспечивать отношение ширины свеса к толщине элементов не менее 1;
применять разделки кромок, обеспечивающие снижение объема наплавленного металла.
14.1.6 Сварные стыковые соединения листовых деталей, как правило, следует проектировать прямыми с полным проваром и с применением выводных планок. В монтажных условиях допускается односторонняя сварка с подваркой корня и сварка на остающейся стальной подкладке.
14.1.7 Размеры сварных угловых швов и конструкция соединения должны удовлетворять следующим требованиям:
а) катет углового шва kf не должен превышать l,2t, где t - наименьшая из толщин свариваемых элементов;
катет шва, наложенного на закругленную кромку фасонного проката толщиной t, как правило, не должен превышать 0,9t;
б) катет углового шва kf должен удовлетворять требованиям расчета и быть, как правило, не меньше указанного в таблице 38; при возможности обеспечения большей глубины провара катет шва (от 5 мм и более) в тавровом двустороннем, а также в нахлесточном и угловом соединениях допускается принимать меньше указанного в таблице 38, но не менее 4 мм; при этом дополнительным контролем должно быть установлено отсутствие дефектов, в том числе технологических трещин;
Таблица 38
| Вид соединения | Вид сварки | Предел текучести стали, Н/мм2 | Минимальный катет шва kf, мм, при толщине более толстого из свариваемых элементов t, мм | ||||||
| 4-5 | 6-10 | 11-16 | 17-22 | 23-32 | 33-40 | 41-80 | |||
| Тавровое с двусторонними угловыми швами Нахлесточное и угловое | Ручная дуговая | До 285 | |||||||
| Св. 285 до 390 | |||||||||
| » 390 » 590 | |||||||||
| Автоматическая и механизированная | До 285 | ||||||||
| Св. 285 до 390 | |||||||||
| » 390» 590 | |||||||||
| Тавровое с односторонними угловыми швами | Ручная дуговая | До 375 | |||||||
| Автоматическая и механизированная | |||||||||
| Примечания 1 В конструкциях из стали с пределом текучести свыше 590 Н/мм2, а также из всех сталей при толщине элементов более 80 мм минимальный катет швов следует принимать по специальным техническим условиям. 2 В конструкциях группы 4 минимальный катет односторонних угловых швов следует уменьшать на 1 мм при толщине свариваемых элементов до 40 мм и на 2 мм - при толщине элементов свыше 40 мм. |
в) расчетная длина углового шва должна быть не менее 4 kf и не менее 40 мм;
г) расчетная длина флангового шва должна быть не более 85 βf kf, за исключением швов, в которых усилие действует на всем протяжении шва (здесь (βf - коэффициент, принимаемый согласно таблице 39);
д) размер нахлестки должен быть не менее пяти толщин наиболее тонкого из свариваемых элементов;
е) соотношение размеров катетов угловых швов следует принимать, как правило, 1:1; при разных толщинах свариваемых элементов допускается принимать швы с неравными катетами; при этом катеты, примыкающие к более тонкому либо к более толстому элементу, должны удовлетворять требованиям соответственно 14.1.7,а либо 14.1.7,б;
ж) угловые швы следует выполнять с плавным переходом к основному металлу в конструкциях, возводимых в районах с расчетными температурами ниже минус 45 °С, а также в случаях, когда плавный переход обеспечивает повышение расчетного сопротивления усталости сварных соединений.
14.1.8 Для угловых швов, размеры которых установлены в соответствии с расчетом, для элементов из стали с пределом текучести до 285 Н/мм2 следует, как правило, применять электродные материалы, удовлетворяющие условиям:
Rwf > Rwz - при механизированной сварке;
1,1 Rwz ≤ Rwf ≤ Rwz βz / βf - при ручной сварке;
Таблица 39
| Вид сварки при диаметре сварочной проволоки сплошного сечения d, мм | Положение шва | Коэффициент | Значения коэффициентов βf и βz при нормальных режимах сварки и катетах швов, мм | |||||
| 3-8 | 9-12 | 14-16 | св. 16 | |||||
| Автоматическая при d = 3 -5 | В лодочку | βf | 1,1 | 0,7 | ||||
| βz | 1,15 | 1,0 | ||||||
| Нижнее | βf | 1,1 | 0,9 | 0,7 | ||||
| βz | 1,15 | 1,05 | 1,0 | |||||
| Автоматическая и механизированная при d = 1,4 - 2 | В лодочку | βf | 0,9 | 0,8 | 0,7 | |||
| βz | 1,05 | 1,0 | ||||||
| Нижнее, горизонтальное, вертикальное | βf | 0,9 | 0,8 | 0,7 | ||||
| βz | 1,05 | 1,0 | ||||||
| Ручная и механизированная при d < 1,4 или порошковой проволокой | В лодочку | βf | 0,7 | |||||
| Нижнее, горизонтальное, вертикальное, потолочное | βz | 1,0 | ||||||
для элементов из стали с пределом текучести свыше 285 Н/мм2 допускается применять электродные материалы, удовлетворяющие условию Rwz < Rwf < Rwz βz / βf (здесь βf и βz - коэффициенты, зависящие от технологии сварки и катета шва и определяемые по таблице 39).
14.1.9 Односторонние угловые швы в тавровых соединениях элементов из стали с пределом текучести до 375 Н/мм2, как правило, следует применять в конструкциях, эксплуатируемых в неагрессивной или слабоагрессивной среде (классификация по СНиП 2.03.11) в отапливаемых помещениях:
для прикрепления промежуточных ребер жесткости и диафрагм - в конструкциях всех групп, кроме конструкций группы 1, рассчитываемых на усталость;
для поясных швов сварных двутавров - в конструкциях групп 2 и 3 (кроме балок с условной гибкостью стенки 
при толщине стенки tw в колоннах и стойках до 12 мм и в балках до 10 мм, при выполнении швов механизированной сваркой с катетом шва kf ≥0,8tw / βf; при этом следует учитывать требования 15.3.3 и 15.5.5;
для всех конструктивных элементов - в конструкциях группы 4.
Катеты односторонних швов следует принимать по расчету, но не менее указанных в таблице 38.
Односторонние угловые швы не следует применять в конструкциях зданий и сооружений, относящихся к 1 уровню ответственности, возводимых в районах с сейсмичностью 8 баллов и выше, в районах с расчетной температурой ниже минус 45°С, в конструкциях групп 1, 2, 3 в зданиях с кранами режимов работы 7К (в цехах металлургических производств) и 8К, а также в балках и ригелях рамных конструкций, рассчитываемых согласно требованиям 8.2.3, 8.2.6 и 8.2.7.
14.1.10 Прерывистые угловые сварные швы допускается применять при статической нагрузке при избыточной несущей способности непрерывного шва минимального размера для соединений в конструкциях группы 4, а также в реконструируемых конструкциях группы 3, в районах, кроме имеющих расчетную температуру ниже минус 45 °С, и эксплуатируемых в неагрессивных или слабоагрессивных средах.
Размеры сварного шва должны соответствовать требованиям 14.1.7.
Расстояние s между участками сварных швов (рисунок 19), как правило, не должно превышать одного из значений: 200 мм, 12tmin атом элементе (tmin - толщина самого тонкого из соединяемых элементов), 16tmin в растянутом элементе. В конструкциях группы 4 расстояние s допускается увеличить на 50 %.
а - в нахлесточном соединении; б - в тавровом соединении
Рисунок 19 - Схема прерывистых угловых сварных швов
При наложении прерывистого шва следует предусматривать шов по концам соединяемых частей элементов; длина lw1этого шва в элементах составного сечения из пластин должна быть не менее 0,75 b, где b - ширина более узкой из соединяемых пластин.
14.1.11 Угловые сварные швы, расположенные по периметру отверстий или прорезей, допускается применять в нахлесточных соединениях в случаях, предусмотренных 14.1.10, для передачи усилий в плоскости нахлестки, предотвращения потери устойчивости элементов нахлестки или конструктивных соединений элементов.
14.1.12 Пробочные швы, заполняющие наплавленным металлом всю площадь круглых или щелевых отверстий, допускается применять в нахлесточных соединениях в случаях, предусмотренных 14.1.10, только для предотвращения потери устойчивости элементов нахлестки или для конструктивных соединений элементов.
Толщина пробочного шва должна быть: не менее толщины t просверленного или прорезанного элемента, но не более 16 мм; не менее 0,1 длины прорези либо значений 0,45d или 0,45b (где d и b - диаметр отверстия и ширина прорези, равные d ≥ t + 8 мм и b ≥ t + 8 мм).
Расстояние между центрами отверстий или продольными осями прорезей должно быть не менее 4d или 4b.
14.1.13 Применение комбинированных соединений, в которых часть сдвигающего усилия воспринимается фрикционным соединением, а часть - сварными швами, допускается при условии, что сварка выполнена после затяжки болтов на расчетное усилие и с последующей их дотяжкой в случае необходимости.
Распределение усилия между фрикционными и сварными соединениями допускается принимать пропорционально их несущим способностям. Применение в комбинированных соединениях болтов без контролируемого натяжения не допускается.
14.1.14 Расчет сварных стыковых соединений при действии осевой силы N, проходящей через центр тяжести соединения, следует выполнять по формуле
(175)
где t - наименьшая из толщин соединяемых элементов;
lw - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на 2t, или полной его длине, если концы шва выведены за пределы стыка.
При расчете сварных стыковых соединений элементов из стали с отношением Ru / γu > Ry, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, а также из стали с пределом текучести Ryn > 440 Н/мм2 в формуле (175) вместо Rwy следует принимать Rwu / γu.
Расчет сварных стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов согласно приложению Г, полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества соединений при растяжении.
14.1.15 Сварные стыковые соединения, выполненные без физического контроля качества, при одновременном действии в одном и том же сечении шва нормальных σwx и σwy у и касательных τwxy напряжений следует проверять по формуле (44), принимая в ней
14.1.16 Расчет сварного соединения с угловыми швами при действии силы N, проходящей через центр тяжести соединения, следует выполнять на срез (условный) по одному из двух сечений (рисунок 20) по формулам:
(176)
(177)
где lw - расчетная длина швов в сварном соединении, равная суммарной длине всех его участков за вычетом по 1 см на каждом непрерывном участке шва;
βf, βz - коэффициенты, принимаемые по таблице 39.
1 - по металлу шва; 2 - по металлу границы сплавления
Рисунок 20 -Схема расчетных сечений сварного соединения с угловым швом
14.1.17 Расчет сварных соединений с угловыми швами при действии момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, следует выполнять на срез (условный) по одному из двух сечений (см. рисунок 20) по формулам:
по металлу шва
(178)
по металлу границы сплавления
(179)
где Wf и Wz - моменты сопротивления расчетных сечений сварного соединения по металлу шва и по металлу границы сплавления соответственно.
14.1.18 Расчет сварного соединения с угловыми швами при действии момента М в плоскости расположения этих швов следует выполнять на срез (условный) по одному из двух сечений (см. рисунок 20) по формулам:
по металлу шва
(180)
по металлу границы сплавления
(181)
где х и у - координаты точки сварного соединения, наиболее удаленной от центра тяжести О расчетного сечения этого соединения (рисунок 21);
Ifx, Ifу - моменты инерции расчетного сечения сварного соединения по металлу шва относительно его главных осей х - х и у - у соответственно;
Izx, Izу - то же, по металлу границы сплавления.
Рисунок 21 - Расчетная схема сварного соединения
14.1.19 При расчете сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной N и поперечной V сил и момента М (см. рисунок 21) должны быть выполнены условия
(182)
где τf и τz - напряжения в точке расчетного сечения сварного соединения по металлу шва и по металлу границы сплавления соответственно, определяемые по формуле
(183)
14.1.20 Нахлесточные соединения элементов толщиной до 4 мм допускается осуществлять точечным швом дуговой сваркой сквозным проплавлением; при этом несущую способность одной точки следует принимать равной меньшему из двух предельных значений:
при срезе
(184)
при вырыве
(185)
где d - диаметр точечного шва в плоскости соединяемых элементов, принимаемый по ГОСТ 14776;
при применении способа сварки, не предусмотренного ГОСТ 14776, значение d следует согласовывать и принимать в установленном порядке;
β = 1,1 при сварке элементов равной толщины;
β = 1,9 при сварке элементов с разными толщинами, отличающимися в 2 и более раза; при меньшем отличии в толщинах значение β следует принимать по интерполяции;
t - меньшая из толщин свариваемых элементов.
Болтовые соединения
14.2.1 Для болтовых соединений элементов стальных конструкций следует применять болты согласно приложению Г.
14.2.2 Болты следует размещать согласно требованиям таблицы 40, при этом в стыках и в узлах на минимальных расстояниях, а соединительные конструктивные болты, как правило, на максимальных расстояниях.
При прикреплении уголка одной полкой болтами, размещаемыми в шахматном порядке, отверстие, наиболее удаленное от его конца, следует размещать на риске, ближайшей к обушку.
Допускается крепить элементы одним болтом.
14.2.3 Болты класса точности А следует применять для соединений, в которых отверстия просверлены на проектный диаметр в собранных элементах, либо по кондукторам в отдельных элементах и деталях, либо просверлены или продавлены на меньший диаметр в отдельных деталях с последующей рассверловкой до проектного диаметра в собранных элементах.
Болты классов точности В в многоболтовых соединениях следует применять для конструкций из стали с пределом текучести до 375 Н/мм2.
В соединениях, где болты работают преимущественно на растяжение, как правило, следует применять болты классов точности В или высокопрочные.
14.2.4 Болты, имеющие по длине ненарезанной части участки с различными диаметрами, не следует применять в соединениях, в которых эти болты работают на срез.
14.2.5 Резьба болта, воспринимающего сдвигающее усилие, в элементах структурных конструкций, опор линий электропередачи и открытых распределительных устройств, а также в соединениях при толщине наружного элемента до 8 мм должна находиться вне пакета соединяемых элементов; в остальных случаях резьба болта не должна входить вглубь отверстия более чем на половину толщины крайнего элемента со стороны гайки или свыше 5 мм.
14.2.6 Установку шайб на болты следует выполнять согласно требованиям СНиП 3.03.01.
В расчетных соединениях с болтами классов точности А и В (за исключением крепления вспомогательных конструкций) следует предусматривать меры против самоотвинчивания гаек (постановка пружинных шайб, вторых гаек и др.).
Таблица 40
| Характеристика расстояния и предела текучести соединяемых элементов | Расстояние при размещении болтов |
| 1 Расстояние между центрами отверстий для болтов в любом направлении: | |
| а) минимальное: | |
| при Rуп ≤ 375 Н/мм2 | 2,5d |
| при Rуп > 375 Н/мм2 | 3d |
| б) максимальное в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков при растяжении и сжатии | 8d или 12t |
| в) максимальное в средних рядах, а также в крайних рядах при наличии окаймляющих уголков: | |
| при растяжении | 16d или 24t |
| при сжатии | 12d или 18t |
| 2 Расстояние от центра отверстия для болта до края элемента | |
| а) минимальное вдоль усилия: | |
| при Ryn ≤ 375 Н/мм2 | 2d |
| при Ryn > 375 Н/мм2 | 2,5d |
| б) то же, поперек усилия: | |
| при обрезных кромках | 1,5d |
| при прокатных кромках | 1,2d |
| в) максимальное | 4d или 8t |
| г) минимальное во фрикционном соединении при любой кромке и любом направлении усилия | 1,3d |
| 3 Расстояние минимальное между центрами отверстий вдоль усилия для болтов, размещаемых в шахматном порядке | и + 1,5d |
| Обозначения, принятые в таблице 40: d - диаметр отверстия для болта; t - толщина наиболее тонкого наружного элемента; и - расстояние поперек усилия между рядами отверстий. Примечания 1 Диаметр отверстий следует принимать: для болтов класса точности A d = db; для болтов класса точности В в конструкциях опор ВЛ, ОРУ и КС d = db + 1 мм, в остальных случаях d = db + (1; 2 иди 3 мм), где db - диаметр болта. 2 В одпоболтовых соединениях элементов решетки (раскосов и распорок), кроме постоянно работающих на растяжение, при толщине элементов до 6 мм из стали с пределом текучести до 375 Н/мм2 расстояние от края элемента до центра отверстия вдоль усилия допускается принимать 1,35d (без допуска при изготовлении элементов в сторону уменьшения, о чем должно быть указано в проекте). 3 При размещении болтов в шахматном порядке на расстоянии, не менее указанного в поз. 3. сечение элемента An следует определять с учетом ослабления его отверстиями, расположенными в одном сечении поперек усилия (не по зигзагу). |
14.2.7 На скошенных поверхностях соединяемых деталей и элементов (внутренние грани полок двутавров и швеллеров) под головки болтов или гайки следует устанавливать косые шайбы.
14.2.8 Диаметр отверстия для болтов в элементах из проката должен соответствовать ГОСТ 24839 и примечанию 1 таблицы 40.
14.2.9 Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним болтом, в зависимости от вида напряженного состояния следует определять по формулам:
при срезе
(186)
при смятии
(187)
при растяжении
(188)
где Rbs, Rbp, Rbt - расчетные сопротивления одноболтовых соединений;
Аb и Аbп - площади сечений стержня болта брутто и резьбовой части нетто соответственно, принимаемые согласно таблице Г.9 приложения Г;
ns - число расчетных срезов одного болта;
db - наружный диаметр стержня болта;
Σt - наименьшая суммарная толщина соединяемых элементов, сминаемых в одном направлении;
γс - коэффициент условий работы, определяемый по таблице 1;
γb - коэффициент условий работы болтового соединения, определяемый по таблице 41 и принимаемый не более 1,0.
14.2.10 При действии на болтовое соединение силы N, проходящей через центр тяжести соединения, распределение этой силы между болтами следует принимать равномерным. В этом случае количество болтов в соединении следует определять по формуле
(189)
где Nb,min - наименьшее из значений Nbs или Nbp, либо значение Nbt, вычисленное согласно требованиям 14.2.9.
В случаях когда в стыке расстояние l между крайними болтами вдоль сдвигающего усилия превышает 16d, значение п в формуле (189) следует увеличивать путем деления на коэффициент β = 1 - 0,005(l / d - 16), принимаемый равным не менее 0,75. Это требование не распространяется при действии усилия по всей длине соединения (например, в поясном соединении балки).
14.2.11 При действии на болтовое соединение момента, вызывающего сдвиг соединяемых элементов, распределение усилий на болты следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта.
Усилие в наиболее нагруженном болте Nb,max не должно превышать меньшего из значений Nbs или Nbp, вычисленных согласно требованиям 14.2.9.
14.2.12 При одновременном действии на болтовое соединение силы и момента, действующих в одной плоскости и вызывающих сдвиг соединяемых элементов, болты следует проверять на равнодействующее усилие (в наиболее нагруженном болте, которое не должно превышать меньшего из значений Nbs или Nbp, вычисленных согласно требованиям 14.2.9).
Таблица 41
| Характеристика | Предел текучести Ryn cтали соединяемых элементов, Н/мм2 | Значения a/d, s/d | Значение коэффициента γb | |
| болтового соединения | напряженного состояния | |||
| Одноболтовое, болт классов точности А, В или высокопрочный | Срез | - | - | 1,0 |
| Смятие | До 285 | 1,5 ≤ a/d ≤ 2; 1,35 ≤ a/d < 1,5 | 0,4a/d + 0,2 | |
| a/d - 0,7 | ||||
| Св. 285 | 0,5a/d | |||
| до 375 | 0,67a/d - 0,25 | |||
| Св. 375 | a/d ≥ 2,5 | 1,0 | ||
| Многоболтовое, болты класса точности А | Срез | - | - | 1,0 |
| Смятие | До 285 | 1,5 ≤ a/d ≤ 2 2 ≤ s/d ≤ 2,5 | 0,4a/d + 0,2 | |
| 0,4s/d | ||||
| Св. 285 | 0,5a/d | |||
| до 375 | 0,5s/d - 0,25 | |||
| Св. 375 | a/d ≥ 2,5 | 1,0 | ||
| s/d ≥ 3 | 1,0 | |||
| Обозначения, принятые в таблице 41: а - расстояние вдоль усилия от края элемента до центра ближайшего отверстия; s - расстояние вдоль усилия между центрами отверстий; d - диаметр отверстия для болта. Примечания: 1 Для расчета многоболтового соединения на срез и смятие при болтах класса точности В, а также при высокопрочных болтах без регулируемого натяжения при всех значениях предела текучести Ryn стали соединяемых элементов значения коэффициента γb следует умножать на 0,9. 2 Для расчета многоболтового соединения на смятие следует принимать значение γb меньшее из вычисленных при принятых значениях d, a, s. |
14.2.13 При одновременном действии на болтовое соединение усилий, вызывающих срез и растяжение болтов, наиболее напряженный болт, наряду с проверкой по формуле (188), следует проверять по формуле
(190)
где Ns и Nt - усилия, действующие на болт, срезывающее и растягивающее соответственно;
Nbs и Nbt - расчетные усилия, определяемые согласно требованиям 14.2.9.
14.2.14 В креплениях одного элемента к другому через прокладки или иные промежуточные элементы, а также в элементах с односторонней накладкой количество болтов по сравнению с расчетом следует увеличивать на 10 %.
При креплениях выступающих полок уголков или швеллеров с помощью коротышей количество болтов, прикрепляющих коротыш к этой полке, по сравнению с результатом расчета следует увеличивать на 50 %.
14.2.15 Фундаментные (анкерные) болты следует проверять согласно требованиям СНиП 2.09.03.