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.