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 k_f 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 k_f 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 k_f и не менее 40 мм;

г) расчетная длина флангового шва должна быть не более 85 β_f k_f, за исключением швов, в которых усилие действует на всем протяжении шва (здесь (β_f - 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:

R_wf > R_wz - при механизированной сварке;

1,1 R_wz ≤ R_wf ≤ R_wz β_z / β_f - 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 R_wz < R_wf < R_wz β_z / β_f (здесь β_f и β_z - 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 t_w в колоннах и стойках до 12 мм и в балках до 10 мм, при выполнении швов механизированной сваркой с катетом шва k_f ≥0,8t_w / β_f; 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, 12t_min атом элементе (t_min - толщина самого тонкого из соединяемых элементов), 16t_min 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 l_w1этого 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;

l_w - 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 R_u / γ_u > R_y, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, а также из стали с пределом текучести R_yn > 440 Н/мм² в формуле (175) вместо R_wy следует принимать R_wu / γ_u.

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 σ_wx и σ_wy у и касательных τ_wxy 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 l_w - расчетная длина швов в сварном соединении, равная суммарной длине всех его участков за вычетом по 1 см на каждом непрерывном участке шва;

β_f, β_z - 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 W_f и W_z - 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);

I_fx, I_fу - моменты инерции расчетного сечения сварного соединения по металлу шва относительно его главных осей х - х и у - у соответственно;

I_zx, I_zу - 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 τ_f и τ_z - 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 или 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 R_bs, R_bp, R_bt - расчетные сопротивления одноболтовых соединений;

А_b и А_bп - площади сечений стержня болта брутто и резьбовой части нетто соответственно, принимаемые согласно таблице Г.9 приложения Г;

n_s - число расчетных срезов одного болта;

d_b - наружный диаметр стержня болта;

Σt - наименьшая суммарная толщина соединяемых элементов, сминаемых в одном направлении;

γ_с - коэффициент условий работы, определяемый по таблице 1;

γ_b - 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 N_b,min - наименьшее из значений N_bs или N_bp, либо значение N_bt, 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 N_b,max не должно превышать меньшего из значений N_bs или N_bp, 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 N_bs или N_bp, 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 N_s и N_t - усилия, действующие на болт, срезывающее и растягивающее соответственно;

N_bs и N_bt - 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.