STRUCTURISTIK | Расчетные сопротивления угловых сварных швов

Согласно требованиям пункта 6.4 СП 16.13 330.2017:
«Расчетные сопротивления сварных соединений для соединений различных видов и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в таблице 4.»

Так для угловых сварных швов требуется выполнять расчет на действие условного среза по двум сечениям: по металлу шва и по металлу границы сплавления.

Так расчетное сопротивление сварного соединения по металлу шва определяется по формуле:

где
0.55 – коэффициент;
R_wun – нормативное временное сопротивление металла шва растяжению;
γ_wm – коэффициент надежности по материалу шва.

А расчетное сопротивление по металлу границы сплавления определяется по формуле:

где
0.45 – коэффициент;
R_un – нормативное временное сопротивление металла границы сплавления.

Обе эти формулы содержат численный коэффициенты, природа и назначение которых никак не отражены в тексте СП. Давайте разберемся, что это за коэффициенты, и что они учитывают.

Эти формулы были введены в СНиП II-23−81 и с тех пор никак не изменялись. В том, чтобы разобраться с их физическим смыслом нам поможет статья, опубликованная в журнале «Строительная механика и расчет сооружений» 1983 года, под авторством к.т.н. В. М. Барышева «Основные положения расчета сварных соединений с угловыми швами в стальных конструкциях».

Расчетное сопротивление по металлу шва

Согласно тексту статьи для определения расчетных сопротивлений угловых сварных швов на срез принята формула:

где
C_f – коэффициент перехода от временного сопротивления металла шва растяжению к временному сопротивлению углового шва срезу;
R_wun – нормативное временное сопротивление металла шва растяжению;
γ_u – коэффициент надежности в расчетах по временному сопротивлению;
γ_wm – коэффициент надежности по материалу шва.

Известно, что прочность сварного шва зависит от направления усилия действующего на соединение. При этом наименьшей прочностью обладают фланговые сварные швы, работающие на чистый срез. Именно эти сварные швы и приняты для испытаний. Коэффициент Cf определен на основании испытания 150 образцов с фланговыми швами и 700 цилиндрических образцов, вырезанных из металла шва. В ходе испытаний выявлено, что разрушающее напряжение зависит от величины и направления напряжений в соединяемых элементах. Это вызвано тем, что с увеличением нормальных напряжений в в соединяемом элементе растут поперечные деформации, которые приводят к стеснению деформаций на поверхности разрушения сварного шва. Так для элементов, под действием сжатия при напряжениях в соединяемых элементах равных пределу текучести, значение коэффициента Cf равняется примерно 0.79, а при растяжении — 0.715. Наименьшие значения коэффициента Cf возникают при напряжениях в соединяемых элементах стремящихся к нулю и составляют приблизительно 0.68. Таким образом значение коэффициента Cf в отечественных нормах принято равным 0.7.

Подставив полученное значение в формулу определения прочности металла шва получим:

Таким образом коэффициент 0.55 учитывает, что выполняется расчет по пределу прочности сварного шва, при напряжениях в соединяемых элементах далеких от предела текучести.

Кажется нецелесообразным учитывать напряженное состояние элементов при проектировании сварных швов, так как в лучшем случае сжатия, прибавка составит 13% прочности шва, а при растяжении равном пределу текучести только 2%.

Расчетное сопротивление по металлу границы сплавления

Необходимость выполнения этой проверки обоснована тем, что увеличение прочности металла шва путем его легирования приводит к значительной механической неоднородности металла в сварном соединении, при которой менее прочный основной металл будет определять несущую способность соединения.

Расчетное сопротивление по металлу границы сплавления определяется следующим образом:

где
C_z – коэффициент перехода от временного сопротивления металла соединяемых элементов растяжению к временному сопротивлению металла границы сплавления срезу;
R_un – нормативное временное сопротивление основного металла растяжению;
γ_u – коэффициент надежности в расчетах по временному сопротивлению;
γ_mz – коэффициент надежности по металлу границы сплавления.
не шва, а основного металла

При выполнении испытаний, установлено, что при сварке прокатных профилей из горячекатаной стали значение коэффициента C_z может быть принято равным единице. Однако при сварке термоупрочненных сталей наблюдается значительное разупрочнение металла в околошовной зоне, и коэффициент C_zпринимает значение близкое к 0.7.

Подставим полученные значения в формулу и получим:

Нормы проектирования в запас принимают Cz равным 0.7. Возникает вопрос, актуально ли это положение с учетом современных технологий производства стали и выполнения сварки?

С этим вопросом мы обратились к одному из гостей наших подкастов — Артему Кравченко — Ведущему специалисту отдела по технологии производства проката Инженерно-технологического центра АО «Выксунский металлургический комбинат»:

ГОСТ 27 772–2021 допускает применение термически-упрочненных сталей. Применяются ли они до сих пор? Если да, насколько существенно разупрочнение термически-упрочненных сталей при сварке при современному уровне производства?

Технологию (состояние поставки) по которой будет производится прокат выбирает производитель, исходя из имеющегося на его заводе оборудования. Требования к состоянию поставки может быть указано в проекте. Что касается сварного шва — в связи с высокими скоростями нагрева и охлаждения в линии сплавления между металлом сварного шва и основным металлом проката формируется зона максимальной прочности, поэтому линия сплавления обычно является самым прочным местом сварного соединения. Если разрушение происходит по линии сплавления или металлу шва — многие нормативные документы бракуют данный продукт даже при обеспечении нормируемых характеристик прочности.

То есть снижение коэффициента C_z не актуально при современном уровне производства?

По-моему, все эти запасы рассчитаны на запас от «дурака» или были актуальны 50 лет назад в условиях примитивных концепций металлургических и сварочных технологий. Но у нас по прежнему много недобросовестных заводов металлоконструкций, которые и не соблюдают погонные энергии при сварке, и греют конструкции до 800 градусов для правки и т. п. Поэтому с нынешней культурой систем менеджмента качества — запасы нужно обязательно.

Таким образом, разупрочнение металла шва в зоне сварки всё ещё встречается, однако только в случае нарушении технологии сварки, производства и или правки стальных строительных конструкций. Установление
коэффициента C_z на значении 0.7 необоснованно занижает прочность сварного соединения и не соответствует актуальному уровню развития производства.
Надеюсь, теперь ни для кого не будет загадкой природа коэффициентов, принимаемых при определении расчетных прочностей угловых сварных швов. Если Вам была полезна эта статья — ставьте лайки и оставляйте свои комментарии в VK и TG. Не забывайте подписываться — впереди ещё много интересного. Кстати. если кто-то пропустил выпуск «Занимательное сталеварение» — очень рекомендую — один из моих любимых выпусков.

Занимательное сталеварение. Часть 1 Занимательное сталеварение. Часть 2

Если эта тема Вам интересна — подписывайтесь, ставьте лайки и оставляйте вопросы в комментариях, а я подготовлю новый материал, который, несомненно, будет Вам полезен. Спасибо!

Автор статьи:

Блинов Сергей

Инженер-конструктор

ПУБЛИКАЦИИ

Пальцевые соединения

Многие из Вас наверняка уже встречались с пальцевыми соединениями или слышали о них на конференциях. Но в наших нормах о них ничего. У Американцев, кстати тоже) Зато кое-что можно почерпнуть из Европы.