POLITECHNIKA GDAOSKA Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Katedra Konstrukcji Metalowych i Zarządzania w Budownictwie

PROJEKTOWANIE POŁĄCZEO SPAWANYCH według PN-EN 1993-1-8

2 | S t r o n a

ZAŁOŻENIA

Postanowienia normy dotyczą stali konstrukcyjnych spawalnych przywołanych

w PN-EN 1993-1-1 (S235, S275, S355 i S460) i dotyczą sprawdzania nośności

połączeo pod obciążeniami przeważająco statycznymi

Norma odnosi się do elementów wykonanych z blach grubych, kształtowników

otwartych i zamkniętych walcowanych na gorąco jak też produkowanych na zimno

(okrągłych, kwadratowych i prostokątnych)

Reguły łączenia elementów z blach cienkich (gdy grubośd materiału jest mniejsza

niż 4mm z wyjątkiem przekrojów rurowych - 2,5mm) stosuje się PN-EN 1993-1-3

Norma obejmuje projektowanie spoin pachwinowych, pachwinowych

obwodowych, czołowych (z pełnym lub niepełnym przetopem), otworowych

(w otworach krągłych i owalnych), szerokobruzdowych

3 | S t r o n a

Materiał spoiny musi mied właściwości mechaniczne (granicę plastyczności i

wytrzymałośd na rozciąganie, wydłużenie przy zerwaniu i minimalną pracę łamania

Charpy) co najmniej takie same jak materiał rodzimy – do spawania używa się

elektrod o wytrzymałości większej niż wytrzymałośd materiału rodzimego

Spoiny są wykonane na odpowiednim poziomie jakości (zazwyczaj jest wymagany

poziom C według PN-EN ISO 5817)

Obliczanie połączeo, w których występuje kilka odcinków spoin wymaga określenia

podziału obciążenia na poszczególne ich fragmenty. Podział obciążenia w

połączeniu może byd określany w dowolny racjonalny sposób przy zachowaniu

warunków równowagi i założeniu, że nośnośd każdego fragmentu połączenia jest

wystarczająca do przeniesienia wyznaczonych sił i momentów.

4 | S t r o n a

ZASADY OBLICZANIA POŁĄCZEO SPAWANYCH

przedstawione w PN-EN 1993-1-8 są bardziej ogólne

w porównaniu z normą PN-90/B-03200, gdzie

w większym stopniu podano gotowe schematy

obliczeniowe i gotowe do zastosowania wzory dotyczące

różnych typów połączeo spawanych.

5 | S t r o n a

SPOINY PACHWINOWE

Spoiny pachwinowe można stosowad do łączenia części, których ścianki tworzą kąt

od 60° do 120°

Kąty mniejsze niż 60° są dopuszczalne przy założeniu, że spoina będzie traktowana

jako czołowa z niepełnym przetopem

Przy kątach większych od 120° nośnośd spoin pachwinowych określa się za pomocą

badao

Spoiny pachwinowe na koocach blach lub ścianek przedłuża się w sposób ciągły

pełnym przekrojem poza naroże na długośd nie mniejszą od dwóch boków

przekroju spoiny, chyba że brak dostępu to uniemożliwia (przedłużone zakooczenia

pokazuje się na rysunkach)

6 | S t r o n a

SPOINY PACHWINOWE PRZERYWANE

ELEMENTY SPAWANE ROZCIĄGANE L1 ≤ min (16t; 16t1; 200mm) ELEMENTY SPAWANE ŚCISKANE LUB ŚCINANE L2 ≤ min (12t; 12t1; 0,25b; 200mm) L1, L2 – przerwy pomiędzy odcinkami spoin Lw – odcinek spoiny Lwe – skrajny odcinek spoiny Skrajny odcinek spoiny wykonuje się zawsze na każdym koocu łączonych części. Lwe ≥ min (0,75b; 0,75b1)

7 | S t r o n a

SPOINY PACHWINOWE OBWODOWE

Spoiny pachwinowe obwodowe (w tym spoiny pachwinowe otworowe) powinny

byd stosowane tylko jako ścinane lub do zapobiegania wybrzuszeniu i separacji

części zakładkowych

Średnica otworu okrągłego / szerokośd otworu owalnego dla spoiny obwodowej nie

powinna byd mniejsza od 4-krotnej grubości blachy z otworem

Rozstaw osiowy obwodowych spoin pachwinowych nie powinien przekraczad

wartości granicznej ze względu na lokalną utratę stateczności (Tablica 3.3. dot.

rozstawów łączników)

8 | S t r o n a

SPOINY CZOŁOWE

SPOINA CZOŁOWA Z PEŁNYM PRZETOPEM – spoina, która ma całkowity przetop

i jest wtopiona w materiał rodzimy na całej grubości złącza

SPOINA CZOŁOWA Z NIEPEŁNYM PRZETOPEM – spoina, która ma głębokośd

przetopu mniejszą od całkowitej grubości materiału rodzimego

9 | S t r o n a

SPOINY OTWOROWE

Spoiny otworowe (czopowe) mogą byd stosowane jako:

- ścinane

- w celu zapobiegania wybrzuszeniu lub separacji części zakładkowych

- jako złącza pośrednie części w elementach złożonych

Nie zaleca się ich stosowad do przenoszenia przyłożonego od zewnątrz rozciągania

Średnica otworu okrągłego lub szerokośd otworu owalnego dla spoiny otworowej

powinna byd co najmniej o 8mm większa niż grubośd blachy z otworem

Stosuje się okrągłe zakooczenie otworu owalnego albo inne z zaokrąglonymi

narożami przy promieniu nie mniejszym od grubości blachy z otworem

Gdy grubośd materiału t ≤ 16mm grubośd spoiny otworowej a = t,

dla t > 16mm grubośd spoiny a = ½ t i a ≥ 16mm

Rozstaw osiowy obwodowych spoin pachwinowych nie powinien przekraczad

wartości granicznej ze względu na lokalną utratę stateczności (Tablica 3.3. dot.

rozstawów łączników)

10 | S t r o n a

SPOINY SZEROKOBRUZDOWE

Obliczeniowa grubośd

spoin szerokobruzdowych „a” przy prętach pełnych

łączonych do płaskich powierzchni

Obliczeniowa grubośd spoin szerokobruzdowych między

kształtownikami rurowymi prostokątnymi

11 | S t r o n a

W normie PN-EN 1993-1-8 prawie całkowicie pominięto

ZAGADNIENIA KONSTRUKCYJNE I TECHNOLOGICZNE

oraz wynikające z nich ograniczenia w projektowaniu połączeo

spawanych. Nie wspomniano między innymi o granicznych

grubościach spoin pachwinowych, o zleceniach dotyczących

płynnej zmiany przekroju, o unikaniu krzyżowania się spoin itp.

Nie oznacza to, że po wprowadzeniu Eurokodów zalecenia te

zanikają. W trosce o właściwe kształtowanie i technologiczność

projektowanych konstrukcji należy o nich pamiętać i ich

przestrzegać.

12 | S t r o n a

POŁĄCZENIA NA SPOINY PACHWINOWE

EFEKTYWNA GRUBOŚD SPOINY PACHWINOWEJ „a” przyjmowana jest jako

wysokośd największego trójkąta (z równymi lub nierównymi ramionami) jaki może

byd wpisany w obrys przekroju poprzecznego spoiny, mierzoną prostopadle do

zewnętrznego boku tego trójkąta. Grubośd spoiny pachwinowej nie powinna byd

mniejsza niż 3mm

Przy określaniu nośności obliczeniowej spoiny pachwinowej z głębokim przetopem

można uwzględniad dodatkową grubośd spoiny o ile wstępne badania wykażą, że

wymagana głębokośd wtopienia może byd regularnie uzyskiwana

13 | S t r o n a

EFEKTYWNA DŁUGOŚD SPOINY PACHWINOWEJ „leff” przyjmuje się jako długośd, na

której spoina ma pełny przekrój. Można ją przyjmowad jako długośd całkowitą

spoiny zmniejszoną o dwie efektywne grubości „a”.

Redukcja długości efektywnej ze względu na początek i koniec nie jest wymagana

pod warunkiem, że spoina ma pełny przekrój na swojej długości łącznie z

początkiem i koocem.

Do przenoszenia obciążeo nie powinno się stosowad spoin pachwinowych o

długości efektywnej mniejszej niż 30mm ani też krótszych niż sześciokrotna grubośd

spoiny

NOŚNOŚD SPOIN PACHWINOWYCH sprawdza się stosując METODĘ KIERUNKOWĄ

(wektorową) lub METODĘ UPROSZCZONĄ

14 | S t r o n a

METODA KIERUNKOWA jest metodą ogólną odwzorowującą najwierniej wytężenie spoin pachwinowych pod

wpływem obciążenia

Siły przenoszone przez spoinę o długości jednostkowej rozkłada się na składowe

równoległą i prostopadłe do osi podłużnej spoiny oraz składowe normalną i styczne

do płaszczyzny jej przekroju

Jako obliczeniowe pole przekroju spoiny przyjmuje się: Aw = a ∙ teff

Przyjmuje się, że obliczeniowy przekrój spoiny przechodzi przez jej grao

15 | S t r o n a

Przyjmuje się równomierny rozkład naprężeo w przekroju spoiny oraz składowe naprężenia normalne i styczne:

σ – naprężenia normalne prostopadłe do płaszczyzny przekroju obliczeniowego spoiny

σII – naprężenia normalne równoległe do osi podłużnej spoiny

τ – naprężenia styczne (w płaszczyźnie przekroju obliczeniowego spoiny) prostopadłe do osi podłużnej spoiny

τII – naprężenia styczne (w płaszczyźnie przekroju obliczeniowego spoiny) równoległe do osi podłużnej spoiny

16 | S t r o n a

Nośnośd obliczeniowa spoiny jest wystarczająca, gdy spełnione są warunki:

𝜎2 + 3 ∙ 𝜏

2 + 𝜏II2 ≤

𝑓𝑢

𝛽𝑤 ∙𝛾𝑀2 oraz 𝜎 ≤

0,9∙𝑓𝑢

𝛾𝑀2 (4.1)

gdzie:

fu – nominalna wytrzymałośd na rozciąganie słabszej z łączonych części

w – współczynnik korelacji według Tablicy 4.1 uwzględniający wyższe właściwości

mechaniczne materiału spoiny stosunku do materiału rodzimego

M2 – częściowy współczynnik bezpieczeostwa, M2 = 1,25 lub według załącznika

krajowego

Naprężeo normalnych σII równoległych do osi nie uwzględnia się przy sprawdzaniu

nośności spoiny

Spoiny między częściami z materiału o różnej wytrzymałości oblicza się przyjmując

właściwości materiału słabszego

17 | S t r o n a

Tablica 4.1: Współczynniki korelacji w dla spoin pachwinowych

Według wzorów (4.1) można obliczad spoiny pachwinowe dowolnie zorientowane

względem działającego obciążenia.

18 | S t r o n a

METODA UPROSZCZONA Nośnośd obliczeniowa spoiny pachwinowej jest odpowiednia, gdy w każdym punkcie na

jej długości wypadkowa wszystkich sił przenoszona przez jednostkę długości spoiny

spełnia warunek:

Fw,Ed ≤ Fw,Rd (4.2)

gdzie:

Fw,Ed – wartośd obliczeniowa siły na jednostkę długości spoiny

Fw,Rd – nośnośd obliczeniowa spoiny na jednostkę długości

Fw,Rd = fvw,d ∙ a (4.3)

gdzie:

fvw,d – obliczeniowa wytrzymałośd spoiny na ścinanie

𝑓𝑣𝑤 ,𝑑 =𝑓𝑢

3∙𝛽𝑤 ∙𝛾𝑀2 (4.4)

19 | S t r o n a

ZŁĄCZA DŁUGIE W połączeniach zakładkowych ze spoinami podłużnymi o długości przekraczającej 150a

nie jest możliwe wyrównanie naprężeo na długości spoiny. Dlatego nośnośd

obliczeniową takich połączeo zmniejsza się stosując współczynnik redukcyjny:

𝛽𝐿𝑤 = 𝛽𝐿𝑤 ,1 = 1,2 −0,2∙𝐿𝑗

150𝑎 lecz 𝛽𝐿𝑤 ,1 ≤ 1,0 (4.9)

gdzie:

Lj – całkowita długośd zakładki w kierunku przekazywania siły

W przypadku spoin pachwinowych dłuższych niż 1,7m łączących żebra poprzeczne

w elementach spawanych z blach, przyjmuje się współczynnik redukcyjny:

𝛽𝐿𝑤 = 𝛽𝐿𝑤 ,2 = 1,1 −𝐿𝑤

17 lecz 0,6 ≤ 𝛽𝐿𝑤 ,2 ≤ 1,0 (4.10)

gdzie:

Lw – długośd spoiny w metrach

20 | S t r o n a

Podane warunki nie mają zastosowania, gdy rozkład

naprężeo wzdłuż spoiny odpowiada rozkładowi naprężeo

w przyległym materiale rodzimym (jak w przypadku

spoiny łączącej pas ze środnikiem w dźwigarze

spawanym).

21 | S t r o n a

NOŚNOŚD OBLICZENIOWA SPOIN OTWOROWYCH Nośnośd obliczeniowa spoin otworowych jest określona wzorem:

Fw,Rd = fvw,d ∙ Aw (4.5)

gdzie:

fvw,d – nośnośd obliczeniowa spoiny na ścinanie (4.4)

Aw – obliczeniowe pole przekroju spoiny przyjmowane jako pole powierzchni

otworu

22 | S t r o n a

KĄTOWNIKI POŁĄCZONE JEDNYM RAMIENIEM Kątowniki połączone jednym ramieniem można traktowad jako osiowo obciążone,

przyjmując efektywne pole przekroju

W kątownikach równoramiennych i nierównoramiennych połączonych szerszym

ramieniem, efektywne pole przekroju można przyjmowad polu przekroju brutto

W przypadku kątowników nierównoramiennych połączonych ramieniem węższym,

efektywne pole przekroju przyjmuje się równe polu przekroju brutto zastępczego

kątownika równoramiennego o szerokości ramion równej ramieniu węższemu.

23 | S t r o n a

SPAWANIE W POBLIŻU STREF ZGNIOTU Spawanie może byd wykonane w strefach o szerokości 5t po obu stronach strefy gięcia na zimno pod warunkiem spełnienia jednego z poniższych warunków:

Strefa zgniotu na zimno została znormalizowana po odkształceniu i przed spawaniem

Stosunek r/t spełnia warunki podane w Tablicy 4.2

24 | S t r o n a

POŁĄCZENIA NIEUŻEBROWANE W przypadku spawanego styku poprzecznej blachy (lub pasa belki) z nieużebrowanym

pasem słupa, ze względu na odkształcalnośd pasa słupa stosuje się redukcję szerokości

pasa belki lub blachy do wartości współpracującej beff.

Spoiny powinny byd projektowane na pełną nośnośd obliczeniową blachy.

25 | S t r o n a

Dla nieużebrowanych kształtowników:

𝑏𝑒𝑓𝑓 = 𝑡𝑤 + 2𝑠 + 7𝑘 ∙ 𝑡𝑓 (4.6a)

𝑘 =𝑡𝑓 ∙𝑓𝑦 ,𝑓

𝑡𝑝 ∙𝑓𝑦 ,𝑝 lecz k ≤ 1,0 (4.6b)

gdzie:

fy,f – granica plastyczności pasa kształtownika

fy,p – granica plastyczności przyspawanej blachy

fu,p – wytrzymałośd na rozciąganie przyspawanej blachy

s = r dla kształtowników walcowanych

s = 2a dla elementów spawanych

Jeżeli obliczona wartośd beff spełnia warunek to w połączeniu nie trzeba stosowad żeber:

𝑏𝑒𝑓𝑓 ≥ 𝑓𝑦 ,𝑝

𝑓𝑢 ,𝑝∙ 𝑏𝑝 (4.7)

W przeciwnym przypadku węzeł należy usztywnid.

26 | S t r o n a

POŁĄCZENIA NA SPOINY CZOŁOWE

NOŚNOŚD SPOINY CZOŁOWEJ Z PEŁNYM PRZETOPEM przyjmuje się równą nośności

obliczeniowej słabszej z łączonych części pod warunkiem, że spoina będzie wykonana

z odpowiedniego materiału (o właściwościach nie gorszych od właściwości materiału

rodzimego).

Ponieważ sprawdzanie nośności połączeo jest zwykle poprzedzane wymiarowaniem

elementów, norma PN-EN 1993-1-8 nie wymaga osobnego sprawdzania

wytrzymałościowego spoin czołowych o pełnym przetopie.

SPOINY CZOŁOWE Z NIEPEŁNYM PRZETOPEM oblicza się jak spoiny pachwinowe z

głębokim przetopem, odpowiednio określając ich grubośd.

27 | S t r o n a

ZŁĄCZA TEOWE NA SPOINY CZOŁOWE

NOŚNOŚD OBLICZENIOWĄ CZOŁOWEGO ZŁĄCZA TEOWEGO z dwiema spoinami czołowymi z niepełnym przetopem i nadbudowanymi spoinami pachwinowymi można wyznaczyd jak dla spoin czołowych z pełnym przetopem gdy:

Całkowita nominalna grubośd spoiny jest nie mniejsza niż grubośd „t” środnika złącza teowego: anom,1 + anom,2 ≥ t

Szerokośd niezespawanej szczeliny cnom ≤ min (t/5 ; 3mm)

Nośnośd złącz teowych, które nie spełniają powyższych wymagao wyznacza się zależnie

od głębokości przetopu jak w przypadku spoin pachwinowych zwykłych lub z głębokim

przetopem. Grubośd spoiny określa się odpowiednio zgodnie z zaleceniami dla spoin

pachwinowych lub dla spoin czołowych z niepełnym przetopem.

28 | S t r o n a

ZADANIE 1

Sprawdzid warunek wytrzymałości połączenia czołowego płaskownika ze stali S355 rozciąganego osiowo siłą FEd = 190kN. Dane: fy = 355 MPa, fu = 510 MPa, częściowy

współczynnik bezpieczeostwa M0 = 1,00.

29 | S t r o n a

ZADANIE 2 Obliczyd maksymalną wartośd siły rozciągającej, jaką może przenieśd spawane połączenie doczołowe przedstawione na rysunku. Dane: fy = 355 MPa, fu = 510 MPa

M0 = 1,00

30 | S t r o n a

ZADANIE 3 Zaprojektowad spoiny pachwinowe w połączeniu pomiędzy płaskownikiem a blachą węzłową przedstawionym na rysunku. Dane: FEd = 400kN Stal S235 fy = 235 MPa, fu = 360 MPa

M2 = 1,25

31 | S t r o n a

ZADANIE 4

Sprawdzid nośnośd spoin pachwinowych łączących blachę węzłową ze słupem w złączu

teowym przedstawionym na rysunku.

Dane:

FEd,H = 100kN, FEd,V = 50kN

Stal S235: fu = 360 MPa, fy = 235 MPa

M2 = 1,25

32 | S t r o n a

ZADANIE 5

Sprawdzid warunek wytrzymałości spoin pachwinowych użebrowanego połączenia

wspornika ze słupem wykonanych ze stali S355. W połączeniu działa moment zginający

MEd = 5000kNcm i siła poprzeczna VEd = 100kN. Dane: fu = 510 MPa, M2 = 1,25.

33 | S t r o n a

ZADANIE 6

Sprawdzid nośnośd połączenia przedstawionego na rysunku obciążonego siłą VEd=90kN.

Łączone elementy wykonane są ze stali S275.

Dane: fu = 430 MPa, fy = 275 MPa, M2 = 1,25.