Лекции и пособия / СП 5.04.01-2021 Стальные конструкции

СП 5.04.01-2021

11.2.9 Расчет на устойчивость полной сферической оболочки (или ее сегмента) при rt 750

и действии внешнего расчетного равномерного давления pEd, нормального к ее поверхности, выполняют по формуле

12 Расчет элементов стальных конструкций на усталость

12.1 Общие положения

12.1.1При проектировании стальных конструкций и их элементов (балок крановых путей, балок рабочих площадок, элементов конструкций бункерных и разгрузочных эстакад, конструкций под дви-

гатели и др.), непосредственно воспринимающих многократно действующие подвижные, вибрационные или нагрузки другого вида с количеством циклов нагружений 105 и более, приводящие к явлению усталости, применяют такие конструктивные решения, которые не вызывают значительной концентрации напряжений, и проверяют расчетом на усталость.

Количество циклов нагружений принимают по технологическим требованиям эксплуатации. Расчет конструкций на усталость производят на действие нагрузок, устанавливаемых в соответ-

ствии с ТНПА.

Расчет на усталость также выполняют для конструкций высоких сооружений (типа мачт, башен

ит. п.), которые подвергаются воздействиям резонансного вихревого возбуждения согласно ТНПА.

12.1.2Расчет на усталость производят по формуле

где max — наибольшее по абсолютному значению напряжение в рассчитываемом сечении элемента, вычисленное по сечению нетто без учета коэффициента динамичности и коэффи-

циентов , b, e;

— коэффициент, учитывающий число циклов нагружений n; при n 3,9·106 принимают0,77, при n 3,9·106 вычисляют по формулам:

для групп элементов 1 и 2 (согласно приложению Л)

для групп элементов 3–8 (согласно приложению Л)

fv — расчетное значение усталостной прочности стали; принимают по таблице 36 в зависимости от характеристического значения предела прочности стали fuk и групп элементов и соединений конструкций, приведенных в таблице Л.1 (приложение Л);

v — коэффициент; определяют по таблице 37 в зависимости от напряженного состояния

значению напряжение в рассчитываемом сечении элемента, вычисляемое так же и при том же загружении, как и max ). При разнозначных напряжениях max и min значение коэффи-

циента принимают со знаком « ».

При расчете по формуле (181) должно быть выполнено условие fv v fud .

u

67

СП 5.04.01-2021

Таблица 36

12.1.3 Стальные конструкции и их элементы, непосредственно воспринимающие нагрузки с количеством циклов нагружений менее 105, проектируют с применением таких конструктивных решений, которые не вызывают значительной концентрации напряжений. В других случаях стальные конструкции и их элементы проверяют расчетом на малоцикловую усталость в соответствии с приложением Л.

12.2 Расчет балок крановых путей

Расчет на усталость балок крановых путей выполняют по 12.1.1 и 12.1.2 на действие крановых нагрузок, определяемых в соответствии с ТНПА. При этом принимают 0,77 для кранов групп ре-

жимов работы А7 (в цехах металлургических производств) и А8; 1,10 — в остальных случаях.

Расчет на усталость верхней зоны стенок составных балок крановых путей под действием крановых нагрузок выполняют по формуле

где fv — расчетное значение усталостной прочности стали, Н/мм2; принимают для всех марок сталей равным для балок со сварными и фрикционными поясными соединениями соответственно:

75 и 96 — для сжатой верхней зоны стенки (сечения в пролете балки); 65 и 89 — для растянутой верхней зоны стенки (опорные сечения неразрезных балок).

Значения напряжений в формуле (184) определяют по формулам (67).

68

СП 5.04.01-2021

13 Проектирование стальных конструкций с учетом предотвращения хрупкого разрушения

13.1При проектировании стальных конструкций исключают возможность хрупкого разрушения, возникающую вследствие неблагоприятного влияния сочетания следующих факторов:

—пониженной температуры, при которой сталь в зависимости от ее химического состава, структуры и толщины проката переходит в хрупкое состояние;

—действия подвижных, динамических и вибрационных нагрузок;

—высоких местных напряжений, вызванных воздействием сосредоточенных нагрузок или деформаций деталей соединения, а также сварочных и остаточных напряжений;

—резких концентраторов напряжений, ориентированных поперек направления действия растягивающих напряжений.

13.2Для предотвращения хрупкого разрушения конструкций:

—выбирают сталь с учетом 5.2 и таблицы А.1 (приложение А);

—избегают расположения сварных швов в зонах действия растягивающих напряжений, превышающих 0,4fyd;

—принимают меры по снижению неблагоприятного влияния концентрации напряжений и наклепа, вызванных конструктивным решением или возникающих при различных технологических операциях (правка, гибка, гильотинная резка, продавливание отверстий и т. п.);

—избегают пересечений сварных швов;

—применяют выводные планки и неразрушающие методы контроля качества швов — для сварных соединений;

—учитывают, что конструкции со сплошной стенкой имеют меньше концентраторов напряжений, чем решетчатые;

—не доводят фланговые швы до оси стыка не менее чем на 25 мм с каждой стороны — в стыках элементов, перекрываемых накладками;

—применяют возможно меньшие толщины элементов сечения (особенно при гильотинной резке кромок и продавливании отверстий);

—крепят фасонки связей, вспомогательных и других второстепенных элементов к растянутым элементам конструкций сваркой или на болтах.

13.3При применении в сварных соединениях проката толщиной не менее 25 мм из низколегированных сталей в тавровых и угловых соединениях, а также у сварных швов с полным проплавлением, один из элементов в которых испытывает растягивающие напряжения по толщине листа, и остального проката толщиной более 40 мм, возникает риск возникновения слоистого разрушения (дефекта

впрокате, образующегося под действием сварки, в виде слоистых трещин, параллельных плоскости проката). Такой дефект обнаруживается при ультразвуковом контроле качества швов.

Возникновение слоистого разрушения существенно зависит от формы соединений и расположения сварных швов, от размера шва, толщины свариваемых элементов, степени жесткости соединения и технологии сварки, а также от категории сплошности проката.

13.4Склонность проката к слоистым разрушениям определяют при испытаниях на растяжение

по значению относительного сужения z на образцах, ось которых нормальна поверхности проката. 13.5 Возможность слоистого разрушения исключается соблюдением условия

zp zн,

где zp — суммарный фактор риска, %;

zн — нормируемое значение фактора риска для проката, равное 15 %, 25 %, 35 %, соответ-

ственно для групп качества проката Z15, Z25, Z35 (см. ГОСТ 28870). При этом прокат по 13.3 должен удовлетворять требованиям группы качества:

— Z35 — для конструкций группы 1 (см. приложение А);

— Z25 — для других конструкций группы 1, а также для фланцевых соединений

ив случае, когда усилие нормально поверхности листа;

—Z15 — в остальных случаях.

69

СП 5.04.01-2021

где zф — форма соединения и расположение сварных швов;

zt — толщина свариваемого проката;

zш — катет шва;

zж — степень жесткости соединения;

zс — влияние технологии сварки (суммарный фактор от числа проходов, последовательности

наложения швов и подогрева).

Значения zф, zt , zш, zж, zс представлены в таблице 38.

Расчетное значение zp может быть уменьшено на 50 % в случае работы материала на статиче-

ское сжатие по толщине и увеличено на 10 % — в случае действия по толщине динамических или вибрационных нагрузок.

Таблица 38

Параметры для определения суммарного фактора риска zp

70

14 Проектирование соединений стальных конструкций

14.1 Сварные соединения

14.1.1При проектировании стальных конструкций со сварными соединениями:

—назначают размеры сварных швов с учетом требований 14.1.2, 14.1.4–14.1.6, а также применяют минимально необходимое число расчетных и конструктивных сварных швов;

—обеспечивают свободный доступ к местам выполнения сварных соединений с учетом выбранного вида и технологии сварки.

14.1.2Основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений — в соответствии с ТНПА.

14.1.3При выборе электродов, сварочной проволоки и флюсов учитывают группы конструкций

ирасчетные температуры, указанные в приложениях А и Г.

14.1.4При проектировании сварных соединений исключают возможность хрупкого разрушения конструкций с учетом положений раздела 13.

14.1.5При проектировании тавровых и угловых сварных соединений элементов стальных конструкций с растягивающими напряжениями в направлении толщины проката для исключения возможности слоистого разрушения металла под сварным швом:

—применяют стали для конструкций группы 1 (приложение А) с гарантированными механическими свойствами в направлении толщины проката (см. 13.5);

—применяют сварочные материалы с пониженной прочностью и повышенной пластичностью; технологические приемы сварки, направленные на снижение остаточных сварочных напряжений;

—исключают применение одностороннего углового шва и применяют двусторонний шов;

—заменяют угловые соединения тавровыми и обеспечивают в них отношение ширины свеса

ктолщине элементов не менее 1;

—применяют разделки кромок, обеспечивающие снижение объема наплавленного металла.

71

СП 5.04.01-2021

14.1.6Сварные стыковые соединения листовых деталей проектируют прямыми с полным проваром и с применением выводных планок.

Вусловиях монтажа применяется односторонняя сварка с подваркой корня и сварка на остающейся стальной подкладке.

При сварке листов разной толщины или ширины применяют односторонний или двухсторонний скос кромок с уклоном не более 1:5, что обеспечивает плавное распределение силового потока.

Применение прерывистых стыковых сварных швов не допускается.

14.1.7Размеры сварных угловых швов и конструкция соединения должны удовлетворять следующим требованиям:

а) катет углового шва kf не должен превышать 1,2t (t — наименьшая из толщин свариваемых элементов); катет шва, наложенного на закругленную кромку фасонного проката толщиной t, не должен превышать 0,9t;

б) катет углового шва kf должен удовлетворять требованиям расчета и должен быть не менее указанного в таблице 39; при обеспечении глубины провара в тавровом двустороннем, а также

внахлесточном и угловом соединениях, при обеспечении мероприятий, гарантирующих отсутствие дефектов, в том числе технологических трещин, катет шва (от 5 мм и более) принимается менее указанного в таблице 39, но не менее 4 мм;

в) расчетная длина углового шва должна быть не менее 4kf и не менее 40 мм;

г) расчетная длина флангового шва должна быть не более 85 fkf, за исключением швов, в которых усилие действует на всем протяжении шва ( f — коэффициент; принимают по таблице 40);

д) размер нахлестки должен быть не менее пятикратной толщины наиболее тонкого из свариваемых элементов;

е) соотношение размеров катетов угловых швов принимают 1:1; при разной толщине свариваемых элементов принимают швы с неравными катетами; при этом катеты, примыкающие к более тонкому или более толстому элементу, должны удовлетворять требованиям, перечисленным в а) или б) соответственно;

ж) угловые швы выполняют с плавным переходом к основному металлу; з) угловые сварные швы разрешается применять для соединения деталей, свариваемые поверх-

ности которых расположены под углом от 60 до 120 ; и) разрешается угол менее 60 , однако в этом случае угловой сварной шов рассматривают

как стыковой с неполным проваром; к) угловые сварные швы, расположенные на концах соединяемых элементов (в торце или сбоку),

заводят за угол непрерывно и полноразмерно на расстояние, равное по крайней мере двукратному катету шва, если доступность и конфигурация узла позволяют это выполнить.

Таблица 39

Примечания

1В конструкциях из стали с пределом текучести более 590 Н/мм2 минимальный катет швов принимают по техническим условиям.

2Для всех сталей при толщине элементов более 40 мм катет сварного шва принимают по расчету.

Таблица 40

14.1.8 Для угловых швов, размеры которых установлены в соответствии с расчетом, для элементов из стали с пределом текучести до 285 Н/мм2 применяют электродные материалы, удовлетворяющие условиям:

—fwf fwz — при механизированной сварке;

—1,1fwz fwf fwz z — при ручной сварке.

f

73

СП 5.04.01-2021

Для элементов из стали с пределом текучести более 285 Н/мм2 применяют электродные мате-

сварки и катета шва; определяют по таблице 40).

14.1.9 Односторонние угловые швы в тавровых соединениях элементов из стали с пределом текучести до 375 Н/мм2 применяют в конструкциях, эксплуатируемых в неагрессивной или слабоагрессивной среде, 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

тывают 15.3.3 и 15.5.5;

— для всех конструктивных элементов — в конструкциях группы 4.

Катеты односторонних швов принимают по расчету, но не менее указанных в таблице 39. Односторонние угловые швы не применяют в конструкциях зданий и сооружений:

—в конструкциях групп 1–3 в зданиях с кранами режимов работы А7 (в цехах металлургических производств) и А8;

—в балках и ригелях рамных конструкций, рассчитываемых по 8.2.3, 8.2.6 и 8.2.7.

14.1.10 Прерывистые угловые сварные швы при статической нагрузке и избыточной несущей способности непрерывного шва минимального размера применяют: для соединений в конструкциях группы 4; в реконструируемых конструкциях группы 3 во всех районах; для соединений, эксплуатируемых в неагрессивных средах.

Размеры сварного шва должны соответствовать требованиям 14.1.7.

Расстояние s между участками сварных швов (рисунок 19) не должно превышать одного из значений: 200 мм, 12tmin — в сжатом элементе (tmin — толщина самого тонкого из соединяемых элементов), 16tmin — в растянутом элементе. В конструкциях группы 4 расстояние s увеличивают на 50 %.

Рисунок 19 — Схема прерывистых угловых сварных швов: а — в нахлесточном соединении; б — в тавровом соединении

При наложении прерывистого шва предусматривают шов по концам соединяемых частей элементов; длина lw1 данного шва в элементах составного сечения из пластин должна быть не менее 0,75b (b — ширина более узкой из соединяемых пластин). В соединениях на прерывистых сварных швах во всех случаях каждый конец соединяемой детали должен быть приварен непрерывным двусторонним швом.

14.1.11 Угловые сварные швы, расположенные по периметру отверстий или прорезей, применяют в нахлесточных соединениях в случаях, предусмотренных 14.1.10, для передачи усилий в плоскости нахлестки, предотвращения потери устойчивости элементов нахлестки или конструктивных соединений элементов.

74

СП 5.04.01-2021

При выполнении круговых швов должны выполняться следующие требования:

—круговые угловые сварные швы, включая угловые швы в круглых или вытянутых отверстиях, разрешается применять только для передачи сдвигающего усилия, или для предотвращения потери местной устойчивости элементов, соединяемых внахлестку, или для обеспечения плотности соединения;

—диаметр круглого или ширина вытянутого отверстия должны быть не менее четырехкратной толщины элемента, в котором расположено отверстие;

—концы вытянутых отверстий должны быть полукруглыми, за исключением случаев, когда конец отверстия доходит до края рассматриваемой детали;

—расстояние между центрами круговых угловых сварных швов не должно превышать значений, указанных в таблице 41, во избежание потери местной устойчивости соединяемых элементов.

14.1.12 Пробочные швы, заполняющие наплавленным металлом всю площадь круглых или щелевых отверстий, применяют 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 или значения 0,45d или 0,45b (d и b —

диаметр отверстия и ширина прорези соответственно; d (t 8) мм и b (t 8) мм).

Расстояние между центрами отверстий или продольными осями прорезей должно быть не менее 4d или 4b.

14.1.13Комбинированные соединения, в которых часть сдвигающего усилия воспринимается фрикционным соединением, а часть — сварными швами, применяют при условии, что сварка выполнена после затяжки болтов на расчетное усилие и с последующей их дотяжкой при необходимости.

Распределение усилия между фрикционными и сварными соединениями принимают пропорционально их несущим способностям. Применение в комбинированных соединениях болтов без контролируемого натяжения, а также использование срезных соединений не допускается.

14.1.14Расчет стыковых сварных соединений при действии расчетного осевого усилия NEd, проходящего через центр тяжести соединения, выполняют по условию

При расчете стыковых сварных соединений элементов из стали с отношением fud fyd , эксплуата-

u

ция которых возможна и после достижения металлом предела текучести, а также из стали с характе-

ристическим значением предела текучести fyk 440 Н/мм2 в формуле (186) вместо fwy принимают fwu .

u

Расчет стыковых сварных соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов согласно таблице Г.1 (приложение Г), при полном проваре соединяемых элементов и сплошном (100 %-ном) контроле качества соединений неразрушающими методами.

14.1.15 Стыковые сварные соединения, выполненные при отсутствии сплошного контроля качества неразрушающими методами, при одновременном действии в одном и том же сечении шва нормальных wx и wx и касательных wxy напряжений проверяют по формуле (43), в которой принимают

x wx , y wy , xy wxy , fyd fwy.

14.1.16Расчет сварных соединений с угловыми швами, при действии расчетного осевого уси-

лия NEd, проходящего через центр тяжести соединения, выполняют на срез (условный) по одному из двух сечений (рисунок 20) по условиям:

— при f fwf 1 — по металлу шва

zfwz

СП 5.04.01-2021

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 расчетного изгибающего момента MEd в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, выполняют на срез (условный) по одному из двух сечений (см. рисунок 20) по условиям:

— по металлу шва

где Wf и Wz — моменты сопротивления расчетных сечений сварного соединения по металлу шва

ипо металлу границы сплавления соответственно.

14.1.18Расчет сварных соединений с угловыми швами при действии расчетного изгибающего

момента MEd в плоскости расположения данных швов выполняют на срез (условный) по одному из двух сечений (см. рисунок 20) по условиям:

—по металлу шва

где x и y — координаты точки сварного соединения, наиболее удаленной от центра тяжести О расчетного сечения этого соединения (рисунок 21);

Ifx, Ify — моменты инерции расчетного сечения сварного соединения по металлу шва относительно его главных осей x–x и y–y соответственно;

Izx, Izy — то же по металлу границы сплавления.

76