Введение
Сварка - основной способ соединения элементов на заводе металлоконструкций. В отличие от болтов, сварное соединение не ослабляет сечение отверстиями, герметично и при правильном проектировании работает как единое целое с основным металлом.
Но есть нюанс: сварной шов - это зона термического влияния, с измененной структурой металла, остаточными напряжениями и потенциальными дефектами. Поэтому к расчету сварных соединений подход особый, и СП 16.13330.2017 уделяет этому целый раздел 14.1.
Давайте разберем все по порядку: какие бывают швы, как их рассчитывают, какие есть ограничения и где чаще всего ошибаются.
1. Типы сварных швов и соединений
СП выделяет два основных типа сварных швов:
Стыковые швы
Работают на растяжение-сжатие через все сечение. Самый прочный и надежный тип - при полном проваре и использовании выводных планок прочность шва равна прочности основного металла.
Согласно п. 14.1.6, стыковые соединения листовых деталей следует проектировать прямыми с полным проваром и с применением выводных планок. В монтажных условиях - односторонняя сварка с подваркой корня или на остающейся стальной подкладке.
Угловые швы
Работают на срез (условный). Бывают:
- Лобовые - поперек усилия
- Фланговые - вдоль усилия
- Косые - под углом к усилию
Для угловых швов расчет ведется по двум сечениям: по металлу шва и по металлу границы сплавления (п. 14.1.16). Какое сечение окажется критичным - то и принимаем.
2. Материалы для сварки - таблица Г.1
Выбор электрода или сварочной проволоки зависит от предела текучести стали (таблица Г.1):
| Предел текучести стали | Тип электрода | Марка проволоки |
|---|---|---|
| R_yn < 290 Н/мм² | Э42, Э42А, Э46, Э46А | Св-08А, Св-08ГА, Св-08Г2С |
| 290 ≤ R_yn < 590 Н/мм² | Э50, Э50А, Э60 | Св-10Г2, Св-10НМА, Св-08Г2С |
| R_yn ≥ 590 Н/мм² | Э60, Э70 | Св-08ХГСМА, Св-10ХГ2СМА |
Важно: для стали С345 и С390 (R_yn ≈ 325-390 Н/мм²) используем электроды типа Э50, Э50А или проволоку Св-08Г2С. Это стандартный выбор для большинства строительных металлоконструкций.
3. Расчет стыковых швов
При осевом усилии N (формула 175):
$$
\frac{N}{t \cdot l_w \cdot R_{wy} \cdot \gamma_c} \le 1
$$
где:
- t - наименьшая из толщин свариваемых элементов
- l_w - расчетная длина шва (полная длина минус 2t, или полная, если концы выведены за пределы стыка)
Важно: расчет стыковых швов можно не выполнять, если (п. 14.1.14):
- Применяются сварочные материалы по таблице Г.1
- Обеспечен полный провар соединяемых элементов
- Выполнен сплошной (100%) контроль качества неразрушающими методами
То есть если вы варите с правильными материалами, делаете полный провар и УЗК-контроль - стык считается равнопрочным основному металлу, и считать его не надо.
4. Расчет угловых швов - самое важное
Угловые швы рассчитываются на условный срез по одному из двух сечений (п. 14.1.16):
По металлу шва (формула 176):
$$
\frac{N}{\beta_f \cdot k_f \cdot l_w \cdot R_{wf} \cdot \gamma_c} \le 1
$$
По металлу границы сплавления (формула 177):
$$
\frac{N}{\beta_z \cdot k_f \cdot l_w \cdot R_{wz} \cdot \gamma_c} \le 1
$$
где:
- β_f, β_z - коэффициенты по таблице 39 (зависят от вида сварки, положения шва, катета)
- k_f - катет углового шва
- l_w - расчетная длина шва (суммарная длина всех участков минус 1 см на каждый непрерывный участок)
- R_wf, R_wz - расчетные сопротивления металла шва и границы сплавления (таблица Г.2)
Важный нюанс: расчет ведется по тому сечению, где отношение R_w/β меньше. Если R_wf/β_f < R_wz/β_z - считаем по металлу шва. Если наоборот - по границе сплавления.
Расчетные сопротивления угловых швов (таблица Г.2)
| Тип электрода | R_wf, Н/мм² | R_wz, Н/мм² |
|---|---|---|
| Э42, Э42А | 180 | 164 |
| Э46, Э46А | 200 | 164 |
| Э50, Э50А | 215 | 164 |
| Э60 | 240 | 164 |
| Э70 | 280 | 164 |
Обратите внимание: R_wz практически не зависит от типа электрода - это прочность металла на границе сплавления, она определяется основным металлом.
5. Конструктивные требования к угловым швам
Пункт 14.1.7 - один из самых важных в разделе. Вот ключевые требования:
Катет шва
- Максимальный: k_f ≤ 1,2t (где t - наименьшая толщина свариваемых)
- Минимальный: по таблице 38
Минимальный катет шва (таблица 38) - для двусторонних тавровых и нахлесточных
| Толщина элемента, мм | R_yn ≤ 285 | 285 < R_yn ≤ 390 | 390 < R_yn ≤ 590 |
|---|---|---|---|
| 4-5 | 4 мм | 4 мм | 5 мм |
| 6-10 | 4 мм | 5 мм | 6 мм |
| 11-16 | 4 мм | 6 мм | 7 мм |
| 17-22 | 6 мм | 8 мм | 8 мм |
| 23-32 | 10 мм | 10 мм | 10 мм |
| 33-40 | 12 мм | 14 мм | 14 мм |
Длина шва
- Минимальная расчетная длина: не менее 4k_f и не менее 40 мм
- Максимальная длина флангового шва: не более 85·β_f·k_f (для швов, где усилие действует не на всем протяжении)
Нахлестка
Размер нахлестки - не менее 5 толщин наиболее тонкого элемента.
6. Практический пример
Условие:
- Соединение внахлестку двух листов из стали С345 толщиной 10 мм
- Угловой шов, ручная дуговая сварка электродом Э50А
- Усилие N = 250 кН, длина шва l_w = 300 мм (два фланговых по 150 мм)
- γ_c = 1,0
Сварка в нижнем положении, катет шва k_f = 8 мм.
Шаг 1 - определяем расчетные сопротивления:
- Для Э50А: R_wf = 215 Н/мм²
- R_wz = 164 Н/мм² (таблица Г.2)
- По таблице 39 для ручной сварки: β_f = 0,7, β_z = 1,0
Шаг 2 - определяем, по какому сечению считать:
$$
\frac{R_{wf}}{\beta_f} = \frac{215}{0,7} = 307
$$
$$
\frac{R_{wz}}{\beta_z} = \frac{164}{1,0} = 164
$$
307 > 164, значит критичнее - граница сплавления. Считаем по R_wz и β_z.
Шаг 3 - проверка по металлу границы сплавления:
Расчетная длина шва (минус 1 см на каждый участок):
l_w = (150 - 10) × 2 = 280 мм
$$
\tau = \frac{N}{\beta_z \cdot k_f \cdot l_w} = \frac{250000}{1,0 \cdot 8 \cdot 280} = 111,6 \text{ Н/мм²}
$$
$$
\tau \le R_{wz} = 164 \text{ Н/мм²} \quad\Rightarrow\quad 111,6 \le 164
$$
Прочность обеспечена с запасом около 32%.
Шаг 4 - проверяем конструктивные требования:
- k_f = 8 мм ≥ минимум по табл. 38 для С345 / 10 мм: 6 мм

- k_f = 8 мм ≤ 1,2 × 10 = 12 мм

- l_w = 280 мм ≥ 4 × 8 = 32 мм и ≥ 40 мм

- l_w = 280 мм ≤ 85 × 0,7 × 8 = 476 мм

Все сходится.
7. Типичные ошибки при проектировании сварных соединений
Ошибка 1: Катет шва больше, чем 1,2t
Если поставили k_f = 16 мм на листе 10 мм - шов “пережжет” тонкий элемент. СП ограничивает: k_f ≤ 1,2t.
Ошибка 2: Фланговый шов слишком длинный
При длине более 85β·k_f шов работает неравномерно - начало шва может уже разрушиться, а конец еще не включился в работу.
Ошибка 3: Резьба в срезе
Если электрод не соответствует стали - шов будет хрупким. Нельзя варить С590 электродом Э42 - это гарантированный дефект.
Ошибка 4: Нет подварки корня
В монтажных стыках односторонняя сварка без подварки корня - это 30-50% потери прочности. Если УЗК не делаете - подварка корня обязательна.
Ошибка 5: Не учли слоистое разрушение
В толстых листах (t > 25 мм) при сварке тавровых соединений с растягивающими напряжениями в направлении толщины - требуется сталь группы 1 по приложению В и специальные технологические меры (п. 14.1.5).
Заключение
Сварные соединения по СП 16.13330.2017 - это:
- Два типа расчета: стыковые швы (формула 175) и угловые (формулы 176-177)
- Два сечения для угловых швов - по металлу шва и по границе сплавления
- Жесткие конструктивные требования: катет, длина, нахлестка
- Правильный выбор сварочных материалов - основа надежного соединения
- Стыковые швы при 100% контроле качества можно не рассчитывать
Что запомнить:
- Для рядовых конструкций из С245-С345 - электрод Э50А или проволока Св-08Г2С
- Катет шва - между табличным минимумом и 1,2t
- Фланговый шов - не длиннее 85β·k_f
- Всегда проверяйте оба сечения (металл шва и границу сплавления)
Источники: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», таблицы Г.1, Г.2, 38, 39
️ Обновлён: Калькулятор металла - расширен функционал, обновлён интерфейс.