background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  1 

Ćwiczenia 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia 
spawane 

 

Połączenia śrubowe pasowane 

 

 

Śruby pasowane z łbem sześciokątnym z gwintem krótkim wg PN-66/M82341 

 

1) Weryfikacja połączeń śrubowych ze śrubami pasowanymi 
 

Połączenia  śrubowe pasowane weryfikowane są pod kątem przekroczenia naprężeń stycznych, będących 
wynikiem ścinania śrub oraz przekroczenia dopuszczalnych nacisków będących wynikiem oddziaływań między 
powierzchniami: boczną śrub i boczną otworów. Sprawdzeniu podlegają również łączone elementy (w przekroju 
osłabionym otworami pod śruby). 
 

a) Ścinanie 

t

k

d

z

Q

A

z

n

Q

<

=

=

4

2

1

π

τ

   

 

 

 

(1) 

gdzie: 
τ – naprężenia styczne w śrubie (ścinanie), [MPa] 
Q – siła tnąca, [N] 
A – pole powierzchni ścinanej, [mm

2

d

1

 – średnica trzpienia pasowanego śruby, [mm] 

n – liczba śrub, 
z – liczba powierzchni ścinanych w jednej śrubie, 
k

t

 – naprężenia kryterialne na ścinanie: 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  2 

(

)

[

]

2

1

,

0

1

=

r

s

e

t

n

R

k

δ

 

 

  (2) 

gdzie: 
R

e

 – granica plastyczności tworzywa śruby, [MPa] 

δ

s

 – liczba bezpieczeństwa na ścinanie 

n

r

 – liczba rzędów śrub w połączeniu (patrz rysunek poniżej) 

Zależność (2) ujmuje wpływ nierównomiernego rozkładu obciążenia na poszczególne rzędy śrub. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

b) Naciski powierzchniowe 

 
Weryfikację śrub pasowanych ze względu na naciski powierzchniowe przeprowadza się w celu sprawdzenia, czy 
np. otwory w blachach nie będą się powiększać w skutek uplastycznienia tworzywa, co może doprowadzić do 
zniszczenia złącza. Weryfikację  złącza z punktu widzenia nacisków powierzchniowych powinno się 
przeprowadzić w szczególności dla elementu (śruba lub blacha), którego granica plastyczności tworzywa jest 
niższa. Ważną rolę odgrywa również grubość łączonych blach, gdyż od grubości blachy zależy również wielkość 
powierzchni styku miedzy śrubą i blachą (zależność (3)).   
W obliczeniach inżynierskich dla uproszczenia przyjmuje się,  że powierzchnia styku jest prostokątem o 
wymiarach d x g. (patrz rys. poniżej) 
 
 
 
 
 
 
 

dop

p

g

d

Q

p

=

1

  

 

(3) 

gdzie: 
p – naciski powierzchniowe między powierzchnią boczną śruby a powierzchnią boczną otworu, [MPa] 
Q – siła tnąca, [N] 
d

1

 – średnica trzpienia pasowanego śruby, [mm] 

g – grubość blachy, [mm] 
p

dop

 – naciski dopuszczalne, [MPa] 

 

(

)

[

]

2

1

,

0

1

8

,

0

=

r

d

e

dop

n

R

p

δ

 

 

  (4) 

gdzie: 
δ

d

 – liczba bezpieczeństwa na naciski 

P

P

n

r

 = 3 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  3 

2) Przykłady zadań 

 

Zad.1. 

Trzy płaskowniki połączono 2 śrubami pasowanymi jak na rysunku i obciążono siłą P = 15 000 N. Kierunek 
działania siły jest prostopadły do osi śrub. Skonstruować połączenie  śrubowe. Wymiary i tworzywo 
płaskowników są znane. Liczba bezpieczeństwa wynosi δ

s

=2. Szerokość płaskowników b = 50 mm

 
Dane: 
Płaskownik 1: 
 stal 

25 

g

1

= 15 mm 

Płaskownik 2: 
 stal 

45 

g

2

= 10 mm 

Płaskownik 3: 
 stal 

35 

g

3

= 20 mm 

 
 
 
 
Rozwiązanie: 
 
Zakładamy śruby M10 x 1,25 x 65 x 11 - m6 - 5.6  
 
Składnia oznaczenia śruby pasowanej: 
M10 – średnica części gwintowanej z gwintem metrycznym, 
1,25 – skok gwintu, 
65 – długość śruby 
11 – średnica trzpienia śruby 
m6 –tolerancja trzpienia śruby (jeżeli symbol jest pominięty w oznaczeniu to należy założyć, że  

tolerancja wynosi k6

5.6 – klasa własności mechanicznych śruby. (Symbol 5.6 w oznaczeniu można pominąć chyba, że śruba jest  

innej dopuszczalnej klasy. Dopuszcza się jeszcze klasy 8.8, 10.9, 12.9). 

 
Jak wynika z oznaczenia średnica trzpienia śruby wynosi  d

1

 = 11 mm 

 
1. Stan naprężenia śruby: 
 

t

k

d

P

d

P

A

P

=

=

=

2

1

2

1

4

4

2

2

π

π

τ

    (1.1) 

W zależności (1.1) w mianowniku wyznaczamy pole powierzchni ścinanej, na którą składają się 2 śruby, z 
których każda ścinana jest w 2 przekrojach (razem 4 przekroje śrub). 
 
Naprężenia kryterialne: 
 
Na podstawie klasy śruby 5.6 : 
 

R

m

 = 500 MPa 

  

R

e

 = 300 MPa 

 
W rozpatrywanym przypadku liczba rzędów śrub n

r

 = 2. Stąd: 

 

(

)

[

]

MPa

R

n

R

k

s

e

r

s

e

t

150

2

1

,

0

1

=

=

=

δ

δ

 

   (1.2) 

 

0,5P 

0,5P 

g

1

 

g

2

 

g

Powierzchnie ścinania śrub 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  4 

wówczas: 

t

k

MPa

d

P

=

=

=

48

,

39

11

14

,

3

15000

2

2

1

π

τ

 

   (1.3) 

Śruby nie zostaną ścięte. 
 
2. W kolejnym kroku weryfikujemy wytrzymałość elementów złącza na naciski: 
 
Przyjmujemy liczbę bezpieczeństwa na naciski δ

d

 = 2,5 

 
Płaskownik 1: 
stal 25 – R

e

 = 280 MPa  

Tworzywo płaskownika ma niższą granicę plastyczności niż  śruba. W związku z tym, weryfikacji na naciski 
powierzchniowe poddawany jest płaskownik. 
 
Naciski dopuszczalne dla tworzywa płaskownika 1: 

(

)

[

]

MPa

R

n

R

p

d

e

r

d

e

dop

6

89

8

0

2

1

0

1

8

0

,

,

,

,

=

=

=

δ

δ

  

(1.4) 

wówczas: 

dop

p

MPa

g

d

P

p

=

=

=

7

,

22

15

11

2

7500

2

5

,

0

1

1

     (1.5) 

Naciski nie będą przekroczone. 
 
Płaskownik 2: 
stal 45 – R

e

 = 360 MPa  

Tworzywo płaskownika ma wyższą granicę plastyczności niż śruba. W związku z tym, weryfikacji na naciski 
powierzchniowe poddawana jest śruba. 
 
Naciski dopuszczalne dla tworzywa śruby: 

(

)

[

]

MPa

R

n

R

p

e

r

d

e

dop

96

'

8

,

0

2

1

,

0

1

8

,

0

=

=

=

δ

δ

   (1.6) 

wówczas: 

dop

p

MPa

g

d

P

p

=

=

=

2

,

68

10

11

2

15000

2

2

1

     (1.7) 

Naciski nie będą przekroczone 
 
Płaskownik 3: 
stal 35 – R

e

 = 320 MPa  

Tworzywo płaskownika ma wyższą granicę plastyczności niż śruba. W związku z tym, weryfikacji na naciski 
powierzchniowe poddawana jest śruba. Naciski dopuszczalne dla tworzywa śruby przedstawia zależność (1.6). 
Płaskownik 3 jest dwukrotnie grubszy niż  płaskownik 2, więc można przypuszczać,  że dla płaskownika 3 
również naciski nie zostaną przekroczone.  
 

dop

p

MPa

g

d

P

p

=

=

=

17

20

11

2

7500

2

5

,

0

3

1

 

  (1.7) 

Naciski nie będą przekroczone. 
 
3. Należy również sprawdzić  płaskowniki pod kątem naprężeń rozciągających (myślę,  że wystarczy jedynie 
wspomnieć o tym studentom).

 

Płaskowniki należy zweryfikować w przekroju osłabionym otworem. Wówczas 

stan naprężenia w taki przekroju przedstawia zależność: 

r

i

i

k

g

d

b

F

A

F

=

=

)

(

1

σ

   

 

 

 

(1.8) 

gdzie:  
F – jest to siła obciążająca (dla płaskownika 1 i 3 F = 0,5 P dla płaskownika 2 F = P
i – numer płaskownika

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  5 

Zad.2. 

Płaskownik o grubości  g = 15 mm zamocowany przy pomocy trzech śrub pasowanych obciążony jest siłą 
poprzeczną  P=20 000N. Obliczyć  średnicę  śrub i dobrać  śruby znormalizowane. Liczba bezpieczeństwa na 
ścinanie δ

s

 = 2,5, a na naciski wynosi δ

d

 = 2. Płaskownik wykonano ze stali 45

Dane: 
a = 50 mm 
l = 100 mm 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Proponujemy ograniczyć się w tym zadaniu do wyznaczenia obciążeń  śrub, a ich weryfikację, która jest 
stosunkowo prosta, zalecić do samodzielnego wykonania studentom w domu. 
 
1. Wyznaczenie położenia środka ciężkości śrub. 
Z uwagi na to, że wszystkie śruby będą identyczne, zakładamy wstępnie pole przekroju śruby A = 1 cm

2

Wówczas z sumy momentów statycznych względem osi otrzymujemy: 

a

a

a

A

x

A

x

n

n

n

2

1

1

1

0

1

5

1

1

0

=

+

+

+

+

=

=

 

 

   (2.1) 

 
2. Z mechaniki ogólnej studenci powinni wiedzieć, że podczas redukcji układu można zaczepić „myślowo” siłę 
w innym punkcie niż wynika z warunków zadania. Pamiętać jednak należy, że jeśli nowy punkt siły nie leży na 
kierunku jej działania (siłę przesuwamy równolegle) to wpływ tej zmiany położenia siły należy zrównoważyć 
momentem (patrz rysunek poniżej): 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
W takim wypadku można powiedzieć,  że rozpatrywany układ  śrub obciążony będzie (myślowo !!!) dwoma 
oddziaływaniami zewnętrznymi: siłą P i momentem M = P(l+2a). Oddziaływania te wywołują obciążenie śrub 
przedstawione na rysunku poniżej. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5a

P

 

2a

środek ciężkości

śrub

P

 

M

 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  6 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Na rysunku powyżej śruby zostały obciążone siłami (reakcjami) P/3 wynikającymi z działania siły P (z warunku 
równowagi sumy rzutów sił na oś y):  

+

+

=

=

3

3

3

0

P

P

P

P

F

iy

     (2.2) 

oraz reakcjami P

1

, P

2

, P

3

 wynikającymi z warunku równowagi sumy momentów względem punktu (w tym 

wypadku środka ciężkości śrub). Warunek równowagi momentów można zapisać następująco. 
 

)

(

a

l

P

a

P

a

P

a

P

M

2

2

3

3

2

1

+

=

+

+

=

 

   (2.3) 

Korzystając z (2.3) i następującej proporcji: 

=

=

=

=

3

2

3

1

3

2

1

2

1

2

3

2

3

P

P

P

P

a

P

a

P

a

P

  

 

 

 

(2.4) 

można zapisać: 

a

P

a

P

a

P

a

l

P

2

2

1

3

3

2

)

2

(

3

3

3

+

+

=

+

 

   (2.5) 

stąd: 

N

a

a

l

P

P

6

11428

7

2

3

,

)

(

=

+

=

  

 

 

 

(2.6) 

Na podstawie (2.4) i (2.6) wyznaczono: 

N

P

P

N

P

P

7619

5714

2

1

2

1

9

17142

5714

2

3

2

3

3

2

3

1

=

=

=

=

=

=

,

 

   (2.7) 

3. Całkowite obciążenie śrub: 
 
śruba 1: 

N

N

N

P

P

Q

2

10476

3

10000

8571

3

1

1

,

=

=

=

     (2.8) 

śruba 2: 

P

5a

P

2

P

3

P/3

 

P/3

 

P/3

 

środek ciężkości

 

śrub 

2a

P

 

M

 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  7 

N

N

N

P

P

Q

7

14285

3

10000

2857

3

2

2

,

=

+

=

+

=

     (2.9) 

 
 
śruba 3: 

N

N

N

P

P

Q

2

18095

3

10000

5714

3

3

3

,

=

+

=

+

=

  

 

(2.10) 

 

Najbardziej obciążona jest śruba 3. Obliczamy wymaganą dla niej średnicę. Pozostałe śruby przyjmujemy 
jednakowe. 
 
4. Stan naprężenia w śrubie 3: 

t

k

d

Q

=

4

2

1

3

π

τ

  

 

(2.11) 

Zakładamy śruby klasy 8.8
 

R

m

 = 800 MPa 

  

R

e

 = 640 MPa 

 

(

)

[

]

MPa

R

n

R

k

s

e

r

s

e

t

280

1

,

1

2

1

,

0

1

=

=

=

δ

δ

  

 

(2.12) 

stąd: 

mm

MPa

N

k

Q

d

t

07

9

280

3

9047

4

4

3

1

,

,

=

=

π

π

 

  

 

 

(2.13) 

 

Przyjmujemy śruby M10 ze średnicą trzpienia pasowanego d

1

 = 11 mm 

 
5. W ostatnim etapie weryfikujemy połączenie ze względu na naciski powierzchniowe. Granica plastyczności 
tworzywa płaskownika (stal 45 – R

e

 = 360 MPa) jest niższa od granicy plastyczności tworzywa śruby. W 

związku z tym, weryfikacji na naciski dopuszczalne podlega płaskownik. W obliczeniach przyjmujemy siłę Q

3

ponieważ wywoła ona największy nacisk. Stąd: 
 

dop

p

d

g

Q

p

=

1

3

 

 

 

 

 

(2.14) 

gdzie: 

(

)

[

]

MPa

R

n

R

p

d

e

r

d

e

dop

158

88

,

0

2

1

,

0

1

8

,

0

=

=

=

δ

δ

  

 

(2.15) 

wówczas: 

dop

p

MPa

mm

mm

N

p

=

=

7

109

11

15

2

18095

,

,

 

  

 

(2.16) 

Naciski nie zostaną przekroczone. 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  8 

Zad.3.

 

 Dobrać śruby łączące dwa wały obciążone momentem skręcającym M

s

 = 600 Nm. Do połączenia wałów 

zaproponowano sześć śrub pasowanych. Naciski dopuszczalne dla tworzywa tarcz wynoszą p

dop

=150MPa

Naprężenia kryterialne dla tworzywa śruby na ścinanie wynoszą k

t

=180MPa, a naciski dopuszczalne  

p

dop

=130MPa


D

w

 = 110 mm 

D

0

 = 115 mm 

D

z

 = 200 mm 

n = 6 
n

r

 = 1 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Momentowi skręcającemu  M

s

 odpowiada moment oporowy M

0,

 równy mu co do wartości ale o przeciwnym 

zwrocie. Moment oporowy M

0

 można rozłożyć na sześć równych momentów składowych (zakładamy równy 

rozkład obciążenia na każdą ze śrub). Każdy z tych momentów można zastąpić iloczynem siły i ramienia (patrz 
rysunek), gdzie siła jest przyłożona w środku ciężkości śruby, natomiast ramię jest promieniem koła, na którym 
rozmieszczone są śruby (D

/ 2). Wówczas moment oporowy można wyrazić następująco: 

2

0

0

D

P

n

M

=

 

 

 

 

 

(3.1) 

stąd: 

2

0

0

D

n

M

P

=

 

 

 

 

 

 

(3.2) 

1. Naprężenia tnące w śrubie: 

t

k

d

P

=

4

2

1

π

τ

 

 

 

 

 

(3.3) 

stąd: 

mm

k

D

n

M

k

P

d

t

t

51

,

3

8

4

0

0

1

=

=

π

π

 

   (3.4) 

2. Naciski powierzchniowe: 

dop

p

d

g

P

p

=

1

 

 

 

 

 

 

(3.5) 

Granica plastyczności tworzywa śruby jest niższa, dlatego na naciski powierzchniowe weryfikujemy śrubę. 

 

mm

MPa

mm

mm

Nmm

p

g

D

n

M

p

g

P

d

dop

dop

34

,

1

130

10

115

6

600000

2

2

0

0

1

=

=

=

 (3.6) 

 
Na podstawie zależności (3.4) oraz (3.7) dobrano śruby M8 o średnicy trzpienia pasowanego d

1

 = 9 mm 

D

D

D

M

0

10  10 

P

P

P

P

 

P

 

P

 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  9 

Połączenia spawane 

 
Informacje zawarte w tych materiałach zostały opracowane na podstawie normy 

 

PN-90/B-03200 „Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie”. 

 

W przypadku obliczeń połączeń spawanych weryfikacji poddaje się dwa rodzaje spoin: spoiny czołowe oraz 
spoiny pachwinowe. 
1. Wymagania dotyczące spoin. 
 
Wymagania dla spoin czołowych. 
 
W obliczeniach połączeń spawanych ze spoinami czołowymi przyjmuje się, że grubość obliczeniowa spoiny jest 
równa grubości cieńszego z łączonych elementów. W przypadku niepełnej spoiny czołowej grubość ta jest 
równa głębokości rowka do spawania pomniejszonej o 2 mm. 
Jeżeli połączone mają być blachy o różnych grubościach, to należy tak skonstruować złącze spawane, aby 
zapewnić ciągłą zmianę przekroju. W tym celu stosuje się pochylenie, które powinno być nie większe niż: 
1 : 1 - w przypadku obciążeń statycznych, 
1 : 4 - w przypadku obciążeń dynamicznych. 

 

 

 

Wymagania dla spoin pachwinowych. 
 
W przypadku spoin pachwinowych, zaleca się stosować spoiny nie większe niż wynika to z przeprowadzonych 
obliczeń, a ponadto zaleca się aby: 

=

mm

10

najwyzej

co

lecz

t

0,2

mm

2,5

wyjatkowo

mm

3

max

max

min

a

 

 

=

min

max

t

0,7

mm

16

min

a

 

gdzie: 
t

min

, t

max

 grubość cieńszej i grubszej blachy 

 
2. Weryfikacja połączeń spawanych – spoiny czołowe. 
 
Nośność spoiny czołowej wyznacza się z zależności: 
 

 

d

f



+





2

||

2

α

τ

α

σ

 (1) 

 

ν

α

=

15

,

0

1

 

 
gdzie: 

σ, τ –  naprężenia w przekroju obliczeniowym połączenia, 

α

α

||

 – współczynniki wytrzymałości spoin, 

f

d

 – wytrzymałość obliczeniowa stali (odczytywana z tablic dla danego tworzywa), 

ν – współczynnik stosunku naprężeń średnich do maksymalnych 
 
Sposób określania wartości współczynników 

α

||

 oraz 

α

 określa norma. 

Poniżej przedstawiono wyciąg z normy PN-90/B-03200 dotyczący wyznaczania wartości współczynników 

α: 

 
 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  10 

Tablica 1 

Współczynniki wytrzymałości spoin

1) 

Rodzaj spoiny 

Stan naprężeń w rozpatrywanej części lub 

wytrzymałość stali  

Re w MPa 

α

 

α

||

 

ściskanie lub zginanie 

Spoiny czołowe 

rozciąganie równomierne (

ν=1) lub 

mimośrodowe ((

ν<1)) 

1 - 0,15

ν 

2)

  

0,6 

(przy ścinaniu) 

Re 

≤ 225 

0,9 0,8 

255 < Re 

≤ 355 

0,8 0,7 

Spoiny pachwinowe 

355 < Re 

≤ 460 

0,7 0,6 

1)

 Podane wartości współczynników należy zmniejszyć: 

a)  o 10% - w przypadku spoin montażowych, 
b)  o 20% - w przypadku spoin pułapowych, 
c)  o 30% - gdy zachodzą jednocześnie obydwa przypadki a) i b) 

 

2)

 Podana zależność dotyczy spoin normalnej jakości, kontrolowanych zgrubnie: 

ν - iloraz naprężeń średnich do 

naprężeń maksymalnych. W przypadku przeprowadzenia kontroli defektoskopowej można przyjmować wartości 

α

 = 1, przy czym klasa wadliwości złącza wg PN-87/M-69772 powinna wynosić najwyżej R4 - przy grubości 

łączonych części do 20 mm, R3 - przy grubości większej niż 20 mm, R2 - przy obciążeniach zmiennych. 
 

3. Weryfikacja połączeń spawanych – spoiny pachwinowe 

W przypadku złożonego stanu naprężeń warunek wytrzymałościowy ma postać: 
 

 

(

)



+

+

d

d

f

f

σ

τ

τ

σ

κ

2

2

||

2

3

 (2) 

 
gdzie: 

κ – współczynnik zależny od granicy plastyczności stali (określany wg normy w zależności od Re), 

σ

τ

 – naprężenia w kierunku prostopadłym do osi spoiny (patrz rysunek poniżej), 

τ

||

 – naprężenia w kierunku równoległym do osi spoiny (patrz rysunek poniżej), 

 

 

<

<

=

]

[

460

355

1

]

[

355

255

85

,

0

]

[

255

7

,

0

MPa

R

MPa

R

gdy

MPa

R

e

e

e

κ

 (3) 

 

 

σ

 

τ

||

τ

a

σ

 

 

Rys. 1. Składowe naprężeń w spoinie pachwinowej 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  11 

Zadanie 1 
 
Sprawdzić wytrzymałość spoiny czołowej  łączącej blachę  węzłową ze słupem, jak pokazano na rysunku. 
Zakłada się,  że spoina nie ma kraterów końcowych i jest kontrolowana zgrubnie. Obciążenie połączenia jest 
złożone i obejmuje obciążenie siłą rozciągającą N, siłą tnącą V oraz momentem zginającym M. 
 
Dane: 
Tworzywo elementów: 

 

stal 18G2 

Wytrzymałość obliczeniowa: 

 

f

d

 = 305 [MPa] 

N =  360 

[kN] 

V =  270 

[kN] 

M =  12 [kNm] 
 
 

10

300

V

N

M

 

Rozwiązanie: 
W rozpatrywanym przypadku połączenia spawanego mamy do czynienia ze złożonym stanem naprężeń. Zgodnie 
z zależnością (1), do weryfikacji połączenia konieczne jest określenie naprężeń normalnych oraz stycznych, 
występujących w tym połączeniu.  
 
1. Charakterystyki geometryczne spoiny 
W pierwszym kroku wyznaczamy charakterystyki geometryczne spoiny. 

10

300

N

M

10 

300 

 

 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  12 

Na rysunku przedstawiono postać i wymiary pola przekroju poprzecznego spoiny czołowej. Zgodnie z podanymi 
wymiarami spoiny, polem jest prostokąt o szerokości podstawy równej 10 mm oraz wysokości 300 mm. 
 
Obliczenie pola przekroju poprzecznego spoiny: 

]

cm

[

30

]

mm

[

3000

300

10

2

2

=

=

=

s

A

 

Obliczenie wskaźnika wytrzymałości przekroju poprzecznego na zginanie względem osi x: 

]

cm

[

150

]

mm

[

150000

6

300

10

2

300

12

300

10

3

3

2

3

=

=

=

=

=

e

I

W

x

x

 

 
2. Składowe naprężeń 
Z obciążenia spoiny wynika, że naprężenia normalne występujące w spoinie będą pochodziły od siły normalnej 
oraz momentu zginającego, a naprężenia styczne będą pochodziły tylko od siły tnącej. Konieczne jest więc 
wyznaczenie naprężeń cząstkowych pochodzących od poszczególnych sił obciążających spoinę. 
 
a) składowa naprężeń pochodząca od siły poosiowej N 
 

]

MPa

[

120

3000

10

360

3

=

=

=

s

N

A

N

σ

 

 
b) składowa naprężeń pochodząca od momentu zginającego M 
 

]

MPa

[

80

10

150

10

12

3

3

=

=

=

x

M

W

M

σ

 

 
Na rysunku poniżej przedstawiono wykresy obliczonych naprężeń (można je dorysować do istniejącego 
rysunku): 
 

10 300 

M

10

300 

σ

N

σ

M

 

σ

 

 
Całkowite naprężenia normalne będą  złożeniem naprężeń pochodzących od siły rozciągającej i momentu 
zginającego. Maksymalne naprężenia normalne są równe: 
 

]

MPa

[

200

80

120

=

+

=

+

=

M

N

σ

σ

σ

 

 
c) naprężenia styczne pochodzące od siły tnącej V 
 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  13 

]

MPa

[

90

3000

10

270

3

=

=

=

s

A

V

τ

 

 
3. Określenie współczynnika 

α

 

W celu określenia wartości współczynnika 

α

 konieczne jest wyznaczenia ilorazu wartości naprężeń normalnych 

średnich do wartości naprężeń normalnych maksymalnych. Maksymalne naprężenia normalne są równe 

σ. 

Natomiast naprężenia normalne średnie są równe 

σ

N

 (bo w tym przypadku 

σ

M

 są symetryczne i nie zmieniają 

wartości średniej). Stąd: 

6

,

0

200

120 =

=

=

σ

σ

ν

N

 

 
Współczynniki wytrzymałości spoiny wynoszą: 

91

,

0

6

,

0

15

,

0

1

15

,

0

1

=

=

=

ν

α

 

6

,

0

||

=

α

 

 
4. Warunek nośności spoiny 
Po wyznaczeniu wszystkich koniecznych wartości należy sprawdzić warunek nośności spoiny: 
 

d

z

z

d

z

f

f

<

=





+





=



+





=

σ

σ

α

τ

α

σ

σ

]

MPa

[

8

,

275

6

,

0

90

91

,

0

200

2

2

2

||

2

 

 
Warunek został spełniony. 
 
 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  14 

Zadanie 2 
 
Sprawdzić wytrzymałość spoiny pachwinowej łączącej blachę  węzłową ze słupem, jak pokazano na rysunku. 
Zakłada się,  że spoina nie ma kraterów końcowych i jest kontrolowana zgrubnie. Obciążenie połączenia jest 
złożone i obejmuje obciążenie siłą rozciągającą F

z

, siłą tnącą F

y

 oraz momentem zginającym M. 

 
Dane: 
Tworzywo elementów: 

 

stal 18G2, 

Re = 355 [MPa] 

Wytrzymałość obliczeniowa: 

 

f

d

 = 305 [MPa] 

F

z

 =  100 

[kN] 

F

y

 =  100 

[kN] 

M =  10 [kNm] 
 
 

 

a5

200

F

F

z

M

 

Rozwiązanie: 
W rozpatrywanym przypadku połączenia spawanego mamy do czynienia ze złożonym stanem naprężeń. Zgodnie 
z zależnością (2), do weryfikacji połączenia konieczne jest określenie naprężeń normalnych oraz stycznych, 
występujących w tym połączeniu.  
 
1. Charakterystyki geometryczne spoiny 
W pierwszym kroku wyznaczamy charakterystyki geometryczne spoiny. 
 

 

a5

200

F

F

z

M

200 

Kład pola obliczeniowego 

spoiny 

 

 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  15 

Na rysunku przedstawiono kład przekroju obliczeniowego spoiny pachwinowej na płaszczyznę styczną (patrz 
rysunek powyżej). Zgodnie z podanymi wymiarami spoiny, polem całkowitym spoiny jest pole suma pól dwóch 
prostokątów o szerokości podstawy równej 5 mm (wymiar a spoiny pachwinowej - patrz Rys. 1) oraz wysokości 
równej 200 mm. Grubość blachy łączącej węzłowej wynosi 8 mm. 
 
Obliczenie pola przekroju poprzecznego spoiny: 

]

cm

[

20

]

mm

[

2000

200

5

2

2

2

=

=

=

s

A

 

Obliczenie wskaźnika wytrzymałości przekroju poprzecznego na zginanie względem osi x: 

]

cm

[

7

,

66

]

mm

[

7

,

66666

6

200

5

2

2

200

12

200

5

2

3

3

2

3

=

=

=

=

=

e

I

W

x

x

 

2. Składowe naprężeń 
Z analizy obciążeń spoiny wynika, że naprężenia normalne występujące w spoinie będą pochodziły od siły 
normalnej oraz momentu zginającego, a naprężenia styczne będą pochodziły tylko od siły tnącej. Konieczne jest 
więc wyznaczenie naprężeń cząstkowych pochodzących od poszczególnych sił obciążających spoinę. 
 
a) składowa naprężeń pochodząca od siły poosiowej F

 

]

MPa

[

50

2000

10

100

3

1

=

=

=

s

z

A

F

σ

 

 
b) składowa naprężeń pochodząca od momentu zginającego M 
 

=

=

=

=

=

=

MPa

mm

N

mm

mm

10

N

10

mm

kNm

]

MPa

[

150

67

,

66666

10

10

10

2

3

3

3

3

3

3

2

x

W

M

σ

 

 
Na rysunku poniżej przedstawiono wykresy obliczonych naprężeń (można je dorysować do istniejącego 
rysunku): 
 

 

a5 200 

F

y

 

F

z

 

M

10

200 

σ

1

σ

2

 

σ

 

 
Całkowite naprężenia normalne będą  złożeniem naprężeń pochodzących od siły rozciągającej i momentu 
zginającego. Maksymalne naprężenia normalne są równe: 
 

]

MPa

[

200

150

50

2

1

=

+

=

+

=

σ

σ

σ

 

 
c) wyznaczenie składowych naprężeń prostopadłych 

σ

 i 

τ

W przypadku spoin pachwinowych dla których trójkąt wpisany w spoinę jest trójkątem równoramiennym (patrz 
Rys. 1): 

background image

PKM – Ćwiczenia nr 3 – Połączenia śrubowe pasowane i połączenia spawane 

  16 

]

MPa

[

42

,

141

2

200

2

=

=

=

=

σ

τ

σ

 

Przy czym należy sprawdzić warunek: 

305

42

,

141

<

<

d

f

σ

 

Warunek jest spełniony. 
 
c) naprężenia styczne pochodzące od siły tnącej F

 

]

MPa

[

50

2000

10

100

3

||

=

=

=

=

s

y

A

F

τ

τ

 

 
3. Warunek nośności spoiny 
Po wyznaczeniu wszystkich koniecznych wartości należy sprawdzić warunek nośności spoiny: 
 

(

)



+

+

d

d

f

f

σ

τ

τ

σ

κ

2

2

||

2

3

 

Konieczne jest jeszcze określenie wartości współczynnika 

κ na podstawie Re (patrz zależność (3)): 

85

,

0

=

κ

 

 

(

)

(

)



<

<

=

+

+



+

+

]

MPa

[

305

]

MPa

[

42

,

141

]

MPa

[

305

]

MPa

[

43

,

251

42

,

141

50

3

42

,

141

85

,

0

3

2

2

2

2

2

||

2

d

d

f

f

σ

τ

τ

σ

κ

 

Warunek został spełniony.