Polskie biura projektów małą wagę przywiązują do obliczania spoin wg norm krajowych, przyswajanie norm europejskich idzie opornie, a konieczność liczenia wg norm USA czy japońskich stanowi duży problem. Znalezienie w mieście akademickim biura projektów, które zagwarantuje obliczenia spoin wg konkretnej normy, nawet krajowej, może być nie lada wyzwaniem. Bierze się to z tego, że często projektuje się dla kolegów. W przypadku przetargów unijnych czy rynku globalnego utrudnia to pozyskanie zleceń i może skończyć się bankructwem firmy. Japończycy przerabiali to na kontraktach w USA, gdzie ważna jest nie tylko norma, ale i rok jej wydania. Dlatego aby zapoczątkować dobry zwyczaj posługiwania się przez projektantów normami, a nie tylko wyuczonymi w praktyce zasadami, postanowiliśmy na przykładach pokazać porównanie obliczania spoin wg norm polskich, europejskich, japońskich i amerykańskich. Artykuł będzie dotyczył konstrukcji ramowych maszyn, wieżowców odpornych na trzęsienia ziemi, konstrukcji suwnic i mostów.
Ponieważ wchodzi prawo europejskie, które – obok firm wykonawczych – będzie uprawniało również biura projektów wg EN1090, będą one musiały, podobnie jak firmy wykonawcze na zasadzie analogii do normy ISO 3834, przygotować księgę jakości, procedury i instrukcje projektowania oraz obliczania konstrukcji stalowych wg wymogów norm [4]. W tym systemie, analogicznie do kwalifikacji nadzoru spawalniczego i badań nieniszczących, uprawnienia budowlane będą tylko kwalifikacjami pracowników na jednym z trzech poziomów.
Obliczenia statyczne
W poprzednich artykułach podano ogólne zasady projektowania połączeń spawanych [3]. Należy zwrócić szczególną uwagę na pokazane na rysunku 1 dopuszczalne sposoby obciążania spoin pachwinowych.

Ważne są też obliczenia statyczne. Na przykładach poniżej omówimy obliczenia wg norm amerykańskich, japońskich, polskich i europejskich. Obliczenia te pokazują znaczne różnice. Nie oznacza to jednak, że w Polsce powinniśmy zastosować obliczenia, które dają najlepsze odchudzenie konstrukcji. Możemy to zrobić, gdy zastosujemy japońskie wymogi dotyczące stali i wymusimy od firm uprawnienia, które zagwarantują odpowiednią organizacje kontroli jakości i nadzoru spawalniczego [4].
Przykład 1
Zgodnie z drugim standardem projektowania konstrukcji stalowych Japońskiego Instytutu Architektury poszukamy najmniejszego rozmiaru spoiny pachwinowej w złączu, takim jak na rysunku 2 (w wypadku kiedy dopuszczane są obciążenia, prostopadłe do linii spawania złącza pachwinowego). Sprawdzimy również jak duże obciążenie w kN może wytrzymać spoina, jeśli zostanie ona obciążona siłą P, którą pokazano na rysunku. Do próby wykorzystano materiał SM400 (JIS) o wartości F (odpowiada granicy plastyczności), czyli 235 N/mm2, nie uwzględniamy momentów zginających.

W tabeli 1 porównano obliczenia naukowców japońskich i polskich wg różnych norm. Wyniki obliczeń polskich znacznie różnią się od japońskich.

Przykład 2
Ile kN wyniesie dopuszczalna siła naprężeń jeśli na złącze w spoinie pachwinowej będzie działać siła zewnętrzna zgodnie ze strzałkami na rysunku 3?
Do obliczeń posłuży nam tabela z wartościami dopuszczalnych naprężeń, zgodnie z normami AWS D1.1 – 02. Materiał rodzimy to SM400 (wg norm JIS, wytrzymałość na rozciąganie wynosi 400-510 N/mm2, granica plastyczności wynosi powyżej 235 N/mm2). Materiały spawalnicze to D4316 (elektroda służąca do spawania łukiem otulonym niskowodorowym stosowanym do stali węglowych wg normy JIS – wytrzymałość na rozciąganie wynosi powyżej 420 N/mm2 ).

W tabeli 2 porównano obliczenia naukowców amerykańskich i polskich, wg różnych norm. Wyniki obliczeń polskich znacznie różnią się od amerykańskich.

Przykład 3
Dla złącza, które zostało przedstawione na rysunku 4 obliczymy największą dopuszczalną wartość siły zewnętrznej w kN, biorąc pod uwagę siłę rozciągającą zewnętrzną P, działającą w kierunku zgodnym ze strzałkami. Przeprowadzimy obliczenia zgodnie z drugim standardem projektowania konstrukcji stalowych Japońskiego Instytutu Architektury. Jednakże tutaj zastosowane materiały dodatkowe są dobrane do materiału rodzimego i zgodnie z tym, co przedstawia rysunek, prawidłowa spoina jest na całej długości złącza jednorodna. Czyli rozkład naprężeń wywołany przez siły zewnętrze jest jednorodny, a więc całą długość złącza będziemy traktować jako efektywny przekrój gardzieli. W tym przypadku materiał A to SM400, a materiał B to SM490.

W tabeli 3 porównano obliczenia naukowców japońskich i polskich wg różnych norm. Dla zobrazowania idei obliczeń wg wymogów polskich biur projektowych poniżej prezentujemy dokładne obliczenia wg norm europejskich i polskich.
Złącze A z prawej strony:
wg PN-EN 1993-1-8:
efektywna grubość spoiny pachwinowej a=14
wymiary przyspawanego elementu a1 = 100 mm; b1 = 20 mm
długość całkowita spoiny leff = 2a1 = 0,2 m
pole przekroju spoiny: Aw = a x lef = 2.8 x 103 mm2
Siła:
W przypadku spoin ułożonych symetrycznie i prostopadle do siły działają naprężenia prostopadłe σT i styczne τT
Zakładamy P = 712 kN

Dane:
stal S235: dla elementów cieńszych niż 40mm granica plastyczności wynosi fy = 235 MPa, wytrzymałość na rozciąganie fu = 360 MPa, γM2 = 1.25, współczynnik korekcji Bw = 0,8
Warunki nośności kierunkowej:

wg polskiej normy PN – B /03200:
a = 14 mm, zakładamy Ppn = 579 kN

Warunki nośności:

Złącze B z lewej strony:
fy = 235 MPa, wytrzymałość na rozciąganie fu = 360 MPa, γM2 = 1, wymiary spoiny: aw = 14 mm, lw = 100 mm, Aw = aw x lw = 1,4 x 103 mm2
Warunki nośności:

Wg PN – B /03200:
Ppn1 = 286 kN, Ppn1 < Aw x Fd = 1

Nośność połączenia wg EC (eurokod PN-EN 1993-1-8):

Nośność połączenia wg PN – B /03200:

Warto zwrócić uwagę, że obliczenia wykonane przez dwóch różnych projektantów nie są jednoznaczne. Wynika to z następujących okoliczności.
Przy liczeniu według eurokodu PN-EN 1993-1-8 w Polsce zaleca się dodatkowo przyjmować w całości zalecenia ze starej normy PN – B /03200.
W powyższym przykładzie różnica wyników wypływa przede wszystkim z faktu, że przy tak dobranych grubościach blach i grubości spoiny pachwinowej nośność spoin jest większa od nośności blach; o nośności całości decyduje zatem nośność blach rozciąganych. Ponadto, jeżeli wymiar spoiny przekracza 0,7 grubości, to do wytrzymałości bierze się maksymalny dopuszczalny wymiar spoiny. Norma polska i europejska odmiennie niż normy japońskie i amerykańskie nakłada wymóg, by nośność spoiny czołowej określać w odniesieniu do słabszego z łączonych elementów. W rozważanym przypadku mamy do czynienia z blachami o różnej wytrzymałości, połączonymi prostopadle do siebie. Pojęcie „słabszy element” nie jest tu tak czytelne jak wówczas, gdy łączone elementy leżą w jednej płaszczyźnie – z punktu widzenia przyłożonego obciążenia mamy tu do czynienia z blachą rozciąganą i zginaną.

W tabeli 3 przyjęto obliczenia po stronie bezpiecznej, czyli przyjęto mniejszą z dwóch wytrzymałości oraz pole powierzchni równe polu blachy rozciąganej. Należy też pamiętać o sprawdzeniu nośności blachy, która w tym przypadku wynosi:
P ≤ 20 mm * 100 mm * 205 MPa = 410,0 kN
Obliczenia w tabelce biorą pod uwagę że w tym przypadku tak dobranych spoin i blach, nośność spoin staje się większa od nośności blachy. W japońskich normach domyślnym wymiarem spoiny pachwinowej jest wartość „z” a w normach polskich wartość „a”. Można też do obliczeń wziąć jedną zamiast dwóch spoin pachwinowych. Stosowanie do obliczeń programów komputerowych wymaga precyzyjnego ustawienia warunków początkowych i znajomości ich wpływu na wyniki obliczeń.