Plasticità nelle saldature in IDEA StatiCa

Domande come:

• È consentita una distribuzione plastica nelle saldature ed è conforme alla norma?
• Il modo in cui le saldature sono modellate in IDEA non porta a una resistenza troppo elevata?
• Come IDEA affronta i requisiti del Cl. 4.9 della EN 1993-1-8 che stabiliscono che non ci si dovrebbe affidare alla duttilità delle saldature?
• Come IDEA affronta il requisito che le saldature dovrebbero essere sufficientemente resistenti da non rompersi prima dello snervamento generale nel materiale base adiacente?

In questo articolo forniamo risposte a queste domande.

Comportamento reale di una saldatura

Sarà utile considerare prima il comportamento reale di una saldatura. La distribuzione reale delle tensioni o delle deformazioni in una saldatura a cordone d'angolo sotto varie combinazioni di carico è tuttavia difficile da determinare con precisione. Inoltre, le proprietà del materiale nel materiale base vicino alla saldatura e nella saldatura stessa non possono essere considerate omogenee. Per ottenere informazioni sul comportamento di rottura delle saldature, quindi, è stato condotto un gran numero di test sperimentali in tutto il mondo.

Consideriamo ad esempio il seguente giunto sovrapposto che è caricato in direzione longitudinale. Similmente alle connessioni bullonate che sono caricate in direzione longitudinale, la distribuzione delle tensioni non sarà uniforme. Tuttavia, qualitativamente si può indicare come sarebbe la distribuzione delle tensioni. Le tensioni più elevate si verificano alle estremità

Figura 1 - Distribuzione non uniforme delle tensioni di taglio in un giunto sovrapposto

Aumentando ulteriormente il carico, appare che la saldatura presenta capacità di deformazione e che può verificarsi uno snervamento locale (Figura 2).

Figura 2 - Distribuzione non uniforme delle tensioni di taglio con snervamento locale in un giunto sovrapposto

Metodo Eurocodice

Diverse configurazioni di saldatura e combinazioni di carico possono portare a diverse distribuzioni di tensioni. Un approccio semi-empirico è stato scelto come base per le regole di calcolo di progettazione dell'Eurocodice. Invece di verificare il meccanismo di rottura su scala microscopica, le saldature nel loro insieme sono verificate su scala macroscopica. È stato assunto un modello di rottura semplificato, basato sulla plasticità. Calcolando a ritroso dai risultati dei test sperimentali è stato determinato un criterio di rottura (formula di saldatura).

La EN 1993-1-8 Cl. 4.5.3 descrive due metodi per la determinazione della resistenza di progetto delle saldature a cordone d'angolo, il metodo Direzionale e il metodo Semplificato. Il metodo Semplificato è un metodo semplificato del metodo Direzionale. Nel metodo Direzionale, le forze trasmesse da una lunghezza unitaria di saldatura sono risolte in componenti parallele e trasversali all'asse longitudinale della saldatura e normali e trasversali al piano della sua gola. Il valore di progetto della resistenza della saldatura deve essere sufficiente se entrambe le seguenti equazioni sono soddisfatte:

Dove:

 
Nel calcolo delle saldature di strutture caricate staticamente è quindi consentito assumere una distribuzione uniforme delle tensioni lungo lo spessore e la lunghezza della saldatura. Qui è anche implicitamente assunto tuttavia che possano verificarsi deformazioni plastiche per rendere possibile la ridistribuzione delle tensioni. La capacità di deformazione necessaria aumenta all'aumentare della lunghezza della saldatura. La deformazione ultima è ancora considerata limitata tuttavia, quindi in certe situazioni si dovrà tenere conto di una larghezza efficace b_eff, ad esempio in un giunto dove una piastra trasversale (o flangia di trave) è saldata a una flangia portante non irrigidita di un profilo a I (Figura 3).

Figura 3 - Larghezza efficace di un giunto a T non irrigidito

Metodo CBFEM

Al contrario, nell'approccio CBFEM (Component Based Finite Element Model) utilizzato in IDEA StatiCa, una saldatura consiste di più elementi più piccoli uno accanto all'altro. Lo spessore della saldatura, la posizione e l'orientamento della saldatura sono presi in considerazione. Le tensioni e le deformazioni in ogni elemento possono variare l'una dall'altra. Pertanto, nel modello si sviluppa automaticamente una distribuzione non uniforme delle tensioni che è più realistica della distribuzione uniforme idealizzata delle tensioni secondo i codici (Figura 4).

Figura 4 - Tensioni in piastre e saldature in una connessione trave-pilastro saldata IDEA

L'obiettivo del modello di materiale applicato in IDEA non è tuttavia ancora quello di catturare perfettamente la realtà. Le tensioni residue o il ritiro della saldatura sono trascurati. Il modello di materiale con il suo valore limite di deformazione plastica è scelto in modo tale che la resistenza totale della saldatura in un modello IDEA corrisponda bene alla resistenza secondo i codici. Per raggiungere questo obiettivo, IDEA StatiCa ha effettuato molte validazioni. Nel libro CBFEM (scritto dal prof. Frantisek Wald et al. dell'Università Tecnica Ceca di Praga) e nelle ricerche successive, è stato fatto un gran numero di confronti tra diversi tipi di saldature calcolate in IDEA e calcolate secondo i codici o saldature caricate in esperimenti (vedi Figura 5). Sul nostro sito web si possono trovare molti documenti di validazione su questo argomento - verifiche del centro di supporto

Figura 5 - Diagrammi tensione di taglio - deformazione da esperimenti di Kleiner (2018) confrontati con CBFEM

Questo mostra che il limite di deformazione utilizzato porta a una resistenza totale sicura della saldatura che corrisponde anche bene alla resistenza calcolata secondo i codici pertinenti. Questa è la ragione per cui una ridistribuzione plastica nelle saldature nel modello IDEA è considerata accettabile. Senza plasticità nelle saldature, non si potrebbe mai avvicinare alla resistenza calcolata a mano secondo i codici.

Requisiti aggiuntivi dalla EN 1993-1-8 art. 4.9

La EN 1993-1-8 nel Cl. 4.9(4)-(6) stabilisce ulteriori requisiti aggiuntivi per le saldature nei giunti. L'idea dietro queste regole è che un giunto dovrebbe essere impedito di fallire senza sufficiente avvertimento. Anche se si può dimostrare che possono verificarsi deformazioni plastiche nelle saldature, e che la saldatura è in linea di principio sufficientemente forte per resistere alle forze che si verificano che sono determinate in un calcolo generale (statico), potrebbe ancora essere il caso che le forze che si verificano siano più grandi del previsto e potrebbero portare al fallimento del giunto nel suo insieme senza sufficiente avvertimento. Questo perché gli allungamenti totali in una saldatura possono ancora essere piccoli in senso assoluto. Un effetto di avvertimento sufficiente può quindi essere ottenuto progettando il giunto in modo tale che la piastra collegata possa snervare prima che la saldatura si rompa. Questo può essere raggiunto applicando un rapporto minimo tra spessore della saldatura e spessore della piastra. Pertanto, IDEA StatiCa include controlli di dettaglio per verificare se una saldatura nel modello ha uno spessore di saldatura sufficiente per un dato spessore della piastra.

La regola specifica che IDEA ha implementato per questo è basata sul Cl. 6.9(4) della versione concettuale del prossimo nuovo Eurocodice (FprEN 1993-1-8:2023(E)) che stabilisce che per soddisfare una duttilità sufficiente, la saldatura deve essere progettata in modo tale che la sua resistenza sia almeno uguale a:

• 1,1 f_y/f_u volte la resistenza di progetto della piastra collegata più debole
• ma non deve essere più della resistenza di progetto della piastra collegata più debole

Assumendo il seguente esempio standard di giunto a T (Figura 6):

Figura 6 - Giunto a T con forza normale agente sulla piastra collegata uguale alla forza di snervamento della piastra

dove la grandezza di F_s,d è scelta in modo tale che F_s,d = f_y,plate ∙ t ∙ l, Questo porta alla derivazione della seguente formula utilizzata per il controllo di dettaglio in IDEA per le saldature a cordone d'angolo bilaterali:

Dove:

 
Per le seguenti classi di acciaio standard questo porta ai seguenti rapporti minimi spessore saldatura - spessore piastra (Tabella 1).

Tabella 1 - Spessore minimo della saldatura per la duttilità

 
Per le saldature a cordone d'angolo unilaterali il valore derivato deve essere moltiplicato per 2. L'utente di IDEA riceverà un avvertimento quando lo spessore della saldatura applicato non soddisfa il valore minimo (Figura 7). L'utente riceverà anche un messaggio di errore quando vengono applicate saldature con spessore della gola inferiore a 3,0 mm, il che non è consentito secondo la EN 1993-1-8 Cl. 4.5.2(2).

Figura 7 - Avvertimento quando si applica uno spessore di saldatura troppo piccolo in IDEA

 
Tuttavia, potrebbero esserci situazioni in cui si può sostenere che non è necessario soddisfare il requisito di spessore minimo della saldatura per scopi di duttilità. Ad esempio, saldature di una connessione piastra di base del pilastro che trasmettono principalmente forze di compressione. O se si potesse dimostrare che esiste qualche altra parte nella struttura globale che fallirebbe comunque con sufficiente avvertimento. Il programma dovrebbe sempre essere considerato come uno strumento, spetta all'ingegnere utilizzare il proprio giudizio ingegneristico per prendere una decisione informata sul progetto finale.