Opis
Celem niniejszego rozdziału jest weryfikacja metody elementów skończonych opartej na komponentach (CBFEM) dla spoiny pachwinowej w złączu zakładkowym z metodą składnikową (CM). Dwie płyty są połączone w trzech konfiguracjach: spoiną poprzeczną, spoiną podłużną oraz kombinacją spoin poprzecznych i podłużnych. Parametrami zmiennymi w badaniu są długość i grubość spoiny. Badanie obejmuje również długie spoiny, których nośność jest zredukowana ze względu na koncentrację naprężeń. Złącze jest obciążone siłą normalną.
Model analityczny
Spoina pachwinowa jest jedynym komponentem analizowanym w badaniu. Spoiny są zaprojektowane jako najsłabszy komponent złącza. Spoina jest projektowana zgodnie z EN 1993-1-8:2005. Obliczeniowa nośność spoiny pachwinowej jest wyznaczana metodą kierunkową podaną w pkt 4.5.3.2 normy EN 1993-1-8:2005. Dostępne metody obliczeniowe sprawdzania wytrzymałości spoin pachwinowych opierają się na upraszczającym założeniu, że naprężenia są równomiernie rozłożone w przekroju gardła spoiny pachwinowej, co prowadzi do naprężeń normalnych i stycznych przedstawionych na Rys. 4.1.1, jak następuje:
- σ⊥ jest naprężeniem normalnym prostopadłym do przekroju gardła;
- σ∥ jest naprężeniem normalnym równoległym do osi spoiny w jej przekroju poprzecznym;
- τ⊥ jest naprężeniem stycznym (w płaszczyźnie przekroju gardła) prostopadłym do osi spoiny;
- τ∥ jest naprężeniem stycznym (w płaszczyźnie przekroju gardła) równoległym do osi spoiny.
Naprężenie normalne σ∥ równoległe do osi nie jest uwzględniane przy weryfikacji obliczeniowej nośności spoiny.

Obliczeniowa nośność spoiny pachwinowej będzie wystarczająca, jeśli spełnione są oba poniższe warunki:
W złączach zakładkowych dłuższych niż , współczynnik redukcyjny jest dany wzorem:
ale
Model numeryczny
Komponent spoiny w CBFEM jest opisany w Ogólnych podstawach teoretycznych oraz w Podstawach teoretycznych EN. W badaniu zastosowano nieliniowy sprężysto-plastyczny model materiału dla spoin. Graniczne odkształcenie plastyczne jest osiągane w dłuższej części spoiny, a koncentracje naprężeń są redystrybuowane.
Weryfikacja nośności
Przegląd rozważanych przykładów oraz właściwości materiałowych przedstawiono w Tab. 4.1.1. Konfiguracje spoin oznaczono: T dla spoiny poprzecznej, P dla spoiny równoległej oraz TP dla kombinacji obu; geometrię przedstawiono na Rys. 4.1.2. Gatunek stali to S235 (fy = 235 MPa, fu = 360 MPa, E = 210 GPa, βw = 0,8). Częściowe współczynniki bezpieczeństwa wynosiły γM0 = 1,0, γM2 = 1,25. Geometria modelu jest przedstawiona na Rys. 4.1.2. Płyty mają grubość 20 mm. Połączenie jest symetryczne, a płyta jest wyciągana ze spawanego złącza nakładkowego. Długość i szerokość płyt są dostosowane do długości spoin równoległych i poprzecznych. Nośność spoiny jest zawsze decydującym trybem zniszczenia. Grubość gardła spoiny wynosi 3 mm. Długości spoin poprzecznych i równoległych są zmienne w niniejszym badaniu parametrycznym.

Obliczeniowa nośność spoiny wyznaczona metodą CBFEM jest porównywana z wynikami CM. Wyniki przedstawiono w Tab. 4.1.1 – 4.1.3 oraz na Rys. 4.1.3 – 4.1.5.

Obliczanie nośności spoin poprzecznych
Gdzie:
- grubość gardła spoiny
- siła normalna działająca na element
- całkowita długość spoin poprzecznych
- współczynnik korelacji przyjęty z Tablicy 4.1 EN 1993-1-8
- nominalna wytrzymałość na rozciąganie słabszego łączonego elementu
- częściowy współczynnik bezpieczeństwa dla spoin
Obliczanie nośności spoin równoległych
Gdzie:
- grubość gardła spoiny
- siła poprzeczna działająca na element
- całkowita długość spoin równoległych
- współczynnik korelacji przyjęty z Tablicy 4.1 EN 1993-1-8
- współczynnik redukcyjny dla długich spoin, równanie 4.9 EN 1993-1-8
- nominalna wytrzymałość na rozciąganie słabszego łączonego elementu
- częściowy współczynnik bezpieczeństwa dla spoin
Obliczanie dla spoin poprzecznych i równoległych
Nośność obliczona ręcznie dla kombinacji spoin poprzecznych i równoległych jest po prostu sumą nośności spoin poprzecznych i równoległych wyznaczonych z powyższych równań.
Prezentacja wyników








Nośność spoin równoległych, poprzecznych oraz grup spoin wielokierunkowo zorientowanych jest niemal identyczna według CM i CBFEM. Największa różnica w niniejszym badaniu wynosi 6% w nośności obciążeniowej.
Wyniki CBFEM dla spoin równoległych są nieznacznie po stronie bezpiecznej, lecz zaczynają się rozbiegać dla długich spoin. Redukcja nośności wynikająca z długich spoin nie jest uwzględniana przez CBFEM, jednak nie oczekuje się, aby spoiny dłuższe niż 200-krotność grubości gardła mogły wystąpić w jakimkolwiek połączeniu, a do tej długości wyniki są nadal bardzo zbliżone.
Dla spoin poprzecznych CBFEM zapewnia bardzo spójne wyniki z nośnością wyższą o 2–4%.
Przykład wzorcowy
Dane wejściowe
Element 1 – Iw60x500
• Spawany z blach o grubości t = 20 mm
• Szerokość b = 500 mm
• Środnik usunięty operacją wytwórczą Otwór
• Stal S235
Element 2 – Blacha 20x1000
• Grubość t = 20 mm
• Szerokość b = 1000 mm
• Stal S235
• Mimośród ex = –90 mm
Poprzeczna spoina pachwinowa po obu stronach Elementu 2
• Grubość gardła a = 3 mm
• Długość spoiny Lt = 100 mm
Równoległa spoina pachwinowa po obu stronach Elementu 2
• Grubość gardła a = 3 mm
• Długość spoiny Lp = 100 mm
Wyniki
• Obliczeniowa nośność na rozciąganie FRd = 387 kN (Należy zaznaczyć, że nośność została obliczona z użyciem funkcji „Zatrzymaj przy granicznym odkształceniu". W związku z tym rzeczywista nośność CBFEM może być nieznacznie wyższa.)
