คำอธิบาย วัตถุประสงค์ของบทนี้คือการตรวจสอบวิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) ของรอยเชื่อมฟิลเล็ตในการต่อทาบกับวิธีส่วนประกอบ (CM) แผ่นเหล็กสองแผ่นถูกเชื่อมต่อในสามรูปแบบ ได้แก่ รอยเชื่อมตามขวาง รอยเชื่อมตามยาว และการรวมกันของรอยเชื่อมตามขวางและตามยาว ความยาวและความหนาของคอรอยเชื่อมเป็นพารามิเตอร์ที่แปรผันในการศึกษา การศึกษานี้ยังครอบคลุมรอยเชื่อมยาวที่มีความต้านทานลดลงเนื่องจากการกระจุกตัวของความเค้น จุดต่อรับแรงปกติ
แบบจำลองเชิงวิเคราะห์ รอยเชื่อมฟิลเล็ตเป็นส่วนประกอบเดียวที่ตรวจสอบในการศึกษา รอยเชื่อมได้รับการออกแบบให้เป็นส่วนประกอบที่อ่อนแอที่สุดในจุดต่อ รอยเชื่อมได้รับการออกแบบตาม EN 1993-1-8:2005 ความต้านทานการออกแบบของรอยเชื่อมฟิลเล็ตถูกกำหนดโดยใช้วิธีทิศทาง (Directional method) ที่ระบุไว้ใน Cl. 4.5.3.2 ใน EN 1993-1-8:2005 วิธีการคำนวณที่ใช้ได้สำหรับการตรวจสอบความแข็งแรงของรอยเชื่อมฟิลเล็ตอยู่บนพื้นฐานของสมมติฐานที่ว่าความเค้นกระจายสม่ำเสมอภายในหน้าตัดคอของรอยเชื่อมฟิลเล็ต ซึ่งนำไปสู่ความเค้นปกติและความเค้นเฉือนดังแสดงในรูปที่ 4.1.1 ดังนี้:
σ ⊥ คือความเค้นปกติตั้งฉากกับหน้าตัดคอ
σ ∥ คือความเค้นปกติขนานกับแกนของรอยเชื่อมในหน้าตัด
τ ⊥ คือความเค้นเฉือน (ในระนาบของหน้าตัดคอ) ตั้งฉากกับแกนของรอยเชื่อม
τ ∥ คือความเค้นเฉือน (ในระนาบของหน้าตัดคอ) ขนานกับแกนของรอยเชื่อม
ความเค้นปกติ σ ∥ ขนานกับแกนไม่ถูกพิจารณาเมื่อตรวจสอบความต้านทานการออกแบบของรอยเชื่อม
Fig. 4.1.1 Stresses in a throat section of a fillet weld \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.1 Stresses in a throat section of a fillet weld}}} Fig. 4.1.1 Stresses in a throat section of a fillet weld
ความต้านทานการออกแบบของรอยเชื่อมฟิลเล็ตจะเพียงพอหากเงื่อนไขต่อไปนี้ทั้งสองข้อได้รับการตอบสนอง:
σ ⊥ 2 + 3 ⋅ ( τ ⊥ 2 + τ ⊥ 2 ) ≤ f u β w γ M2 \sqrt{\sigma_{\perp}^2 + 3 \cdot ( \tau_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 )} \le \frac{f_\textrm{u}}{\beta_\textrm{w} \gamma_\textrm{M2}} σ ⊥ 2 + 3 ⋅ ( τ ⊥ 2 + τ ⊥ 2 ) ≤ β w γ M2 f u
σ ⊥ ≤ 0.9 f u γ M2 \sigma_{\perp} \le \frac{0.9 f_\textrm{u}}{\gamma_\textrm{M2}} σ ⊥ ≤ γ M2 0.9 f u
ในการต่อทาบที่ยาวกว่า 150 ⋅ a 150 \cdot a 150 ⋅ a β L w , 1 \beta_{\mathrm{Lw,1}} β Lw , 1
β L w , 1 = 1.2 − 0.2 L j 150 a \beta_{\mathrm{Lw,1}} = 1.2 - \frac{0.2 L_\textrm{j}}{150 a} β Lw , 1 = 1.2 − 150 a 0.2 L j β L w , 1 ≤ 1.0 \beta_{\mathrm{Lw,1}} \le 1.0 β Lw , 1 ≤ 1.0
แบบจำลองเชิงตัวเลข ส่วนประกอบรอยเชื่อมใน CBFEM อธิบายไว้ใน พื้นฐานทางทฤษฎีทั่วไป และ พื้นฐานทางทฤษฎีตาม EN วัสดุแบบ Nonlinear elastic-plastic ถูกใช้สำหรับรอยเชื่อมในการศึกษานี้ ความเครียดพลาสติกขีดจำกัดถูกบรรลุในส่วนที่ยาวกว่าของรอยเชื่อม และจุดสูงสุดของความเค้นถูกกระจายใหม่
การตรวจสอบความต้านทาน ภาพรวมของตัวอย่างที่พิจารณาและคุณสมบัติของวัสดุแสดงไว้ใน Tab. 4.1.1 รูปแบบรอยเชื่อมคือ T สำหรับรอยเชื่อมตามขวาง P สำหรับรอยเชื่อมขนาน และ TP สำหรับการรวมกันของทั้งสอง ดูรูปทรงเรขาคณิตในรูปที่ 4.1.2 เกรดเหล็กคือ S235 (f y = 235 MPa, f u = 360 MPa, E = 210 GPa, β w = 0,8) ตัวประกอบความปลอดภัยบางส่วนคือ γ M0 = 1.0, γ M2 = 1.25 รูปทรงเรขาคณิตของแบบจำลองแสดงในรูปที่ 4.1.2 แผ่นเหล็กมีความหนา 20 มม. การเชื่อมต่อมีความสมมาตร และแผ่นเหล็กถูกดึงออกจากการต่อเชื่อมแบบทาบ ความยาวและความกว้างของแผ่นเหล็กถูกปรับตามความยาวของรอยเชื่อมขนานและตามขวาง ความต้านทานของรอยเชื่อมเป็นรูปแบบการวิบัติที่ควบคุมเสมอ ความหนาของคอรอยเชื่อมคือ 3 มม. ความยาวของรอยเชื่อมตามขวางและขนานแปรผันในการศึกษาเชิงพารามิเตอร์นี้
Drawing 4.1 Joint geometry with dimensions \textsf{\textit{\footnotesize{Drawing 4.1 Joint geometry with dimensions}}} Drawing 4.1 Joint geometry with dimensions
ความต้านทานการออกแบบรอยเชื่อมที่คำนวณโดย CBFEM ถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของ CM ผลลัพธ์แสดงไว้ใน Tab. 4.1.1 – 4.1.3 และรูปที่ 4.1.3 – 4.1.5
Fig. 4.1.2 Specimen geometry \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.2 Specimen geometry}}} Fig. 4.1.2 Specimen geometry
การคำนวณความต้านทานของรอยเชื่อมตามขวาง σ ⊥ 2 + 3 ⋅ ( τ ⊥ 2 + τ ∥ 2 ) ≤ f u β w ⋅ γ M2 \sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + 3 \cdot \left( \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2\right)} \leq \frac{f_\textrm{u}}{\beta_{\textrm{w}} \cdot \gamma_{\textrm{M2}}} σ ⊥ 2 + 3 ⋅ ( τ ⊥ 2 + τ ∥ 2 ) ≤ β w ⋅ γ M2 f u
σ ⊥ = τ ⊥ = σ N 2 = N L t ⋅ a ⋅ 1 2 \sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = \frac{\sigma_\textrm{N}}{\sqrt{2}} = \frac{N}{L_{\textrm{t}} \cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}} σ ⊥ = τ ⊥ = 2 σ N = L t ⋅ a N ⋅ 2 1
τ ∥ = 0 \tau_{\parallel} = 0 τ ∥ = 0
( σ N 2 ) 2 + 3 ⋅ ( σ N 2 ) 2 ≤ f u β w ⋅ γ M2 \sqrt{ \left( \frac{\sigma_\textrm{N}}{\sqrt{2}} \right)^2 + 3 \cdot \left( \frac{\sigma_\textrm{N}}{\sqrt{2}} \right)^2} \leq \frac{f_\textrm{u}}{\beta_{\textrm{w}} \cdot \gamma_{\textrm{M2}}} ( 2 σ N ) 2 + 3 ⋅ ( 2 σ N ) 2 ≤ β w ⋅ γ M2 f u
( N L t ⋅ a ⋅ 1 2 ) 2 + 3 ⋅ ( N L t ⋅ a ⋅ 1 2 ) 2 ≤ f u β w ⋅ γ M2 \sqrt{ \left( \frac{N}{L_{\textrm{t}}\cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 + 3 \cdot \left( \frac{N}{L_{\textrm{t}}\cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2} \leq \frac{f_\textrm{u}}{\beta_{\textrm{w}} \cdot \gamma_{\textrm{M2}}} ( L t ⋅ a N ⋅ 2 1 ) 2 + 3 ⋅ ( L t ⋅ a N ⋅ 2 1 ) 2 ≤ β w ⋅ γ M2 f u
N ≤ f u ⋅ L t ⋅ a β w ⋅ γ M2 ⋅ 2 N \leq \frac{f_\textrm{u} \cdot L_{\textrm{t}}\cdot a }{\beta_{\textrm{w}} \cdot \gamma_{\textrm{M2}} \cdot \sqrt{2}} N ≤ β w ⋅ γ M2 ⋅ 2 f u ⋅ L t ⋅ a
σ ⊥ = N L t ⋅ a ⋅ 1 2 ≤ f u ⋅ 0.9 γ M2 \sigma_{\perp}= \frac{N}{L_{\textrm{t}} \cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \leq \frac{f_\textrm{u} \cdot 0.9}{ \gamma_{\textrm{M2}}} σ ⊥ = L t ⋅ a N ⋅ 2 1 ≤ γ M2 f u ⋅ 0.9
N ≤ f u ⋅ L t ⋅ a ⋅ 0.9 ⋅ 2 γ M2 N \leq \frac{f_{u} \cdot L_{\textrm{t}}\cdot a \cdot 0.9 \cdot \sqrt{2}}{ \gamma_{\textrm{M2}} } N ≤ γ M2 f u ⋅ L t ⋅ a ⋅ 0.9 ⋅ 2
โดยที่:
a a a
N N N
L t L_{\textrm{t}} L t
β w \beta_{\mathrm{w}} β w
f u f_\textrm{u} f u
γ M 2 \gamma_{\mathrm{M2}} γ M2
การคำนวณความต้านทานของรอยเชื่อมขนาน σ ⊥ 2 + 3 ⋅ ( τ ⊥ 2 + τ ∥ 2 ) ≤ f u β w ⋅ γ M 2 \sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + 3 \cdot \left( \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2\right)} \leq \frac{f_\textrm{u}}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}} σ ⊥ 2 + 3 ⋅ ( τ ⊥ 2 + τ ∥ 2 ) ≤ β w ⋅ γ M2 f u
σ ⊥ = τ ⊥ = 0 \sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = 0 σ ⊥ = τ ⊥ = 0
τ ∥ = V L p ⋅ a \tau_{\parallel} = \frac{V}{L_{\textrm{p}} \cdot a} τ ∥ = L p ⋅ a V
3 ⋅ ( τ ∥ ) 2 ≤ f u β w ⋅ γ M 2 \sqrt{ 3 \cdot \left( \tau_{\parallel} \right)^2} \leq \frac{f_\textrm{u}}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}} 3 ⋅ ( τ ∥ ) 2 ≤ β w ⋅ γ M2 f u
3 ⋅ ( V L p ⋅ a ) 2 ≤ f u β w ⋅ γ M 2 \sqrt{ 3 \cdot \left( \frac{V}{L_{\textrm{p}} \cdot a}\right)^2} \leq \frac{f_\textrm{u}}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}} 3 ⋅ ( L p ⋅ a V ) 2 ≤ β w ⋅ γ M2 f u
V = f u ⋅ L p ⋅ a ⋅ β L w 1 β w ⋅ γ M 2 ⋅ 3 V = \frac{f_\textrm{u} \cdot L_{\textrm{p}} \cdot a \cdot \beta_{\mathrm{Lw1}}}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}} \cdot \sqrt{3}} V = β w ⋅ γ M2 ⋅ 3 f u ⋅ L p ⋅ a ⋅ β Lw1
โดยที่:
a a a
V V V
L t L_{\textrm{t}} L t
β w \beta_{\mathrm{w}} β w
β L w 1 \beta_{\mathrm{Lw1}} β Lw1
f u f_\textrm{u} f u
γ M 2 \gamma_{\mathrm{M2}} γ M2
การคำนวณรอยเชื่อมตามขวางและขนาน ความต้านทานที่คำนวณด้วยมือสำหรับการรวมกันของรอยเชื่อมตามขวางและขนานคือผลรวมของความต้านทานตามขวางและขนานที่ได้จากสมการข้างต้น
การนำเสนอผลลัพธ์ Tab. 4.1.1 Parallel welds results \textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.1.1 Parallel welds results}}} Tab. 4.1.1 Parallel welds results
Fig. 4.1.3 Comparison of load resistances of parallel welds \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.3 Comparison of load resistances of parallel welds}}} Fig. 4.1.3 Comparison of load resistances of parallel welds
Fig. 4.1.3.a Influence of weld length on resistance \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.3.a Influence of weld length on resistance}}} Fig. 4.1.3.a Influence of weld length on resistance
Tab. 4.1.2 Transverse welds \textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.1.2 Transverse welds}}} Tab. 4.1.2 Transverse welds
Fig. 4.1.4 Comparison of load resistances of transverse welds \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.4 Comparison of load resistances of transverse welds}}} Fig. 4.1.4 Comparison of load resistances of transverse welds
Fig. 4.1.4.a Influence of weld length on resistance \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.4.a Influence of weld length on resistance}}} Fig. 4.1.4.a Influence of weld length on resistance
Tab. 4.1.3 Grouped welds \textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.1.3 Grouped welds}}} Tab. 4.1.3 Grouped welds
Fig. 4.1.5 Comparison of load resistances of group \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.5 Comparison of load resistances of group}}} Fig. 4.1.5 Comparison of load resistances of group
ความต้านทานของรอยเชื่อมขนาน รอยเชื่อมตามขวาง และกลุ่มรอยเชื่อมหลายทิศทางมีค่าใกล้เคียงกันตาม CM และ CBFEM ความแตกต่างที่มากที่สุดในการศึกษานี้คือ 6% ในความต้านทานแรง
ผลลัพธ์ CBFEM ของรอยเชื่อมขนานมีความอนุรักษ์นิยมเล็กน้อย แต่เริ่มแตกต่างกันสำหรับรอยเชื่อมยาว การลดลงของความต้านทานเนื่องจากรอยเชื่อมยาวไม่ได้ถูกจับโดย CBFEM แต่ไม่คาดว่ารอยเชื่อมที่ยาวกว่า 200 เท่าของความหนาคอจะปรากฏในการเชื่อมต่อใดๆ และจนถึงความยาวนี้ผลลัพธ์ยังคงใกล้เคียงกันมาก
สำหรับรอยเชื่อมตามขวาง CBFEM ให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันมากโดยมีความต้านทานสูงกว่า 2–4%
ตัวอย่าง Benchmark ข้อมูลนำเข้า
ชิ้นส่วนที่ 1 – Iw60x500
• เชื่อมจากแผ่นเหล็กที่มีความหนา t = 20 มม.
• ความกว้าง b = 500 มม.
• เอาส่วนเอวออกโดยการดำเนินการผลิตแบบ Opening
• เหล็ก S235
ชิ้นส่วนที่ 2 – แผ่นเหล็ก 20x1000
• ความหนา t = 20 มม.
• ความกว้าง b = 1000 มม.
• เหล็ก S235
• ระยะออฟเซ็ต ex = –90 มม.
รอยเชื่อมฟิลเล็ตตามขวางที่ทั้งสองด้านของชิ้นส่วนที่ 2
• ความหนาของคอ a = 3 มม.
• ความยาวรอยเชื่อม Lt = 100 มม.
รอยเชื่อมฟิลเล็ตขนานที่ทั้งสองด้านของชิ้นส่วนที่ 2
• ความหนาของคอ a = 3 มม.
• ความยาวรอยเชื่อม Lp = 100 มม.
ผลลัพธ์
• ความต้านทานการออกแบบในแรงดึง FRd = 387 kN (ควรสังเกตว่าความต้านทานถูกคำนวณโดยใช้ฟังก์ชัน "Stop at limit strain" ดังนั้นความต้านทาน CBFEM จริงอาจสูงกว่าเล็กน้อย)
