Saldatura d'angolo nel collegamento con piastra angolare

Descrizione

In questo capitolo, il modello della saldatura d'angolo nel collegamento con piastra angolare calcolato con il metodo degli elementi finiti basato sui componenti (CBFEM) viene verificato rispetto al metodo delle componenti (CM). Un angolare è saldato a una piastra e caricato da una forza normale. La dimensione dell'angolare e la lunghezza della saldatura sono studiate in un'analisi di sensibilità.

Modello analitico

La saldatura d'angolo è l'unica componente esaminata nello studio. Le saldature sono progettate secondo il Capitolo 4 della EN 1993-1-8:2005 per essere la componente più debole nel giunto. La resistenza di progetto della saldatura d'angolo è descritta nella Sezione 4.1. Una panoramica degli esempi considerati e del materiale è riportata nella Tab. 4.2.1. La geometria dei giunti con le dimensioni è mostrata nella Fig. 4.2.1.

Calcolo con il metodo delle componenti 

Questo calcolo manuale trascura il momento aggiuntivo della saldatura, che si sviluppa a causa della ridistribuzione delle forze nelle parti della sezione trasversale a L secondo EN 1993-1-8 (4.13).

$$\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + 3 \cdot \left( \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2\right)} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}$$

$$\sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = 0$$

$$\tau_{\parallel} = \frac{V}{l  \cdot  a}$$

$$\sqrt{  3 \cdot \left( \tau_{\parallel} \right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}$$

$$\sqrt{  3 \cdot \left(  \frac{V}{l \cdot a}\right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}$$

$$V = \frac{f_u  \cdot  l \cdot  a  \cdot  \beta_{\mathrm{Lw1}}}{\beta_{\mathrm{w}}  \cdot  \gamma_{\mathrm{M2}}  \cdot  \sqrt{3}}$$

Resistenza totale calcolata come somma delle resistenze della saldatura superiore e inferiore 

$$V = V_\mathrm{top} + V_\mathrm{bottom}$$

Dove:

$a$ - spessore di gola della saldatura

$V$ - forza di taglio agente sull'elemento

$l = 2 \cdot L_\mathrm{\dots}$ - lunghezza delle saldature parallele

$\beta_{\mathrm{w}}$ - fattore di correlazione ricavato dalla Tabella 4.1 della EN 1993-1-8

$\beta_{\mathrm{Lw1}}$ - fattore di riduzione per saldature lunghe, EN 1993-1-8 Equazione 4.9

$f_u$ - resistenza ultima a trazione nominale della parte più debole collegata

$\gamma_{\mathrm{M2}}$ - coefficiente parziale di sicurezza per le saldature

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.2.1 Examples overview}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.1 Joint geometry with dimensions}}}$$

Modello numerico

La componente saldatura nel CBFEM è descritta nel Background teorico generale e nel Background teorico EN. Il modello di saldatura ha un diagramma materiale elasto-plastico e i picchi di tensione vengono ridistribuiti lungo la lunghezza della saldatura.

Verifica della resistenza

Le resistenze di progetto delle saldature calcolate con CBFEM sono confrontate con i risultati del CM; vedere Tab. 4.2.2. Vengono studiati due parametri: la lunghezza della saldatura e la sezione dell'angolare. La Fig. 4.2.2 mostra l'analisi di sensibilità della lunghezza della saldatura inferiore. La lunghezza della saldatura superiore a nello studio è L_a=100mm.

 $$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.2.2 Comparison of CBFEM and CM}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{a}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{b}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{a) Angle cleat 80×10             b) Angle cleat 160×16}}}$$

 $$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.2 Sensitivity study of bottom weld b length}}}$$

I risultati di CBFEM e CM vengono confrontati e l'analisi di sensibilità è presentata. L'influenza della lunghezza della saldatura sulla resistenza di progetto di un giunto angolare saldato è mostrata nella Fig. 4.2.2. Lo studio mostra una buona concordanza per tutte le configurazioni di saldatura. Per illustrare l'accuratezza del modello CBFEM, i risultati dello studio sono riassunti in un diagramma che confronta le resistenze di progetto ottenute con CBFEM e CM; vedere Fig. 4.2.3. I risultati mostrano che tutte le previsioni del CBFEM sono conservative rispetto al CM, dove l'eccentricità è trascurata.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.3 Verification of CBFEM to CM}}}$$

Esempio di riferimento

Dati di input

Angolare

• Sezione trasversale 2×L80×10
• Distanza tra gli angolari 16 mm

Piastra

• Spessore t_p = 16 mm
• Larghezza b_p  = 240 mm

Saldatura, saldature d'angolo parallele, vedere Fig. 4.2.4

• Spessore di gola a_w  = 3 mm
• Lunghezza saldatura superiore L_w,top = 100 mm
• Lunghezza saldatura inferiore L_w,bottom = 50 mm

Risultati

• Resistenza di progetto a trazione F_Rd = 170 kN (Si noti che la resistenza è stata calcolata utilizzando la funzione "Stop at limit strain". Di conseguenza, la resistenza CBFEM effettiva potrebbe essere marginalmente superiore.)

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.4 Benchmark example of the welded angle plate joint with parallel fillet welds}}}$$