Plaszticitás a hegesztési varrataiban az IDEA StatiCa-ban
Kérdések, mint például:
- Megengedett-e a plasztikus eloszlás a hegesztési varratokban, és összhangban van-e a szabvánnyal?
- Nem vezet-e az IDEA-ban alkalmazott hegesztési varrat modellezési módja túl magas ellenálláshoz?
- Hogyan kezeli az IDEA az EN 1993-1-8 4.9. pontjának követelményeit, amelyek szerint a hegesztési varrat képlékenységére nem szabad támaszkodni?
- Hogyan kezeli az IDEA azt a követelményt, hogy a hegesztési varratoknak elég erősnek kell lenniük ahhoz, hogy ne szakadjanak el, mielőtt az általános folyás bekövetkezne a szomszédos alapanyagban?
Ebben a cikkben választ adunk ezekre a kérdésekre.
A hegesztési varrat tényleges viselkedése
Hasznos lesz először a hegesztési varrat valós viselkedését megvizsgálni. A sarokvarrat valós feszültségeloszlása vagy alakváltozás-eloszlása különböző teherkombinációk esetén azonban nehezen határozható meg pontosan. Ráadásul az alapanyag anyagtulajdonságai a varrat közelében és magában a varratban sem tekinthetők homogénnek. A hegesztési varrat tönkremeneteli viselkedésének megértéséhez ezért nagyszámú kísérleti vizsgálatot végeztek világszerte.
Vegyük például a következő hosszirányban terhelt fedőlemezes kapcsolatot. A hosszirányban terhelt csavaros kapcsolatokhoz hasonlóan a feszültségeloszlás nem lesz egyenletes. Mindazonáltal minőségileg meg lehet jelölni, hogyan alakulna a feszültségeloszlás. A legnagyobb feszültségek a végeken lépnek fel.
1. ábra – A nyírófeszültségek nem egyenletes eloszlása egy fedőlemezes kapcsolatban
A terhelés további növelésekor kiderül, hogy a varrat valóban rendelkezik alakváltozási kapacitással, és helyi folyás is bekövetkezhet (2. ábra).
2. ábra – A nyírófeszültségek nem egyenletes feszültségeloszlása helyi folyással egy fedőlemezes kapcsolatban
Eurocode módszer
A különböző varrat-konfigurációk és teherkombinációk eltérő feszültségeloszláshoz vezethetnek. Az Eurocode méretezési számítási szabályainak alapjaként egy félempirikus megközelítést választottak. A tönkremeneteli mechanizmus mikro szintű ellenőrzése helyett a varratokat egészként ellenőrzik makro szinten. Egy egyszerűsített tönkremeneteli modellt feltételeztek, amely plaszticitáson alapul. A kísérleti eredményekre visszaszámolva meghatároztak egy tönkremeneteli kritériumot (varrat-képlet).
Az EN 1993-1-8 4.5.3. pontja két módszert ír le a sarokvarrat méretezési ellenállásának meghatározására: az Iránymódszert és az Egyszerűsített módszert. Az Egyszerűsített módszer az Iránymódszer egyszerűsített változata. Az Iránymódszerben a varrat egységnyi hosszán átadott erőket a varrat hossztengelyével párhuzamos és arra merőleges, valamint a torokfelületre merőleges és azzal párhuzamos összetevőkre bontják. A varrat ellenállásának méretezési értéke akkor elegendő, ha az alábbi egyenletek mindketteje teljesül:
Ahol:
| σ⊥ | a torokra merőleges normálfeszültség |
| τ⊥ | a varrat tengelyére merőleges nyírófeszültség |
| τ || | a varrat tengelyével párhuzamos nyírófeszültség |
| fu | a gyengébb összekötött rész névleges szakítószilárdsága |
| βw | az alapanyag szakítószilárdságától függő korrelációs tényező |
| γM2 | csavarokra és varratokra vonatkozó részleges biztonsági tényező = 1,25 |
A statikusan terhelt szerkezetek varrat-számításában ezután megengedett egyenletes feszültségeloszlást feltételezni a varrat vastagságán és hosszán. Itt azonban implicit módon azt is feltételezik, hogy plasztikus alakváltozások léphetnek fel a feszültségek újraeloszlásának lehetővé tétele érdekében. A szükséges alakváltozási kapacitás a varrat hosszának növekedésével nő. A határalakváltozás azonban még mindig korlátoltnak tekinthető, így bizonyos esetekben figyelembe kell venni egy hatékony szélességet beff, például olyan kapcsolatban, ahol egy keresztirányú lemezt (vagy gerenda övlemezt) egy merevítetlen I-szelvény tartó övlemezéhez hegesztenek (3. ábra).
3. ábra – Merevítetlen T-kapcsolat hatékony szélessége
CBFEM módszer
Ezzel szemben az IDEA StatiCa-ban alkalmazott CBFEM (Component Based Finite Element Model) megközelítésben a hegesztési varrat több kisebb, egymás melletti elemből áll. A varrat vastagsága, helyzete és iránya figyelembe van véve. Az egyes elemekben a feszültségek és alakváltozások eltérhetnek egymástól. Ezért a modellben automatikusan nem egyenletes feszültségeloszlás alakul ki, ami reálisabb, mint a szabványok szerinti idealizált egyenletes feszültségeloszlás (4. ábra).
4. ábra – Feszültségek lemezekben és hegesztési varratokban egy hegesztett gerenda-oszlop kapcsolatban az IDEA-ban
Az IDEA-ban alkalmazott anyagmodell célja azonban még mindig nem a valóság tökéletes leképezése. A maradék feszültségeket vagy a varrat zsugorodását figyelmen kívül hagyják. A plasztikus határalakváltozás értékével rendelkező anyagmodellt úgy választják meg, hogy az IDEA modellben a varrat teljes ellenállása jól egyezzen a szabványok szerinti ellenállással. Ennek elérése érdekében az IDEA StatiCa számos validációt végzett. A CBFEM könyvben (amelyet prof. Frantisek Wald és munkatársai írtak a Prágai Cseh Műszaki Egyetemen) és az azt követő kutatásokban nagyszámú összehasonlítást végeztek az IDEA-ban számított és a szabványok szerint számított különböző varrat-típusok, illetve kísérletekben terhelt varrat között (lásd 5. ábra). Weboldalunkon számos validációs dokumentum található ebben a témában - support center verifications
5. ábra – Nyírófeszültség-alakváltozás diagramok Kleiner (2018) kísérleteiből összehasonlítva a CBFEM-mel
Ez azt mutatja, hogy az alkalmazott alakváltozási határérték biztonságos teljes varrat-ellenálláshoz vezet, amely jól egyezik a vonatkozó szabványok szerint számított ellenállással. Ez az oka annak, hogy az IDEA modellben a varratokban bekövetkező plasztikus újraeloszlás elfogadhatónak tekinthető. A varratokban lévő plaszticitás nélkül soha nem lehetne megközelíteni a szabványok szerint kézzel számított ellenállást.
Az EN 1993-1-8 4.9. cikkének további követelményei
Az EN 1993-1-8 4.9(4)-(6) pontja további követelményeket fogalmaz meg a kapcsolatokban lévő varratokra vonatkozóan. Ezen szabályok mögötti elgondolás az, hogy meg kell akadályozni, hogy egy kapcsolat elegendő figyelmeztetés nélkültönkremenjen. Még ha be is lehet bizonyítani, hogy plasztikus alakváltozások léphetnek fel a varratokban, és hogy a varrat elvileg elég erős az általános (statikus) számításban meghatározott erők ellenállásához, előfordulhat, hogy a fellépő erők nagyobbak a vártnál, és elegendő figyelmeztetés nélkül a kapcsolat egészének tönkremeneteléhez vezethetnek. Ennek oka az, hogy a varratban bekövetkező teljes megnyúlások abszolút értelemben még mindig kicsik lehetnek. Elegendő figyelmeztetési hatás érhető el, ha a kapcsolatot úgy tervezik meg, hogy a csatlakoztatott lemez folyni tudjon, mielőtt a varrat elszakad. Ez egy minimális varratvastagság-lemezvastagság arány alkalmazásával érhető el. Ezért az IDEA StatiCa részletezési ellenőrzéseket tartalmaz annak ellenőrzésére, hogy a modellben lévő varrat elegendő varratvastagsággal rendelkezik-e egy adott lemezvastagsághoz.
Az IDEA által erre vonatkozóan bevezetett konkrét szabály a közelgő új Eurocode koncepció-változatának (FprEN 1993-1-8:2023(E)) 6.9(4) pontján alapul, amely szerint az elegendő képlékenység teljesítéséhez a varratot úgy kell megtervezni, hogy ellenállása legalább egyenlő legyen:
- 1,1 fy/fu-szorosával a leggyengébb csatlakoztatott lemez méretezési ellenállásának
- de nem kell nagyobbnak lennie a leggyengébb csatlakoztatott lemez méretezési ellenállásánál
A következő standard T-kapcsolat példát feltételezve (6. ábra):
6. ábra – T-kapcsolat a csatlakoztatott lemezre ható normálerővel, amely egyenlő a lemez folyási erejével
ahol Fs,d nagyságát úgy választják meg, hogy Fs,d = fy,plate ∙ t ∙ l, Ez a következő, az IDEA-ban kétoldalas sarokvarratokra vonatkozó részletezési ellenőrzéshez használt képlet levezetéséhez vezet:
Ahol:
| a | varratvastagság |
| t | a csatlakoztatott lemez vastagsága |
| fy,plate | a csatlakoztatott lemez folyáshatára |
| fu,plate | a csatlakoztatott lemez szakítószilárdsága |
| fu,weld | a varrat szakítószilárdsága |
| βw | az alapanyag szakítószilárdságától függő korrelációs tényező |
| γM2 | csavarokra és varratokra vonatkozó részleges biztonsági tényező = 1,25 |
| γM0 | a lemez ellenállására vonatkozó részleges biztonsági tényező = 1,0 |
A következő szabványos acélminőségek esetén ez a következő minimális varratvastagság – lemezvastagság arányokhoz vezet (1. táblázat).
1. táblázat – Minimális varratvastagság a képlékenység érdekében
| Acélminőség | 1,1 ∙ fy,plate/fu,plate | Minimális varratvastagság |
| S235 | 0,72 | a ≥ 0,33 ∙ t |
| S275 | 0,70 | a ≥ 0,34 ∙ t |
| S355 | 0,80 | a ≥ 0,46 ∙ t |
Egyoldalas sarokvarratoknál a levezetett értéket 2-vel kell megszorozni. Az IDEA felhasználója figyelmeztetést kap, ha az alkalmazott varratvastagság nem felel meg a minimális értéknek (7. ábra). A felhasználó hibaüzenetet is kap, ha a varratokat 3,0 mm-nél kisebb torokvastagsággal alkalmazzák, ami az EN 1993-1-8 4.5.2(2) pontja szerint nem megengedett.
7. ábra – Figyelmeztetés túl kis varratvastagság alkalmazásakor az IDEA-ban
Mindazonáltal előfordulhatnak olyan helyzetek, amikor érvelni lehet amellett, hogy nem szükséges teljesíteni a minimális varratvastagság követelményt a képlékenység szempontjából. Például egy talplemez kapcsolat varratai, amelyek főként nyomóerőket adnak át. Vagy ha be lehetne bizonyítani, hogy a globális szerkezetben létezik valamely más rész, amely elegendő figyelmeztetéssel tönkremenne. A programot mindig eszköznek kell tekinteni, a mérnök feladata, hogy mérnöki ítélőképességét alkalmazva megalapozott döntést hozzon a végső tervről.