Plasticità nelle saldature in IDEA StatiCa

Domande come:

• È consentita una distribuzione plastica nelle saldature ed è conforme alla normativa?
• Il modo in cui le saldature sono modellate in IDEA non porta a una resistenza eccessivamente elevata?
• Come gestisce IDEA i requisiti del Cl. 4.9 di EN 1993-1-8 che stabiliscono che non si deve fare affidamento sulla duttilità delle saldature?
• Come gestisce IDEA il requisito che le saldature debbano essere sufficientemente resistenti da non rompersi prima della 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 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 comprendere il comportamento a rottura delle saldature, è stato quindi condotto un gran numero di prove sperimentali in tutto il mondo.

Si consideri ad esempio il seguente giunto a sovrapposizione caricato in direzione longitudinale. Analogamente ai collegamenti bullonati caricati 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 tangenziali in un giunto a sovrapposizione

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

Figura 2 - Distribuzione non uniforme delle tensioni tangenziali con snervamento locale in un giunto a sovrapposizione

Metodo Eurocodice

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

EN 1993-1-8 Cl. 4.5.3 descrive due metodi per la determinazione della resistenza di progetto delle saldature d'angolo: il metodo direzionale e il metodo semplificato. Il metodo semplificato è una versione semplificata del metodo direzionale. Nel metodo direzionale, le forze trasmesse per unità di lunghezza della saldatura vengono scomposte in componenti parallele e trasversali all'asse longitudinale della saldatura e normali e trasversali al piano della gola. Il valore di progetto della resistenza della saldatura è sufficiente se le seguenti equazioni sono entrambe soddisfatte:

Dove:

 
Nel calcolo delle saldature di strutture a carico statico è quindi consentito assumere una distribuzione uniforme delle tensioni sullo spessore e lungo la lunghezza della saldatura. Anche qui si assume implicitamente tuttavia che possano verificarsi deformazioni plastiche per consentire la ridistribuzione delle tensioni. La necessaria capacità di deformazione aumenta all'aumentare della lunghezza della saldatura. La deformazione ultima è comunque considerata limitata, pertanto in determinate situazioni si dovrà tenere conto di una larghezza efficace b_eff, ad esempio in un giunto in cui una piastra trasversale (o l'ala di una trave) è saldata all'ala 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 è composta da più elementi più piccoli affiancati. Lo spessore della saldatura, la posizione e l'orientamento della saldatura vengono presi in considerazione. Le tensioni e le deformazioni in ciascun elemento possono variare tra loro. Pertanto, nel modello si sviluppa automaticamente una distribuzione non uniforme delle tensioni, più realistica rispetto alla distribuzione uniforme idealizzata secondo le normative (Figura 4).

Figura 4 - Tensioni in piastre e saldature in un collegamento trave-colonna saldata in IDEA

L'obiettivo del modello di materiale applicato in IDEA non è tuttavia quello di riprodurre perfettamente la realtà. Le tensioni residue o il ritiro della saldatura vengono 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 le normative. Per raggiungere questo obiettivo, IDEA StatiCa ha condotto numerose validazioni. Nel libro CBFEM (scritto dal prof. Frantisek Wald et al. del Politecnico Ceco di Praga) e nelle ricerche successive, sono stati effettuati numerosi confronti tra diversi tipi di saldature calcolate in IDEA e calcolate secondo le normative o saldature caricate in esperimenti (vedere Figura 5). Sul nostro sito web è possibile trovare molti documenti di validazione su questo argomento - verifica del centro di supporto

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

Ciò dimostra che il limite di deformazione utilizzato porta a una resistenza totale sicura della saldatura che corrisponde bene anche alla resistenza calcolata secondo le normative pertinenti. Questo è il motivo per cui una ridistribuzione plastica nelle saldature nel modello IDEA è considerata accettabile. Senza plasticità nelle saldature, non si potrebbe mai avvicinarsi alla resistenza calcolata manualmente secondo le normative.

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

EN 1993-1-8 al Cl. 4.9(4)-(6) stabilisce ulteriori requisiti per le saldature nei giunti. L'idea alla base di queste regole è che un giunto deve essere impedito dal cedere senza un sufficiente preavviso. Anche se si può dimostrare che nelle saldature possono verificarsi deformazioni plastiche e che la saldatura è in linea di principio sufficientemente resistente da resistere alle forze che si verificano, determinate in un calcolo generale (statico), potrebbe comunque accadere che le forze che si verificano siano maggiori del previsto e possano portare al cedimento del giunto nel suo insieme senza un sufficiente preavviso. Ciò è dovuto al fatto che gli allungamenti totali in una saldatura possono essere ancora piccoli in senso assoluto. Un sufficiente effetto di preavviso può quindi essere ottenuto progettando il giunto in modo tale che la piastra collegata possa snervare prima che la saldatura si rompa. Ciò può essere ottenuto applicando un rapporto minimo tra spessore della saldatura e spessore della piastra. Pertanto, IDEA StatiCa include verifiche costruttive per verificare se una saldatura nel modello ha uno spessore sufficiente per un dato spessore di piastra.

La regola specifica che IDEA ha implementato per questo si basa sul Cl. 6.9(4) della versione concetto del nuovo Eurocodice in arrivo (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 pari a:

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

dove l'entità di F_s,d è scelta in modo tale che F_s,d = f_y,plate ∙ t ∙ l, ciò porta alla derivazione della seguente formula utilizzata per la verifica costruttiva in IDEA per saldature d'angolo a doppio lato:

Dove:

 
Per i seguenti gradi di acciaio standard, ciò porta ai seguenti rapporti minimi spessore della saldatura – spessore della piastra (Tabella 1).

Tabella 1 - Spessore minimo della saldatura per la duttilità

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

Figura 7 - Avviso quando si applica uno spessore di saldatura troppo ridotto in IDEA

 
Tuttavia, potrebbero esserci situazioni in cui si può sostenere che non sia necessario soddisfare il requisito di spessore minimo della saldatura ai fini della duttilità. Ad esempio, le saldature di un collegamento con piastra di base di colonna che trasmettono principalmente forze di compressione. Oppure se si potesse dimostrare che esiste un'altra parte nella struttura globale che cederebbe comunque con un sufficiente preavviso. Il programma deve essere sempre considerato come uno strumento; spetta all'ingegnere utilizzare il proprio giudizio professionale per prendere una decisione informata sul progetto finale.