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Centro de SuporteExemplos de verificaçãoSoldadura de filete em junta sobreposta
Soldadura de filete em junta sobreposta
SteelConnection designVerificationsEN (Eurocode)Welds

Soldadura de filete em junta sobreposta

Este artigo também está disponível em
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
Traduzido por IA do inglês

Este artigo é um capítulo selecionado do livro Component-based finite element design of steel connections de Prof. Wald et al. O capítulo é dedicado à verificação de soldaduras. Este capítulo foi ligeiramente modificado para este sítio web, e os resultados foram atualizados.

Descrição

O objetivo deste capítulo é a verificação do método dos elementos finitos baseado em componentes (CBFEM) de uma soldadura de filete numa junta sobreposta com o método das componentes (CM). Duas chapas são ligadas em três configurações, nomeadamente com uma soldadura transversal, com uma soldadura longitudinal e uma combinação de soldaduras transversais e longitudinais. O comprimento e a espessura de garganta da soldadura são os parâmetros variáveis no estudo. O estudo abrange também soldaduras longas cuja resistência é reduzida devido à concentração de tensões. A junta é carregada por uma força normal.

Modelo analítico

A soldadura de filete é o único componente examinado no estudo. As soldaduras são dimensionadas para serem o componente mais fraco da junta. A soldadura é dimensionada de acordo com EN 1993-1-8:2005. A resistência de cálculo da soldadura de filete é determinada utilizando o método direcional indicado na Cl. 4.5.3.2 da EN 1993-1-8:2005. Os métodos de cálculo disponíveis para verificar a resistência das soldaduras de filete baseiam-se na hipótese simplificadora de que as tensões são uniformemente distribuídas na secção de garganta de uma soldadura de filete, conduzindo às tensões normais e tensões de corte apresentadas na Fig. 4.1.1, como se segue:

  • σ⊥ é a tensão normal perpendicular à secção de garganta;
  • σ∥ é a tensão normal paralela ao eixo da soldadura na sua secção transversal;
  • τ⊥ é a tensão de corte (no plano da secção de garganta) perpendicular ao eixo da soldadura;
  • τ∥ é a tensão de corte (no plano da secção de garganta) paralela ao eixo da soldadura.

A tensão normal σ∥ paralela ao eixo não é considerada na verificação da resistência de cálculo de uma soldadura.

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

A resistência de cálculo da soldadura de filete será suficiente se ambas as seguintes condições forem satisfeitas:

σ⊥2+3⋅(τ⊥2+τ⊥2)≤fuβwγM2\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​)​≤βw​γM2​fu​​

σ⊥≤0.9fuγM2\sigma_{\perp} \le \frac{0.9 f_\textrm{u}}{\gamma_\textrm{M2}}σ⊥​≤γM2​0.9fu​​

Em juntas sobrepostas com comprimento superior a 150⋅a150 \cdot a150⋅a, o fator de redução βLw,1\beta_{\mathrm{Lw,1}}βLw,1​ é dado por:

βLw,1=1.2−0.2Lj150a\beta_{\mathrm{Lw,1}} = 1.2 - \frac{0.2 L_\textrm{j}}{150 a}βLw,1​=1.2−150a0.2Lj​​  mas   βLw,1≤1.0\beta_{\mathrm{Lw,1}} \le 1.0βLw,1​≤1.0

Modelo numérico

O componente de soldadura no CBFEM é descrito em Fundamentos teóricos gerais e Fundamentos teóricos EN. É utilizado material elasto-plástico não linear para as soldaduras neste estudo. A deformação plástica limite é atingida na parte mais longa da soldadura, e os picos de tensão são redistribuídos.

Verificação da resistência

Uma visão geral dos exemplos considerados e das propriedades dos materiais é apresentada no Tab. 4.1.1. As configurações de soldadura são T para transversal, P para soldadura paralela e TP para uma combinação de ambas; ver a geometria na Fig. 4.1.2. O aço utilizado foi S235 (fy = 235 MPa, fu = 360 MPa, E = 210 GPa, βw = 0,8). Os coeficientes parciais de segurança foram γM0 = 1,0, γM2 = 1,25. A geometria do modelo é apresentada na Fig. 4.1.2. As chapas têm uma espessura de 20 mm. A ligação é simétrica e a chapa é tracionada para fora da ligação de emenda soldada. O comprimento e a largura das chapas são ajustados de acordo com o comprimento da soldadura paralela e transversal. A resistência da soldadura é sempre o modo de rotura condicionante. A espessura de garganta da soldadura é de 3 mm. Os comprimentos das soldaduras transversais e paralelas variam neste estudo paramétrico.

Drawing 4.1 Joint geometry with dimensions\textsf{\textit{\footnotesize{Drawing 4.1 Joint geometry with dimensions}}}Drawing 4.1 Joint geometry with dimensions

A resistência de cálculo da soldadura calculada pelo CBFEM é comparada com os resultados do CM. Os resultados são apresentados no Tab. 4.1.1 – 4.1.3 e Fig. 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

Cálculo da resistência de soldaduras transversais 

σ⊥2+3⋅(τ⊥2+τ∥2)≤fuβw⋅γM2\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​)​≤βw​⋅γM2​fu​​

σ⊥=τ⊥=σN2=NLt⋅a⋅12\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​σN​​=Lt​⋅aN​⋅2​1​

τ∥=0\tau_{\parallel} = 0τ∥​=0

(σN2)2+3⋅(σN2)2≤fuβw⋅γM2\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​σN​​)2+3⋅(2​σN​​)2​≤βw​⋅γM2​fu​​

(NLt⋅a⋅12)2+3⋅(NLt⋅a⋅12)2≤fuβw⋅γM2\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}}}(Lt​⋅aN​⋅2​1​)2+3⋅(Lt​⋅aN​⋅2​1​)2​≤βw​⋅γM2​fu​​

N≤fu⋅Lt⋅aβw ⋅ γM2 ⋅ 2N \leq \frac{f_\textrm{u} \cdot L_{\textrm{t}}\cdot a }{\beta_{\textrm{w}}  \cdot  \gamma_{\textrm{M2}}  \cdot  \sqrt{2}}N≤βw​ ⋅ γM2​ ⋅ 2​fu​⋅Lt​⋅a​

σ⊥=NLt⋅a⋅12≤fu ⋅ 0.9γM2\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⊥​=Lt​⋅aN​⋅2​1​≤γM2​fu​ ⋅ 0.9​

N≤fu ⋅Lt⋅ a ⋅ 0.9 ⋅ 2γM2N \leq \frac{f_{u}  \cdot L_{\textrm{t}}\cdot  a  \cdot  0.9  \cdot  \sqrt{2}}{ \gamma_{\textrm{M2}} }N≤γM2​fu​ ⋅Lt​⋅ a ⋅ 0.9 ⋅ 2​​

Onde:

aaa - espessura de garganta da soldadura

NNN - força normal atuante no elemento

LtL_{\textrm{t}}Lt​ - comprimento total da soldadura transversal 

βw\beta_{\mathrm{w}}βw​ - fator de correlação retirado da Tabela 4.1 da EN 1993-1-8

fuf_\textrm{u}fu​ - resistência última à tração nominal da parte mais fraca ligada

γM2\gamma_{\mathrm{M2}}γM2​ - coeficiente parcial de segurança para soldaduras

Cálculo da resistência de soldaduras paralelas

σ⊥2+3⋅(τ⊥2+τ∥2)≤fuβw⋅γM2\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​)​≤βw​⋅γM2​fu​​

σ⊥=τ⊥=0\sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = 0σ⊥​=τ⊥​=0

τ∥=VLp ⋅ a\tau_{\parallel} = \frac{V}{L_{\textrm{p}}  \cdot  a}τ∥​=Lp​ ⋅ aV​

 3⋅(τ∥)2≤fuβw⋅γM2\sqrt{  3 \cdot \left( \tau_{\parallel} \right)^2} \leq \frac{f_\textrm{u}}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}} 3⋅(τ∥​)2​≤βw​⋅γM2​fu​​

 3⋅( VLp⋅a)2≤fuβw⋅γM2\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⋅( Lp​⋅aV​)2​≤βw​⋅γM2​fu​​

V=fu ⋅ Lp⋅ a ⋅ βLw1βw ⋅ γM2 ⋅ 3V = \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=βw​ ⋅ γM2​ ⋅ 3​fu​ ⋅ Lp​⋅ a ⋅ βLw1​​

Onde:

aaa - espessura de garganta da soldadura

VVV - força de corte atuante no elemento

LtL_{\textrm{t}}Lt​ - comprimento total das soldaduras paralelas

βw\beta_{\mathrm{w}}βw​ - fator de correlação retirado da Tabela 4.1 da EN 1993-1-8

βLw1\beta_{\mathrm{Lw1}}βLw1​ - fator de redução para soldaduras longas, Equação 4.9 da EN 1993-1-8

fuf_\textrm{u}fu​ - resistência última à tração nominal da parte mais fraca ligada

γM2\gamma_{\mathrm{M2}}γM2​ - coeficiente parcial de segurança para soldaduras

Cálculo de soldaduras transversais e paralelas 

A resistência calculada manualmente para uma combinação de soldadura transversal e paralela é simplesmente a soma das resistências transversal e paralela derivadas das equações acima. 

Apresentação de resultados

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

A resistência das soldaduras paralelas, soldaduras transversais e grupos de soldaduras multi-orientadas é praticamente idêntica de acordo com o CM e o CBFEM. A maior diferença neste estudo é de 6% na resistência de carga.

Os resultados do CBFEM para soldaduras paralelas são ligeiramente conservadores, mas começam a divergir para soldaduras longas. A redução da resistência devida a soldaduras longas não é captada pelo CBFEM, mas não é expectável que soldaduras com comprimento superior a 200 vezes a espessura de garganta possam aparecer em qualquer ligação, e até este comprimento os resultados são ainda muito próximos.

Para soldaduras transversais, o CBFEM fornece resultados muito consistentes com uma resistência 2–4% superior.

Exemplo de referência

Dados de entrada

Elemento 1 – Iw60x500

• Soldado a partir de chapas com espessura t = 20 mm

• Largura b = 500 mm

• A alma é removida pela operação de fabrico de abertura

• Aço S235

Elemento 2 – Chapa 20x1000

• Espessura t = 20 mm

• Largura b = 1000 mm

• Aço S235

• Excentricidade ex = –90 mm

Soldadura de filete transversal em ambos os lados do Elemento 2

• Espessura de garganta a = 3 mm

• Comprimento da soldadura Lt = 100 mm

Soldadura de filete paralela em ambos os lados do Elemento 2

• Espessura de garganta a = 3 mm

• Comprimento da soldadura Lp = 100 mm

Resultado

• Resistência de cálculo à tração FRd = 387 kN (Importa notar que a resistência foi calculada utilizando a função "Parar na deformação limite". Consequentemente, a resistência real do CBFEM pode ser marginalmente superior.)

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