ECM 7 Collegamenti Saldati Eurocodice

Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica

Teresa Teresa Berru Berruti ti – 20062006-20 2007 07

SALDATURE

• • • • • • •

Sald Saldat atur uraa (pe (perr fusi fusion one) e) Il giun giunto to saldat saldato: o: tipi tipi di di giun giunti ti La nor norma mativ tivaa di rife riferim rimen ento to Difett Difettii nel nel cord cordone one di sald saldatu atura ra Resist Resistenz enzaa stati statica ca (UNI (UNI EN 1993 1993 1-8) 1-8) Sollecitaz Sollecitazioni ioni nel cordone cordone (d’angolo (d’angolo)) di saldatura saldatura Resist Resistenz enzaa a fati fatica ca (UNI (UNI EN 1993 1993 1-9) 1-9)

[1] UNI 1307/1, Terminologia per la saldatura dei metalli - Procedimenti di saldatura, 1986 [2] UNI 1307/2, Terminologia per la saldatura dei metalli - Tipi di giunti, 1987 [3] UNI EN 1993 1-8 Eurocode 3 – Design of steel structures structures – Part 1-8: Design of joints, 2005 [4] UNI EN 1993 1-9 Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-9: Fatigue, 2005 ECM - Saldature

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Saldatura

• La saldatu saldatura ra consis consiste te nell’un nell’unire ire 2 o più parti parti di un un giunto, giunto, utilizzando calore, pressione o entrambi; • realizza realizza la continuit continuitàà dei materi materiali ali base base che vengo vengono no uniti; uniti; • può esser esseree utilizzat utilizzatoo (o meno) meno) un un materiale materiale d’appo d’apporto rto con con temperatura di fusione prossima (o inferiore) a quella del materiale base; • deve garantire garantire caratte caratteristic ristiche he mecca meccanich nichee del del giunto giunto almen almenoo pari pari a quelle del materiale base; • si fa riferimento riferimento a 4 catego categorie rie di saldatura saldatura che riunis riuniscono cono procedimenti affini: cordone di saldatura − per fusione − a resistenza materiale base materiale base − per pressione − brasatura. ECM - Saldature

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Teresa Berruti – 2006-2007

Saldatura per fusione

• È usata per le costruzioni di carpenteria e i recipienti in pressione (saldatura per fusione ad arco) • La UNI 1307/1 e 1307/2 riporta le procedure di saldatura e i tipi di giunti • Provoca la fusione localizzata del materiale base (zona termicamente alterata) • Il calore necessario alla fusione è fornito da uno o più archi elettrici che scoccano tra l’elettrodo e i pezzi di materiale base • Si effettua senza intervento pressione, con o senza aggiunta di materiale d’apporto materiale d’apporto • Si suddivide in: • manuale con elettrodi rivestiti materiale base materiale base • ad arco sommerso • MIG (gas inerte) zona termicamente alterata • MAG (gas attivo CO2 - ossidante) • TIG (elettrodo infusibile in tungsteno) 3

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Il giunto saldato

• È la zona in cui avviene il collegamento dei pezzi mediante la saldatura; • le superfici minori che limitano i pezzi si chiamano lembi, bordi o teste; • le superfici maggiori che limitano i pezzi si chiamano facce; • La zona che viene riempita dal cordone di saldatura si chiama cianfrino (a V, a U, a X …). facce

lembo

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facce

cianfrino

lembo

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Tipi di giunti saldati (selezione)

• • • • •

Giunto testa a testa (1); giunto a T a completa penetrazione (2); giunto a T con cordone d’angolo (3); giunto a croce con cordoni d’angolo (4); giunto a sovrapposizione (5). (3)

(1)

(2)

(4) (5)

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La normativa di riferimento

• Procedimenti di saldatura e tipi di giunti (UNI 1307); • qualificazione della tecnologia e del procedimento (certificazione ASME PQR/WPS); • qualificazione dell’operatore (saldatura manuale) (certificazione ASME WPQ); • qualificazione del cordone di saldatura (controlli non distruttivi: RX e/o US); • resistenza statica e a fatica del giunto (UNI EN 1993 1-8 , UNI EN 1993 1-9)

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DIFETTI NEL CORDONE DI SALDATURA • Le discontinuità evidenziate mediante controlli non distruttivi diventano difetti quando superano i limiti di accettazione fissati dalla normativa (UNI, ASME, IIW); • l’identificazione e l’eventuale accettazione dei difetti devono essere svolte in base alla normativa; • I difetti nei cordoni di saldatura sono visibili sul referto radiografico come zone prevalentemente più scure all’interno della traccia più chiara del cordone stesso (tranne inclusioni di tungsteno che sono più chiare). I difetti più comuni sono: − pori e tarli; − inclusioni di scoria, inclusioni di tungsteno; − mancanza di penetrazione e/o mancanza di fusione; − cricche trasversali e longitudinali ECM - Saldature

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Pori, tarli, inclusioni, mancanza di penetrazione e fusione

• Pori: sviluppo di vapore acqueo nel cordone (elettrodi a rivestimento basico non bene essiccati), macchie piccole e tondeggianti. Tarli: unione di pori, macchie allungate con bordi lisci • Inclusioni di scoria: scarsa pulizia dell’elettrodo in saldatura manuale, macchie piccole con bordi irregolari • Inclusioni di tungsteno: solo in saldatura TIG per contatto accidentale tra elettrodo e materiale base, macchie tondeggianti chiare e lucenti • Mancanza di penetrazione e mancanza di fusione: eccessiva velocità di passata e incompleto riempimento del vano del cordone (cianfrino), linea scura longitudinale a centro cordone (penetrazione) o verso lembi (fusione) ECM - Saldature

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Cricche

• La loro presenza comporta sempre la non accettazione del giunto saldato; sono visibili sul referto RX come tracce corte e scure trasversali o longitudinali al cordone. • Le cricche a caldo (oltre i 700 °C): − sono dovute alla presenza di un bagno di saldatura arricchito di impurezze (principalmente S e P) per l’uso di elettrodi non puliti; − sono localizzate verso il centro del cordone. • Le cricche a freddo (a fine raffreddamento o ritardate): − sono dovute alla diversa solubilità di H2 nel metallo caldo e freddo (rivestimenti di elettrodi, flussi esterni o interni in arco sommerso o MIG/MAG); − sono localizzate ai bordi del cordone o nella zona termicamente alterata del materiale base. 9

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NORMA UNI EN 1993 1-8 Eurocode 3 – Design of steel structures Part 1-8: Design of joints

• Si riferisce alle costruzioni in acciaio da carpenteria • Si riferisce agli acciai S235, S275, S355, S420, S460 • Definisce la procedura per la verifica statica per i giunti saldati testa a testa (butt welds) e per i giunti con cordone d’angolo (fillet weld)

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Resistenza statica - giunti testa a testa (a completa penetrazione) (butt welds, section 4.7) Non viene fornita una specifica procedura di calcolo, si considera la resistenza della giunzione pari a quella minore delle parti collegate.

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Esempio: giunti testa a testa e giunti a T a completa penetrazione

Nel cordone possono agire le seguenti tensioni: • σ⊥ tensione, di trazione e/o compressione, normale alla sezione longitudinale del cordone; • τ// tensione tangenziale nella sezione longitudinale; • σ// tensione, di trazione e/o compressione, parallela all’asse del cordone.

L

σ//

s

τ//

σ⊥

H s

σ⊥ τ// L

σ// H ECM - Saldature

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La sezione resistente Ares del cordone si calcola: • per tensioni derivanti da azioni di trazione normali all’asse del cordone e per tensioni derivanti da azioni di taglio utilizzando la formula (1) • per tensioni derivanti da azioni di trazione parallele all’asse del cordone utilizzando la formula (2) L s H

L: lunghezza del cordone s:

Ares = L ⋅ s

(1) Ares = H ⋅ s (2)

minore degli spessori collegati oppure spessore dell’elemento a completa penetrazione H : larghezza totale materiale base + materiale d’apporto 13

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Si calcola la tensione idelale secondo l’ipotesi dell’energia di Von Mises. Nel caso in cui siano presenti tutte le componenti di tensione si ottiene:

σid = σ2⊥ + σ2// − σ⊥σ // + 3τ2// Nella norma non è specificato ma in analogia con i calcoli di resistenza statica delle parti collegate, occorrerà verificare che:

σid ≤

R S

con R (limite di resistenza del materiale delle parti collegate, limite di snervamento o di rottura) S coefficiente di sicurezza (ordine di grandezza 1.5) ECM - Saldature

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Resistenza statica - giunti con cordoni d’angolo (fillet welds, section 4.5) ) Nel cordone agiscono le seguenti tensioni: • σ tensione, trazione e/o compressione, normale all’asse del cordone; • τ tensione tangenziale secondo l’asse del cordone; • eventuale σ// tensione, trazione e/o compressione, nella sezione trasversale del cordone: DA NON CONSIDERARE.

σ τ σ L

σ// (NON CONSIDERARE)

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La sezione resistente, sia le per tensioni derivanti da azioni di trazione normali all’asse del cordone sia per tensioni derivanti da azioni di taglio lungo tale asse, è la cosiddetta sezione di gola del cordone: Ares

= L ⋅ a

L: lunghezza del cordone p:

sezione di gola

piede del cordone, se il cordone è simmetrico

p a p

L

a: altezza di gola (del triangolo

inscritto nella sezione trasversale del cordone). Se il piede del cordone è simmetrico a = p 2 ECM - Saldature

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Verifica di resistenza statica – 1° metodo (Directional Method, section 4.5.3.2) g

σ

g

||

tesioni calcolate sulla sezione di gola g g g ⊥ , τ ⊥ , τ|| g || non si considera

σ

⊥

τ g ||

σ

g

τ⊥

σ

g 2

σ

⊥

2 g 2 ⎞ + 3⎛ ⎜ τ g ⊥ + τ|| ⎟ ≤ f u / (β W γ M 2 ) ⎝ ⎠

e

g

σ

⊥

≤ 0.9 f u / γ M 2

carico di rottura del materiale base γM2 = 1.25 coefficiente di sicurezza βw fattore di correlazione (rapporto tra la resistenza del materiali base e quella del materiale d’apporto)

f u

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S235

S275

βw S355

0.80

0.85

0.90

Acciai di resistenza superiore 1.00

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Verifica di resistenza statica – 2° metodo (Simplified Method, section 4.5.3.3)

Si basa sulle forze per unità di lunghezza F w ,Ed ≤ F w ,Rd F w ,Ed F w ,Rd

forza risultante per unità di lunghezza che il cordone deve trasmettere forza resistente per unità di lunghezza

F w ,Rd

= f vw ,d ⋅ a =

f u /

3

βw γ M2

rappresenta la resistenza a taglio della saldatura γM2,, βw, f u sono gli stessi del metodo precedente.

f vw,d

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SOLLECITAZIONI NEL CORDONE D’ANGOLO • Il cordone di saldatura può essere pensato, in prima approssimazione, come un “vincolo” che impedisce al pezzo saldato di muoversi sotto l’applicazione dei carichi esterni • Le forze (e gli eventuali momenti) che sollecitano il cordone si determinano equilibrando l’azione dei carichi esterni • Calcolate tali forze (e gli eventuali momenti) si possono g g g determinare le corrispondenti componenti di tensione ⊥ , τ⊥ , τ|| da utilizzare nella verifica statica del giunto più sollecitato • Nel seguito si analizzeranno una selezione di casi per mettere in evidenza la procedura generale da applicare σ

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Esempio 1

2 cordoni

P

• Sotto l’azione del carico esterno P la piattabanda tende a traslare, in direzione parallela ai cordoni, rispetto al supporto • I due cordoni oppongono resistenza a questa traslazione “attivando” ciascuno una forza, parallela al cordone, in modo che nel complesso si equilibri l’azione del carico esterno P • Si tratta, ovviamente, di equilibrio alla traslazione lungo la direzione di applicazione del carico

L F

P

F ECM - Saldature

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• Equilibrio alla traslazione: 2 F = P → F = P 2 P

2 cordoni

τg// =

F P = La 2La

F L F

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Esempio 2

• Equilibrio alla traslazione e alla rotazione: 2 F 1 = P → F 1 = P 2 F 2 L = Pb → F 2 = Pb L

F1 P = ha 2ha F Pb τg//2 = 2 = ha haL

τg//1 =

2 cordoni

F 1

F 1

P

h F 2 b L

Nel cordone più sollecitato (cordone destro): F 2

τg// = τg//1 + τg//2 ECM - Saldature

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Esempio 3

• Equilibrio alla rotazione: Fh = M e

→ F = M e h 2 cordoni

τg = //

F Me = La Lah

h

F

M e L

F

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Esempio 4

• Equilibrio alla rotazione: FL = M e

τg = //

→ F = M e L

2 cordoni

F Me = ha haL

h M e

F

L F

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Esempio 5

x

z

2 cordoni

P

• Equilibrio alla traslazione: 2F = P → F = P 2 La forza F si può scomporre in due forze N e T: 2 P 2 N = F = forza normale alla sez. di gola 2 2 2 2 P 2 forza tangenziale alla sez. di gola = T=F 2 2 2 y

σg⊥ = τg⊥ =

x

N P 2 = ha 2ha 2 T P 2 = ha 2 ha 2

F

F

h

F

z

N T

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Esempio 6

• Equilibrio alla traslazione e alla rotazione: 2 F 1 = P → F 1 = P 2 F 2 h = Pb → F 2 = Pb h

τg//

τg⊥ = ECM - Saldature

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F 1 h

F 2 F 1

F Pb = 2 = La Lah

come per il caso dell’ Esempio 5 le tensioni dovute a F 1 (che si scompone in N e T) sono: N P 2 σg⊥ = = La 2 La 2

P

2 cordoni

b L

F 2

T P 2 = La 2 La 2 26

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y

Esempio 7

z

x

Equilibrio alla traslazione e alla rotazione: F = P M x = Pb

P

1 cordone

F

h M x b

si può scomporre in due componenti: 2 perpendicolare alla sezione di gola M g t = M x 2 (momento torcente) 2 g parallela alla sezione di gola M f = M x 2 (momento flettente)

M x

y x

M g f

z g

M t M x

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Le tensioni nel cordone sono le seguenti:

τgF = //

τgM ⊥

σgM ⊥

F

ha

P

ha

M g t 2

3 P b 2 = = 2 a h 3 a h 2

=

M g f ah 2 6

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=

=

6 P b 2 ah 2 2

tensione tangenziale massima dovuta a un momento torcente su una sezione rettangolare sottile tensione normale massima dovuta a un momento flettente su una sezione rettangolare sottile

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NORMA UNI EN 1993 1-9 Eurocode 3 – Design of steel structures Part 1-9: Fatigue

• Bisogna conoscere la storia di carico in termini di tensione, cioè l’andamento nel tempo della tensione • Nel caso dei giunti saldati si fa riferimento, anziché alla tensione alternata σa, al ∆ di tensione ( ∆σ o ∆τ) • Ogni tipo di giunto è caratterizzato da una particolare categoria che è il valore di ∆σc (∆τc) ammissibile (di ampiezza costante) per N = 2⋅106 cicli • Nel caso di oscillazioni di ampiezza variabile, si applica il metodo di conteggio Rainflow (versione vasca da bagno o serbatoio in CNRUNI 10011) per ottenere lo spettro dei ∆ di tensione • Due metodi di verifica: damage tolerant e safe life (il primo ammette sollecitazioni più elevate) 29

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Calcolo delle tensioni – ribaltamento della sezione di gola

σ⊥f

La tensione di gola è considerata ribaltata su uno del lati del cordone

τ//f τ⊥f

σ wf = ⊥2 f + τ⊥2 f τ wf = τ||f σ

γ Ff

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tensione perpendicolare all’asse del cordone tensione parallela all’asse del cordone

coefficiente moltiplicativo delle tensioni, tiene conto delle incertezze sui carichi, può essere maggiore o uguale a 1 30

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Linee SN per particolari sollecitati a ∆σ Ai particolari saldati sollecitati con ∆σ, corrisponde un fascio di curve SN con tratti di equazione ∆σm ⋅ N = costante e in particolare: • un fascio di rette parallele di esponente m = 3 per 104 ≤ N ≤ N D cicli • un fascio di rette parallele di esponente m = 5 per N D ≤ N ≤ 108 cicli con N D = 5⋅106 cicli • un fascio di rette orizzontali a partire da N L = 108 cicli

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Linee SN per particolari sollecitati a ∆σ 103

Categoria del giunto ∆σC C

D L

) a P M 102 ( σ ∆

m = 3

6 2 ⋅ 10 3 ∆σ D = 3 ∆σC 5 ⋅106 160 125 100 80 63

m = 5

140 112 90 71

∆σ L = 5

5 ⋅106 D 108

∆σ5

50 56 46 40 36

10 104 ECM - Saldature

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105

106 107 2⋅106 5⋅106

108 N

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Linea SN per particolari sollecitati a ∆τ 103

231

Ai particolari saldati sollecitati con ∆τ, corrisponde due linee SN di equazione ∆τm ⋅ N = costante con • m = 5 per 104 ≤ N ≤ 108 cicli • una retta orizzontale a partire da N L = 108 cicli

C 100 MPa

) a P M102 ( τ ∆

C 80 MPa

m = 5

L 10 104

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105

106 2⋅106

107

108 N

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Resistenza a fatica – Metodi di verifica • Le curve SN vanno corrette del coefficiente γMf , per esempio ∆σC diventa ∆σC / γMf γMf Metodo di verifica Damage tolerant Safe life

Conseguenze del cedimento Lievi Gravi 1.00 1.15 1.15 1.25

Damage tolerant presuppone la struttura sottoposta a ispezioni periodiche Safe life

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con individuazione danno e riparazioni presuppone che la struttura non si danneggi per tutta la durata richiesta

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Verifica secondo la legge di Miner Cycles to failure (Annex A5) ∆σi = γ Ff ∆σi con γFf ≥1 coefficiente correttivo ∆σ c = ∆σ c / γ Mf , ∆σ D = ∆σ D / γ Mf , ∆τc = ∆τc / γ Mf Dd = ∑

n Ei α N = ∑ i tot N Ri N Ri

3

∆σ ⋅ 2 ⋅10 se ∆σi ≥ ∆σ D N Ri = c 3 ∆σi

6

se ∆σi < ∆σ D N Ri =

5

∆σ D ⋅ 5 ⋅106 5

∆σi

5

nel caso di ∆τ: N Ri =

∆τc ⋅ 2 ⋅106 5

∆τ i

Si verifica che: Dd ≤ 1 35

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Verifica statica Occorre anche sempre verificare che:

∆σ ≤ 1.5 f y f ∆τ ≤ 1.5 y 3 con f y: carico di snervamento del materiale base

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