133

COMENTARII PRIVIND ALCĂTUIREA ŞI CALCULUL ÎMBINĂRILOR SUDATE ÎN CONFORMITATE CU NORMELE

EUROPENE

Liviu GĂDEANU(1), Radu BĂNCILĂ(2), Edward PETZEK(2)

(1) CCTFA - Filiala Timişoara a Academiei Române (2) Universitatea „Politehnica“ Timişoara, Facultatea de Construcţii şi Arhitectură

Rezumat Lucrarea trece în revistă evoluţia unor aspecte privind alcătuirea şi calculul îmbinărilor sudate în conformitate cu prevederile EC3 – 1 – 8 (cap. 4 îmbinări sudate; Final draf (December 2001), în comparaţie cu STAS 10108/0 – 78 şi evidenţiază schimbările survenite. Cuvinte cheie: Îmbinare, sudură, eforturi, tensiuni, suduri în adâncime, suduri de colţ. 1. Introducere

Deşi descoperită la sfârşitul secolului al XIX-lea, sudura a început să fie folosită în practică, ca mijloc de îmbinare a construcţiilor metalice, abia spre mijlocul secolului XX. Ca urmare a faptului că ea s-a aplicat iniţial oţelurilor şi soluţiilor constructive specifice construcţiilor nituite, la scurt timp au apărut unele deficiente în exploatare, printre care o serie de fisuri şi chiar cedări, cum a fost cazul mai multor poduri metalice construite înaintea celui de al doilea război mondial în Germania. Pentru elucidarea problemelor apărute s-au efectuat o serie de cercetări care au scos în evidenţă anumite particularităţi specifice acestui mod de îmbinare, printre care: • existenţa şi importanta proprietăţii de sudabilitate a materialului pieselor îmbinate, • existenţa zonei de influenţă termică (ZIT) şi sensibilitatea acesteia la fisurare, • importanţa executării corecte a sudurilor, • necesitatea folosirii unor soluţii constructive specifice îmbinărilor sudate, care să evite pe cât

posibil concentratorii de tensiuni, • necesitatea elaborării unor mărci de oţeluri sudabile pentru construcţii, rezistente la fragilitate la

temperaturi scăzute şi având caracteristici mecanice cât mai ridicate. Aceste particularităţi au fost rezolvate pe parcurs, astfel încât, în prezent, sudura constituie

practic, aproape în exclusivitate mijlocul de realizare a îmbinărilor metalice nedemontabile. 2. Alcătuirea şi calculul îmbinărilor sudate după STAS 10108/0-78

În literatura româneasca de specialitate, inclusiv standarde şi normative, îmbinările sudate sunt clasificate atât din punctul de vedere al poziţiei sudorului faţă de îmbinare, cât şi din punctul de vedere al modului de aşezare a pieselor sudate una faţă de alta, inclusiv al modului de prelucrare a muchiilor, când grosimea pieselor îmbinate depăşeşte 8-10mm.

În funcţie de poziţia pieselor îmbinate, principalele îmbinări sudate pot fi: 1. îmbinări cap la cap, realizate cu suduri în adâncime, 2. îmbinări prin suprapunere, realizate cu suduri de colţ şi

134

R R

3. îmbinări în T sau în cruce, realizate fie prin suduri de colţ, fie prin suduri în adâncime. Sudurile în adâncime trebuie să fie complet pătrunse, grosimea lor fiind considerată egală cu

grosimea celei mai subţiri piese din îmbinările cap la cap, respectiv cu grosimea minimă a pieselor din îmbinările în T.

De asemenea, în literatura noastră de specialitate sunt folosiţi termenii de: „cusătură de sudură“ sau cordon de sudură“, pentru materialul rezultat din topirea şi combinarea materialului de adaos (vergea sau sârmă) şi marginile pieselor sudate. În lucrarea de faţă aceşti termeni au fost înlocuiţi cu cel de sudură, aşa cum de altfel este prevăzut şi în variantele în limba engleză şi franceză ale EC 3.

Standardul românesc STAS 10108/0-78 [1] prevede verificarea tensiunilor din suduri cu relaţii de forma: , respectiv s sRσ ≤ = γ s sRτ ≤ = γ ; γ fiind un coeficient, în funcţie de natura solicitării, ale cărui valori sunt precizate în tabelul 1.

Tabelul 1

Tip îmbinare

Tip sudură

Solicitare şi relaţii de

calcul

Suduri executate

Controlul sudurilor γ RR s γ=

1 2 3 4 5 6 compresiune

sc

s

sc R

AN

≤=σ automat

semiautomatmanual

cu mijloace obişnuite

1 R

automat - || - 1 R semiautomat

manual - || - 0,8 0,8R întindere

si

s

si R

AN

≤=σ semiautomat

manual cu raze X sau γ 1 R

forfecare sf

s

s RAT

≤=τ automat

semiautomatmanual

cu mijloace obişnuite

0,6 0,6R

automat - || - 1 R

CAP LA CAP; ÎN T în adâncime

t1

t2

b

a = tmin

b-2a

aa

t

b

t

a = t

b a× =sA

(b 2a) a− ×2

sa bW

6⋅

=

încovoiere s

incs

M RW

σ = ≤ s semiautomatmanual

cu mijloace obişnuite

0,8 0,8R

1 2 3 4 5 6 PRIN SUPRAPUNERE

de colţ t1

b1 b2

ls1

ls2

t2

a

a

ls2

min3mm a 0,7 t≤ ≤ ⋅

s si s siA a l ; l l= ⋅ =∑ ∑

întindere compresiune

s s

s

N RA

τ = ≤

automat semiautomat

manual

cu mijloace obişnuite

0,7 0,7R

întindere compresiune

forfecare s s

s

s

N RA

A 2 a b

τ = ≤

= ⋅ ⋅

ÎN T de colţ

b

t

t

a min3mm a 0,7 t≤ ≤ ⋅

2

s sa bW 2 ; l 2b

6⋅

= =

încovoiere s s

s

M RW

τ = ≤

automat semiautomat

manual

cu mijloace obişnuite

0.7 0.7R

Aşa cum rezultă din tabelul 1 coeficientul γ şi în final rezistenţa de calcul a sudurilor, depinde de rezistenţa de calcul a materialului de sudat, modul de solicitare al sudurii (γ = 1 pentru compresiune, respectiv întindere, la suduri în adâncime controlate cu mijloace perfecţionate (radiografii cu raze γ sau roentgen); γ = 0,8 pentru întindere la suduri în adâncime, dacă controlul sudurii se face cu mijloace neperfecţionate (ultrasunete, lichide penetrante, vizual, etc.), γ = 0,6 pentru suduri în adâncime solicitate la forfecare şi γ = 0,7 pentru sudurile de colţ, la care se verifică doar tensiunile tangenţiale τ. 3. Alcătuirea îmbinărilor sudate după EC 3-1-8

Referitor la clasificarea îmbinărilor sudate menţionată în paragraful 1, trebuie precizat faptul că ea nu se regăseşte în EC 3 [2], [4].

În §4.3 al EC 3-1-8 [3] se definesc următoarele tipuri de suduri (type of welds): 1. suduri de colţ (Fillet welds), care pot fi continui sau întrerupte (intermittent fillet welds), 2. suduri de colţ în găuri (Fillet welds all round), de fapt suduri de colţ pe conturul unor găuri

(decupări), practicate în una din piesele suprapuse, 3. suduri în adâncime (Butt welds),

135

4. suduri în găuri umplute (Plug welds) şi 5. suduri în lungul muchiilor rotunjite (Flare groove welds).

În categoria sudurilor de colţ sunt încadrate toate sudurile dintre piesele care fac între ele un unghi α cuprins între 60° şi 120° (tabelul 2).

În afară de sudurile de colţ obişnuite, a căror grosime a se consideră egală cu înălţimea triunghiului inscriptibil în secţiunea transversală a sudurii, coborâtă de la rădăcina acesteia pe latura exterioară, EC 3 mai prevede suduri de colţ cu pătrundere adânca, a căror grosime depinde de tehnologia şi utilajul de execuţie şi se verifică obligatoriu prin probe preliminare.

Tabelul 2

Tip îmbinare Tipul sudurii Caracteristici, limitări, condiţii

0 1 2

în T

, în

ungh

i

SUDURI DE COLŢ 1. continui 60°≤α≤120°

α

a a

a a

a

a

α < 60°, se consideră ca suduri în adâncime cu pătrundere parţială α > 120°, rezistenţa lor se determină prin încercări [7] Se impune întoarcerea sudurilor la capete cu 2a şi notarea pe desene

s si

min maxs s

l l întoarceri (pt. a = constant)

l min(30mm sau 6a); l 150a

= +

= =

∑

Pentru ls > 150a rezistenţa sudurii se reduce cu βLw (4.11) [3]

min

w eff

3mm a 0,7 tA a l

≤ ≤ ⋅

= ⋅∑

0 1 2

în T

, în

ungh

i

2. întrerupte

Nu se folosesc în medii corosive. La capetele pieselor se folosesc obligatoriu suduri bilaterale.

we 1

1 1

2 1

max L 0,75b si 0,75b

min L 16t si 16t sau 200mm

min L 12t sau 16t si0,25b sau 200mm

≥

≤

≤

136

0 1 2

3. Suduri de colţ cu pătrun-dere adâncă

Posibilitatea realizării grosimii a se verifică prin probe preliminare. a şi ls se indică pe desene

w effA a l= ⋅

în T

, în

ungh

i

4. Suduri în adâncime cu pă-trundere parţi-ală completate cu suduri de colţ

t

anom.1

anom.2cnom

nom1 nom2

nom

a a a tc t / 5 sau 3mm= + ≥≤

w effA a l= ⋅

1 - 1

5. Suduri de colţ continui

t1

t2

w eff min

max s

Lw

A a l ; 3mm a 0,7 tl 150a; Pentru l 150a rezistenta sudurii se reduce cu

= ⋅ ≤ ≤ ⋅

≤ >

β

∑

prin

supr

apun

ere

6. Suduri de colţ în găuri circulare sau alungite

- Transmit doar forţe tăietoare. - Se utilizează şi în scopul prevenirii

voalării sau distanţării pieselor imbinate.

d 4 t≥ ⋅ w effA a l= ⋅ 1 1

137

0 1 2

SUDURI ÎN ADÂNCIME 1. Cu pătrundere completă

în “V” tt

în “V” dublu

în “U” cap

la c

ap

tt

în “U” dublu

mina t (t )=

w eA a l ff= ⋅

2. Cu pătrundere parţială

în “V” dublu

cap

la c

ap t

t

a

a

a

a

în “U” dublu

în T

a

în dublu semi „V”

Pătrunderea materialului topit este mai mică decât grosimea materialului de bază t. Nu se admit suduri în adâncime cu pătrundere parţială întrerupte. Posibilitatea realizării grosimilor a se verifică prin probe preliminare.

w eA a ffl= ⋅∑

în T

în semi „V"

în dublu semi „V" (K)

tt

în „J"

în „J" dublu

tt

a t=

w eA a l ff= ⋅

prin

supr

apun

ere

SUDURI ÎN GĂURI UMPLUTE

dt t

d

Transmit doar forţe tăietoare. Previn voalarea sau depărtarea pieselord t 8mmpentru : t 16mm; a t

tpentru : t 16mm; a 16mm2

≥ +≤ =

> ≤ >

138

0 1 2

SUDURI ÎNTRE MUCHII ROTUNJITE

Grosimea a se ia conform figurii alăturate.

w eA a ffl= ⋅∑

Acceptarea acestui tip de sudură intervine ca urmare a perfecţionării tehnologiilor de sudare,

care în prezent permit pătrunderea semnificativă a sudurilor de colţ în materialul pieselor sudate, astfel că este posibilă realizarea unor grosimi reale de sudură a, mai mari decât cele considerate la sudurile de colţ obişnuite, la care pătrunderea fiind mică, aceasta nu este luată în considerare. Evident aici apare necesară relaţia directă proiectant – executant, care trebuie să colaboreze în timpul proiectării referitor la posibilitatea realizării sudurilor de colţ cu pătrundere adâncă, relaţie care nu constituie însă o problemă în cazul unor antreprize de construcţii, care fac atât proiectarea de detaliu cât şi execuţia şi montajul confecţiilor metalice.

În privinţa sudurilor în adâncime cu pătrundere completă atât la îmbinările cap la cap cât şi la cele în T, apar unele modificări în denumirea acestora. De exemplu, sudura în X este denumită în V dublu, cea în K este denumită în J dublu, iar cele în ½ V şi ½ U sunt denumite în semi V, respectiv în J.

O diferenţă semnificativă constă în acceptarea sudurilor în adâncime cu pătrundere parţială, atât la îmbinări cap la cap, cât şi la îmbinări în T, ele fiind denumite în V dublu şi U dublu, respectiv în semi V dublu.

De asemenea EC 3 prevede la îmbinările în T şi posibilitatea folosirii de suduri în adâncime cu pătrundere parţială, completate cu suduri de colţ, a căror grosime se determină conform indicaţiilor din tabelul 2. 4. Calculul îmbinărilor sudate după EC 3-1-8 4.1. Limitări ale dimensiunilor geometrice

În privinţa dimensiunilor de calcul ale sudurilor, în EC3-1-8 sunt prevăzute atât limitări care

sunt cuprinse şi în STAS 10108/0-78, cât şi limitări diferite de acestea. De exemplu, pentru grosimea sudurilor de colţ a trebuie respectată condiţia: 3 mm ≤ a ≤ 0,7 tmin (cerinţă existentă şi în STAS 10108/0-78) şi valori a verificate prin probe preliminare, în cazul sudurilor de colţ cu pătrundere adâncă, respectiv a sudurilor în adâncime cu pătrundere parţială completate cu suduri de colţ.

Pentru lungimea minimă de sudură, în loc de 40 mm, cât prevede STAS 10108/0-78, EC 3 prevede doar 30 mm, dar păstrează prescripţia: lmin ≥ 6a.

EC 3 prevede acceptarea sudurilor de colţ cu grosime constantă pe toată lungimea lor, dacă acest lucru poate fi realizat practic, ne mai luând în considerare existenţa craterelor finale de la capetele sudurilor. În caz contrar, se menţine însă prevederea reducerii lungimii sudurii cu 2a. În plus, se acceptă întoarcerea sudurilor, în acelaşi plan, după colţul pieselor suprapuse, întoarcere care se ia în considerare la calculul lungimii sudurii, dacă are aceiaşi grosime a ca şi restul acesteia.

Când distribuţia tensiunilor în lungul sudurilor de colţ este influenţată semnificativ de rigiditatea elementelor sau a pieselor îmbinate, neuniformitatea acestei distribuţii se ia în

139

considerare prin folosirea unei lungimi efective reduse: beff (4.10) [3], iar când lungimea sudurilor depăşeşte 150 a, rezistenţa sudurii se reduce cu un factor βLw < 1 (4.11) [3].

De asemenea EC 3-1-8 prevede restricţii speciale pentru folosirea sudurilor de colţ unilaterale şi a celor în adâncime cu pătrundere parţială unilaterală, în cazul solicitării lor la încovoiere şi întindere (4. 12) [3]. 4.2. Rezistenţa de calculul a sudurilor de colţ

Distribuţia tensiunilor pe aria de calcul a sudurii (Aw) se presupune uniformă. În cazuri contrare sunt specificaţi coeficienţi de reducere corespunzători.

Pe aria de calcul a sudurii, din efectul acţiunilor, pot apare (figura 1): • σ⊥ - tensiuni normale perpendiculare pe aria de calcul a sudurii Aw • σ|| - tensiuni normale paralele cu axa sudurii • τ⊥ - tensiuni tangenţiale perpendiculare pe axa sudurii • τ|| - tensiuni tangenţiale paralele cu axa sudurii

În mod convenţional tensiunile σ|| nu se iau în considerare la calculul sudurilor.

a

Figura 1

Pentru verificarea rezistenţei sudurilor de colţ EC 1993-1-8metode: METODA 1:

2 2 u

w M2 M2

f3( ) si⊥ ⊥ ⊥σ + τ + τ ≤ σ ≤β ⋅ γ γ

uf

unde: fu – este rezistenţa nominală de rupere la întindere a maîmbinate, βw – este factorul de corelare, cu valori cuprinse între 0,8 peS 460, N, M sau NL, respectiv ML,

γM2 – coeficientul parţial de siguranţa, care are valoarea 1,25

Prin reducerea încărcărilor (efectului acţiunilor) în raport cuse calculează tensiunile normale şi tangenţiale, corespunzătoare tipurelaţiile (1). Observaţie: verificarea se bazează pe conceptul Huber – Misscomparaţie pentru materiale ductile.

140

l

/ December 2001 prevede două

(1)

terialului celei mai slabe piese

ntru S 235 şi 1,0 pentru S 420 şi

, pentru îmbinări sudate.

centrul ariei de calcul a sudurii lui de îmbinare dat şi se verifică

es de stabilire a tensiunii de

METODA 2 – numită metoda alternativă, este o metodă convenţională, verificată prin încercări experimentale, exprimată prin următoarea relaţie:

w.Ed w.RdF F≤ (2) unde: Fw.Ed – este valoarea de calcul a efortului rezultant pe unitatea de lungime a sudurii de colţ

Fw.Rd – este rezistenţa de calcul pe unitatea de lungime a sudurii de colţ

141

aIndiferent de orientarea sudurii, se admite că:

w,Rd vw.dF f= ⋅ (3) unde: fvw.d – este rezistenţa de calcul la forfecare a sudurii, care se determină din relaţia:

uvw.d

w M2

ff3

=⋅β ⋅ γ

(4)

Observaţie: metoda alternativă a fost preluată şi de către norma germană DIN 18800/1993 [5]. 4.3. Rezistenţa de calculul a sudurilor în adâncime a) cu pătrundere completă Rezistenţa de calcul a sudurilor în adâncime cu pătrundere completă se ia egală cu rezistenţa de calcul a celei mai slabe piese îmbinate, cu condiţia ca sudura să fie făcută cu materiale de adaos care vor asigura, în toate probele de tracţiune, o limită de curgere (fy) şi o rezistenţă la rupere (fu) mai mare sau egală cu cea a materialului de bază. Întrucât la sudurile în adâncime, aria de calcul a sudurii este egală cu aria secţiunii transversală a materialului de bază, ca urmare a acceptării egalităţii rezistenţei de calcul a sudurii cu cea a materialului de bază, practic verificarea sudurii este identică cu cea a materialului de bază şi efectiv nu mai este necesară. b) cu pătrundere parţială Se procedează ca şi la sudurile de colţ cu pătrundere adâncă. Grosimile de suduri cu pătrundere parţială a ce pot fi realizate efectiv se determină prin încercări preliminare. c) cu pătrundere parţială completate cu suduri de colţ Se procedează ca şi la sudurile în adâncime cu pătrundere completă dacă sunt îndeplinite condiţiile cerute în tabelul 2. Când nu sunt îndeplinite condiţiile prevăzute în tabelul 2 se procedează ca la sudurile de colţ sau sudurile de colţ cu pătrundere adâncă. 4.4. Rezistenţa de calculul a sudurilor în găuri umplute

Rezistenţa de calcul a sudurii unei găuri umplute se ia egală cu: w,Rd vw.d wF f A= ⋅ (5)

unde fvw.d – este rezistenţa de calcul la forfecare a sudurii, precizată în relaţia (4) Aw – aria găurii în care este realizată sudura (circulară sau alungită).

5. Concluzii

În conformitate cu norma românească STAS 10108/0-78, calculul sudurilor se face reducând efectul acţiunilor (încărcărilor) în raport cu centrul de greutate al ariei de calcul a sudurii. La solicitări simple aceasta conduce la un singur tip de tensiuni (σ sau τ) pe această arie, tensiuni care nu trebuie să depăşească rezistenţele de calcul ale sudurii (tabelul 1).

În cazul sudurilor de colţ se acceptă rabaterea ariei de calcul a sudurii în planul catetelor şi efectuarea verificării în raport cu aria rabătută.

În cazul solicitărilor compuse se determină o tensiune echivalentă bazată pe conceptul Huber – Mises care are expresia: 2 2

ech 3σ = σ + τ ≤ αR , α având valoarea 1,1, iar R fiind rezistenţa de calcul a materialului de bază.

Aşa cum rezultă din cele prezentate în paragraful 4, norma EC 3, în curs de elaborare, prevede în mod expres relaţii analitice de verificare a rezistenţei sudurilor doar pentru sudurile de colţ şi sudurile în găuri umplute, (1) – (5) şi acceptă totodată două metode de verificare a sudurilor de colţ.

De menţionat în acest caz, că în metoda 1, determinarea tensiunilor cu relaţia (1) se face în raport cu aria de calcul a sudurii, determinată de grosimea şi lungimea acesteia. Acest lucru implică determinarea componentelor perpendiculare (⊥) şi paralele (||) ale tensiunilor în raport cu această arie, fapt care complică calculul.

De asemenea este de remarcat faptul că rezistenţa de calcul a sudurilor se determină după EC 3 în funcţie de rezistenţa nominală de rupere la întindere a oţelului folosit în îmbinare fu şi nu în funcţie de limita de curgere a acestuia fy, aşa cum prevede STAS 10108/0-78. Bibliografie [1]. * * * STAS 10108/0-78, Calculul elementelor din oţel, I.R.S., Bucureşti 1978. [2]. * * * Eurocode 3: Design of steel structures; Part 1-1: General rules and rules for

buildings, European Committee for Standardisation, Brussels, February 1992. [3]. * * * Eurocode 3: Design of steel structures; Part 1-8: Design of joints, European

Committee for Standardisation, Brussels, December 2001. [4]. * * * Normativ privind prescripţiile generale de proiectare. Verificarea prin calcul a

elementelor de construcţii metalice şi a îmbinărilr acestora. Cod CR 3.01.1, Bucureşti 1998 [5]. * * * DIN 18800/1993. [6]. Băncilă, R., Curs EWE - European Welding Engeneer, ISIM – Timişoara, 2001. [7]. * * * prEN 1990 Basis of structural design – Annex D.

142