Automatyczny dobór spoin / wymiarowanie spoin

Narzędzie Wymiarowanie spoin oblicza optymalny rozmiar spoiny na podstawie określonych danych wejściowych i zdefiniowanych strategii, takich jak Szacowanie nośności, Pełna nośność, Minimalna ciągliwość lub Nadwytrzymałość. Nowy projekt jest tworzony na podstawie wybranych ustawień, które zostały szczegółowo opisane poniżej. Funkcja ta działa jako zaawansowany asystent eliminujący ręczne iteracje, oferując solidną propozycję projektową gotową do ostatecznej weryfikacji.

W IDEA StatiCa Connection dostępne są dla wszystkich użytkowników dwie strategie wymiarowania spoin:

• do pełnej nośności
• z nadwytrzymałością

Dla użytkowników Eurokodu dostępne są dwie dodatkowe:

• do szacowania nośności
• do minimalnej ciągliwości

Dla użytkowników AISC dostępna jest jedna dodatkowa:

• do szacowania nośności

Jak wywołać funkcje

Wymiarowanie spoin można wywołać przez:

• Kliknięcie przycisku Weld sizing w górnym panelu

• W oknie dialogowym Operacje

• Kliknięcie prawym przyciskiem myszy na Operacje i wybranie Autodesign all, jednak w tym przypadku automatyczny dobór obejmie nie tylko spoiny, ale również śruby.

• Kliknięcie prawym przyciskiem myszy na operacje i wybranie określonego typu wymiarowania spoin

• Kliknięcie prawym przyciskiem myszy na operację ze spoiną i wybranie Autodesign, jednak w tym przypadku automatyczny dobór obejmie nie tylko spoiny, ale również śruby, w ramach konkretnej operacji.

Po wywołaniu funkcji konieczne jest określenie metody wymiarowania spoin w oknie dialogowym Operacje. Ogólnie rzecz biorąc, rozmiar spoin będzie wzrastał w następującej kolejności:

• Szacowanie nośności
• Minimalna ciągliwość
• Pełna nośność
• Z nadwytrzymałością

Metody zostały szczegółowo opisane poniżej. 

Ustawienia wpływające na rozmiar spoiny

Proces wymiarowania spoin jest określony przez konkretne ustawienia globalne. Algorytm ocenia następujące dane wejściowe:

• Spoiny: Docelowy stopień wykorzystania nośności: Limit ten jest zdefiniowany w Ustawienia projektu > Projektowanie – Ogólne (wartość domyślna wynosi 0,9). Algorytm porównuje rzeczywiste obciążenia działające z tą ustawioną wartością, aby znaleźć rozwiązanie spełniające wymaganie. Sprawdzana konkretna wartość to Stopień wykorzystania Ut_c.
• Spoiny: Współczynnik nadwytrzymałości: Współczynnik ten zapewnia, że spoina jest mocniejsza niż połączony element, umożliwiając tworzenie przegubów plastycznych, zgodnie z zaleceniami EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5) (zazwyczaj 1,4 lub 1,7). Limit jest zdefiniowany w Ustawienia projektu > Projektowanie – Ogólne (domyślnie 1,4) i jest stosowany tylko wtedy, gdy wybrana jest metoda wymiarowania „Nadwytrzymałość".
• Reguła zaokrąglania:  Wysokość spoiny jest dostosowywana zgodnie z ustawieniami zaokrąglania w Projekt > Preferencje > Jednostki aplikacji - Zaokrąglanie nowych elementów > Rozmiar spoiny.
• Przyrosty kontrolera: Minimalna wartość, o którą algorytm zwiększa wysokość spoiny, jest ustawiana w Projekt > Preferencje > Jednostki aplikacji - Przyrosty kontrolera > Rozmiar spoiny.

Szacowanie nośności

Wymiarowanie spoin do szacowania nośności automatycznie zapewnia rozmiary spoin wystarczające do przeniesienia zadanych obciążeń. 

Jak działa funkcja

W zakładce wyników dla spoin wymienione są dwa wskaźniki stopnia wykorzystania. Wartość Ut (stopień wykorzystania naprężeń) pokazuje stopień wykorzystania najbardziej naprężonego elementu skończonego całej spoiny (wartość szczytowa), natomiast Ut_c (stopień wykorzystania nośności spoiny) pokazuje stopień wykorzystania całej spoiny, dostarczając użytkownikowi informacji o pozostałej nośności spoiny.

Ponieważ rozkład naprężeń w spoinach w modelach opartych na MES zmienia się w sposób niepewny w zależności od przyłożonego obciążenia, nie jest proste określenie pozostałej nośności jako funkcji liniowej. Wraz ze wzrostem przyłożonego obciążenia zmiana rozkładu naprężeń w spoinie może być bardzo dramatyczna.

Obliczanie Ut_c wykorzystuje funkcję estymacji opartą na uczeniu maszynowym. Na podstawie uczenia się na ogromnej liczbie modeli połączeń spawanych i różnych scenariuszy obciążeń algorytm może dokładnie przewidzieć pozostałą nośność spoiny. Wartość ta jest wyświetlana w zakładce Sprawdzenie normowe, w zakładce Spoiny, w kolumnie Ut_c .

Funkcjonalność ta wykorzystuje sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe do określenia nośności spoin. Co najlepsze, aplikacja może to zrobić z dokładnością do 10%! Można to uznać za doskonały wynik.

Obecnie jest zaimplementowane w Eurokodzie i AISC.

Wymiarowanie spoin do szacowania nośności wymaga wyników. Rozmiar spoin pachwinowych jest dostosowywany zgodnie z następującym wzorem:

\[ a_{new} = a \cdot Ut_c / Ut_{target} \]

gdzie:

• \(a_{new}\) – skorygowany rozmiar spoiny pachwinowej
• \(a\) – poprzednio ustawiony rozmiar spoiny pachwinowej
• \(Ut_c\) – szacowanie nośności oparte na algorytmie uczenia maszynowego widoczne w sprawdzeniu normowym spoin 
• \(Ut_{target}\) – docelowy stopień wykorzystania w Ustawienia → Projektowanie → Autodesign → Wymiarowanie spoin

Należy pamiętać, że rozmiary spoin są ograniczone przez wymagania konstruktywne, np. rozmiar spoiny nie może być mniejszy niż 3 mm (EN 1993-1-8 – 4.5.2). Wymagania te są przestrzegane. Należy również pamiętać, że wiele spoin w IDEA StatiCa jest często ustawianych na jedną wartość. W takich przypadkach rozmiar jest ustawiany zgodnie z najbardziej wykorzystaną spoiną.

Dostępna jest również pętla obliczeniowa. Gdy metoda wymiarowania spoin jest ustawiona na szacowanie nośności, wykonuje ona:

1. Wymiarowanie spoin pachwinowych do pełnej nośności
2. Obliczenie modelu
3. Wymiarowanie spoin pachwinowych do szacowania nośności
4. Obliczenie modelu

Spoiny są następnie ustawiane na poziomie docelowego stopnia wykorzystania lub poniżej niego za pomocą jednego kliknięcia.

Minimalna ciągliwość

Wymiarowanie spoin do minimalnej ciągliwości automatycznie zapewnia połączenia spawane wystarczająco mocne, aby zapobiec kruchemu zniszczeniu. Nośność spoiny umożliwia początkowe uplastycznienie blachy, jednak ostatecznie dochodzi do zerwania spoiny.

Wymaganie dotyczące minimalnej ciągliwości złączy spawanych zawarte jest w FprEN 1993-1-8:2023 – 6.9(4). Wywodzi się ono z holońskiego załącznika krajowego do EN 1993-1-8, gdzie stały stosunek nośności spoiny do nośności blachy wynosi 0,8. Jest ono również zawarte w powszechnie stosowanych Zielonych księgach z Wielkiej Brytanii, mianowicie w rozdziałach C2 i C3. Jednak stały stosunek jest odpowiedni tylko dla stali gatunku S355. W Eurokodzie drugiej generacji zostało to rozszerzone na wszystkie gatunki stali.

Wymaganie to jest sprawdzane dla dwustronnych spoin pachwinowych przez:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot \min \left \{1.0, 1.1\frac{f_y}{f_u} \right \}\]

gdzie:

• \(a\) – grubość gardła spoiny
• \(t\) – grubość blachy połączonej krawędzią
• \(\beta_w\) – współczynnik korelacji spoiny 
• \(\gamma_{M2}\) – współczynnik bezpieczeństwa dla śrub i spoin; edytowalny w ustawieniach normy
• \(f_y\) – granica plastyczności blachy
• \(f_u\) – wytrzymałość spoiny na rozciąganie
• \(\gamma_{M0}\) – współczynnik bezpieczeństwa dla blach; edytowalny w ustawieniach normy

Grubość gardła jednostronnej spoiny pachwinowej jest dwukrotnie większa niż dwustronnej spoiny pachwinowej.

Należy pamiętać, że metoda jest przydatna dla spoin obciążonych poprzecznie i działa, gdy blacha jest połączona na całej swojej szerokości.

Pełna nośność

Wymiarowanie spoin do pełnej nośności automatycznie zapewnia spoiny mocniejsze niż połączona blacha. W obliczeniach przyjmuje się, że blachy są obciążone rozciąganiem, a spoiny poprzecznie, jako najgorszy przypadek dla nośności i ciągliwości spoiny. Takie projektowanie jest przydatne do unikania kruchego zniszczenia spoin przy obciążeniach statycznych.

Podejście to jest również zawarte w powszechnie stosowanych Zielonych księgach z Wielkiej Brytanii, mianowicie w rozdziale C1.

Wymaganie to jest sprawdzane dla dwustronnych spoin pachwinowych przez:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} }\]

gdzie:

• \(a\) – grubość gardła spoiny
• \(t\) – grubość blachy połączonej krawędzią
• \(\beta_w\) – współczynnik korelacji spoiny 
• \(f_y\) – granica plastyczności blachy
• \(f_u\) – wytrzymałość spoiny na rozciąganie
• \(\gamma_{M0}\) – współczynnik bezpieczeństwa dla blach; edytowalny w ustawieniach normy

Należy pamiętać, że metoda jest przydatna dla spoin obciążonych poprzecznie i działa, gdy blacha jest połączona na całej swojej szerokości.

Spoiny z nadwytrzymałością

Wymiarowanie spoin z nadwytrzymałością automatycznie zapewnia spoiny znacznie mocniejsze niż połączona blacha. Współczynnik nadwytrzymałości jest określony w Ustawienia → Projektowanie → Autodesign → Wymiarowanie spoin. Domyślna wartość 1,4 pochodzi z EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5) i służy do tworzenia przegubu plastycznego. 

W obliczeniach przyjmuje się, że blachy są obciążone rozciąganiem, a spoiny poprzecznie, jako najgorszy przypadek dla nośności i ciągliwości spoiny. Takie projektowanie jest przydatne do unikania kruchego zniszczenia spoin przy projektowaniu plastycznym lub obciążeniach cyklicznych. Należy pamiętać, że duży rozmiar spoiny automatycznie nie gwarantuje wysokiej ciągliwości. Wręcz przeciwnie, może prowadzić do nadmiernych naprężeń resztkowych i odkształceń spowodowanych skurczem spoiny.

Wymaganie to jest sprawdzane dla dwustronnych spoin pachwinowych przez:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot f_{overstrength}\]

gdzie:

• \(a\) – grubość gardła spoiny
• \(t\) – grubość blachy połączonej krawędzią
• \(\beta_w\) – współczynnik korelacji spoiny 
• \(\gamma_{M2}\) – współczynnik bezpieczeństwa dla śrub i spoin; edytowalny w ustawieniach normy
• \(f_y\) – granica plastyczności blachy
• \(f_u\) – wytrzymałość spoiny na rozciąganie
• \(\gamma_{M0}\) – współczynnik bezpieczeństwa dla blach; edytowalny w ustawieniach normy
• \(f_{overstrength}\) – współczynnik nadwytrzymałości określony w Ustawienia → Projektowanie → Autodesign → Wymiarowanie spoin

Należy pamiętać, że metoda jest przydatna dla spoin obciążonych poprzecznie i działa, gdy blacha jest połączona na całej swojej szerokości.