Wymiarowanie spoin

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

Metoda wymiarowania spoin jest określana w oknie dialogowym Operacje.

Po uruchomieniu wymiarowania spoin każda spoina pachwinowa w modelu jest modyfikowana zgodnie z wybraną metodą wymiarowania. Ogólnie rozmiar spoin będzie wzrastał w następującej kolejności:

1. Do szacowania nośności
2. Do minimalnej ciągliwości
3. Do pełnej nośności
4. Z nadwytrzymałością

Metody są szczegółowo opisane poniżej. 

Do szacowania nośności

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

Szacowanie nośności spoin jest pierwszym zastosowaniem uczenia maszynowego w IDEA StatiCa. Obecnie jest zaimplementowane wyłącznie dla Eurokodu. Nośność spoiny jest wyznaczana na podstawie najbardziej wytężonego elementu spoiny. W związku z tym stopień wykorzystania spoiny jest silnie nieliniowy. Nośność całej długości spoiny jest szacowana przez algorytm uczenia maszynowego na podstawie rozkładu naprężeń wzdłuż długości spoiny.

Wymiarowanie spoin do szacowania nośności wymaga wyników obliczeń. Rozmiar spoin pachwinowych jest korygowany 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 na podstawie algorytmu uczenia maszynowego widoczne w sprawdzeniu spoiny 
• \(Ut_{target}\) – docelowy stopień wykorzystania w Ustawienia → Projektowanie → Autoprojektowanie → Wymiarowanie spoin

Wynikowa wartość \(a_{new}\) jest zaokrąglana w górę zgodnie z Preferencje → Jednostki aplikacji → Zaokrąglanie nowych elementów → Rozmiar spoiny. 

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 mieć na uwadze, że wiele spoin w IDEA StatiCa jest często definiowanych jedną wartością. W takich przypadkach rozmiar jest ustalany na podstawie najbardziej wytężonej spoiny.

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.

Do minimalnej ciągliwości

Wymiarowanie spoin do minimalnej ciągliwości automatycznie zapewnia połączenia spawane wystarczająco nośne, aby zapobiec kruchym zniszczeniom. Nośność spoiny umożliwia początkowe uplastycznienie blachy, jednak ostatecznie następuje zerwanie spoiny.

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

Wymaganie to jest sprawdzane dla dwustronnych spoin pachwinowych według wzoru:

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

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 na rozciąganie spoiny
• \(\gamma_{M0}\) – współczynnik bezpieczeństwa dla blach; edytowalny w ustawieniach normy

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

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

Do pełnej nośności

Wymiarowanie spoin do pełnej nośności automatycznie zapewnia spoiny o nośności większej niż nośność połączonej blachy. W obliczeniach przyjmuje się, że blachy są obciążone rozciąganiem, a spoiny poprzecznie, jako przypadek najbardziej niekorzystny dla nośności i ciągliwości spoin. Takie podejście projektowe jest przydatne do unikania kruchych zniszczeń spoin przy obciążeniach statycznych.

Podejście to jest również zawarte w powszechnie stosowanych Green books z Wielkiej Brytanii, w szczególności w rozdziale C1.

Wymaganie to jest sprawdzane dla dwustronnych spoin pachwinowych według wzoru:

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

gdzie:

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

Z nadwytrzymałością

Wymiarowanie spoin z nadwytrzymałością automatycznie zapewnia spoiny o znacznie większej nośności niż nośność połączonej blachy. Współczynnik nadwytrzymałości jest określany w Ustawienia → Projektowanie → Autoprojektowanie → Wymiarowanie spoin. Domyślna wartość 1,4 pochodzi z EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5) i służy do formowania przegubu plastycznego. 

W obliczeniach przyjmuje się, że blachy są obciążone rozciąganiem, a spoiny poprzecznie, jako przypadek najbardziej niekorzystny dla nośności i ciągliwości spoin. Takie podejście projektowe jest przydatne do unikania kruchych zniszczeń spoin przy projektowaniu plastycznym lub obciążeniach cyklicznych. Należy pamiętać, że duży rozmiar spoiny sam w sobie 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 według wzoru:

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

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 na rozciąganie spoiny
• \(\gamma_{M0}\) – współczynnik bezpieczeństwa dla blach; edytowalny w ustawieniach normy
• \(f_{overstrength}\) – współczynnik nadwytrzymałości określony w Ustawienia → Projektowanie → Autoprojektowanie → Wymiarowanie spoin

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