ความเป็นพลาสติกในรอยเชื่อมใน IDEA StatiCa
คำถามต่างๆ เช่น:
- การกระจายแบบพลาสติกในรอยเชื่อมได้รับอนุญาตและสอดคล้องกับมาตรฐานหรือไม่?
- วิธีการสร้างแบบจำลองรอยเชื่อมใน IDEA นำไปสู่ค่าความต้านทานที่สูงเกินไปหรือไม่?
- IDEA จัดการกับข้อกำหนดของข้อ 4.9 ของ EN 1993-1-8 ที่ระบุว่าไม่ควรพึ่งพาความเหนียวของรอยเชื่อมอย่างไร?
- IDEA จัดการกับข้อกำหนดที่ว่ารอยเชื่อมควรมีความแข็งแรงเพียงพอที่จะไม่แตกหักก่อนที่วัสดุฐานที่อยู่ติดกันจะเกิดการครากทั่วไปอย่างไร?
ในบทความนี้เราจะให้คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้
พฤติกรรมจริงของรอยเชื่อม
จะเป็นประโยชน์หากพิจารณาพฤติกรรมจริงของรอยเชื่อมก่อน การกระจายความเค้นจริงหรือการกระจายความเครียดในรอยเชื่อมแบบฟิลเล็ตภายใต้การรวมกันของแรงกระทำต่างๆ นั้นยากที่จะกำหนดได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ คุณสมบัติของวัสดุในวัสดุฐานใกล้รอยเชื่อมและในรอยเชื่อมเองไม่สามารถกล่าวได้ว่าเป็นเนื้อเดียวกัน ดังนั้น เพื่อให้เข้าใจพฤติกรรมการวิบัติของรอยเชื่อม จึงได้มีการทดสอบเชิงทดลองจำนวนมากทั่วโลก
พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ของรอยต่อแบบทับซ้อนที่รับแรงในทิศทางตามยาว เช่นเดียวกับการเชื่อมต่อด้วยสลักเกลียวที่รับแรงในทิศทางตามยาว การกระจายความเค้นจะไม่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม เชิงคุณภาพสามารถระบุได้ว่าการกระจายความเค้นจะเป็นอย่างไร ความเค้นสูงสุดเกิดขึ้นที่ปลาย
รูปที่ 1 - การกระจายความเค้นเฉือนที่ไม่สม่ำเสมอในรอยต่อแบบทับซ้อน
เมื่อเพิ่มแรงกระทำต่อไปปรากฏว่ารอยเชื่อมมีความสามารถในการเสียรูปและสามารถเกิดการครากเฉพาะที่ได้ (รูปที่ 2)
รูปที่ 2 - การกระจายความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอของความเค้นเฉือนพร้อมการครากเฉพาะที่ในรอยต่อแบบทับซ้อน
วิธีการตาม Eurocode
การกำหนดค่ารอยเชื่อมและการรวมกันของแรงกระทำที่แตกต่างกันอาจนำไปสู่การกระจายความเค้นที่แตกต่างกัน แนวทางกึ่งเชิงประจักษ์ถูกเลือกเป็นพื้นฐานสำหรับกฎการคำนวณการออกแบบจาก Eurocode แทนที่จะตรวจสอบกลไกการวิบัติในระดับจุลภาค รอยเชื่อมทั้งหมดจะถูกตรวจสอบในระดับมหภาค แบบจำลองการวิบัติแบบง่ายถูกสมมติขึ้นโดยอาศัยความเป็นพลาสติก โดยการคำนวณย้อนกลับไปยังผลการทดสอบเชิงทดลอง จึงได้กำหนดเกณฑ์การวิบัติ (สูตรรอยเชื่อม)
EN 1993-1-8 ข้อ 4.5.3 อธิบายสองวิธีสำหรับการกำหนดค่าการออกแบบความต้านทานของรอยเชื่อมแบบฟิลเล็ต ได้แก่ วิธีทิศทาง (Directional method) และวิธีแบบง่าย (Simplified method) วิธีแบบง่ายเป็นวิธีที่ลดความซับซ้อนของวิธีทิศทาง ในวิธีทิศทาง แรงที่ถ่ายผ่านต่อหน่วยความยาวของรอยเชื่อมจะถูกแยกออกเป็นองค์ประกอบขนานและตั้งฉากกับแกนตามยาวของรอยเชื่อม และตั้งฉากและตั้งฉากกับระนาบของคอรอยเชื่อม ค่าการออกแบบของความต้านทานของรอยเชื่อมจะเพียงพอหากสมการต่อไปนี้ทั้งสองข้อเป็นที่พอใจ:
โดยที่:
| σ⊥ | ความเค้นปกติตั้งฉากกับคอรอยเชื่อม |
| τ⊥ | ความเค้นเฉือนตั้งฉากกับแกนของรอยเชื่อม |
| τ || | ความเค้นเฉือนขนานกับแกนของรอยเชื่อม |
| fu | กำลังดึงประลัยตามชื่อของชิ้นส่วนที่อ่อนแอกว่าที่เชื่อมต่อกัน |
| βw | ตัวประกอบสหสัมพันธ์ขึ้นอยู่กับกำลังดึงของวัสดุฐาน |
| γM2 | ตัวประกอบความปลอดภัยบางส่วนสำหรับสลักเกลียวและรอยเชื่อม = 1.25 |
ในการคำนวณรอยเชื่อมของโครงสร้างที่รับแรงกระทำแบบสถิต จึงได้รับอนุญาตให้สมมติการกระจายความเค้นสม่ำเสมอตลอดความหนาและตลอดความยาวของรอยเชื่อม ที่นี่ยังมีการสมมติโดยนัยด้วยว่าความเครียดพลาสติกสามารถเกิดขึ้นได้เพื่อให้การกระจายความเค้นใหม่เป็นไปได้ ความสามารถในการเสียรูปที่ต้องการจะเพิ่มขึ้นตามความยาวของรอยเชื่อมที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ความเครียดประลัยยังคงถือว่ามีขีดจำกัด ดังนั้นในบางสถานการณ์จะต้องคำนึงถึงความกว้างประสิทธิผล beff เช่น ในรอยต่อที่แผ่นตั้งฉาก (หรือปีกคาน) ถูกเชื่อมกับปีกที่ไม่มีแผ่นเสริมความแข็งของโปรไฟล์รูปตัว I (รูปที่ 3)
รูปที่ 3 - ความกว้างประสิทธิผลของรอยต่อรูปตัว T ที่ไม่มีแผ่นเสริมความแข็ง
วิธี CBFEM
ในทางตรงกันข้าม ในแนวทาง CBFEM (Component Based Finite Element Model) ที่ใช้ใน IDEA StatiCa รอยเชื่อมประกอบด้วยองค์ประกอบย่อยหลายชิ้นที่อยู่ติดกัน ความหนาของรอยเชื่อม ตำแหน่ง และทิศทางของรอยเชื่อมถูกนำมาพิจารณา ความเค้นและความเครียดในแต่ละองค์ประกอบอาจแตกต่างกัน ดังนั้น ในแบบจำลองจึงเกิดการกระจายความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอโดยอัตโนมัติ ซึ่งสมจริงกว่าการกระจายความเค้นสม่ำเสมอในอุดมคติตามมาตรฐาน (รูปที่ 4)
รูปที่ 4 - ความเค้นในแผ่นเหล็กและรอยเชื่อมในการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบคานกับเสาใน IDEA
อย่างไรก็ตาม เป้าหมายของแบบจำลองวัสดุที่ใช้ใน IDEA ยังไม่ใช่การจำลองความเป็นจริงอย่างสมบูรณ์แบบ ความเค้นตกค้างหรือการหดตัวของรอยเชื่อมถูกละเลย แบบจำลองวัสดุพร้อมค่าขีดจำกัดความเครียดพลาสติกถูกเลือกเพื่อให้ความต้านทานรวมของรอยเชื่อมในแบบจำลอง IDEA สอดคล้องกับความต้านทานตามมาตรฐาน เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ IDEA StatiCa ได้ดำเนินการตรวจสอบความถูกต้องจำนวนมาก ในหนังสือ CBFEM (เขียนโดย ศ. Frantisek Wald และคณะ จากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งปราก) และในการวิจัยต่อเนื่อง ได้มีการเปรียบเทียบจำนวนมากระหว่างรอยเชื่อมประเภทต่างๆ ที่คำนวณใน IDEA และคำนวณตามมาตรฐาน หรือรอยเชื่อมที่รับแรงในการทดลอง (ดูรูปที่ 5) บนเว็บไซต์ของเราสามารถพบเอกสารการตรวจสอบความถูกต้องจำนวนมากในหัวข้อนี้ - support center verifications
รูปที่ 5 - แผนภาพความเค้นเฉือน-การเสียรูปจากการทดลองโดย Kleiner (2018) เปรียบเทียบกับ CBFEM
สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าขีดจำกัดความเครียดที่ใช้นำไปสู่ความต้านทานรวมของรอยเชื่อมที่ปลอดภัย ซึ่งยังสอดคล้องกับความต้านทานที่คำนวณตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง นี่คือเหตุผลที่การกระจายแบบพลาสติกในรอยเชื่อมในแบบจำลอง IDEA ถือว่าเป็นที่ยอมรับได้ หากไม่มีความเป็นพลาสติกในรอยเชื่อม จะไม่สามารถเข้าใกล้ความต้านทานที่คำนวณด้วยมือตามมาตรฐานได้เลย
ข้อกำหนดเพิ่มเติมจาก EN 1993-1-8 ข้อ 4.9
EN 1993-1-8 ในข้อ 4.9(4)-(6) ระบุข้อกำหนดเพิ่มเติมสำหรับรอยเชื่อมในรอยต่อ แนวคิดเบื้องหลังกฎเหล่านี้คือควรป้องกันไม่ให้รอยต่อวิบัติโดยไม่มีการเตือนที่เพียงพอ แม้ว่าจะสามารถแสดงให้เห็นว่าความเครียดพลาสติกสามารถเกิดขึ้นในรอยเชื่อมได้ และรอยเชื่อมมีความแข็งแรงเพียงพอในหลักการที่จะต้านทานแรงที่เกิดขึ้นซึ่งกำหนดในการคำนวณทั่วไป (สถิต) แต่ก็ยังอาจเป็นกรณีที่แรงที่เกิดขึ้นมีขนาดใหญ่กว่าที่คาดไว้และอาจนำไปสู่การวิบัติของรอยต่อโดยรวมโดยไม่มีการเตือนที่เพียงพอ เนื่องจากการยืดตัวรวมในรอยเชื่อมอาจยังคงมีขนาดเล็กในแง่สัมบูรณ์ ผลการเตือนที่เพียงพออาจได้รับโดยการออกแบบรอยต่อในลักษณะที่แผ่นเหล็กที่เชื่อมต่อสามารถครากได้ก่อนที่รอยเชื่อมจะแตกหัก ซึ่งสามารถทำได้โดยการกำหนดอัตราส่วนความหนาของรอยเชื่อมต่อความหนาของแผ่นขั้นต่ำ ดังนั้น IDEA StatiCa จึงรวมการตรวจสอบรายละเอียดเพื่อตรวจสอบว่ารอยเชื่อมในแบบจำลองมีความหนาของรอยเชื่อมที่เพียงพอสำหรับความหนาของแผ่นที่กำหนดหรือไม่
กฎเฉพาะที่ IDEA ได้นำมาใช้นั้นอ้างอิงจากข้อ 6.9(4) ของเวอร์ชันแนวคิดของ Eurocode ใหม่ที่กำลังจะมาถึง (FprEN 1993-1-8:2023(E)) ซึ่งระบุว่าเพื่อให้มีความเหนียวเพียงพอ รอยเชื่อมต้องได้รับการออกแบบในลักษณะที่ความต้านทานของรอยเชื่อมอย่างน้อยเท่ากับ:
- 1.1 fy/fu คูณค่าการออกแบบความต้านทานของแผ่นที่เชื่อมต่อที่อ่อนแอที่สุด
- แต่ไม่จำเป็นต้องมากกว่าค่าการออกแบบความต้านทานของแผ่นที่เชื่อมต่อที่อ่อนแอที่สุด
สมมติตัวอย่างรอยต่อรูปตัว T มาตรฐานต่อไปนี้ (รูปที่ 6):
รูปที่ 6 - รอยต่อรูปตัว T ที่มีแรงปกติกระทำบนแผ่นที่เชื่อมต่อเท่ากับแรงคราก
โดยที่ขนาดของ Fs,d ถูกเลือกให้ Fs,d = fy,plate ∙ t ∙ l ซึ่งนำไปสู่การอนุมานสูตรต่อไปนี้ที่ใช้สำหรับการตรวจสอบรายละเอียดใน IDEA สำหรับรอยเชื่อมแบบฟิลเล็ตสองด้าน:
โดยที่:
| a | ความหนาของรอยเชื่อม |
| t | ความหนาของแผ่นที่เชื่อมต่อ |
| fy,plate | กำลังครากของแผ่นที่เชื่อมต่อ |
| fu,plate | กำลังดึงของแผ่นที่เชื่อมต่อ |
| fu,weld | กำลังดึงของรอยเชื่อม |
| βw | ตัวประกอบสหสัมพันธ์ขึ้นอยู่กับกำลังดึงของวัสดุฐาน |
| γM2 | ตัวประกอบความปลอดภัยบางส่วนสำหรับสลักเกลียวและรอยเชื่อม = 1.25 |
| γM0 | ตัวประกอบความปลอดภัยบางส่วนสำหรับความต้านทานของแผ่น = 1.0 |
สำหรับเกรดเหล็กมาตรฐานต่อไปนี้ จะได้อัตราส่วนความหนาของรอยเชื่อมขั้นต่ำต่อความหนาของแผ่นดังต่อไปนี้ (ตารางที่ 1)
ตารางที่ 1 - ความหนาของรอยเชื่อมขั้นต่ำสำหรับความเหนียว
| เกรดเหล็ก | 1.1 ∙ fy,plate/fu,plate | ความหนาของรอยเชื่อมขั้นต่ำ |
| S235 | 0.72 | a ≥ 0.33 ∙ t |
| S275 | 0.70 | a ≥ 0.34 ∙ t |
| S355 | 0.80 | a ≥ 0.46 ∙ t |
สำหรับรอยเชื่อมแบบฟิลเล็ตด้านเดียว ค่าที่ได้จะต้องคูณด้วย 2 ผู้ใช้ IDEA จะได้รับคำเตือนเมื่อความหนาของรอยเชื่อมที่ใช้ไม่เป็นไปตามค่าขั้นต่ำ (รูปที่ 7) ผู้ใช้จะได้รับข้อความแสดงข้อผิดพลาดเมื่อรอยเชื่อมถูกใช้งานโดยมีความหนาของคอรอยเชื่อมน้อยกว่า 3.0 มม. ซึ่งไม่ได้รับอนุญาตตาม EN 1993-1-8 ข้อ 4.5.2(2)
รูปที่ 7 - คำเตือนเมื่อใช้ความหนาของรอยเชื่อมที่น้อยเกินไปใน IDEA
อย่างไรก็ตาม อาจมีสถานการณ์ที่สามารถโต้แย้งได้ว่าไม่จำเป็นต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดความหนาของรอยเชื่อมขั้นต่ำเพื่อวัตถุประสงค์ด้านความเหนียว ตัวอย่างเช่น รอยเชื่อมของการเชื่อมต่อแผ่นฐานเสาที่ส่งถ่ายแรงอัดเป็นหลัก หรือหากสามารถแสดงให้เห็นว่ามีชิ้นส่วนอื่นในโครงสร้างโดยรวมที่จะวิบัติพร้อมการเตือนที่เพียงพออยู่แล้ว โปรแกรมควรถือเป็นเครื่องมือเสมอ และขึ้นอยู่กับวิศวกรที่จะใช้วิจารณญาณทางวิศวกรรมของตนเพื่อตัดสินใจอย่างมีข้อมูลเกี่ยวกับการออกแบบขั้นสุดท้าย
