Nośność spoin według Eurokodu 3

Przez ostatnie kilkadziesiąt lat naprężenia w spoinach pachwinowych podlegały licznym modyfikacją. Poszukiwano rozwiązania, które najlepiej odwzorowałoby ich pracę. Po ciężkich i licznych iteracjach Eurokod 3 przedstawił dwie metody określenia nośności spoin pachwinowych w założonych stanach naprężenia. Pierwsza z nich dokładna zwana metodą kierunkową oraz druga uproszczona.

Metoda kierunkowa

Jako pierwszą omówmy metodę dokładną (kierunkową) określania nośności spoin pachwinowych w złożonych stanach naprężenia. Niewątpliwie metoda ta najlepiej odzwierciedla rzeczywisty mechanizm eksploatacyjnego pękania spoin pachwinowych. Swoje fundamenty opiera na hipotezie Hubera-Misesa-Hencky’ego. Według niej o wytężeniu materiału w danym punkcie ciała decyduje gęstość energii odkształcenia postaciowego, niezależnie od rodzaju stanu naprężenia.

ν – współczynnik Poissona,
E – moduł sprężystości,
σ₁, σ₂, σ₃ – naprężenia główne,

W związku z tym warunek bezpiecznego stanu przyjmuje następującą formę:

lub

σ_x, σ_y, σ_z – naprężenia normalne w układzie osi (x,y,z),
Ʈ_xy, Ʈ_xz, Ʈ_yz – naprężenia ścinające w układzie osi (x,y,z)

Zgodnie z zapisami Eurokodu 3 siły przenoszone przez spoinę o długości jednostkowej rozkłada się na składowe równoległą i prostopadłe do osi podłużnej spoiny oraz składowe normalną i styczne do płaszczyzny jej przekroju.

σ_ꓕ – naprężenie normalne prostopadłe do przekroju spoiny
σ_II – naprężenie normalne równoległe do osi spoiny
τ_ꓕ – naprężenie styczne ( w płaszczyźnie przekroju ) prostopadłe do osi spoiny
τ_II – naprężenie styczne ( w płaszczyźnie przekroju) równoległe do osi spoiny

Naprężeń normalnych σ_II równoległych do osi nie uwzględnia się przy sprawdzaniu nośności spoiny. Zgodnie z powyższym oraz zerując odpowiednia naprężenia w hipotezie H-M-H otrzymujemy wzór zgodny z Eurokodem 3:

f_u – nominalna wytrzymałość na rozciąganie słabszej z łączonych części
β_w – odpowiedni współczynnik korelacji, uwzględniający właściwości mechaniczne materiału
spoiny w stosunku do materiału spawanego
ϒ_M2 – współczynnik bezpieczeństwa

Eurokod 3 przedstawia jeszcze jedno dodatkowe wymaganie dotyczące naprężenia normalnego prostopadłego do płaszczyzny przekroju spoiny, a mianowicie:

Przekrój spoiny

Ostatnią ważną rzeczą, o której należy wspomnieć to pole przekroju spoiny. Bez wątpienia ogrywa ono szczególną rolę przy sprawdzaniu nośności spoin innych niż pachwinowe. Należy je wyznaczyć zgodnie z poniższym wzorem:

a – grubość spoiny
l_eff – efektywna długość spoiny, tj. długość, na której spoina posiada pełny przekrój

Skoro znamy już przepis warunku bezpiecznego oraz sposób wyznaczenia pola przekroju spoiny dla spoin pachwinowych, przejdźmy do omawiania postępowania w przypadkach gdy spoina, z którą mamy do czynienia nie jest pachwinowa. Co wtedy? Czy Eurokod 3 oferuje nam wskazówki również w tym zakresie? Odpowiedź brzmi tak!

Spoiny czołowe z pełnym lub niepełnym przetopem

Tak jak w przypadku spoin pachwinowych tak i tu, w przypadku spoin czołowych z pełnym przetopem, nośność obliczeniową przyjmuje się równą nośności obliczeniowej słabszej z łączonych części. Oczywiście warunkiem jest aby spoina została wykonana z odpowiedniego materiału wykazującego minimalną granicę plastyczności oraz minimalną wytrzymałość nie mniejsze od wartości nominalnych dla materiału rodzimego.

W przypadku spoin czołowych z niepełnym przetopem ograniczeniem jest grubość spoiny, która nie może być większa od głębokości przetopu jaki może zostać regularnie uzyskany.

Warto również wspomnieć, że dla złączy teowych z dwiema spoinami czołowymi z niepełnym przetopem i nadbudowanymi spoinami pachwinowymi nośność obliczeniową złącza wyznacza się jak dla spoin czołowych z pełnym przetopem. Niewątpliwie, w tym przypadku warunkiem jest zapewnienia odpowiedniej nominalnej grubości spoiny oraz odpowiedniej szerokości niezespawanej szczeliny. Jeśli powyższe ograniczenia nie zostaną spełnione grubość spoiny należy określić zgodnie z zaleceniami jak dla spoin pachwinowych lub czołowych z niepełnym przetopem.

Metoda uproszczona

Drugą z metod obliczania nośności spoin pachwinowych, którą oferuje nam Eurokod 3 jest metoda uproszczona. Zgodnie z nią niezależnie od położenia płaszczyzny przekroju spoiny względem działającej siły, nośność obliczeniowa na jednostkę długości jest określana wzorem:

f_vw,d – obliczeniowa wytrzymałość spoiny na ścinanie

f_u – nominalna wytrzymałość na rozciąganie słabszej z łączonych części
β_w – odpowiedni współczynnik korelacji, uwzględniający właściwości mechaniczne materiału
spoiny w stosunku do materiału spawanego

Warto wiedzieć, że metoda ta przewiduje występowanie naprężeń stycznych w trzech, wzajemnie prostopadłych kierunkach. W skutek swojej niedokładności prowadzi do znacznego, kilkunastoprocentowego, a nawet kilkudziesięcioprocentowego przewymiarowania spoin. Eurokod 3 dopuszcza tą metodę, gdyż nie wymaga rozkładu sił działających na spoinę.