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Progettazione di sistemi meccanici secondo Direttiva Europea e Normativa Tecnica Applicazione ai giunti saldati ing. Denis Benasciutti Ricercatore in Progettazione Meccanica e Costruzione di Macchine [email protected] DIEGM Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale e Meccanica

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Rappresentazione delle giunzioni saldate sui disegni tecnici l'abilitazione alla professione di ingegnere Incontri di orientamento alla preparazione dell'esame di stato per perUniversit degli Studi di Udine, 8 Aprile 2011

Introduzione

Progettazione di sistemi meccanici secondo Direttiva Europea e Normativa TecnicaApplicazione ai giunti saldati ing. Denis Benasciutti ing.Ricercatore in Progettazione Meccanica e Costruzione di Macchine [email protected] Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale Meccanica Universit degli Studi di Udine Universit 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Sommario Introduzione e riferimenti normativi per la progettazione (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice3) Progettazione di dettagli saldati sollecitati staticamente giunti con cordoni a piena penetrazione (CNR-UNI 10011/88) giunti con cordoni dangolo (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice 3) esempi numerici

Progettazione di dettagli saldati sollecitati a fatica definizione delle grandezze fondamentali curve SN e particolari saldati (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice 3) conteggio dei cicli (metodo del serbatoio), spettro di carico, danno cumulativo esempi numerici approccio in tensione strutturale (cenni)

Riferimenti bibliografici

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Sommario Introduzione e riferimenti normativi per la progettazione (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice3) Progettazione di dettagli saldati sollecitati staticamente giunti con cordoni a piena penetrazione (CNR-UNI 10011/88) giunti con cordoni dangolo (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice 3) esempi numerici

Progettazione di dettagli saldati sollecitati a fatica definizione delle grandezze fondamentali curve SN e particolari saldati (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice 3) conteggio dei cicli (metodo del serbatoio), spettro di carico, danno cumulativo esempi numerici approccio in tensione strutturale (cenni)

Riferimenti bibliografici

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Giunti saldati: generalit

Processi di saldaturaLa saldatura un tipo di giunzione che consente di unire in modo permanente parti solide, realizzando la continuit del materiale. In particolare, nella saldatura autogena per fusione unopportuna sorgente termica porta a fusione una porzione delle parti da unire assieme alleventuale materiale dapporto.

Principali processi di saldatura (EN 24063): saldatura ad arco con elettrodi rivestiti (111) saldatura ad arco sommerso (12) saldatura metal intert gas (MIG) (131) saldatura metal active gas (MAG) (135) saldatura tungsten inert gas (TIG) (141)

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Giunti saldati: generalit

Isoterme di saldaturadirection of travelAcciaio

sorgente: 4.2 kJ/s veloc. saldatura: 5 mm/sAlluminio

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Giunti saldati: generalit

Struttura di un giunto saldato per fusione

In un giunto saldato possono individuarsi tre zone distinte: la zona fusa (ZF): costituita dalla porzione di materiale (materiale base ed eventuale materiale dapporto) che, durante lesecuzione della saldatura, ha superato la temperatura di fusione; la zona termicamente alterata (ZTA): costituita dal materiale che, durante lesecuzione della saldatura, pur non raggiungendo la fase liquida, ha comunque subito unalterazione della propria microstruttura a causa della temperatura raggiunta; il materiale base (MB): costituito dal materiale nel quale la variazione di temperatura non ha causato alterazioni microstrutturali significative. 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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[ASM Handbook]

Giunti saldati: generalit

Classificazione delle giunzioni saldateTipi di cordone di saldatura a completa penetrazione testa a testa Tipi di giunto

a T

con cordoni dangolo a T

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Giunti saldati: generalit

Giunti a completa penetrazione: preparazione dei lembiNei giunti saldati a piena penetrazione indispensabile la preparazione dei lembi dei pezzi da saldare, con la realizzazione di un cianfrino.

Ai fini di una corretta esecuzione della saldatura, necessario definire correttamente: langolo di apertura ; la spalla s ; la distanza dei lembi g 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Giunti saldati: generalit

Rappresentazione delle giunzioni saldate sui disegni tecniciLe normative di riferimento sono: UNI EN 22553 - Giunti saldati e brasati. Rappresentazione simbolica delle saldature sui disegni; AWS A2.4 - Standard symbols for welding, brazing and nondestructive examination. La saldatura indicata da un segno grafico elementare, costituito da una linea di freccia e da una linea di riferimento. Una coda eventualmente presente qualora sia necessaria lindicazione di informazioni aggiuntive. Il segno grafico pu essere integrato con ulteriori simboli.

dimensioni

Segni grafici elementari Coda (con informazioni aggiuntive) Linea di riferimento Linea di identificazione

Linea di freccia

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Giunti saldati: generalit

Esempi costruttivi di dettagli strutturali saldatiGiunto trave-colonna che realizza un nodo ad incastro Saldature in un recipiente a pressione

Staffa saldata Nodo di struttura tubolare saldata

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Dimensionamento e verifica dei giunti saldati: le normative per lacciaio

Strutture di carpenteriaCNR-UNI 10011-1988: Costruzioni in acciaio - Istruzioni per il calcolo, lesecuzione, il collaudo e la manutenzione; D.M. 9 gennaio 1996: Norme tecniche per il calcolo, lesecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche; UNI EN 1993-1-1: 2005: Eurocodice 3 - Progettazione delle strutture di acciaio - Parte 1-1: regole generali e regole per gli edifici. D.M. 9 gennaio 1996 - Sezione III: Eurocodice 3: ENV 1993-1-1: criteri e prescrizioni (Documento Applicativo Nazionale)

Apparecchi in pressioneD.M. 21 Novembre 1972: Norme per la costruzione degli apparecchi a pressione; Raccolta VSR (emanata dallISPESL): Specificazioni tecniche applicative del DM 21/11/72 per la verifica della stabilit di recipienti a pressione; Raccolta VSG: Specificazioni tecniche applicative del D.M. 21/11/72 per la verifica della stabilit dei generatori di vapore dacqua; Raccolta S: Specificazioni tecniche applicative del D.M. 21/11/72 per limpiego della saldatura nella costruzione e riparazione degli apparecchi e sistemi in pressione; Raccolta M: Specificazioni tecniche applicative del D.M. 21/11/72 riguardanti limpiego dei materiali nella costruzione degli apparecchi e sistemi in pressione; ASME Boiler and pressure vessel code - Section VIII: Rules for construction of pressure vessels. 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Sommario Introduzione e riferimenti normativi per la progettazione (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice3) Progettazione di dettagli saldati sollecitati staticamente giunti con cordoni a piena penetrazione (CNR-UNI 10011/88) giunti con cordoni dangolo (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice 3) esempi numerici

Progettazione di dettagli saldati sollecitati a fatica definizione delle grandezze fondamentali curve SN e particolari saldati (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice 3) conteggio dei cicli (metodo del serbatoio), spettro di carico, danno cumulativo esempi numerici approccio in tensione strutturale (cenni)

Riferimenti bibliografici

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CNR-UNI 100011/88 verifica statica di giunti saldati a piena penetrazione

Giunti a piena penetrazione: classi delle saldatureLa norma CNR-UNI 10011/88 distingue fra giunti a piena penetrazione e giunti con cordoni dangolo.

Per giunti a piena penetrazione, la norma CNR-UNI 10011/88 considera due classi di giunti in funzione del processo di saldatura e della difettosit rilevata con controllo radiografico (classificata secondo UNI 7278). - I classe: giunti eseguiti con procedimenti in grado di garantire caratteristiche meccaniche elevate e contenenti difetti che non eccedano il raggruppamento B di difettosit; - II classe: giunti eseguiti con procedimenti in grado di garantire caratteristiche meccaniche meno elevate rispetto alla classe precedente e contenenti difetti che non eccedano il raggruppamento F di difettosit.

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CNR-UNI 100011/88 verifica statica di giunti saldati a piena penetrazione

Verifica di giunti testa a testa o a T a piena penetrazione

2 2 2 id = + // // + 3 //

Tensione ammissibile

Giunto I classe II classe

id

adm 0.85 adm

adm la tensione ammissibile del materiale base 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Giunti a cordone dangolo: sezione di golaLa sezione resistente di una saldatura a cordoni dangolo la sezione di gola.

sezione di gola

La sezione di gola la sezione resistente del cordone di saldatura, definita in modo convenzionale come larea rettangolare di lunghezza L pari a quella del cordone (purch questo non abbia estremit palesemente mancanti o difettose) ed altezza a quella minore del triangolo isoscele inscritto nella sezione trasversale del cordone. 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Giunti a cordone dangolo: tensioni agentiLeffettiva distribuzione di tensioni nella sezione di gola molto complessa. Tuttavia, raggiunto lo snervamento, il profilo di tensione tende ad uniformarsi grazie alla plasticit del materiale. Pertanto, nei calcoli (statici) si assume che sulla sezione di gola le tensioni siano distribuite in modo uniforme.

Tensioni agenti: sulla sezione di gola nella reale posizione: , , //

sulla sezione di gola ribaltata su un lato del cordone: n , t , t//

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Esempio di tensioni nella sezione di gola

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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CNR-UNI 100011/88 verifica statica di giunti con cordoni dangolo

Giunti a cordone dangolo

Attenzione!

n t // t //

2 2 2 + + //

0.85 adm 0.70 adm

Fe360 (ora S235) Fe430, Fe510 (ora S275, S355 )

+

adm 0.85 adm

Fe360 (ora S235) Fe430, Fe510 (ora S275, S355 )

Eventuali tensioni // di trazione o compressione, presenti nella sezione trasversale del cordone, non devono essere prese in considerazione nella verifica 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Dominio delle rottureNegli anni 1950 (Van den Eb, Van de Perre) furono eseguite numerose prove sperimentali per determinare il dominio di resistenza in funzione delle tensioni , , // (calcolate sulla sezione di gola)

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Ellissoide delle rotture: metodo di calcolo ISOSi propose di approssimare il peroide delle rotture con un ellissoide di rotazione:2

f

2 u, w

+

(0.75 f )u,w

2

2

+

(0.75 f )u, w

2 //

2

=1

2 2 2 + 1.8( + // ) fu,w

1 1. 8 0.75 2

fu,w= w fd w fd

resistenza a trazione del cordone coefficiente di efficienza del cordone resistenza a trazione materiale base

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[Ballio Mazzolani, 1988]

Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Ellissoide delle rotture: metodo di calcolo ISOSuccessivi esperimenti ancor pi estesi dei precedenti mostrarono che le resistenze a rottura delle tensioni tangenziali sono diverse tra loro:

= 0.58 fu,w // = 0.70 fu,w

Pertanto, il dominio di rottura pi aderente al comportamento sperimentale rappresentato dallellissoide non di rotazione:2

fu2,w

+

(0.58 f )u, w

2

2

+

(0.70 f )u,w

2 //

2

=1

2 2 2 + 3 + 2 // fu,w

1 3 0.58 2 1 2 0.70 2

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Dominio delle rotture: sferaLa formulazione ISO richiede la valutazione delle tensioni ( , , //) sulla sezione di gola nella sua reale posizione, con un notevole aggravio di calcoli. Per poter utilizzare invece le tensioni (n, t , t//) calcolate sulla sezione di gola ribaltata su un lato del cordone (tensioni pi facili da calcolare) necessario adottare un dominio di rottura sferico, la cui equazione non cambia per una rotazione di 45 degli assi di riferimento (ribaltamento della sezione di gola).2 2 2 //

(0.58 f )u,w

2

+

(0.58 f )u,w

2

+

(0.58 f )u,w

2

=1

oppure:

n2 t2 t2 // + + =1 (0.58 fu,w )2 (0.58 fu,w )2 (0.58 fu,w )2Adottare la sfera significa: trascurare la differenza di comportamento tra e // penalizzare di molto il comportamento dellunione saldata nei confronti di . 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Confronto fra i domini di resistenzaI domini di resistenza sferici sono stati adottati da diverse normative, seppur con raggi diversi:

Normativa DIN AISC(Amer. Inst. Steel Constr.)

Raggio 0.70 fu,w 0.61 fu,w 0.58 fu,w

British Standard

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Resistenza statica delle giunzioni saldate con cordoni dangolo

Normativa italiana: sfera mozzaLe norme italiane considerano come dominio di resistenza una sfera di raggio 0.70 fu,w (uguale a quella tedesca), tagliata da due coppie di piani perpendicolari agli assi , e passanti per i punti =0.58fu,w e = 0.58fu,w .

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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[Ballio Mazzolani, 1988]

[Ballio Mazzolani, 1988]

CNR-UNI 100011/88 verifica statica di giunti con cordoni dangolo

Giunti a cordone dangolo

Attenzione!

n t // t //

2 2 2 + + //

0.85 adm 0.70 adm

Fe360 (ora S235) Fe430, Fe510 (ora S275, S355 )

+

adm 0.85 adm

Fe360 (ora S235) Fe430, Fe510 (ora S275, S355 )

Eventuali tensioni // di trazione o compressione, presenti nella sezione trasversale del cordone, non devono essere prese in considerazione nella verifica 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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UNI EN 1993-1-1/2005 (Eurocodice 3): verifica statica di giunti con cordoni dangolo

Giunti a cordone dangoloLEurocodice 3 esprime la resistenza della saldatura in termini di forze per unit di lunghezza.

Fw.Rd = fvw .d a

Fw.Rd fvw.d a

resistenza di progetto per unit di lunghezza [N/mm] resistenza di progetto a taglio della saldatura [N/mm2] altezza di gola

fvw .d =

w Mw

fu / 3

fu w

resistenza a rottura a trazione coefficiente di correlazione (variabile in funzione del materiale)

Mw = 1.25 (Eurocodice 3) = 1.35 (Documento Applicativo Nazionale)Coefficiente di correlazione w Fe360 (S235) 0.8 Fe430 (S275) 0.85 Fe510 (S355) 0.9 Acciai di resistenza superiore 1.00 26/56

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

Esempio 1: verifica statica secondo CNR-UNI 10011/88

Esempio 1F=50 kN h=120 mm Verificare la saldatura nellipotesi di: 1) cordone a piena penetrazione (Classe 2) 2) cordone dangolo z=7 mm Materiale base: Fe510 (S355) b=20 mm

Caratteristiche di sollecitazione nella sezione di incastro:P = F = 50000 N Mf = F sforzo normale

h = 3000 Nm momento flettente 227/56

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Esempio 1: verifica statica secondo CNR-UNI 10011/88 1) Verifica con cordone a piena penetrazione62.5 MPa 20.8 MPa

120

Sezione (piastra ) : A = b h = 20 120 = 2400 mm 2 b h2 20 120 2 = = 48000 mm 3 6 6

20

Wf =

= max = // = // = 0

Mf P 3000000 50000 + = + = 62.5 + 20.8 = 83.3 MPa Wf A 48000 2400

Fe 510 adm = 240 MPa Fe 510 adm,w = 0.85 adm = 0.85 240 = 204 MPa (giunto di classe 2)

2 2 id = + // // + 3 // = = 83.3 MPa adm,w = 204 MPa VERIFICATA

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Esempio 1: verifica statica secondo CNR-UNI 10011/88 2) Verifica con cordone dangolo125 MPa 41.7 MPa

7 7

a=

z 7 = 5 mm 2 2

120

20 5 5

Sezione (saldatura ) : A = 2 a h = 2 5 120 = 1200 mm 2 Wf = 2 a h2 5 120 2 =2 = 24000 mm 3 6 6

n = =

Mf P 3000000 50000 + = + = 125 + 41.7 = 167 MPa Wf A 24000 1200

Fe 510 adm = 240 MPa = 167 MPa 0.70 adm = 0.70 240 = 168 MPa VERIFICATA

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Esempio 2: confronto fra CNR-UNI 10011/88 ed Eurocodice 3

Esempio 2F=50 kN h=120 mm Materiale base: Fe510 (S355) Saldatura dangolo: z=7

F=50 kN L=80 mm

b=10 mm

Verificare la saldatura in accordo a: 1) CNR-UNI 10011/88 2) Eurocodice 3

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Esempio 2: confronto fra CNR-UNI 10011/88 ed Eurocodice 3 1) Verifica secondo CNR-UNI 10011/88167 MPa 42 MPa 42 MPa

7 7

a=

z 7 = 5 mm 2 2

120

10 5 5

//

Sezione ( saldatura ) : A = 2 a h = 2 20 120 = 1200 mm 2 Wf = 2 5 120 2 a h2 = 2 = 24000 mm 3 6 6

50000 = 42 MPa 1200 50000 80 M = = 167 MPa 24000 50000 // = = 42 MPa (cos tan ti) 1200

N =

= N + M = 209 MPa

Fe 510 adm = 240 MPa 2 2 + // = 209 2 + 42 2 = 213 MPa 0.7 adm = 0.7 240 = 168 MPa

NON VERIFICATA31/56

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Esempio 2: confronto fra CNR-UNI 10011/88 ed Eurocodice 3 2) Verifica secondo UNI EN 1993 (Eurocodice 3) Si schematizza il cordone come una linea:208 N / mm 208 N / mm 833 N / mm

A = 2 1 120 = 240 mm 2 / mm Wf = 2 1 h 2 1 120 2 = 2 = 4800 mm 3 / mm 6 6

120 1

10 1

FN

FT

FM

Forze per unit di lunghezza:FT = FN = FM = F 50000 = = 208 N / mm 2 h 2 120 F 50000 = = 208 N / mm 2 h 2 120 F L 50000 80 = = 833 N / mm Wf 4800

FN,tot = FN + FM = 208 + 833 = 1041 N / mm

2 2 FR = FN,tot + FT = 10412 + 208 2 = 1062 N / mm

risul tan te per unit di lunghezza32/56

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Esempio 2: confronto fra CNR-UNI 10011/88 ed Eurocodice 3 Calcolo della resistenza di progetto della saldatura:Fe fu 510 = 510 MPa

w = 0.9 (per Fe510) Mw = 1.35fvw .d = fu / 3 = 510 / 3 = 242 MPa 0.9 1.35 resistenza di progetto per unit di lunghezza

w Mw

Fw .Rd = fvw .d a = 242 5 = 1212 N / mm

FR = 1062 N / mm < FwRd = 1212 N / mm

VERIFICATA

NOTA: lEurocodice 3 utilizza il metodo semi-probabilistico agli stati limite. 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Esempio 3: Giunti sollecitati a torsione

Esempio 3

F

Materiale base: Fe510 (S355) Saldatura dangolo (z)

z z

a=

z 2

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Esempio 3: Giunti sollecitati a torsione y e

FG = baricentro della saldatura e = eccentricit della forza

//r x G

A

x

A

//

y La saldatura soggetta a taglio e torsione. taglio torsione: assorbito dal solo cordone verticale

=

Mt r Jp

Mt = F e r

momento torcente dis tan za radiale

Jp = Jx x + Jy y momento inerzia polare 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Sommario Introduzione e riferimenti normativi per la progettazione (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice3) Progettazione di dettagli saldati sollecitati staticamente giunti con cordoni a piena penetrazione (CNR-UNI 10011/88) giunti con cordoni dangolo (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice 3) esempi numerici

Progettazione di dettagli saldati sollecitati a fatica definizione delle grandezze fondamentali curve SN e particolari saldati (CNR-UNI 10011/88, Eurocodice 3) conteggio dei cicli (metodo del serbatoio), spettro di carico, danno cumulativo esempi numerici approccio in tensione strutturale (cenni)

Riferimenti bibliografici

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Resistenza a fatica dei giunti saldati: generalit

Cicli di fatica e definizioni fondamentali

max m mintempo

= maxmin

R=min/max

campo di variazione della tensione (delta o range) rapporto di sollecitazione

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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CNR-UNI 100011/88 verifica a fatica di giunti saldati

Curve SN per particolari strutturali sollecitati a trazione o compressioneA categoria del dettaglio saldato

D limite a fatica per cicli ad ampiezza costante (=cost) F limite per i calcoli a faticam=3

NA = 2106 cicli ND = 5106 cicli (per A > 56 N/mm2) 107 cicli (per A 56 N/mm2) NF = 108 ciclim=5

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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CNR-UNI 100011/88 verifica a fatica di giunti saldati

Forma del dettaglio e direzione delle tensioni: definizione della categoria

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

39/56

CNR-UNI 100011/88 verifica a fatica di giunti saldati

Curve SN per particolari strutturali sollecitati a sforzo tangenziale

A F

categoria del dettaglio saldato limite per i calcoli a fatica

NA = 2106 cicli NF = 108 ciclim=5

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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UNI EN 1993-1-1 (Eurocodice 3) - verifica a fatica di giunti saldati

Curve SN per particolari strutturali sollecitati a trazione o compressioneC categoria del dettaglio saldato D limite a fatica per cicli ad ampiezza costante (=cost) L limite per i calcoli a fatica

m=3

NC = 2106 cicli ND = 5106 cicli NL = 108 ciclim=5

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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UNI EN 1993-1-1 (Eurocodice 3) - verifica a fatica di giunti saldati

Curve SN per particolari strutturali sollecitati a trazione o compressione

m=3

m=5

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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UNI EN 1993-1-1 (Eurocodice 3) - verifica a fatica di giunti saldati

Curve SN per particolari strutturali sollecitati a sforzo tangenziale

C categoria del dettaglio saldato F limite per i calcoli a faticam=5

NA = 2106 cicli NF = 108 cicli

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Esempio 4: applicazione delle curve SN da Eurocodice 3

Esempio 4t = 14 mm

20 0m m

Calcolare il numero di cicli a rottura 20 mm

F= 240 kN

Calcolo del campo di variazione della tensione nominale:

=

F 240000 = = 60 MPa A 20 20044/56

2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

Esempio 4: applicazione delle curve SN da Eurocodice 31000

In base allEurocodice 3, il giunto classificato di categoriaC = 71 MPa.100 =60 MPa C=71 MPa D=52.3 MPa L=28.7 MPa

Calcolo dei punti caratteristici:

m N = cos tm m C ND = D ND

10 1E+041 m

N=3.31106 1E+051 3

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

N 2 D = C C = C N 5 D1

D = 0.737 C = 52.3 MPa1

NL = ND m L m D

N m 5 5 L = D D = D N 100 Lm 3

L = 0.549 D = 28.7 MPa

m m N = D ND

D 6 52.3 6 N = ND = 5 10 = 3.31 10 cicli a rottura 60 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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CNR-UNI 100011/88 / Eurocodice 3 conteggio dei cicli e accumulo del danneggiamento

Conteggio dei cicli: metodo del serbatoio (o del rain-flow)Un metodo di conteggio fornisce un criterio per lidentificazione dei cicli di fatica in un diagramma delle sollecitazioni ad ampiezza non costante (variabile).+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4 -5

C A D G B H E I

C E D G H F B I A

O

T

F

N cicli 1 1 1 1

Ciclo C-F A-B D-E G-H

min4 3

max +5 +3 +32

i

9 6 2 146/56

+13

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CNR-UNI 100011/88 / Eurocodice 3 conteggio dei cicli e accumulo del danneggiamento

Spettro dei campi di variazione della tensioneLo spettro di carico fornisce la ripartizione del numero di cicli per ogni variazione del campo di tensione allinterno del blocco di carico.

i

Dallesempio precedente:

i

9 6

ni

i

2

1

ntotn tot = nii=1 k

ni

1 1

1 1

ni

Lascissa massima rappresenta il numero totale di cicli allinterno del blocco di carico:

k = n delle classi dellampiezza i47/56

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CNR-UNI 100011/88 / Eurocodice 3 conteggio dei cicli e accumulo del danneggiamento

Accumulo del danneggiamento: legge di Palmgren-MinerUna valutazione del danneggiamento cumulativo pu essere svolta usando:

Dd 1dove: ni Ni

con

Dd =

ni Ni

numero dei cicli di ampiezza i durante la vita di progetto richiesta; numero dei cicli di ampiezza i che causa il collasso per la relativa categoria dei dettagli costruttivi

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Esempio 5: verifica a fatica di giunti saldati con sollecitazioni ad ampiezza variabile

Esempio 5t = 14 mm

20 0m m

Fmax = 800 kN0.8 Fmax 20 mm 0.6 Fmax

F

25

50

25

% dei cicli

In base allEurocodice 3, il giunto classificato di categoria C = 71 MPa.I campi di variazione della tensione nominale sono:

Fmax 800000 = = 200 MPa A 200 20 2 = 0.8 max = 160 MPa 1 = max = 3 = 0.6 max = 120 MPa 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Esempio 5: verifica a fatica di giunti saldati con sollecitazioni ad ampiezza variabile

1=200 MPa 2=160 MPa 3=120 MPa

100

C=71 MPa D=52.3 MPa L=28.7 MPa

N1=89471

10 1E+04

N3=414249 N2=174761

1E+05

1E+06

1E+073

1E+08

1E+09

NC = Nim C m i

C Ni = NC i

m

71 6 N1 = 2 10 = 200 3

89471 cicli

71 6 N2 = 2 10 = 174761 cicli 160 71 6 N3 = 2 10 = 414249 cicli 120 3

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Esempio 5: verifica a fatica di giunti saldati con sollecitazioni ad ampiezza variabile

1=200 MPa 2=160 MPa 3=120 MPaIn base alla ripartizione % dei cicli fornita dallo spettro (istogramma) di carico, dopo n blocchi si avranno: n cicli2n cicli

aa

1 = 200 MPa 2 = 160 MPa 3 = 120 MPa

n

2n

n

n cicli

a

25

50

25

% dei cicli

Pertanto, dopo n blocchi la condizione limite secondo la legge di Palmgren-Miner : 1 2 1 n + N N + N =1 2 3 1 2 1 1 n + + =1 89478 174761 414249

n = 39943 blocchi a rottura N = 4n = 159782 cicli totali a rottura

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Verifica a fatica di componenti saldati complessi Per la verifica a fatica di dettagli saldati complessi non sempre possibile applicare gli approcci proposti in normativa (CNR-UNI 10011, Eurocodice3) in quanto: non sempre possibile definire una tensione nominale; il dettaglio saldato spesso non classificato in normativa.

Esempio di dettaglio strutturale complesso

E quindi necessario adottare metodi di calcolo alternativi, ad esempio basati sullutilizzo di approcci in tensione strutturale ed in tensione locale.52/56

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Verifica a fatica di componenti saldati complessi

Approccio in tensione strutturale (hot-spot)La tensione strutturale (o di hot-spot) include tutti gli effetti di concentrazione di tensione di un dettaglio strutturale imputabili alla macrogeometria, esclusi gli effetti di concentrazione di tensione dovuti alla geometria locale del cordone di saldatura.

La tensione hot-spot si calcola come estrapolazione (lineare o parabolica) al piede del cordone dei valori di tensione riferiti a posizioni convenzionali. 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine

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Approccio in tensione strutturale (hot spot) Esempio di modellazione FE Punti di riferimento per lestrapolazione

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Approccio in tensione strutturale (hot spot) Esempio di analisi [Doerk & Fricke 2003] modello shell

modello solido

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Riferimenti bibliograficiLibri Istituto Italiano della Saldatura (IIS) (cur.). Saldatura per fusione. Parte 1: Procedimenti di saldatura, economia, sicurezza e salute. Ed. Hoepli, Milano, 1995 (ISBN: 8820321785). Istituto Italiano della Saldatura (IIS) (cur.). Saldatura per fusione. Parte 2: Metallurgia e saldabilit dei materiali metallici, qualit e controllo dei giunti saldati. Ed. Hoepli, 1995 (ISBN: 8820322080) Istituto Italiano della Saldatura (IIS). Integrit strutturale delle strutture saldate. Progettazione delle giunzioni. IIS, dicembre 1996. Nunziata V. Teoria e pratica delle strutture in acciaio. Dario Flaccovio Editore, 2 edizione, 2003 (ISBN: 887758-406-8) Goglio L. Resistenza dei materiali e dei collegamenti. Levrotto & Bella, 2006 (ISBN: 88-8218-123-5) Radaj D., Sonsino C.M., Fricke W. Fatigue assessment of welded joints by local approaches, Woodhead Publishing, Cambridge, 2nd edn, 2006. Normative tecniche CNR-UNI 10011. Costruzioni in acciaio. Istruzioni per il calcolo, lesecuzione, il collaudo e la manutenzione. Giugno 1988. UNI EN 1993-1-1: 2005: Eurocodice 3 - Progettazione delle strutture di acciaio - Parte 1-1: regole generali e regole per gli edifici. Decreto Ministeriale 9 gennaio 1996. Norme tecniche per il calcolo, lesecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche. Hobbacher A. Recommendations for fatigue design of welded joints and components. IIW Document XIII2151-07/XV-1254-07, May 2007. Articoli Atzori B., Meneghetti G., Ricotta M. Confronto tra la resistenza a fatica delle strutture in acciaio ed in lega leggera negli Eurocodici. Atti del XXXVI Convegno Nazionale AIAS, Napoli, Settembre 2008. 56/56 2011 Denis Benasciutti, Universit di Udine