Alegerea materialului la constructii metalice sudate, in conformitate cu Standardul European – SR EN 1993-1-10

Aparitia unor materiale noi, eficiente, a unor procedee de sudare inovatoare, complexitatea noilor standarde europene din domeniul sudarii, cerintele ridicate referitoare la calitatea imbinarilor sudate, concomitent cu asigurarea sigurantei acestora in exploatare, formele estetice tot mai deosebite, presiunea termenelor scurte de executie conduc la necesitatea abordarii multidisciplinare a domeniului sudarii, precum si a reevaluarii invatamantului in aceasta directie.

La ora actuala colaborarea intre arhitect, proiectantul de constructii metalice sudate si inginerul sudor este esentiala. Un prim pas in aceasta directie consta in alegerea corecta a marcii de otel pentru realizarea constructiei metalice sudate.

Istoria constructiilor din materiale metalice este relativ scurta; se considera ca a inceput in 1778, cand a fost construita pasarela de la Coalbrookdale, din Anglia. Exista trei etape distincte: perioada fontei, a fierului pudlat (forjat) si cea a otelului moale (dupa 1900). Intr-o prima faza, toate imbinarile se realizau prin nituire. Sudura, ca mijloc de imbinare, a aparut la inceputul secolului XX. Dupa unele esecuri, soldate cu cedarea unor poduri metalice sudate, urmate de o analiza a factorilor care au condus la aceste cedari, imbinarile sudate au inceput sa se impuna in domeniul constructiilor metalice. De subliniat faptul ca in tara noastra s-a construit, in 1937, la Resita, peste peste raul Barzava (fig. 1), unul dintre primele poduri complet sudate avand o deschidere de L = 31,42 m si o inaltime la mijloc de H = 4,0 m (grinda Vierendel). Structura este la ora actuala in curs de reabilitare. Practic, dupa cel de al II-lea Razboi Mondial, sudura a devenit mijlocul de imbinare curent in constructiile metalice.

Pachetul de standarde europene „Eurocoduri” au stabilit o serie de conditii din domeniul sudurii, de la producerea otelului, proiectarea structurii, executia acesteia si montajul pe santier al constructiilor metalice sudate.

Standardul european – SR EN 1993-1-10

In anexa 10 la Eurocodul 3 [1], se stabilesc regulile pentru alegerea corecta a marcii de otel, la constructiile metalice sudate. Aceste reguli sunt valabile pentru constructii noi si sunt aplicabile elementelor sudate, respectiv elementelor supuse la incarcari repetate (oboseala). Se subliniaza faptul ca acestea nu pot fi folosite la evaluarea constructiilor metalice existente (cu vechime in exploatare). Gama marcilor de otel se extinde de la S235 la S690. Calitatea otelului trebuie aleasa tinand cont de urmatoarele:

• Proprietatile otelului;
• Limita de curgere a otelului f_y(t);
• Tenacitatea (ductilitatea) exprimata in temperatura T_27J sau T_40J;
• Forma elementului si a detaliilor;
• Concentratorii de tensiuni in functie de detaliile din EN 1993-1-9;
• Grosimea elementului;
• Valoarea de calcul la cea mai scazuta temperatura de exploatare (Tabelul 1);
• Tensiunile maxime rezultate din gruparea de actiuni accidentale;
• Tensiuni reziduale;
• Evolutia fisurilor la solicitarea de oboseala;
• Gradul de deformare la rece (daca e cazul).

Tensiunea maxima activa σ_Ed este efortul nominal in locul potential de initiere a fisurii; aceasta tensiune nu va depasi 75% din limita de curgere. Aceste tensiuni vor fi determinate cu ajutorul unei analize elastice.

Se reaminteste faptul ca K_v este energia de incovoiere prin soc A_v(T) in Jouli (J) necesara pentru ruperea unei epruvete Charpy-V, la o temperatura de incercare T (fig. 2). In conformitate cu standardele de produs pentru otel, epruvetele nu trebuie sa se rupa la o energie de incovoiere prin soc inferioara valorii de 27J, la o temperatura de incercare specificata.

In diagrama tenacitate – temperatura:

• zona superioara a curbei indica o comportare elasto-plastica, cu ruperi ductile, chiar in prezenta unor mici defecte si discontinuitati in cordoanele de sudura;
• in zona de tranzitie tenacitatea materialului descreste pe masura scaderii temperaturii, iar ruperea trece de la cea ductila la una fragila.

Principiul de alegere a materialului la constructii metalice sudate este prezentat in figura 4. Printr-o serie de transformari succesive s-a urmarit aducerea la forma clasica de verificare (similara cu verificarea capacitatii portante).

Pentru temperatura atmosferica cea mai scazuta T_md, se va consulta Tabelul 1 [2].

Dupa stabilirea parametrilor de mai sus, se utilizeaza Tabelul 2 [1] in care se prezinta grosimea maxima admisa in functie de marca otelului, tenacitatea sa, temperatura de referinta si nivelul de tensiuni.

In continuare se propun doua exemple de calcul, care ilustreaza procedeul de mai sus.

Observatii preliminare:

• In conformitate cu standardul SR EN 1993-1-10 (2006) se va lua in considerare gruparea de actiuni accidentale (simultaneitatea – dezavantajoasa – a celei mai joase temperaturi, existenta unor defecte – fisuri si proprietatile materialului);
• Tensiunea maxima activa este efortul unitar in locul potential de initiere a fisurii;
• Tensiunea maxima aplicata σ_Ed nu trebuie sa depaseasca, la temperatura de referinta (de proiectare) T_ed, 75 % din limita de curgere;
• Tensiunile se calculeaza cu ajutorul unei analize elastice.

Exemplul 1 (fig. 5)

– σ_Ed = 3.000/(44×3) = 22,72 kN/cm²

– Limita de curgere f_y = 35,5 kN/cm²

– σ_Ed/f_y(t) = 22,72/35,5 = 0,64

Din Tabelul 2, la raportul 0,75 si temperatura de exploatare T_mdr = -30°C, rezulta S355J2 cu t_max = 40 mm > 30 mm existent.

Pericolul ruperii fragile este evitat, tenacitatea este corespunzatoare.

Exemplul 2 (fig. 6)

1. Evaluarea incarcarilor

– Greutatea dalei din beton armat (pe o grinda):

g₁ = (2+3) x 0,20 x 25 = 25 kN/m

– Parapet, hidroizolatie, elemente separatoare:

g₂ = 3,6 kN/m

– Greutatea proprie a grinzii metalice:

g₃ = 1 kN/m

– G = 25 + 3,6 + 1 = 30 kN/m

– Incarcarea din convoi:

P = 2,5 x 5 = 12,5 kN/m cu efectul dinamic ® 15 kN/m.

Rezulta q_Ed = 1,0 x 30 + 1,0 x 1,0 x 15= 45 kN/m

– M_ed = 45 x 122 / 8 = 810 kNm

– σ_Ed = 810 x 102 / 3.483,5 = 23,25 kN/cm²

– Nivelul tensiunilor:

σ_Ed/f_y(t) = 23,25 / 35,5 = 0,65

Limita de curgere la S355 si t = 15 este f_yk = 35,5 kN/cm²

2. Verificare

Din tabelul 2 rezulta pentru S355, cu:

σ_Ed = 0,75 f_y(t), la temperatura de exploatare T = -30°C

JR ® t_max = 15 mm

J0 ® t_max = 25 mm

In cazul nostru cu t = 16 rezulta S355J0.

Obs. Tabelul permite si interpolarea liniara:

– La σ_Ed = 0,75 f_y(t); t = 15 mm

– La σ_Ed = 0,50 f_y(t); t = 30 mm

Rezulta pentru σ_Ed = 0,65:

t = 30 – (30-15) x (0,65 – 0,5) / (0,75 – 0,5) = 21 mm

Deci ar exista si posibilitatea folosirii unui otel S355JR (t = 15 < 21mm). Totusi otelurile J0 nu sunt admise la realizarea podirilor de cale ferata si sosea.

Observatii

In practica uzuala a structurilor metalice sudate in Germania, se cere si efectuarea unei probe speciale: incercarea de indoire la rece. Este cunoscuta in literatura de specialitate ca proba Kommerell si consta in indoirea la rece a unor epruvete, la care s-a prevazut un cordon de sudura (manual, cu arc electric).

Incercarea este empirica si se efectueaza doar in Germania. Nu a fost preluata de normele europene Eurocode!

Epruveta se indoaie la un unghi de 60° si se urmareste aparitia unei fisuri in cordonul de sudura. Propagarea fisurii trebuie sa se opreasca in ZIT sau in materialul de baza (lungimea fisurii sa fie mai mica decat 80mm!). Incercarea se efectueaza in conformitate cu SEP 1390 (STAHL-EISEN-Prüfblatt des VereinsDeutscherEisenhütten-leute).

In Germania, standardul pentru poduri metalice DIN EN 1993-2 / versiunea nationala prevede proba de mai sus ca obligatorie, pentru marcile S235, S275 si S355 la grosimi t ≥ 30 mm. Pentru oteluri de marca superioara (S420, S460 etc.), incercarea nu este necesara.

Concluzii

Alegerea materialului optim pentru constructiile metalice sudate constituie la ora actuala o problema complexa care trebuie sa ia in considerare o serie intreaga de aspecte. De asemenea, colaborarea intre arhitect, inginerul proiectant si specialistul sudor (EWE sau IWSD) devine esentiala.

Bibliografie

[1] * * * Eurocodul 3; Anexa 10 – SR EN 1993-1-10; 2006;

[2] Deutscher Ausschuss für Stahlbau „Stahlsortenauswahl für geschweisste Stahlbauten“ DASt-Richtlinie 009;

[3] Verband Deutscher Eisenbahn Ingenieure (VDEI): „Information Nr. 09 – 2011”;

[4] Bertram Kühn: „Regelungen zur Vermeidung von Sprödbruch”, Stahlbaukalender 2012, Ernst&Sohn;

[5] Ömer Bucak: „EC 3 – Beispiele” Vorlesungen für Stahlbau, University of Applied Science Munich;

[6] R. Bancila, E. Petzek, A. Feier: „Support curs EWE& IWSD (European Welding Engineer & International Structural Welding Engineer)”, ASR & ISIM, 2019;

[6] R. Bancila, E. Petzek, A. Feier: „The place and role of the welding expert in the design and execution of welded steel constructions; interdisciplinary connection between the architect, the design engineer and the welding expert”, Revista SUDURA, Martie 2019, ISSN 1453-0384;

[7] R. Bancila, A. Feier, H. Dascau „The Welded Structural Designer and the Decision-Making Process in Specific Critical Details Dynamically Loaded Welded Structures Susceptible to Fatigue”, DOI: 10.4028 / / AMR.1153.21;

[8] D. Radu, A. Feier „Steel antenna towers – from designing to manufacturing optimization”, IOP Conference Series Materials Science and Engineering 399(1):012047 DOI: 10.1088/1757-899X/399/1/ 012047, September 2018;

[9] A. Feier, D. Dumbrava, M. Vioreanu, R. Molnar, D. Radu, „Constructive details on welded industrial structures for good structural behavior in the highly corrosive environment”, DOI: 10.5593/sgem2018/5.3/S28.021, Conference: 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM2018, June 2018.

(Lucrare prezentata in cadrul celei de-a 16-a „Conferinte Nationale de Constructii Metalice – CM16-2019”, Timisoara, 13-14 iunie 2019.)

Autori:
Edward Petzek, Luiza Toduti – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, SSF Romania
Anamaria Feier – Universitatea Politehnica Timisoara – Facultatea de Mecanica, ASR
Radu BAncila – Universitatea Politehnica Timisoara – Facultatea de Constructii

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 180 – mai 2021, pag. 38