Asigurarea calitatii constructiilor metalice sudate in conformitate cu standardele europene

Atunci cand se proiecteaza structuri supuse la incarcari repetate, fenomenul de oboseala joaca un rol crucial in dimensionarea structurii, alaturi de selectarea solutiilor pentru detaliile constructive. Procesul de fabricatie in uzina si montajul constructiilor metalice pe santier sunt, de asemenea, etape de maxima importanta pentru siguranta structurilor proiectate, pe parcursul carora este esentiala o comunicare constanta intre proiectant si specialistul sudor. Vom aborda, in articolul de fata, necesitatea acestei colaborari intre proiectant si specialistul sudor, examinand mai multe aspecte conforme cu standardele europene, printre care se numara alegerea claselor de calitate, controlul vizual al sudurilor, relatiile dintre acestea, precum si utilizarea tablelor groase si a otelurilor de inalta rezistenta.

Istoria constructiilor din materiale metalice este relativ recenta, avandu-si inceputurile in 1778, odata cu construirea pasarelei de la Coalbrookdale in Anglia. Aceasta poate fi impartita in trei etape distincte: perioada fontei, perioada fierului forjat si ulterior, dupa anul 1900, cea a otelului moale. In primele etape, toate imbinarile erau realizate prin nituire, sudura ca metoda de imbinare facandu-si aparitia la inceputul secolului XX. Dupa anumite esecuri care au dus la cedarea unor poduri metalice sudate si analiza cauzelor acestor cedari, a rezultat o mai larga utilizare a imbinarilor sudate in constructiile metalice. Dupa cel de-al Doilea Razboi Mondial, sudura a devenit metoda standard de imbinare utilizata in acest domeniu.

Odata cu adoptarea prevederilor Eurocode in anul 2010, s-au stabilit o serie de cerinte legate de sudura, acoperind intreg procesul pentru utilizarea constructiilor metalice, de la productia otelului, proiectarea structurilor, pana la executia si montajul confectiei metalice sudate pe santier. Conceptul de siguranta, stabilit pe baze largi probabilistice, porneste pentru constructiile importante de la o durata de viata de 100 de ani.

La ora actuala, in domeniul constructiilor metalice, sudura s-a impus ca un mijloc de imbinare eficient, ecologic si sigur; astfel, in prezent, tehnica de imbinare preferata pentru constructiile metalice este sudarea.

Aparitia unor materiale noi eficiente, a unor procedee de sudare inovatoare, precum si a noilor standarde europene din domeniul sudarii, ce impun cerinte ridicate referitoare la calitatea imbinarilor sudate concomitent cu asigurarea sigurantei acestora in exploatare, au condus la necesitatea abordarii multidisciplinare a domeniului sudarii [1].

Standardul Eurocode 3, in anexa 10 [2], stabileste regulile pentru alegerea corecta a marcii de otel la constructiile metalice sudate. Aceste reguli sunt valabile pentru constructii noi si sunt aplicabile elementelor sudate uzuale, respectiv elementelor supuse la incarcari repetate (oboseala) pentru o gama a marcilor de otel ce se extinde de la S235 la S690. Astfel, calitatea otelului trebuie aleasa tinand cont de urmatoarele aspecte: limita de curgere a otelului f_y(t), tenacitatea exprimata in T27J sau T40J (energia de rupere la diferite temperaturi), forma elementului si a detaliilor, concentratorii de tensiuni in functie de detaliile din EN 1993-1-9 [3], grosimea (tablei) elementelor sudate, temperatura minima de exploatare dar si de tensiunile maxime rezultate din gruparea de actiuni accidentale:

∑ ⁿ _j=1 G_k,j + P + A_d + Ψ_1,1 Q_k,1 + ∑ ^m _i=2 Ψ_2,i Q_k,i       1)

unde:

G_k,j – valoarea caracteristica actiunii permanente j

P – valoarea reprezentativa a unei actiuni de pretensionare

A_d – valoarea de calcul a actiunii accidentale

Ψ_1,1 – coeficient pentru valoarea frecventa a actiunii variabile, principale

Q_k,1 – valoarea caracteristica a principalei actiuni variabile

Ψ_2,i – coeficient pentru valoarea cvasipermanenta a unei actiuni variabile, i

Q_k,i – valoarea caracteristica a unei actiuni variabile asociate, i

Pe langa aceste aspecte, este necesar sa se tina cont de tensiunile reziduale si, in cazul solicitarilor repetate, de evolutia fisurilor la solicitarea de oboseala.

Transformarea ductilitate – temperatura, in cazul alegerii otelului pentru constructii metalice, se face cu relatia urmatoare:

K^*_appl,d ≤ K_mat,d → T_Ed ≤ T_Rd       2)

unde:

T_Ed – valoarea de proiectare a temperaturii minime de exploatare la care se calculeaza tensiunile s_appl,d

T_Rd – valoarea de proiectare a ductilitatii materialului exprimata in functie de temperatura T_Klc100 luand in considerare tensiunile efective, viteza de solicitare si un spor de siguranta

Verificarea consta in compararea temperaturii de exploatare minime T_Ed cu temperatura de tranzitie T_Rd. Relatia are aceeasi forma cu relatia generala de verificare la starea limita a capacitatii portante (S_D≤R_D). Astfel, conform [4], avem, in functie de elementul analizat, diferite temperaturi de exploatare minime: -30°C pentru poduri din otel si poduri compuse otel-beton; 0°C sau -30°C pentru structurile metalice civile, industriale si agricole, in functie de amplasarea elementului; -30°C in cazul grinzilor de rulare situate in exterior si -30°C, -15°C sau -5°C pentru constructii hidrotehnice, in functie de actiunea apei.

Dupa stabilirea parametrilor de mai sus, se utilizeaza tabelul 2.1 din EN1993-1-10 [2] in care se prezinta grosimea maxima admisa in functie de marca otelului, tenacitatea sa, temperatura de referinta si nivelul de tensiuni. Tendinta spre o rupere fragila creste odata cu cresterea grosimii elementului. Astfel, o atentie deosebita trebuie acordata fenomenului de destramare lamelara (Lamellar tearing), care consta in fisurarea longitudinala care apare din laminare, sau in timpul procesului de sudura, si poate fi caracterizata ca o cedare a otelului pe directia perpendiculara pe planul de laminare. Destramarea lamelara este un defect care rezulta si in cadrul procesului de sudura, in general la elemente ce prezinta o grosime mai mare de 15 mm [5]. Standardul european SR-EN-10164 [6], recomanda trei nivele pentru evitarea fenomenului, in functie de nivelul de solicitare: calitatea Z15, pentru imbinari sudate cu tensiuni moderate si contractie relativa in zona ruperii de min. 15%; calitatea Z25, pentru imbinari sudate cu tensiuni mari si contractie relativa in zona ruperii de min. 25%; si calitatea Z35, pentru imbinari sudate, bridate cu tensiuni mari si contractie relativa in zona ruperii de min. 35%.

La structurile sudate solicitate la incarcari repetate (poduri de cale ferata si sosea, macarale, grinzi de rulare, structuri off-shore etc.), destramarea lamelara este un defect important ce poate duce la cedarea elementului. Alegerea calitatii otelului, a detaliilor constructive si a procedeului de sudare sunt elemente esentiale pentru evitarea acestui fenomen. Verificarile nedistructive (NDT), de regula pe baza de ultrasunete, au ca obiect verificarea destramarii lamelare inainte de inceperea procesului de sudare, dar si dupa efectuarea sudurilor, avand in vedere posibilitatea aparitiei defectelor. Astfel, in zone sensibile (cu detalii ample de sudura), se recomanda efectuarea unor verificari nedistructive si dupa finalizarea structurii.

Un exemplu pentru alegerea tipului de otel este cazul otelului utilizat in mod uzual la constructiile metalice ‒ S235JR, otel cu limita de curgere minima f_yk de 235 N/mm², de tip normalizat, si o energie de rupere la incercarea de incovoiere prin soc de 27 J la o temperatura de +20°C. Un alt exemplu este un otel utilizat la poduri de sosea sau cale ferata ‒ S355+N+K2+W+Z25, otel cu limita de curgere minima f_yk de 355 N/mm², normalizat, si o cu energie de rupere la incercarea de incovoiere prin soc de 40 J la o temperatura de -20°C, cu rezistenta sporita la coroziunea atmosferica si cu o deformatie minima Z pe directia grosimii de 25 %.

Calculul la oboseala se efectueaza in conformitate cu standardul SR-EN 1993-1-9 [3], standard ce prevede metodele de calcul ale rezistentei la oboseala pentru elemente si imbinari supuse la incarcari repetate. Aceste metode au rezultat in urma unor incercari experimentale la oboseala facute pe elemente la scara mare, care includ si efectele imperfectiunilor geometrice si structurale ce pot aparea in procesul de fabricare a otelului, respectiv la montaj.

Se subliniaza faptul ca prevederile normativelor de calcul sunt aplicabile la structurile la care executia se face in conformitate cu EN1090 [7].

Rezistentele la oboseala sunt date in functie de detaliul constructiv existent la structura metalica [9], [10]. Important de mentionat este ca dimensionarea structurii nu se mai efectueaza la rezistenta maxima a materialului de baza, respectiv limita de curgere, ci la rezistenta la oboseala a detaliului constructiv sudat ‒ FAT (FATigue), care are valori mult mai mici, intervenind astfel in calcul, in mod decisiv, tipul si acuratetea detaliului sudat susceptibil la ruperea la oboseala [8].

In tabelul 1 sunt prezentate cateva elemente comparative intre structurile metalice pentru cladiri si structurile metalice pentru constructii care sunt supuse la incarcari repetate, ce presupun aparitia fenomenului de oboseala. Se observa ca la constructiile uzuale se realizeaza imediat o incadrare in clasele de executie (EXC) [7], pe cand la constructiile supuse la solicitari ciclice este necesar sa incadram detaliul in detalii constructive de tip FAT [3].

Tabel 1: Comparatie intre structurile metalice solicitate la incarcari statice si incarcari repetate

Asigurarea calitatii imbinarilor sudate se face prin respectarea regulilor prevazute in patru clase de executie, in ordine crescatoare, de la EXC1 pana la EXC4, tinand cont de complexitatea structurii, respectiv de consecintele cedarii acesteia sau a unor elemente structurale (fig. 1).

Fig. 1: Alegerea clasei de calitate [7]

Clasele de executie EXC1 si EXC2 sunt suficiente pentru aceste structuri solicitate la incarcari statice. In ceea ce priveste incercarile nondistructive (NDT), la clasa EXC2, se cere [7] un procent de 10% suduri verificate NDT, din totalul sudurilor executate. In a doua categorie se inscriu structurile speciale, cum ar fi: podurile de cale ferata si sosea, grinzile de rulare ale podurilor rulante, platformele off-shore etc. La aceste constructii, solicitarile repetate produc fenomenul de oboseala, deci aparitia unor defecte (fisuri) este probabila. Ne aflam in domeniul oboselii la un numar ridicat de cicluri – HCF (High Cycle Fatigue), incarcari ciclice in domeniul elastic. Printre cei mai importanti parametri in calculul la oboseala, sunt factorii de concentrare a tensiunii (ce tin de detaliul constructiv) si nivelul solicitarii Δσ, respectiv ecartul de tensiuni. Din punct de vedere al incercarilor NDT, aceste structuri necesita o executie mai pretentioasa, la nivelul clasei de executie EXC3, cu un procent de 20% din numarul total de imbinari sudate controlate NDT. In categoria EXC4 intra constructiile de importanta deosebita, structuri pentru care [7] impune un control al tuturor imbinarilor sudate.

In ceea ce priveste categoria de exploatare, [7] diferentiaza foarte clar constructiile a caror structura este supusa la solicitari statice si respectiv la solicitari repetate (tabelul 2).

Tabel 2: Categoriile de exploatare in functie de solicitari [7]

*DCL, DCM, DCH ‒ clase de ductilitate (SR-EN-1998-1) [11]

**Incadrarea instalatiilor de ridicat se face conform [12]

Un rol important in asigurarea calitatii si sigurantei constructiilor metalice sudate il are verificarea confectiei metalice prin control vizual. Importanta acestei verificari este de multe ori neglijata si aceasta se executa formal in practica curenta. Intre clasele de executie si nivelul de calitate al sudurilor exista o corelatie prezentata in SR-EN-ISO 5817 [13]. Acest standard international furnizeaza niveluri de calitate pentru imperfectiuni in imbinarile sudate prin topire, pentru toate tipurile de oteluri. In principiu, sunt date trei niveluri de calitate; ele sunt notate prin simbolurile B, C si D. Nivelul de calitate B corespunde celei mai ridicate cerinte pentru sudura finita. O relationare intre clasele de executie prezentate in [7] si grupele de calitate [13], in urma controlului vizual al structurii, este prezentata in tabelul 3.

Tabel 3: Grupe de calitate si clase de executie

*Nivelul de calitate (clasa) descrie calitatea unei suduri, pe baza tipului, dimensiunilor si cantitatii de imperfectiuni decelate.

Pentru alegerea nivelului de calitate corespunzator, trebuie sa se tina seama de consecintele ruperii si de o serie de factori economici: nu doar costul sudarii, ci si cel al inspectiilor, al incercarilor si al reparatiilor. Nivelul de calitate este stabilit de beneficiar impreuna cu proiectantul lucrarii, care prezinta, prin memoriul tehnic, o justificare scrisa in acest sens.

Pentru solicitarile la oboseala, SR-EN-ISO 5817 ofera, in anexa C, indrumari suplimentare. In tabelul 4 sunt prezentate corelatiile dintre SR-EN1993-1-9 si SR-EN-ISO 5817. Spre exemplu, pentru a calcula o structura solicitata la oboseala la rezistenta data de detaliul constructiv FAT 100, trebuie realizata o clasa de calitate VT ‒ B 125. De asemenea, se poate observa ca, pentru structuri solicitate la incarcari repetate si dinamice, nivelul de calitate D este exclus, nivelul C poate fi aplicat pentru unele detalii specifice, iar alegerea calitatii B constituie practica uzuala. Pentru categoria de detaliu 90 (FAT 90), se poate costata ca este compatibila cu majoritatea imperfectiunilor prevazute la nivelul B.

Tabel 4: Corelatii intre SR-EN1993-1-9 si SR-EN-5817-2015

*Sudurile de colt sunt excluse din nivelul B 125!

Pentru a detalia importanta corelarii acestor standarde, in tabelul 5 sunt prezentate cateva exemple uzuale in calculul la oboseala al structurilor metalice. Astfel, pentru suduri cu patrundere completa si suduri de colt realizate mecanizat pe ambele parti cu patrundere partiala, se observa (tabel 5, pozitia 1) ca rezistenta la oboseala este corespunzatoare unei categorii de detaliul FAT 125 [3], dar si pentru un nivel de calitate [13] B125. In cazul rigidizarilor la grinzi cu inima plina (tabel 5, pozitia 2), rezistenta la oboseala este corespunzatoare unei categorii de detaliul FAT 80 (un ecart de tensiune mai mic), corespunzator unui nivel de calitate [13] B90.

Tabel 5: Exemple corelare SR-EN-1993-1-9 si SR-EN-ISO-5817

In concluzie, la realizarea structurii metalice se va urmari schema prezentata in fig. 2. Astfel, asa cum este prezentat, prevederile normativelor trebuie respectate atat in ceea ce priveste incadrarea in clasele de calitate, cat si cu privire la rezistenta la oboseala a constructiei proiectate. Schema prezinta atat normativele utilizate, cat si factorii implicati in proiect – de la proiectant si beneficiar, la procesatorul confectiei metalice in uzina si, in final, la examinatorul structurii metalice.

Fig. 2: Schema pentru executia unei structuri metalice cu folosirea normelor in vigoare

Se poate observa ca, de la momentul in care se alege materialul (tipul de otel) si clasa de executie a confectiei pana la montajul structurii metalice, este necesar sa se asigure calitatea constructiei metalice, proces care implica un efort comun al tuturor factorilor implicati. Se releva importanta colaborarii intre proiectant si specialistul sudor, fara de care structura metalica nu poate avea un nivel de calitate corespunzator. Controlul vizual al sudurilor cu documentatia aferenta prezinta o importanta deosebita pentru calculul si alcatuirea sudurii. In functie de tehnologia de executie si posibilitatile uzinei, se stabileste rezistenta de calcul (respectiv detaliul constructiv FAT) la care se va efectua proiectarea structurii.

Pentru proiectarea structurilor solicitate la oboseala, atentia se va indrepta in primul rand spre optimizarea atenta a detaliilor constructive la oboseala, precum si a tehnologiei de executie. Alegerea detaliului constructiv care impune tehnologia de executie, respectiv controlul acesteia, devine esentiala. Rolul inginerului specialist sudor IWE/EWE in uzina este de maxima importanta. De asemenea, dupa cum s-a aratat in [5] si [8], in lantul de la proiectare la executia in uzina si montajul pe santier, devine necesara, pe langa specialistul sudor din uzina (IWE/EWE), prezenta unui inginer specialist IWSD (Inginer Proiectant in domeniul Constructiilor Metalice Sudate).

BIBLIOGRAFIE

[1] R. BANCILA, AM. FEIER, E. PETZEK, Locul si rolul expertului sudor in proiectarea si executia constructiilor din otel sudate; conexiunea interdisciplinara intre arhitect, proiectant si expertul sudor, Revista SUDURA 1-2019, ISSN 1453-384;

[2] SR EN 1993-1-10:2006, Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-10: Alegerea claselor de calitate a otelului;

[3] SR EN 1993-1-9:2006, Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-9: Oboseala;

[4] Deutscher Ausschuss fur Stahlbau, Stahlsortenauswahl fur geschweisste Stahlbauten. DASt-Richtlinie 009 (Comitetul German pentru Constructii din Otel, Selectia tipului de otel pentru structurile din otel sudate. Ghidul DASt 009);

[5] R. BANCILA, E. PETZEK, Anamaria FEIER, Suport curs EWE&IWSD (European Welding Engineer & International Structural Welding Designer), ASR & ISIM, 2019;

[6] SR EN 10164:2019 ‒ Oteluri de constructii cu caracteristici de deformare imbunatatite pe directie perpendiculara pe suprafata produsului. Conditii tehnice de livrare;

[7] SR EN 1090-1+A1:2012 ‒ Executia structurilor de otel si structurilor de aluminiu. Partea 1: Cerinte pentru evaluarea conformitatii elementelor structurale;

[8] AM. FEIER, E. PETZEK, R. BANCILA, Alcatuirea si calculul constructiilor metalice sudate, Editura Sudura 2021, ISBN 978-973-8359-63-5;

[9] AM. FEIER, R. BANCILA, E. PETZEK, Verificarea la oboseala a elementelor constructiilor metalice in conformitate cu standardul european SR EN 1993-1-9:2006 (Partea a I-a), Revista SUDURA nr. 3/2020, pp. 5-10, ISSN: 1453 – 0384;

[10] R. BANCILA, AM. FEIER, E. PETZEK, Verificarea la oboseala a elementelor constructiilor metalice in conformitate cu standardul european SR EN 1993-1-9:2006 (Partea a II-a), SUDURA nr. 4/2020, pp. 5-13, ISSN: 1453 – 0384;

[11] SR EN 1998-1:2004, Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 1: Reguli generale, actiuni seismice si reguli pentru cladiri;

[12] SR EN 13001-1:2015 ‒ Instalatii de ridicat. Proiectare generala. Partea 1: Principii generale si cerinte;

[13] SR EN ISO 5817:2023 ‒ Sudare. Imbinari sudate prin topire din otel, nichel, titan si aliajele acestora (cu exceptia sudarii cu fascicule de energie). Niveluri de calitate pentru imperfectiuni.

Autori:

prof. univ. em. dr. ing. Radu BANCILA ‒ Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii

conf. univ. dr. ing. Dorin RADU ‒ Universitatea Transilvania din Brasov, Facultatea de Constructii

conf. univ. dr. ing. Edward PETZEK ‒ Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii

conf. univ. dr. ing. Anamaria FEIER ‒ Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Ingineria Materialelor si Fabricatiei

drd. ing. Ciprian BRATU ‒ Universitatea Politehnica Timisoara, Scoala doctorala interdisciplinara

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 219 – noiembrie 2024, pag. 70-73