Verifica delle saldature a cordone d’angolo secondo EN 1993-1-8

Articolo tecnico

Quella a cordone d’angolo è il tipo di saldatura più comune nelle strutture in acciaio. Secondo il paragrafo 4.3.2.1 (1) dell’EN 1993‑1‑8 [1], le saldature a cordone d’angolo potrebbero essere utilizzate per collegare parti strutturali con angolo di cianfrino compreso fra 60° e 120°.

L’altezza di gola efficace, a, di una saldatura a cordoni d’angolo deve essere presa come l’altezza del triangolo più grande che può essere inscritto fra i lembi e la superficie della saldatura, misurata perpendicolarmente al lato esterno di questo triangolo, vedere figura 01.

Figura 01 – Altezza di gola di una saldatura a cordoni d’angolo (a) e di una saldatura a cordoni d’angolo a forte penetrazione

Resistenza di progetto di saldature a cordoni d’angolo

Secondo l’EN 1993‑1‑8 [1], la resistenza di progetto di una saldatura a cordoni d’angolo è solitamente determinata usando il metodo direzionale o semplificato. Il metodo direzione è descritto di seguito.

Si suppone una distribuzione uniforme di tensione sulla sezione di gola della saldatura, che determini tensioni di taglio e tensioni normali mostrate nella figura 02 nel modo seguente:

  • σ è la tensione normale perpendicolare alla sezione di gola;
  • σ|| è la tensione normale parallela all’asse della saldatura;
  • τ è la tensione di taglio (nel piano della sezione di gola) perpendicolare all’asse della saldatura;
  • τ|| è la tensione di taglio (nel piano della sezione di gola) parallela all’asse della saldatura.

Figura 02 – Tensioni sulla sezione di gola di una saldatura a cordoni d’angolo

La tensione normale σ|| parallela all’asse non viene considerata quando si verifica la resistenza della saldatura.

La resistenza di progetto della saldatura a cordoni d’angolo sarà sufficiente se sono soddisfatte entrambe le seguenti condizioni:

$$\begin{array}{l}\sqrt{\mathrm\sigma_\perp^2\;+\;3\;\cdot\;(\mathrm\tau_\perp^2\;+\;\mathrm\tau_{\vert\vert}^2)}\;\leq\;\frac{{\mathrm f}_\mathrm u}{{\mathrm\beta}_\mathrm w\;\cdot\;{\mathrm\gamma}_{\mathrm M2}}\\{\mathrm\sigma}_\perp\;\leq\;0.9\;\cdot\;\frac{{\mathrm f}_\mathrm u}{{\mathrm\gamma}_{\mathrm M2}}\end{array}$$

dove

fu  è la resistenza nominale a rottura per trazione dell’elemento più debole costituente il giunto;
βw  è l’opportuno coefficiente di correlazione (vedere EN 1993‑1‑8, prospetto 4.1);
γM2 è il coefficiente parziale per la resistenza delle saldature.

Esempio

Progetto di una saldatura a cordone d’angolo della trave mostrata in figura 03 da [2].

  • Materiale: S235, fu = 36,0 kN/cm², βw = 0,8
  • Forze interne: Vz = 350 kN

Figura 03 – Trave

Baricentro
$${\mathrm z}_\mathrm S\;=\;\frac{\mathrm\Sigma({\mathrm A}_\mathrm i\;\cdot\;{\mathrm z}_\mathrm{Si})}{{\mathrm{ΣA}}_\mathrm i}\;=\;\frac{91,48\;\cdot\;43,72\;+\;40,00\;\cdot\;44,00\;+\;48,00\;\cdot\;23,00\;+\;45,00\;\cdot\;1,50}{224,48}\;=\;30,88\;\mathrm{cm}$$
Momento d’inerzia

Rispetto al baricentro, il momento d’inerzia è pari a:

$$\begin{array}{l}{\mathrm I}_\mathrm y\;=\;\sum({\mathrm I}_\mathrm{yi}\;+\;{\mathrm A}_\mathrm i\;\cdot\;\mathrm z_\mathrm{si}^2)\;-\;\frac{\left(\sum{\mathrm A}_\mathrm i\;\cdot\;{\mathrm z}_\mathrm{Si}\right)^2}{{\mathrm{ΣA}}_\mathrm i}\;=\\=\;850,88\;+\;\frac{20,00\;\cdot\;2,00³}{12}\;+\;\frac{1,20\;\cdot\;40,00³}{12}\;+\;\frac{15,00\;\cdot\;3,00³}{12}\;+\;91,48\;\cdot\;43,72²\;+\;40,00\;\cdot\;44,00²\;+\;48,00\;\cdot\;23,00²\;+\;45,00\;\cdot\;1,50²\;-\\-\;\frac{(91,48\;\cdot\;43,72\;+\;40,00\;\cdot\;44,00\;+\;48,00\;\cdot\;23,00\;+\;45,00\;\cdot\;1,50)²}{224,48}\;=\\=\;71.095\;\mathrm{cm}^4\end{array}$$
Momenti statici

Rispetto al baricentro, i momenti statici delle sezioni trasversali collegate sono calcolati usando le saldature À, Á, e Â:

$$\begin{array}{l}{\mathrm S}_{\mathrm y,1}\;=\;{\mathrm A}_1\;\cdot\;({\mathrm z}_{\mathrm S,1}\;-\;{\mathrm z}_\mathrm S)\;=\;91,48\;\cdot\;(43,72\;-\;30,88)\;=\;1.175\;\mathrm{cm}^3\\{\mathrm S}_{\mathrm y,2}\;=\;{\mathrm S}_{\mathrm y,1}\;+\;{\mathrm A}_2\;\cdot\;({\mathrm z}_{\mathrm S,2}\;-\;{\mathrm z}_\mathrm S)\;=\;1.175\;+\;40,00\;\cdot\;(44,00\;-\;30,88)\;=\;1.700\;\mathrm{cm}^3\\{\mathrm S}_{\mathrm y,3}\;=\;{\mathrm A}_3\;\cdot\;({\mathrm z}_\mathrm S\;-\;{\mathrm z}_{\mathrm S,3})\;=\;45,00\;\cdot\;(30,88\;-\;1,50)\;=\;1.322\;\mathrm{cm}^3\end{array}$$
Verifica della saldatura
$$\begin{array}{l}{\mathrm\tau}_{\vert\vert,\mathrm{Vz},\mathrm i}\;=\;\frac{-{\mathrm V}_\mathrm z\;\cdot\;{\mathrm S}_{\mathrm y,\mathrm i}}{{\mathrm I}_\mathrm y\;\cdot\;{\mathrm{Σa}}_{\mathrm w,\mathrm i}}\;\leq\;\frac{{\mathrm f}_\mathrm u}{\sqrt3\;\cdot\;{\mathrm\beta}_\mathrm w\;\cdot\;{\mathrm\gamma}_{\mathrm M2}}\;=\;\;\frac{36,0}{\sqrt3\;\cdot\;0,8\;\cdot\;1,25}\;=\;20,78\;\mathrm{kN}/\mathrm{cm}²\\{\mathrm\tau}_{\vert\vert,\mathrm{Vz},1}\;=\;\frac{-350\;\cdot\;1.175}{71.095\;\cdot\;2\;\cdot\;0,4}\;=\;-7,23\;\mathrm{kN}/\mathrm{cm}²\;<\;20,78\;\mathrm{kN}/\mathrm{cm}²\\{\mathrm\tau}_{\vert\vert,\mathrm{Vz},2}\;=\;\frac{-350\;\cdot\;1.700}{71.095\;\cdot\;2\;\cdot\;0,5}\;=\;-8,37\;\mathrm{kN}/\mathrm{cm}²\;<\;20,78\;\mathrm{kN}/\mathrm{cm}²\\{\mathrm\tau}_{\vert\vert,\mathrm{Vz},3}\;=\;\frac{-350\;\cdot\;1.322}{71.095\;\cdot\;2\;\cdot\;0,4}\;=\;-8,13\;\mathrm{kN}/\mathrm{cm}²\;<\;20,78\;\mathrm{kN}/\mathrm{cm}²\end{array}$$
SHAPE-THIN

In SHAPE‑THIN, la tensione di taglio (nel piano della superficie della saldatura a cordone d’angolo) parallela all’asse della saldatura τ|| può essere calcolata sulle saldature, e la resistenza può essere verificata. Durante la modellazione, la saldatura deve essere collegata ai bordi di due elementi, di cui uno può essere anche un elemento fittizio.

Nella colonna H ‘Elemento continuo’ della tabella 1.6 Saldature, è possibile definire gli elementi continui. Su tali elementi non vengono calcolate le tensioni della saldatura. In assenza di elementi specifici nella colonna H, le tensioni della saldatura sono determinate su tutti gli elementi ad essa collegati. Tali elementi possono essere trovati nella colonna B «Elementi nr.».

La figura 04 mostra la definizione delle saldature per l’esempio descritto in questo articolo.

Figura 04 – Tabella 1.6 Saldature

La tabella 5.1 Saldature mostra le tensioni risultanti τ|| per le saldature definite nella tabella 1.6 Saldature. La figura 05 mostra le tensioni delle saldature per l’esempio descritto in questo articolo.

Figura 05 – Tabella 5.1 Saldature

Bibliografia

[1]   Eurocodice 3: Progettazione delle strutture di acciaio – Parte 1‑8: Progettazione dei collegamenti; EN 1993‑1‑8:2005 + AC:2009
[2]   Petersen, C., Stahlbau, Wiesbaden: Springer Vieweg, 2013.

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