Il regolamento nazionale italiano (tabella UNI 10011) considera come sezione di calcolo quella di gola ribaltata su un lato del cordone e le tensioni agenti su di essa vengono scomposte in tensioni normali e tangenziali. L’uso di queste formule semplifica i calcoli, ma poiché consente una scelta arbitraria della orientazione della sezione resistente rispetto alle forze applicate, rende discutibile la definizione del tipo di tensione che agisce sulla sezione; con questi metodi viene definita univocamente soltanto il valore della tensione ideale, frutto della combinazione delle vere componenti. Il fatto di scegliere di utilizzare il metodo del ribaltamento della sezione da parte della maggioranza dei paesi è stato dettato dalla semplicità di calcolo e dall’incertezza che accompagna la qualità di un cordone d’angolo. Infatti un giunto a cordone d’angolo è controllabile con accuratezza solo in superficie, ove risultano efficaci il controllo visivo, magnetoscopico e con liquidi penetranti. La presenza di difetti interni anche gravi che riducono la sezione resistente non sempre è rilevabile.
(fig. 1.20: altezza di gola del cordone d’angolo)
Si considera quindi ai fini del calcolo come sezione resistente la sezione di gola avente come lunghezza L quella intera del cordone e come larghezza a l’altezza del triangolo inscritto nella sezione trasversale del cordone (fig. 1.20).
La seguente definizione considera le tensioni riferite alla sezione di gola ribaltata sul piano di uno dei lati del cordone (fig. 1.21):
σ
┴ è la tensione normale di trazione o di compressione che agisce in direzione perpendicolare alpiano che contiene un lato del cordone e che è riferita all’area della sezione di gola ribaltata su quel piano;
τ
┴ è la tensione tangenziale di taglio che agisce in direzione perpendicolare all’asse delcordone, giacente su di un piano che contiene un lato del cordone, e che è riferita all’area della sezione di gola ribaltata su quel piano;
τ
║ è la tensione tangenziale di taglio che agisce in direzione parallela all’asse del cordone,giacente su di un piano che contiene un lato del cordone e che è riferita all’area della sezione di gola ribaltata su quel piano.
(fig. 1.21: tensioni riferite alla sezione di gola ribaltata)
Anche per i cordoni d’angolo si adotta l’ipotesi semplificativa di considerare le tensioni uniformemente distribuite nell’altezza della sezione di gola (anche se in realtà non è così). Tale assunzione è dettata da ragioni di semplicità del calcolo ed è giustificata dal fatto che, in seguito alla plasticizzazione del materiale, le punte di tensione diminuiscono e la loro disuniformità si attenua. Questo equivale a fare assegnamento su una duttilità del materiale che venga saggiata mediante opportune prove di omologazione del materiale d’apporto e di certificazione della procedura della saldatura. Le normative italiane prevedono che nella zona fusa, nella zona termicamente alterata e nel materiale base vengano mantenuti valori di durezza sufficientemente bassi agendo sui materiali base e sulle tecniche di saldatura: 350 HV30 per la UNI 10011 e 380 HV10 per l’eurocodice 3.
Nel caso della UNI 10011, quando siano presenti tutte e tre le componenti di tensione devono essere verificate le seguenti limitazioni:
[1]
Nel caso in cui siano presenti le sole componenti di tensione
τ
┴ eσ
┴ è sufficiente verificarel’espressione [2] e nel contempo accertare che sia:
Nel caso in cui siano presenti le sole componenti di tensione
τ
┴ eτ
║ oppureσ
┴ eτ
║ è sufficiente verificare l’espressione [1]. Ove sia presente solo una delle tre componenti di tensione basta ovviamente verificare che sia:
Queste relazioni sono da verificare nel caso degli stati limite; nel caso delle tensioni ammissibili le relazioni sono in tutto analoghe a patto di sostituite Rd con σadm.
L’Eurocodice 3 propone due metodi per la verifica della resistenza di una saldatura a cordoni d’angolo: sia il metodo direzionale sia il metodo semplificato.
Nel primo metodo, le forze trasmesse dall’unità di lunghezza del cordone sono decomposte nelle componenti parallela e trasversa all’asse longitudinale della saldatura, e normale e trasversa al piano della gola nella sua vera posizione (fig. 1.22):
(fig. 1.22: tensioni interne al cordone secondo Eurocodice 3)
Dunque gli assi cartesiani sono solidali con la sezione resistente disposta in corrispondenza della sezione di gola; il significato delle tensioni è analogo a quello delle tensioni nella sezione di gola
sezione dove effettivamente agiscono; la tensione σ║ (che agisce parallelamente all’asse del cordone sulla sua sezione trasversale) non viene considerata nella verifica della saldatura.
La resistenza di progetto del cordone d’angolo sarà considerata sufficiente se le seguenti due relazioni saranno soddisfatte:
dove fu è la resistenza nominale a trazione di rottura dell’elemento più debole della giunzione e bw è l’appropriato fattore di correlazione che è tabellato in funzione del tipo di acciaio; γM2 è il fattore parziale di sicurezza che l’eurocodice consiglia di scegliere apri a 1,25.
Nel secondo metodo, cioè quello semplificato, la verifica di sicurezza di una saldatura d’angolo può essere considerata adeguata se, in ogni punto della sua lunghezza, la risultante di tutte le forze per unità di lunghezza trasmesse dalla saldatura non supera la sua resistenza di progetto:
F
w,Rd .Indipendentemente dall’orientamento della saldatura, la resistenza di progetto per unità di lunghezza
F
w,Rd deve essere determinata dall’equazione:a
f
F
w,Rd=
vw.ddove
ƒ
vw.d è la resistenza di progetto a taglio della saldatura ed a è l’altezza di gola. La resistenza diprogetto
ƒ
vw.d deve essere determinata dall’equazione:MW w u d vw
f
f
γ
β
3
.=
dove
ƒ
u è la resistenza nominale a rottura per trazione dell’elemento più debole costituente il giuntoe
b
w è l’opportuno coefficiente di correlazione. Tale coefficiente viene scelto in base alla seguentetipo di acciaio (EN 10025) Resistenza a rottura per trazione (ƒu) Coefficiente di correlazione bw
Fe 360 360 N/mm2 0.8
Fe 430 430 N/mm2 0.85
Fe 510 510 N/mm2 0.9
(tab. 1.8: coefficienti di correlazione per le saldature d’angolo)
Gli argomenti riportati in questo primo capitolo rappresentano solo una rapida digressione sulla saldatura propedeutica all’argomento vero e proprio del presente lavoro che è la simulazione della saldatura mediante il metodo degli elementi finiti. Il capitolo seguente verterà su una rapida disamina delle problematiche e delle strategie adottate fino ad oggi necessarie per realizzare adeguatamente i modelli matematici. Il successivo capitolo terzo renderà conto dei passi compiuti per lo sviluppo dei modelli di saldatura elaborati proprio per questo lavoro di tesi; e l’ultimo capitolo riguarderà l’esposizione dei risultati sperimentali ottenuti ed il confronto con i corrispondenti risultati numerici.