Plastische herverdeling in hoeklassen in IDEA Connection

Bij het ontwerp van de las wordt de vloeigrens (Eurocode) of de treksterkte (AISC) gebruikt. Beide termen beschrijven dezelfde waarde. Zoals te zien is in de onderstaande afbeelding, wordt de treksterkte bereikt bij aanzienlijke rekken. Dat betekent dat het plastisch ontwerp voor lassen zinvol is.

voorbeelden van trekproeven met vloeigrens van staal S235

Voorbeelden van trekproeven van staalklasse S235 volgens EN ISO 6892-1



Bij handberekeningen wordt soms aangenomen dat in het geval van een gebogen H-profiel belast door buiging en dwarskracht, de lassen bij de flenzen het buigmoment overbrengen en de lassen bij het lijf de dwarskracht overbrengen. Het is een simpel ontwerp en erg veilig, maar het is geen realiteit. Vaak wordt een realistischer ontwerp gebruikt uitgaande van de sectie-modulus van de las voor het bepalen van de momentweerstand. Meestal wordt verondersteld dat de dwarskracht wordt overgedragen door lassen op het lijf. Lasontwerp procedures zijn sterk vereenvoudigd en gebruiken vaak een curve gebaseerd op experimenten. Met behulp van de juiste statistische evaluatie worden veiligheidsfactoren bepaald om veilige resultaten te behalen.

.

Werkelijke spanning in las voor verschillende randvoorwaarden - vrij uiteinde, scharnierend en vast ; ontwikkeling van plastisch scharnier bij scharnierend en vast.

Werkelijke spanning in las voor verschillende randvoorwaarden - vrij uiteinde, scharnierend en vast ; zichtbare ontwikkeling van plastisch scharnier bij scharnierend en vast.

In werkelijkheid heeft de spanning als gevolg van het buigend moment, een plastische herverdeling, vooral voor staafelementen van klasse 1 en 2. De dwarskracht wordt ook gedeeltelijk overgedragen door de lassen op de flenzen, maar evenredig met de stijfheid van elementen. De restspanning nabij de las bereikt de vloeigrens en de las veroorzaakt aanzienlijke vervorming. De weerstand van de las is ook afhankelijk van de randvoorwaarden zoals te zien is in bovenstaande afbeelding.


Eurocode

Het ontwerp van gelaste verbindingen staat vermeld in EN 1993-1-8 -hoofdstuk 4. Er wordt uitgegaan van een uniforme verdeling van spanning op de keeldoorsnede van de las, wat leidt tot normaalspanningen en schuifspanningen.



De normaalspanning Sigma II  parallel aan de las-as wordt niet overwogen bij het verifiëren van de ontwerpweerstand van de las.


De ontwerpweerstand van de hoeklas is de kleinste van:

Formules van ontwerpweerstand van de lassen


waarbij fu de uiterste treksterkte van het zwakkere deel is en ßw de correlatiefactor is in tabel 4.1 van EN 1993-1-8. De waarden van de correlatiefactor liggen in het interval <0,8; 1> en is afhankelijk van de staalsoort. De eerste formule voldoet aan het Von Mises vloeicriterium.


In EN 1993-1-8 - hoofdstuk 4.2 worden de lanstoevoegmaterialen vermeld: "De opgegeven vloeisterkte, uiterste treksterkte, rek bij breuk en minimum Charpy V-notch energiewaarde van het vulmetaal, moet gelijkwaardig zijn aan of beter zijn dan die gespecificeerd voor het moedermateriaal.


OPMERKING: Over het algemeen is het veilig om betere elektroden te gebruiken ten opzichte van de gebruikte staalsoorten.

Lassen aan niet-verstijfde flenzen wordt behandeld in EN 1993-1-8 - hoofdstuk 4.10. De effectieve lengte van de las wordt berekend als gevolg van de variërende spanningsverdeling in de las. In IDEA StatiCa wordt de spanningsverdeling berekend met behulp van eindige-elementen berekening en het laselement met hoogste spanning wordt gecontroleerd.

Equivalente spanning op de plaat die is verbonden met de niet verstijfde flens

Equivalente spanning op de plaat die is verbonden met de niet-verstijfde flens; let op de afnemende spanning aan de randen van de plaat en lassen als gevolg van de vervorming van de niet-verstijfde flens


AISC en CISC

Het ontwerp van gelaste verbindingen staat in ANSI / AISC 360-16 – Sectie J.2 en S16-14 - 13.13.2.2. De effectieve oppervlakte van een hoeklas, Awe, is de effectieve lengte vermenigvuldigd met de effectieve keeldoorsnede (dezelfde als Eurocode). De sterkte van het lasmetaal bepaald volgens de grenstoestand van breuk is:

Rn = Fnw Awe


waarbij Fnw  de nominale spanning van het lasmateriaal is.


Voor hoeklassen kan de sterkte met een factor (1 + 0,5 · sin*1,5* Theta ) worden verhoogd als de rekcompatibiliteit van verschillende rekelementen worden beschouwd. De rekcompatibiliteit wordt meestal bereikt door lassen te gebruiken met uniforme beenlengte en in lijn of parallel. Theta is de belastingshoek ten opzichte van de las-as (0 °longitudinaal, 90 ° transversaal).

De eis voor de lasdikte is er vanwege de variërende vervorming bij maximale spanningen bij lassen van verschillende beenlengtes. Deze eis voor de lasdikte wordt niet gecontroleerd door IDEA StatiCa.

De spanningsvervormingscurven van hoeklassen met variërende beenlengtes

De spanningsvervormingscurven van hoeklassen met variërende beenlengtes (Larry S. Muir: Vervormingscompatibiliteit in lasgroepen, 2008)


De eis voor dezelfde richting verklaart de volgende afbeelding. De maximale spanning wordt bereikt bij een zeer verschillende vervorming voor dwarslassen en langslassen.

De toename van de richtingssterkte voor hoeklassen met verschillende lasoriëntatie

De toename van de richtingssterkte voor hoeklassen met verschillende lasoriëntatie (Logan J. Callele, Gilbert Y. Grondin, Robert G. Driver Capaciteit van gelaste verbindingen die lassen in verschillende richtingen combineren, 2008)


ANSI / AISC 360-16 suggereert het verlagen van de weerstand van langslassen met een factor van 0,85 wanneer deze wordt gebruikt in combinatie met dwarslassen waarvoor de toename van de richtingssterkte wordt gebruikt (J2-10b). S16-14 gebruikt factor Mw  die een interval heeft van <0,85; 1>. Deze reductie wordt uitgevoerd automatisch door IDEA StatiCa door het laselement met de hoogste spanning op één zijde te controleren.

Variërende plastische rek bij laselementen

Variërende plastische rek bij laselementen

Controle van het basismetaal is vereist als geen passende elektroden worden gebruikt. In dat geval is de weerstand:

Rn = FnBM *ABM,

waarbij ABM het oppervlak van de dwarsdoorsnede van het basismetaal is (gewoonlijk is ABM = Wortel 2 * Awe) en FnBM de nominale spanning van het basismetaal is.


IDEA StatiCa

Als een elastisch materiaalmodel voor lassen werd aangenomen, zou het eindige-elementenmodel pieken vertonen op sommige locaties met geometrische onregelmatigheden (uiteinden van de las, waar 2 lassen samenkomen ...). De lasweerstand zou zeer snel worden bereikt op deze kleine locaties van piekspanningen. Dat zou betekenen dat de las een zeer lage belastingweerstand heeft in vergelijking met een traditionele handberekening. Daarom is een soort middeling noodzakelijk. IDEA Connection gebruikte voor versie 9 het gemiddelde waarden voor de laslengte (geschikt voor de flens bij het voorbeeld van de H-ligger door buiging belast), lineaire interpolatie (geschikt voor het lijf) of maximale waarden (zeer veilig). Een gebruiker kon zelf kiezen, maar dit vereiste inzicht in traditioneel lasontwerp en eindige elementenontwerp. Bovendien kan het gebruik van de gemiddelde waarden in sommige gevallen leiden tot een onveilig ontwerp.

De krachtintensiteit en equivalente spanning aan de bovenflens en het lijf met behulp van elastische lassen (stijve interpolatieverbindingen tussen het net van de kolom en de balk)

De krachtintensiteit en equivalente spanning aan de bovenflens en het lijf met behulp van elastische lassen (stijve interpolatieverbindingen tussen het net van de kolom en de balk)

Vanaf versie 9 heeft IDEA StatiCa besloten, dat de software het middelen correct en automatisch moet doen en na veel proeven en testen ontwikkelde IDEA StatiCa plastische herverdeling in lassen. Een solid element wordt ingevoegd tussen de interpolatieverbindingen. Plastische herverdeling is er om de weerstand van de laselement correct te bepalen door spanningspieken opnieuw in de laselementen te verdelen. De gevaarlijkste gebieden worden herkend als lassen aan niet-verstijfde flenzen (EN 1993-1-8 -  hoofdstuk 4.10). AISC en CISC gebruiken een andere benadering voor lasontwerp en vereisen een reductie voor meervoudig georiënteerde lassen. IDEA StatiCa concentreerde zich ook op dit probleem en ontwikkelde een speciaal lasmateriaalmodel voor AISC en CISC. Plastische herverdeling betekent niet,dat extreme vervormingen van de las worden toegelaten. IDEA StatiCa voert geen vermoeiingscontroles of controles uit van lamellaire scheuren van de las.


Aanbevelingen

Een goed ontworpen verbinding moet sterker zijn dan de aangesloten staven, zodat hun buigzaamheid kan worden gebruikt en bros bezwijken kan worden voorkomen. Bros bezwijken komt meestal voor in lassen en bouten (met name hoge sterkteklasse 10.9 en 12.9). Op die manier, als er een probleem is en de constructie is overbelast, zal er geen plotseling falen plaatsvinden, alleen hoge doorbuigingen en grote mate van plastificatie. Dat is de reden waarom de normen willen dat ingenieurs  sterke lassen ontwerpen, aan de andere kant wil men grote lassen vermijden, wat leidt tot hoge restspanningen en vervormingen.