Assemblages Par Soudure [PDF]

Zitiervorschau

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Assemblages par soudure. Le calcul est destiné à la conception géométrique et au contrôle de résistance des assemblages soudés de constructions de machines en acier au carbone qui sont statiquement sollicitées. Le logiciel permet la conception de plus de 50 types d’assemblages soudés parmi les plus courants, sollicités par différentes combinaisons de contraintes. Les tâches suivantes sont prises en charge par le calcul: 1. La conception d’assemblages soudés bout à bout. 2. La conception d’assemblages soudés en angle. 3. La conception d’assemblages en bouchons et en entailles. 4. La conception d’assemblages soudés par points (par résistance). 5. Le contrôle de résistance des assemblages projetés. 6. Le logiciel contient un tableau d’environ 700 aciers au carbone adaptés au soudage conformément aux normes de matériaux ANSI, EN, JIS, ISO, DIN, BS, NF, UNI, UNE, SIS, CSA, NBN, NP, NS, ON et CSN. 7. Le logiciel contient également un tableau dimensionnel des profilés en acier S, ST, W, WT, C, L selon ASTM/AISI/AISC et des profilés T, I, U, L selon DIN/EN/ISO. Ce calcul est basé sur les données, les procédures et les algorithmes de la littérature spécialisée et des normes AWS, AISC, ANSI, ISO, EN, DIN et d'autres. Liste de normes: prEN 1993-1-8, EN 10024, EN 10034, EN 10055, EN 10056, EN 10279, DS 952, DIN 15018, DIN 18800, DIN 1024, DIN 1025, DIN 1026, DIN 1028, DIN 1029, CSN 050120 Remarque: Ce calcul n’est pas destiné à la conception et au contrôle de certaines constructions soudées spécifiques auxquelles correspondent des normes, des réglementations et des dispositions spéciales (par exemple les récipients sous pression, les conduits, les grues…).

Commande, structure et syntaxe des calculs. L'information sur la syntaxe et la commande du calcul se trouve dans le document "Commande, structure et syntaxe des calculs ".

L'information sur le projet. L'information sur le but, l'utilisation et la commande du paragraphe "information sur le projet" se trouve dans le document "Information sur le projet ".

Théorie - Principes fondamentaux. Les assemblages soudés sont des assemblages fixes, permanents, fondés sur le principe de la fusion locale des éléments soudés par la chaleur ou la pression. Dans le principe, la liaison des éléments peut être obtenue de deux façons:

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La soudure par fusion (soudure à l’arc électrique, au gaz, au plasma, au laser, à la thermite, soudage sous laitier électroconducteur…) L’assemblage est le résultat de la fusion locale sans pression des matériaux des éléments assemblés et, en général, de matériaux additionnels.

•

La soudure par pression (soudure par résistance, par induction, par ultrason, par friction, par explosion…) Après avoir été fondus dans la zone d’assemblage, les éléments sont assemblés par pression mécanique ou par chocs.

Le résultat optimal du procédé d’assemblage est une liaison dont les propriétés mécaniques sont aussi proches que possible de celles du matériau de base. Les assemblages peuvent également être répartis selon leur fonction:

•

Assemblages de force – ces assemblages porteurs permettent le transfert d’une charge extérieure

2 •

Assemblages de compacité – ces assemblages permettent d’assurer la compacité d’un ensemble (sans ou avec une très faible sollicitation)

•

Assemblages d’étanchéité – ces assemblages assurent l’étanchéité des éléments soudés (réservoir, conduits, etc.)

Ce logiciel est destiné aux calculs des assemblages soudés statiquement sollicités de constructions mécaniques fabriquées en acier au carbone pour des températures d’exploitation allant de -20°C à 150°C. Le logiciel permet de réaliser la conception géométrique et le contrôle de résistance des assemblages de force avec les types les plus courants de soudures par fusion et de soudures par points. Le calcul ne prend pas en compte l’apparition subite de ruptures fragiles, les changements de propriétés des matériaux sous influence thermique et les influences de tensions intrinsèques ou de concentrations de tensions dans la soudure. La conception théorique exacte des conditions de force et de résistance représente un problème extrêmement complexe pour les soudures, même lorsqu’il s’agit de soudures de formes simples. Les calculs techniques sont donc souvent basés sur un grand nombre de conventions et d’hypothèses simplifiés. Dans le cadre du contrôle de résistance, les éléments soudés sont généralement considérés comme un élément compact avec une zone (section) dangereuse au niveau de la soudure. Dans l’hypothèse d’une répartition égale de la tension au niveau de la section active, seule la tension nominale théorique est établie pour la section étudiée et pour la charge donnée et ce, quelles que soient la réalisation technologique de la soudure et l’éventuelle tension intérieure. Pour les assemblages avec plusieurs soudures, on prévoit une charge identique sur chacune des soudures. Le contrôle de résistance de l’assemblage est effectué par une simple comparaison de la tension nominale calculée et de la tension de soudure admissible. La tension de soudure admissible "SwA" se détermine généralement à partir de la valeur de la limite d’élasticité du matériau de base "Re" en fonction de la sécurité exigée.

Lors du choix du coefficient de sécurité "FS", il est nécessaire d’utiliser non seulement les règles générales utilisées pour déterminer les coefficients de sécurité, mais également de considérer les paramètres spécifiques des assemblages soudés. Tous les facteurs qui n’ont pas été pris en considération lors du calcul de la tension nominale (technologie de la soudure, qualité de la soudure, tension intrinsèque, homogénéité de la soudure, forme et façonnage de la surface de la soudure, surélévation de la soudure…) devraient se refléter dans le niveau de sécurité exigé. Il est enfin nécessaire de prendre en considération la direction de la tension et les propriétés anisotropiques du matériau sur la zone de la soudure. Les différentes propriétés d’un matériau de soudage dans les sens perpendiculaire ou parallèle mènent à des différences de coefficients de sécurité en fonction du type et de la réalisation de la soudure et de la manière dont l’assemblage est soumis à contrainte. Il est donc évident que le choix correct de coefficient de sécurité est la tâche la plus difficile lors du contrôle de résistance de l’assemblage soudé. Les procédés généraux de détermination des coefficients de sécurité peuvent être trouvés dans le document "Coefficient de sûreté" et des conseils plus spécifiques relatifs aux assemblages soudés sont donnés à la fin de ce chapitre. Les méthodes détaillées de détermination de la tension nominale sont indiquées dans les paragraphes suivants pour chaque type de soudures. Soudures bout à bout. Les soudures bout à bout apparaissent dans les joints de contact à bords droits des éléments assemblés et elles s’utilisent généralement comme soudures porteuses, c’est à dire de force. Pour une réalisation parfaite, il est souvent nécessaire de faire une modification des surfaces de contact des éléments à souder. Le moyen de modification des surfaces d’assemblage est donné en fonction du type d’assemblage, de l’épaisseur des éléments soudés, du mode de soudage et de l’accès à la zone de soudage.

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Lors de la conception et du contrôle de résistance des assemblages soudés, le produit final soudé bout à bout s’analyse comme un ensemble avec une zone dangereuse au niveau de la soudure. Une caractéristique de l’assemblage élémentaire pour la détermination de sa portance sera donc la section porteuse de la soudure.

Lors du calcul des soudures bout à bout, on ne considère généralement ni le type de soudure (ajustement des surfaces soudées), ni l’éventuel calage de la soudure. La section porteuse de la soudure bout à bout n’est ensuite définie que par son épaisseur "a" et sa longueur "L". Remarque: Ce logiciel est destiné au calcul des assemblages par soudures bout à bout continues et totalement pénétrées. Les méthodes conseillées de conception pour les assemblages spéciaux (soudures partiellement pénétrées, soudures discontinues, soudures combinées) sont données à la fin de ce chapitre. Épaisseur de soudure prise en compte pour le calcul: Pour définir la section porteuse, l’épaisseur de la soudure bout à bout "a" utilisée pour le calcul est l’épaisseur la plus faible de tous les éléments soudés. Une surélévation de la surface de la soudure ou un dépassement à sa base ne sont pas considérés.

Longueur porteuse de la soudure: Sur les soudures courantes, on observe souvent l’apparition de ce que l’on pourrait appeler "des cratères finaux". Cela entraîne un affaiblissement de la section au début et à la fin de la soudure. La longueur porteuse de la soudure est alors inférieure à la longueur réelle (déduction faite de la partie initiale et de la partie finale). Pour des calculs plus précis, il est donc conseillé de vérifier la portance maximale des soudures seulement pour la partie (c'est-

4 à-dire pour la longueur) des soudures ayant le diamètre exigé. Une méthode habituelle de détermination de la longueur porteuse "L" est schématiquement illustrée pour une réalisation normale de soudure (image a) et pour une réalisation spécialement adaptée de soudure (image b).

Conseil: Ce logiciel est doté d’une fonction de calcul automatique de la longueur portante de la soudure – voir touche sur la ligne [2.6]. Calculs de la résistance des soudures: Lors du contrôle de la résistance des soudures bout à bout, il est tout d’abord nécessaire de déterminer la tension nominale dans la section porteuse de la soudure. En fonction de la charge donnée, les différents éléments de tension dans la direction perpendiculaire à la soudure (⊥) et dans la direction parallèle à la soudure (ll) sont déterminés. La tension nominale calculée ne doit pas dépasser la valeur de tension admissible.

Lors de la détermination des tensions admissibles, il est nécessaire de respecter les propriétés anisotropiques du matériau sur la zone de la soudure. Les différentes propriétés des matériaux entraînent différentes valeurs admissibles de tension de soudure dans les sens perpendiculaires et parallèles. Pour des assemblages subissant des charges combinées, la tension "équivalente" finale dans la soudure se détermine ainsi:

qui peut être modifiée comme suit pour

σll= 0:

5 Les équations utilisées pour le calcul des tensions nominales (pour la charge et la réalisation d’assemblage données) sont indiquées dans le tableau suivant: Charge Tension nominale [MPa, psi] Traction/ pression

Cisaille ment

Flexion

Flexion

Torsion

Traction

Traction/ pression

Cisaille ment

Flexion

6 Traction/ pression

Cisaille ment

Flexion

Torsion

où: a .... Épaisseur de la soudure utilisée pour le calcul [mm, in] Aw ... Surface porteuse de la section de la soudure [mm2, in2] D .... Diamètre extérieur de la soudure [mm, in]

δ .... Angle de soudure [°]

F .... Force exercée [N, lb] Fn ... Force normale [N, lb] Fs ... Force de cisaillement [N, lb] L .... Longueur porteuse de la soudure [mm, in] M .... Moment de flexion [N mm, lb in]

σ⊥ ... Tension normale perpendiculaire au sens de la soudure [MPa, psi] σll ... Tension normale parallèle au sens de la soudure [MPa, psi] T .... Moment de torsion [N mm, lb in]

τ⊥ ... Tension de cisaillement perpendiculaire au sens de la soudure [MPa, psi] τll ... Tension de cisaillement parallèle au sens de la soudure [MPa, psi] Zw ... Moment de résistance de la soudure [mm3, in3]

Assemblages avec soudures partiellement pénétrées: Les assemblages avec soudure bout à bout partiellement pénétrés sont généralement considérés comme des soudures en angles avec une épaisseur de soudure calculée (active) "a".

Une autre méthode, cependant moins adaptée, est d’effectuer le calcul habituellement réalisé pour les soudures bout à bout en utilisant une épaisseur "2a" et un niveau de sécurité adéquatement supérieur.

7 Assemblages à soudures combinées: Les assemblages combinant soudure bout à bout et soudure en angle sont généralement considérés comme des soudures bout à bout dont l’épaisseur de soudure (active) utilisée pour le calcul est "a".

L’épaisseur de soudure se détermine ainsi:

où:

Assemblages à soudures discontinues: Ce logiciel n’est pas initialement conçu pour la conception d’assemblages à soudures discontinues. Lors de leur calcul, veuillez donc procéder comme suit:

1) Décochez la touche sur la ligne [2.6]. 2) Pour les assemblages subissant une charge dans une seule direction (traction ou cisaillement), vérifiez l’assemblage pour une longueur porteuse L=L''. 3) Pour les assemblages subissant une flexion, une torsion ou une charge combinée, vérifiez l’assemblage pour une longueur complète de soudure L=L', il est alors nécessaire de multiplier le niveau de sécurité exigé de l’assemblage par le rapport des longueurs L'/L''. Recommandation: Pour les assemblages à soudures bout à bout, il n’est pas conseillé d’utiliser une soudure discontinue. Soudures en angle. Les soudures en angle se positionnent le long des angles de coin des éléments assemblés, leur profilé élémentaire est un triangle isocèle à angle droit. Elles sont généralement utilisées comme soudures porteuses, c’est à dire de force pour les assemblages en T, les assemblages en croix, les assemblages en angle et les assemblages à recouvrement. La forme des éléments soudés ne doit pas être spécialement modifiée. Pour les assemblages statiquement sollicités, on utilise généralement une soudure droite alors que pour les assemblages dynamiquement sollicités, il est préférable d’utiliser une soudure convexe qui a de plus faibles effets concaves.

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Lors du contrôle de résistance des soudures en angle, on considère le rectangle situé dans le plan central séparant le profilé de soudure en deux parties égales comme section dangereuse (porteuse) de soudure. Les dimensions d’une section porteuse d’une soudure en angle sont délimitées par son épaisseur "a" et sa longueur "L".

Remarque: Ce logiciel est destiné au calcul des assemblages avec des soudures continues en angle. Les méthodes de conception conseillées pour les assemblages à soudures discontinues ou à soudures combinées sont données à la fin de ce chapitre. Épaisseur de soudure utilisée pour le calcul: L’épaisseur de soudure en angle "a" utilisée pour le calcul est définie comme la hauteur du plus grand triangle isocèle inscrit dans la section de soudure sans bain de fusion.

Recommandation: L’épaisseur de la soudure en angle est fonction du matériau utilisé et de l’épaisseur des éléments soudés. Étant donné que la littérature donne des informations très différentes sur les épaisseurs de soudures conseillées, veuillez suivre les habitudes de votre entreprise lors du choix de l’épaisseur de la soudure. Pour établir approximativement la valeur de l’épaisseur minimum de la soudure en angle pour un acier de résistance Rm≈370..420 MPa, vous pouvez pour information utiliser l’équation suivante:

où tmin est l’épaisseur du plus faible des éléments soudés. Pour des aciers de plus forte résistance (Rm≈520 MPa), l’épaisseur de la soudure devrait approximativement être de 1 à 2 mm plus grande.

9 Longueur porteuse de la soudure: Sur les soudures courantes, on observe souvent l’apparition de ce que l’on pourrait appeler "des cratères finaux". Cela entraîne un affaiblissement de la section au début et à la fin de la soudure. La longueur porteuse de la soudure est alors inférieure à la longueur réelle (déduction faite de la partie initiale et de la partie finale). Pour des calculs plus précis, il est donc conseillé de vérifier la portance maximale des soudures seulement pour la partie (c'està-dire pour la longueur) des soudures ayant le diamètre exigé. Une méthode habituelle de détermination de la longueur porteuse "L" est illustrée sur le schéma suivant en fonction de la réalisation de la soudure.

Conseil: Ce logiciel est doté d’une fonction de calcul automatique de la longueur porteuse de la soudure: voir touche ligne [3.12] ou bien [4.12]. Recommandation: La longueur de soudure en angle devrait être comprise dans une amplitude entre 5a< L< 70a. Pour les soudures plus longues, il est plus efficace d’utiliser une soudure discontinue. Pour les soudures vraiment très longues (150a