Calcul des contraintes dans les joints de soudure d’angle et de soudure bout à bout

Contrainte dans les soudures d’angle

La contrainte dans les soudures d’angle doit être considérée comme un cisaillement appliqué à la surface efficace pour n’importe quelle direction de la charge appliquée. Dans une soudure d’angle, la contrainte est supportée par la gorge, a, il est donc supposé que les soudures d’angle échouent toujours à travers la gorge car pendant l’application de la charge, la gorge est la plus petite section qui supporte cette charge et donc la contrainte est à son maximum. niveau maximal dans cette zone. Le résultat des calculs de conception pour une soudure d’angle donnerait la taille de la gorge.

De manière simplifiée, la contrainte dans la gorge de soudure peut être calculée par l’équation suivante :

Contrainte = Charge, P/ Longueur, L x Gorge, a

Cette équation est également valable pour les soudures d’angle sous cisaillement, comme dans la figure ci-dessous.

Souvent, lorsque les tailles des soudures d’angle sont calculées, elles sont principalement soumises au cisaillement. Les contraintes de cisaillement admissibles ou de conception sur la zone de la gorge de soudure sont appliquées. Certains codes spécifient ces valeurs en fonction de l’électrode de soudage, mais en l’absence de telles informations, ½ limite d’élasticité du matériau de base est supposée être la contrainte de cisaillement de conception (par rapport à ⅔ limite d’élasticité pour la contrainte de traction axiale de conception). Cette valeur de contrainte de cisaillement de conception prend en considération la plus grande sensibilité à la fissuration à froid montrée par les soudures d’angle en raison de l’augmentation de l’épaisseur combinée (voir module MAB) ainsi que l’effet du manque naturel de pénétration présent à la racine du joint.

Dans certaines normes telles que AWS D1.1 : « Code de soudage structurel », American Welding Society, 2008, la longueur de jambe z peut être utilisée comme paramètre de conception. Dans une soudure d’angle à onglet , la relation entre la gorge et la jambe est :

calcul de la gorge a à la taille des jambes z
Relation entre la taille de la gorge, a et la longueur des jambes, z

Comment calculer la contrainte de cisaillement dans une soudure d’angle

Les soudures d’angle sont conçues pour les contraintes de cisaillement. Si la charge appliquée n’est pas parfaitement perpendiculaire à la soudure d’angle, la soudure est en contrainte de cisaillement et sa capacité de charge est fortement réduite. Pour cette raison, lors de la conception des soudures, nous supposons toujours que la soudure sera chargée en cisaillement, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Ici, la charge appliquée est parallèle aux soudures. Les forces de tension tirent les éléments joints dans des directions opposées, et la zone de soudure résultante est soumise à une contrainte de cisaillement similaire à un joint à recouvrement. Dans un composant de charge de cisaillement soudé, les propriétés de traction du fil de soudage ou de l’électrode ne peuvent pas être prises en compte. car la résistance à la traction est réduite d’un facteur (généralement réduite de 70 %) afin d’assurer la sécurité. Comme spécifié dans AWS D1.1, la résistance à la traction minimale du métal fondu est multipliée par 0,30 pour obtenir la contrainte de cisaillement admissible sur la soudure, comme indiqué dans l’équation ci-dessous :

contrainte admissible, F v = 0,30 F EXX (1,0 + 0,50 sin 1,5 θ )

v = contrainte unitaire admissible
Exx = numéro de classement de l’ électrode, à savoir, la classification de la force d’électrode
θ = angle entre la direction de la force et l’axe de la soudure élément, degrés

En considérant le facteur de sécurité ci-dessus dans notre calcul de contrainte où les contraintes sont des contraintes de cisaillement, et non des contraintes de traction, nous pouvons voir :

Contrainte de cisaillement admissible sur une soudure

Où,

τ est la contrainte de cisaillement maximale autorisée dans la soudure,

F est la capacité de charge de la soudure en lbf

 est la surface efficace de la soudure

  Supposons qu’une soudure de 10 pouces de longueur à deux endroits des deux côtés soit réalisée avec une électrode de soudage E7018 ayant une résistance à la traction minimale de 70 000 psi, comme indiqué ci-dessous. 

Ainsi, la contrainte de cisaillement admissible pour les soudures sera = 70 000 psi x 0,30 = 21 000 psi. (une réduction de 70%)

Si la taille des soudures est de 1/2 pouce, comme indiqué dans les congés de longueur de jambe de la figure ci-dessus, la résistance au cisaillement (capacité de charge) des soudures sera :

Formule de force pour la contrainte de cisaillement

comme calculé précédemment, la contrainte de cisaillement admissible est de 70 000 x 0,30 = 21 000 psi. 

Pour obtenir  A  (surface effective de la soudure), nous devons d’abord convertir la longueur de jambe en taille de gorge. comme nous le savons a = zx 0,707, nous devons donc multiplier la longueur de la jambe par (1/2 x 0,707 = 0,3535 pouces) par la longueur (10 pouces) par 2 soudures.

La surface effective de la soudure totale sera de : 10 po x 0,3535 po x 2 = 7,07 po²  .

Nous pouvons maintenant résoudre pour  F .

F  = 21 000 x 7,07 =  148 470 lbf

Parce que les soudures ont été placées parallèlement à la charge appliquée, la force admissible est 70 % inférieure à celle si nous avions placé les soudures perpendiculairement à la charge appliquée.

Calcul de la contrainte de soudure d’angle admissible alternative

Pour une soudure d’angle linéaire unique ou des groupes de soudures d’angle constitués de soudures d’angle linéaires parallèles, toutes chargées selon le même angle et chargées dans le plan passant par le centroïde du groupe de soudures, la
contrainte admissible peut être déterminée par la formule :
v = 0,30 F EXX ( 1,0 + 0,50 sin 1,5 θ )

v = contrainte unitaire admissible
Exx = numéro de classification de l’électrode, c’est-à-dire, classification de la résistance de l’électrode
θ = angle entre la direction de la force et l’axe de l’élément de soudage, degrés

Relation entre la longueur des jambes z et la taille de la gorge a

La taille ‘a’ est calculée à partir du coin précédent de la pièce avant soudage jusqu’au 45° créé au milieu du cordon de soudure. La paroi latérale – la connexion entre le cordon de soudure et le matériau de base est appelée – « z ». La taille ‘a’ n’est rien de plus que l’hypoténuse d’un triangle isocèle.

Pour une soudure d’angle avec des longueurs de jambe égales, le triangle de section transversale est un triangle à angle droit avec des angles de 45 degrés dans chaque coin. La relation entre la gorge de soudure, a et la longueur de jambe z est donnée par :
a 0,7z et z 1,4 a
(Pour les matheux, 0,7 est 1/√2 et 1,4 est √2).

Le croquis ci-dessous donne le calcul des différentes contraintes dans les soudures.