[PDF] Conception et calcul des assemblages soudés.

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BTS CM Saint Nazaire Bureau d'étude - 1 -

Conception et calcul des assemblages soudés.

Conception et calcul des assemblages soudés.

1 Terminologie :

1.1 Epaisseur utile (ou gorge) d'une soudure : a

1.2 Longueur utile : l

2 Dispositions constructives :

Concentration de contrainte

élevée

Concentration de contrainte plus

faible

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Conception et calcul des assemblages soudés.

2.1 Prédimensionnement de la gorge d'une soudure d'angle : Steinberg-CTICM.

3 Vérification de la résistance des soudures : cas des soudures d'angle.

3.1 Etude de l'évolution de la contrainte dans un cas particulier : définition du plan

critique

Au sein du cordon de soudure, pour un effort donné, la contrainte maximale se développe sur le plan d'aire

minimale : plan critique.

Pour un cordon triangulaire, le plan critique est défini par la hauteur du triangle (gorge) et la longueur du cordon

(plan de gorge) :

BTS CM Saint Nazaire Bureau d'étude - 3 -

Conception et calcul des assemblages soudés.

3.2 Rappel du critère de Von Mises :

Il a été défini que pour un état de contraintes, la matériau a un comportement élastique tant que :σσσσ

3.3 Description normative de la résistance d'un cordon de soudure :

Application du critère de Von Mises au cas d'un cordon de soudure : 1 Revue

Construction

Métallique

RÉSISTANCE DES ASSEMBLAGES SOUDÉS

PAR CORDONS D"ANGLE

ANALYSE ÉLASTIQUE

par I. RYAN et A. BUREAU

Référence

ASS-EC3 1-99

Des cas simples d"assemblages soudés par des cordons d"angle, sous sollicitation sta-

tique, sont étudiés dans le cadre de l"application de l"EC3-DAN [1]. En premier lieu,

quelques considérations concernant le comportement de ces assemblages sont présen-

tées sur la base d"observations expérimentales. Les méthodes de vérification de la résis-

tance de cordons de soudure symétriques par rapport au plan de leur gorge sont expli-

quées, en considérant une répartition dite "élastique» de la sollicitation. L"Eurocode 3

(§6.6.4 (1)) permet également une répartition plastique qui fera l"objet d"une autre note technique. La présente note technique propose des tableaux destinés à faciliter l"application des formules pour des cas courants.

1. - RÉSISTANCE EXPÉRIMENTALE DES SOUDURES PAR CORDONS D"ANGLE

Le comportement des soudures par cordons d"angle a été observé expérimentalement. Des essais ont été réalisés sur des assemblages de plats par cordons pour différentes valeurs de l"angle entre l"axe du cordon et la direction de l"effort comme indiqué à la figure 1.

Fig. 1

Axe du cordon

de soudure N N N N N N

Cordons de soudure

Cordons frontauxCordons latéraux ou obliques

Cordon oblique

α ? 90°Cordon frontal

α = 90°Cordons latéraux

α = 0°

1

CENTRE TECHNIQUE INDUSTRIEL

DE LA CONSTRUCTION MÉTALLIQUEDomaine de Saint-Paul, 78470 Saint-Rémy-lès-Chevreuse Tél.: 01-30-85-25-00 - Télécopieur 01-30-52-75-38

Construction Métallique, n° 4-1999

I. RYAN- Ingénieur principal au CTICM

A. BUREAU- Ingénieur au CTICM

ASS-EC3 1-99

Construction Métallique, n° 4-199980

RubriqueTECHNIQUE ET APPLICATIONS

2 La résistance ultime en traction de l"acier qui constitue les plats est de 511 N/mm2[2]. Le cordon a une longueur de 50 mm et une gorge de 8 mm. La résistance en traction de la matière apportée est de 565 N/mm2.

Fig. 2

Les courbes présentées à la figure 2décrivent le comportement des assemblages pour différents angles du cordon par rapport à la direction de l"effort appliqué. La contrainte portée en ordonnée du graphe est la contrainte moyenne dans le plan de la gorge qui est calculée par : moy= où

N: effort appliqué,

a: dimension de la gorge,

Lw: longueur totale utile des cordons d"angle.

La résistance du cordon de soudure frontal (axe du cordon perpendiculaire à la direction de la charge appliquée) est plus élevée que celle du cordon latéral (axe de la soudure

parallèle à la direction de la charge appliquée). D"autres résultats confirment cette

observation et permettent d"affirmer que la résistance d"un cordon frontal est entre 1,5 et 2 fois celle d"un cordon latéral. En revanche, la ductilité du cordon frontal est limitée, la rupture ayant lieu pour une

déformation inférieure à 1 mm. Le cordon latéral présente une meilleure ductilité : la

rupture a lieu pour une déformation d"environ 2 mm. Il faut relativiser cette constatation en considérant le petit volume de matière concerné par la rupture de la soudure. Dans le cas présent, rappelons qu"il s"agit de cordons d"angle d"une dimension de gorge de 8 mm. La non-linéarité du comportement, qui se manifeste pour des niveaux de sollicitation relativement faibles, s"explique par des concentrations de contrainte à la racine et aux extrémités des soudures et par la présence de contraintes résiduelles. Si l"on peut considérer que la sollicitation principale du cordon latéral est un cisaille-

ment dans le plan de la gorge, parallèle à son axe, il est évident que l"effort appliqué au

cordon oblique ou frontal introduit un état de contraintes beaucoup plus complexe. Principalement à cause de cet état complexe, des incertitudes concernant les valeurs des caractéristiques du matériau d"apport et surtout des contraintes résiduelles dans la

N----aL

w

100200300400500600

1

2 3Déformation du cordon en mm90°

60°

30°

0°

0Contrainte moyenne dans la gorge en N/mm

2

Construction Métallique, n° 4-1999

ASS-EC3 1-99

RubriqueTECHNIQUE ET APPLICATIONS81

3 soudure, l"établissement d"un modèle de comportement s"avère délicat. À notre connaissance, aucun modèle théorique ou étude numérique ne semble actuellement être capable de reproduire d"une manière satisfaisante le comportement réel en fonc- tion du type de sollicitation et du type de cordon de soudure. C"est pour cette raison que la grande majorité des normes actuelles (norme NF P 22-470 [3], Eurocode 3, ...) s"inspirent des recommandations établies initialement par l"IIS [4]. Ces recommandations, reprises en suite par la CECM [5], ont été élaborées à la suite d"un grand programme d"essais international réalisé dans les années 1960 et 1970. Des programmes d"essais (CECA et UE) sont en cours pour étudier les soudures d"éléments

en acier à haute limite d"élasticité et en acier inoxydable et pour compléter ainsi les tra-

vaux réalisés depuis l"étude de l"IIS.

2. - CONTRAINTE EFFECTIVE DANS UN CORDON DE SOUDURE

Les conclusions principales de l"étude de l"IIS sont les suivantes :

-la résistance d"un cordon de soudure peut être établie en se référant aux contraintes

moyennes dans le plan de la gorge, malgré le fait que le plan de rupture ne soit pas forcément le plan de la gorge. Pour décrire l"état de contrainte dans la gorge d"un cordon de soudure, les contraintes suivantes sont utilisées (fig. 3): ?: contrainte normale perpendiculaire au plan de la gorge de la soudure, ?: contrainte de cisaillement dans le plan de la gorge, perpendiculaire à l"axe de la soudure, //: contrainte de cisaillement dans le plan de la gorge, parallèle à l"axe de la sou- dure.

Fig. 3

-les contraintes normales parallèles à l"axe du cordon (σ//) peuvent être négligées. Il

s"agit des contraintes normales imposées par la sollicitation des éléments attachés (les contraintes de flexion dans les soudures âme/semelle d"une poutre par exemple) et des contraintes résiduelles dues aux retraits des soudures. -la résistance à la rupture du cordon doit être vérifiée en comparant la valeur d"une contrainte effective dans la gorge de la soudure à une limite de résistance. Ce critère

est, de préférence, relatif à la résistance du matériau de base des pièces assemblées,

et non à la résistance du matériau d"apport.

Plan de la gorge

a

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RubriqueTECHNIQUE ET APPLICATIONS

4 La formule de base proposée par l"IIS pour la contrainte effective dans la soudure est : La vérification de la résistance d"un cordon de soudure en un point de la gorge où les contraintes sont calculées, consiste à satisfaire la condition suivante : w?σlim

Limite de résistance σlim

Alors que dans la norme française NF P 22-470 [3], la limite de résistance est la limite d"élasticité σ ede l"acier de base, dans l"Eurocode 3, il s"agit de la résistance ultime en traction de l"acier de base divisée par un coefficient partiel de sécurité : fu/γMw.

Coefficient γ

Dans les normes, le facteur γdans la formule de base prend des valeurs qui varient entre 1,8 et 3. Dans les règles CM 66 [6], on trouve la valeur de 1,8 alors que dans les recommandations de la CECM [5], il a été décidé de prendre la valeur de 3 afin de retrouver l"expression du critère de Von Mises. Ce dernier choix est plus pénalisant pour les contraintes de cisaillement. La valeur de 3 a été adoptée dans la norme NF P 22-470 et dans l"Eurocode 3.

Coefficient βw

Le coefficient βw(désigné par Kdans la norme NF P 22-470) a une valeur qui dépend de la nuance de l"acier de base et varie de 0,7 à 1,0. Ce facteur tient compte du fait que la formule est sensée représenter la valeur de la contrainte de calcul à la rupture dans la

soudure tandis que le critère de résistance utilisé est relatif à la résistance du matériau

de base.

Une électrode bien adaptée au matériau de base garantit une résistance ultime du maté-

riau d"apport qui est sensiblement plus grande que celle de l"acier des pièces assem- blées. Néanmoins, la valeur du rapport entre ces deux résistances diminue lorsque la résistance du matériau de base augmente. Par conséquent, et compte tenu que la ducti- lité est plus faible pour les aciers plus résistants, les valeurs adoptées pour β waugmen- tent avec la résistance de l"acier de base. En conséquence, l"expression de base du critère de vérification de l"Eurocode 3 pour un cordon de soudure est la suivante (cf. Annexe Mde l"Eurocode 3) : Toutefois, l"Eurocode 3 exige une condition supplémentaire : fuσ??----γ Mw wγMw

Construction Métallique, n° 4-1999

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RubriqueTECHNIQUE ET APPLICATIONS83

5 L"EC3-DAN (§6.1.1 (2)I et §6.6.5.3 (5)) et l"Annexe Dpour les aciers S420 et S460 fixent les valeurs du facteur de corrélation β wet du coefficient partiel de sécurité γMwcomme suit :

TABLEAU 1

Application aux cas représentés à la figure1 Pour les géométries représentées à la figure 1, nous pouvons exprimer les composantes de la contrainte induite par l"effort

NSddans la gorge du cordon de soudure. Rappelons

qu"il s"agit de cordons de soudure symétriques par rapport au plan de la gorge. //= (cos α)

Fig. 4

Lw: longueur utile totale des cordons

(voir définition de la longueur utile : EC3 §6.6.5.1),

NSd: effort axial de calcul,

L"expression de la contrainte effective devient alors : En appliquant le critère de résistance de l"Eurocode 3,

NSd?NRd

À condition que σ??fu/γMw, on peut en déduire l"effort normal résistant de calcul :

NRd= (Lwa) ,

et la résistance par unité de longueur :

Fw.Rd= = a fvw.d= a? ?

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