metaalmagazine 1 200710 www.metaalmagazine.nl

verbinden

A. M. Gresnigt en T. Luijendijk, TU Delft

In auto's worden veel

hoeklassen gelegd

(foto: EWM)

Nieuwe ontwerpregels hoeklassenHogesterktestalen met rekgrenzen van 420 MPa tot 700 MPa vinden meer en meertoepassing voor de bouw van onder anderebruggen, kranen en schepen. Toepassingvan deze materialen leidt tot constructiesmet een lager gewicht en/of hogere belast-baarheid. In gelaste constructies komenveel hoeklassen voor. Voor het berekenenvan de sterkte van deze hoeklassen moetende daarvoor gebruikte codes aangepastworden daar dit anders tot veel te zwarehoeklassen zou leiden. Een ander probleemis dat het gebruik van undermatchinglastoevoegmateriaal niet is voorzien, terwijldeze bij hoge sterkte staalsoorten veelvul-dig worden toegepast. In een serie van drieartikelen wordt ingegaan op de standaardberekening van de sterkte van hoeklassenen worden de wijzigingen voor het bereke-nen van de hoeklassen in hoge sterkte staaltoegelicht en wordt eveneens een vergelij-king getrokken met buitenlandse normen.

voor het lassen van hogesterktestaal

In gelaste constructies kunnen hoek-lassen en stompe lassen worden toege-past. Stompe lasverbindingen in eenstaalconstructie zoals V-, U- en X-naden hoeven niet berekend te wor-den omdat ze bij een correcte lasuit-voering sterker zijn dan de aangeslo-ten plaat. Dit wordt bereikt doorlastoevoegmateriaal te kiezen dat ster-ker is dan het basismateriaal (overmat-ching). Toelaatbare lasonvolkomenhe-den hebben bij statische belastingweinig invloed op de sterkte van deverbinding. Essentiële voorwaardedaarbij is dat het lasmetaal en de

omgeving van de las voldoende taaizijn. Een gunstige factor daarbij is deoverdikte van de las. Bij een stompe lasverbinding wordtmeestal een volledige doorlassinggeëist. Om dit te realiseren moet delasnaad een bepaalde vooropeninghebben, waarbij vaak wordt gebruik-gemaakt van onderlegstrips. Bij grote-re plaatdikten wordt van twee zijdengelast (laag-tegenlaag) als de construc-tie dit toelaat. Stompe lasverbindingenzijn om die redenen relatief dure las-verbindingen.Een hoeklasverbinding is meestal veel

gemakkelijker te realiseren dan eenstompe lasverbinding en veel con-structies worden bijna uitsluitend uithoeklasverbindingen opgebouwd.Voor de berekening van hoeklasverbin-dingen zijn in de loop van de tijd ver-schillende semi-empirische methodenontwikkeld. Dat wil zeggen dat naasttheoretische beschouwingen gebruikis gemaakt van beproevingsresultaten.De werkelijk optredende spannings-verdeling c.q. rekverdeling in eenhoeklas is onder de verschillendemogelijke combinaties van belastin-gen moeilijk te bepalen. Zelfs als de

07mek001z010.ps 23-01-2007 15:53 Pagina 10

ste doorsnede van de las werken,figuur 1a, maar ook in het vlak van dekleinste lasdoorsnede, figuur 1b.

Figuur 1. Proeven waarbij hoeklassen onder verschil-

lende richtingen zijn belast.

In figuur 2 is aangegeven wat onderde kleinste doorsnede van de las, dezogenoemde a-hoogte wordt verstaanvoor vier typen hoeklassen. Bij hetonderpoederlassen is de inbrandings-diepte groter dan bij het lassen metbeklede elektrode en bij het MAG-las-sen met massieve en gevulde draad.Om die reden kan bij het onderpoe-derlassen met een a-hoogte gerekendworden die 20% of maximaal 2 mmgroter is dan de theoretische lengteCO, zie de onderste rechter figuur.

metaalmagazine 1 2007www.metaalmagazine.nl 11

rekverdeling wel bekend zou zijn, danbestaat er nog geen voldoend betrouw-baar breukcriterium om de bezwijkbe-lasting op volledig theoretische wijzevast te stellen. Een ander probleem is,dat in de omgeving van de las er aller-minst sprake is van homogene mate-riaaleigenschappen. De las heeft eenheel andere structuur dan de warmte-beïnvloede zone (WBZ) en de struc-tuur van de WBZ verschilt weer vandie van het basismateriaal. Voor deberekening van hoeklassen is daaromgekozen voor vereenvoudigde reken-methoden voor de spanningen, waar-bij door vergelijking met proefresulta-ten factoren zijn toegevoegd omveilige lasconstructies te kunnen ont-werpen.

Rekenregels voor staalsoorten tot en met S355Rekenregels voor soorten construc-tiestaal met een 0,2 % rekgrens tot 355 MPa zijn opgenomen in NEN 2062: “Booglassen - Het bereke-nen van gelaste verbindingen in onge-legeerd en zwakgelegeerd staal tot enmet Fe 510 (Fe 52) die overwegend sta-tisch worden belast” [2]. NEN 2062 isin 1977 gepubliceerd en is gebaseerdop de in 1976 gepubliceerde aanbeve-lingen van het International Instituteof Welding (IIW) [1]. Vanaf het begin van de jaren tachtig isin Europees verband gewerkt aan deharmonisering van de voorschriftenvoor bouwconstructies. De voorschrif-ten voor het berekenen van staalcon-structies zijn weergegeven inEurocode 3. In het begin van de jaren1990 is Eurocode 3 gepubliceerd alsEuropese Voornorm (ENV, [6]) met hetdoel er ervaring mee op te doen. Eindjaren 1990 is begonnen met hetomzetten van de ENV’s naar Europesenormen (EN). Recent zijn de eerstedelen van de nieuwe Eurocode 3 gepu-bliceerd (EN 1993 serie, waarbij 1993een volgnummer is en geen jaartal).Zie bijvoorbeeld [7], [8] en [9].

Eurocode 3De Eurocode 3 bevat aangepaste regelsvoor het berekenen van hoeklassen.Ten opzichte van NEN 2062 geven derekenregels in de Eurocode 3 kleinerelasafmetingen (a-hoogte). De ENV ver-sie [6] bevat in de hoofdtekst rekenre-gels voor staalsoorten tot en met S355,terwijl in een aparte Annex D rekenre-

gels zijn opgenomen voor de staalsoor-ten S420 en S460. In de nieuwe EN ver-sie is het toepassingsgebied in dehoofdtekst (EN1993-1-1 [7] en [8]) uitge-breid tot S460, terwijl in een apartdeel (EN1993-1-12 [10]) rekenregelszijn opgenomen voor hogere sterktestaalsoorten tot S700. De in Eurocode 3 gewijzigde opzetvoor het berekenen van hoeklassen isovergenomen in de TGB-Staalconstruc-ties: NEN 6770 [4] en NEN 6772 [5].Voor staalsoorten tot en met S355geven de rekenregels in NEN 6770 en6772 kleinere lasdikten dan de reken-regels in NEN 2062 (5% tot 7%, afhan-kelijk van de staalsoort). Voor S420 enS460 bevat de TGB-Staalconstructiesgeen rekenregels. Voor die staalsoortenwordt verwezen naar de Eurocode 3.Voor de staalsoorten S420 en S460 kantoepassing van de rekenregels vanEurocode 3 tot wel erg dikke hoeklas-sen leiden. Andere normen, bijvoor-beeld de Amerikaanse [13] geven vaakaanzienlijk kleinere lasdikten. Ook deberekeningsmethoden zijn dan vaakanders. Zo wordt in bijvoorbeeld deAmerikaanse normen de sterkte vanhet toevoegmateriaal direct in de bere-kening van de a-hoogte van de lassenmeegenomen terwijl dit in Eurocode 3indirect wordt gedaan.In Eurocode 3 wordt voor staalsoortentot en met S460 overmatching toevoeg-materiaal voorgeschreven. In anderenormen wordt ook undermatchingmateriaal toegestaan. Deze laatstebenadering biedt de constructeurmeer mogelijkheden om door een opti-male keuze van basismateriaal, lastoe-voegmateriaal en lasparameters aan deeisen voor taaiheid en sterkte te vol-doen. Het verdient dus aanbevelingonderzoek te doen naar de mogelijk-heid de in Eurocode 3 opgestelde ont-werpregels te modificeren voor destaalsoorten met een verhoogde rek-grens. In Eurocode 3 deel 1-12 (EN1993-1-12 [10]) zijn de rekenregels voor delasberekening aangepast en wordenregels gegeven voor de sterktebereke-ning bij undermatched lasmetaal.

De kritieke doorsnede bij hoeklassenEen hoeklas kan op verschillendemanieren belast worden. Uit proevenis gebleken dat de richting van hetbreukvlak afhankelijk is van de rich-ting waarin de hoeklas wordt belast.De kracht kan loodrecht op de klein-

H o e k l a s v e r b i n d i n g e n

Dit is het eerste artikel in een serie van drie over het ont-werpen en berekenen van hoeklasverbindingen. In diteerste artikel wordt de opzet van de berekening behan-deld. In het tweede deel over het berekenen van hoek-lassen zullen de rekenregels volgens Eurocode 3 wordenbesproken en in het derde deel zal een vergelijking wor-den gemaakt met andere (buitenlandse) normen.

A a n d u i d i n g e n c o n s t r u c t i e s t a a l s o o r t e n

De aanduiding van de constructiestaalsoorten is in deloop der jaren veranderd. Aanvankelijk werd de trek-sterkte van het materiaal gebruikt om een construc-tiestaal aan te duiden; bijvoorbeeld St37 voor een con-structiestaal met een treksterkte van 37 kgf/mm2. Metde overgang van kgf naar Newtons veranderde de aan-duiding van St37 in Fe360; treksterkte gelijk aan 360 N/mm2 of 360 MPa (Mega Pascal). In de meestrecente norm voor constructiestaalsoorten NEN-EN 10025 worden de staalsoorten aangeduid methun 0,2% rekgrens, in de praktijk ook wel vloeigrensgenoemd, en wordt hoofdletter S (structural steel)gebruikt. St37 is nu S235 geworden en St52 of Fe 510wordt nu aangeduid met S355. Op veel constructieteke-ningen wordt een constructiestaal als S355 of metEH36 aangeduid. Voor een quenched en temperedstaalsoort met een rekgrens van 690 MPa wordt ooknog steeds de codering QStE690 gebruikt.

07mek001z011.ps 23-01-2007 15:53 Pagina 11

β σ⊥ σ⊥2+ 3 τ⊥

2+ τ //2( ) ≤= σeσcl ≤ σe

β σ⊥ σ⊥2+ 3 τ⊥

2+ τ //2( ) ≤ σc ≤ σc

Figuur 2. Definitie van maatgevende doorsnede: de

lasdikte 'a' (a-maat)

Definitie van spanningen in de keeldoor-snede van de hoeklasIn figuur 3 is de keeldoorsnede vaneen hoeklas getekend met daarop demogelijk werkende krachten en span-ningen. Staat de spanning loodrechtop de keeldoorsnede dan wordt dezevoorzien van de index �, dus ��.Werkt een schuifspanning loodrechtop de wortellijn (en dus in het vlakvan de keeldoorsnede) dan wordt even-eens de index � toegevoegd, dus ��.Voor een schuifspanning evenwijdigaan de wortellijn wordt de index // toe-gevoegd, dus �//. Voor de berekening van de las mogende normaalspanningen �// verwaar-loosd worden. De doorsnede van de lasis namelijk altijd relatief klein tenopzichte van de doorsnede van de ver-bonden delen. Bij vloeien van de laskan de kracht door �// worden overge-nomen door het moedermateriaal inde omgeving van de las.

IIW aanbevelingen voor het berekenenvan hoeklassenVoor het berekenen van hoeklassenheeft het IIW (International Instituteof Welding) in 1976 aanbevelingengepubliceerd [1] die het resultaatwaren van langjarig internationaalonderzoek. De IIW aanbevelingen zijnvan toepassing voor staalsoorten meteen nominale treksterkte tot 600 MPa.Verder geldt dat de verhouding tussenrekgrens (0,2 % rekgrens) en treksterk-te maximaal 0,8 mag bedragen en datde breukrek groter dan 12 % moetzijn. Ook voor de uitvoering van de lasver-binding worden in de IIW aanbevelin-gen voorwaarden gesteld. Voor de berekening van hoeklassen isde zogenoemde �-formule opgesteld.

en

Hierin is �c de toelaatbare spanning inhet plaatmateriaal. De spanningen ��,�� en �// zijn spanningen die op dekeeldoorsnede werken, zie figuur 3.Bij proeven is gebleken dat de breuk inde buurt van de keeldoorsnedeoptreedt, zie figuur 4. In berekenin-gen wordt de keeldoorsnede als kritie-ke doorsnede beschouwd.De waarde van � is bepaald doormiddel van een statistische evaluatievan de in een internationale proeven-serie verkregen proefresultaten. In defactor � is in de eerste plaats het ver-schil in sterkte tussen het lasmetaalen het moedermateriaal in rekeninggebracht. Bij een materiaal zoals Fe 510 is het verschil in sterkte tussenhet lasmetaal en het plaatmateriaalkleiner dan bij Fe 240. Daarnaast is �zodanig vastgesteld dat het gewensteveiligheidsniveau werd bereikt (de sta-tistische evaluatie). � = 0,70 voor Fe E 240 (Fe 360)� = 0,85 voor Fe E 360 (Fe 510)

NEN 2062In 1977 is NEN 2062 [2] gepubliceerd.Dit voorschrift behandelt het bereke-nen van gelaste verbindingen in onge-legeerd en zwakgelegeerd staal tot enmet Fe 510 (St 52) die overwegend sta-

tisch worden belast. In tegenstellingtot vele landen, zijn in Nederland deIIW aanbevelingen overgenomen (inNEN 2062).Volgens art. 5.4 van NEN 2062 geldt:

en

De waarden voor � zijn gelijk aan diein de IIW aanbevelingen. De grootheid�cl is de vergelijkingsspanning in delas (c = comparison). In NEN 2062wordt voor de vloeigrens de aandui-ding �e gebruikt. Waar in de IIW aanbevelingen wordtgesproken over toelaatbare spanning,wordt in NEN 2062 de vloeigrensgebruikt. Dit sluit aan bij de omscha-keling naar het rekenen met rekenbe-lastingen en het toetsen van de con-structie op de relevante bezwijkvor-men. Nederland heeft deze methodeals een van de eerste landen ingevoerdin 1972 in de TGB Staalconstructies 5en 6. Naast de methode om de sterkte vanhoeklassen te toetsen bevat NEN 2062ook veel aanwijzingen voor de aanpakvan de berekening van samengesteldehoeklassen. Veel artikelen zijn voor-zien van een leerzame toelichting enin de bijlage zijn verschillende reken-voorbeelden gegeven. ■

verbinden

metaalmagazine 1 200712 www.metaalmagazine.nl

[1] Design for arc-welded con-nections in steel submitted tostatic loads. Welding in theworld, Volume 14, no 5/6,1976.[2] NEN 2062 (1977).Booglassen. Het berekenenvan gelaste verbindingen inongelegeerd en zwakgelegeerdstaal tot en met Fe 510 (Fe 52)die overwegend statisch wor-den belast.[3] NEN 2063 (1988).Booglassen. Op vermoeiing belaste construc-ties. Het berekenen van gelasteverbindingen in ongelegeerdstaal en zwakgelegeerd staattot en met Fe 510 (Fe 52).[4] NEN 6770. Technischegrondslagen voor bouwcon-structies TGB 1990 -Staalconstructies - Basiseisenen basisrekenregels voor over-wegend statisch belaste con-structies.[5] NEN 6772. Technischegrondslagen voor bouwcon-structies TGB 1990 -Staalconstructies -Verbindingen.[6] ENV 1993-1-1:1995.Eurocode 3, Design of SteelStructures, General rules andrules for buildings.[7] EN 1993-1-1: 2005,Eurocode 3, Design of SteelStructures : General rules andrules for buildings.[8] EN1993-1-8: 2005,Eurocode 3, Design of steelstructures, Design of joints.[9] EN1993-1-9: 2005,Eurocode 3, Design of steelstructures, Fatigue.[10] EN1993-1-12: 2007,Eurocode 3, Design of SteelStructures: Supplementary rulesfor high strength steel.[11] Gresnigt, A.M. Berekeningvan hoeklassen volgensEurocode nr. 3, NEN 6770 enNEN 6772, Lastechniek, jaar-gang 57, november 1991, pag.381-388.[12] Gresnigt A.M. Update ondesign rules for fillet welds. 3rdEuropean Conference on SteelStructures September 19-20,2002, Coimbra, Portugal.[13] Specification for StructuralSteel Buildings, AmericanInstitute of Steel Construction,Chicago, March 9, 2005 (kanworden "gedownload" van dewebsite van AISC: ziewww.aisc.org).[14] American Welding Society,Structural Welding Code - Steel,AWS D1.1, Miami, USA.

R E F E R E N T I E SWW' = wortellijn

ABB'A' = lasoppervlak

AWW'A' = flankoppervlak

BWW'B' = flankoppervlak

CWW'C' = keeldoorsnede door de

wortellijn en loodrecht

op het lasoppervlak

CW=CW' = lasdikte (= a)

WW' = laslengte (l)

In deze figuur is:

�� = normaalspanning loodrecht op de keeldoorsnede

�� = schuifspanning in de keeldoorsnede loodrecht op de wortellijn

�// = schuifspanning in de keeldoorsnede evenwijdig aan de wortellijn

Figuur 3. Keeldoorsnede van een hoeklas met

de mogelijk daarop werkende spanningen

Figuur 4. Beproeving van een kophoeklasverbinding in S460 voor en na de trekproef

07mek001z012.ps.01 24-01-2007 10:02 Pagina 12