เครื่องคำนวณกำลังรับแรงของรอยเชื่อมฟิลเลท

คำนวณกำลังรับแรงของรอยเชื่อมฟิลเลทอย่างไร?

รอยเชื่อมฟิลเลทรับน้ำหนักบรรทุกผ่านความหนาคอรอยเชื่อมประสิทธิผล — ระยะที่สั้นที่สุดจากรากของรอยต่อไปยังผิวหน้ารอยเชื่อม สำหรับรอยเชื่อมฟิลเลทขาเท่ากัน ความหนาคอรอยเชื่อมเท่ากับ 0.707 × ขนาดขารอยเชื่อม เพราะความหนาคอรอยเชื่อมคือความสูงของสามเหลี่ยมมุมฉาก 45° พื้นที่รับแรงเฉือนของรอยเชื่อมคือความหนาคอรอยเชื่อมคูณด้วยความยาวประสิทธิผลและจำนวนรอยเชื่อม

การออกแบบด้วยหน่วยแรงที่ยอมให้ (AISC ASD) จำกัดหน่วยแรงเฉือนบนความหนาคอรอยเชื่อมไว้ที่ 0.30 × FEXX โดย FEXX คือกำลังรับแรงดึงต่ำสุดของลวดเชื่อม ดังนั้นลวดเชื่อม E70 (FEXX = 483 MPa / 70 ksi) จึงยอมให้แรงเฉือน 0.30 × 483 ≈ 145 MPa (21 ksi) การคูณหน่วยแรงที่ยอมให้ด้วยพื้นที่ความหนาคอรอยเชื่อมจะได้กำลังรับน้ำหนักของรอยเชื่อม

อัตราการใช้งานคือน้ำหนักบรรทุกที่กระทำหารด้วยกำลังรับน้ำหนักนั้น: ต่ำกว่า 1.0 หมายถึงรอยเชื่อมเพียงพอ สูงกว่า 1.0 หมายถึงรับแรงเกินกำลัง เครื่องคำนวณยังแก้ปัญหาย้อนกลับด้วย — ขนาดขารอยเชื่อมขั้นต่ำที่ต้องใช้เพื่อรับน้ำหนักบรรทุกที่กำหนด — เพื่อให้คุณกำหนดขนาดรอยเชื่อมได้โดยตรงแทนที่จะเดาแล้วตรวจสอบ

Formula: t = 0.707 × leg Aw = t × L × n Fw = 0.30 × FEXX Pallow = Fw × Aw util = P / Pallow

ตัวอย่างการคำนวณ

รอยเชื่อมฟิลเลทขาเท่ากัน 6 mm ยาว 100 mm เชื่อมชั้นเดียว ลวดเชื่อม E70 ความหนาคอรอยเชื่อม = 0.707 × 6 = 4.24 mm; พื้นที่ = 4.24 × 100 = 424 mm² หน่วยแรงเฉือนที่ยอมให้ = 0.30 × 483 = 145 MPa ดังนั้นกำลังรับน้ำหนัก = 145 × 424 ≈ 61.5 kN แรงเฉือน 50 kN ให้อัตราการใช้งาน 50/61.5 ≈ 0.81 (81%) — เพียงพอ

เมื่อใดควรใช้เครื่องคำนวณนี้

• กำหนดขนาดรอยเชื่อมฟิลเลทสำหรับแบร็กเก็ต, แผ่นเสริม (gusset) หรือหูยึด (lug) ที่รับแรงเฉือนที่ทราบค่า และต้องการหาขนาดขารอยเชื่อมและความยาว
• ตรวจสอบว่ารอยเชื่อมที่มีอยู่เพียงพอหรือไม่ — กรอกรูปทรงและน้ำหนักบรรทุกเพื่ออ่านอัตราการใช้งานได้โดยตรง
• เปรียบเทียบประเภทลวดเชื่อม (E60 ถึง E110) เพื่อดูว่าลวดเชื่อมที่มีกำลังสูงขึ้นเพิ่มกำลังรับน้ำหนักได้เท่าใดสำหรับขนาดรอยเชื่อมเดียวกัน
• หาขนาดขารอยเชื่อมขั้นต่ำสำหรับน้ำหนักบรรทุกเพื่อไม่ให้เชื่อมเกินความจำเป็น (ขารอยเชื่อมที่เกินสิ้นเปลืองลวดเชื่อม, เวลา และปริมาณความร้อนที่ป้อน)
• ตรวจสอบหน่วยแรงที่ยอมให้อย่างรวดเร็วระหว่างการระบุสัญลักษณ์รอยเชื่อมหรือการตรวจแบบก่อสร้างก่อนทำ FEA แบบละเอียด

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่ควรหลีกเลี่ยง

• ใช้ขนาดขารอยเชื่อมเป็นมิติรับน้ำหนัก — กำลังรับน้ำหนักกำหนดโดยความหนาคอรอยเชื่อม 0.707 × leg ไม่ใช่ตัวขารอยเชื่อมเอง การกำหนดขนาดจากขารอยเชื่อมทำให้ประเมินกำลังสูงเกินไปประมาณ 41%
• สมมติว่าครอบคลุมโลหะฐานแล้ว — นี่เป็นการตรวจสอบเฉพาะโลหะเชื่อมเท่านั้น แผ่นเหล็กที่เชื่อมต่อต้องตรวจสอบแยกต่างหากสำหรับการวิบัติด้วยแรงเฉือนและแรงดึง
• ใส่ค่าเพิ่มตามทิศทางแนวขวาง — v1 ใช้ค่าตามแนวยาวแบบระมัดระวัง 0.30 × FEXX อย่าเพิ่มตัวประกอบ 1.5× เว้นแต่คุณได้ตรวจสอบแล้วว่าน้ำหนักบรรทุกเป็นแนวขวาง
• สับสนระหว่างความยาวรอยเชื่อมรวมกับจำนวนรอยเชื่อม — กรอกความยาวประสิทธิผลทั้งหมดและจำนวนรอยเชื่อมแยกกัน ไม่ใช่ความยาวด้านเดียวคูณสองหากคุณได้รวมไว้แล้ว
• ละเลยการลดความยาวประสิทธิผล — รอยเชื่อมที่ยาวมาก, การเชื่อมย้อนปลาย (end return) และหลุมเริ่ม/หยุด (crater) ลดความยาวประสิทธิผล ให้ใช้ความยาวประสิทธิผลตามที่ AWS D1.1 ยอมให้ ไม่ใช่ความยาวตามแบบ

วิธีตีความผลลัพธ์

• อัตราการใช้งานต่ำกว่า 100% หมายถึงรอยเชื่อมเพียงพอตาม ASD; ยิ่งต่ำมากเท่าใด ยิ่งมีกำลังสำรองมากขึ้นต่อการรับน้ำหนักเกิน, ความล้า และความแปรผันของคุณภาพ
• อัตราการใช้งานที่ 100% หรือสูงกว่าหมายถึงรอยเชื่อมรับแรงเกินกำลัง — ให้เพิ่มขนาดขารอยเชื่อม, เพิ่มความยาวรอยเชื่อม หรือระบุลวดเชื่อมที่มีกำลังสูงขึ้นจนกว่าจะลดลงต่ำกว่า 1.0
• น้ำหนักบรรทุกที่ยอมให้ (กำลังรับน้ำหนัก) คือแรงเฉือนสูงสุดที่รอยเชื่อมนี้รับได้ตาม ASD; เปรียบเทียบกับน้ำหนักบรรทุกที่คูณตัวประกอบหรือน้ำหนักบรรทุกใช้งานตามพื้นฐานการออกแบบของคุณ
• ขารอยเชื่อมขั้นต่ำที่ต้องใช้คือรอยเชื่อมฟิลเลทขาเท่ากันที่เล็กที่สุดที่รับน้ำหนักบรรทุกที่กระทำได้ — ปัดขึ้นเป็นขนาดรอยเชื่อมมาตรฐานแล้วตรวจสอบซ้ำ เนื่องจากขารอยเชื่อมฟิลเลทระบุเป็นมิลลิเมตรเต็มหรือครึ่งมิลลิเมตร
• ความหนาคอรอยเชื่อมประสิทธิผลและพื้นที่คือรูปทรงที่กำลังได้มาจากนั้น; หากดูผิดปกติ ให้ตรวจสอบขนาดขารอยเชื่อมและว่าคุณกรอกความยาวรวมของรอยเชื่อมทั้งหมดหรือไม่

มาตรฐานและเอกสารอ้างอิงที่เกี่ยวข้อง

• AWS D1.1/D1.1M — Structural Welding Code — Steel (กำลังรอยเชื่อมฟิลเลทและความหนาคอรอยเชื่อมประสิทธิผล)
• AISC 360 — Specification for Structural Steel Buildings, Chapter J2 (การออกแบบรอยเชื่อม, ASD และ LRFD)
• AISC Steel Construction Manual — Part 8, ตารางกำลังรอยเชื่อมและตัวอย่างการคำนวณ
• AWS A5.1 / A5.5 — ข้อกำหนดโลหะเติมที่นิยาม FEXX ของลวดเชื่อมประเภทต่าง ๆ (E60–E110)

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมความหนาคอรอยเชื่อมจึงเท่ากับ 0.707 เท่าของขนาดขารอยเชื่อม?

รอยเชื่อมฟิลเลทขาเท่ากันมีหน้าตัดเป็นสามเหลี่ยมที่มีขาสองข้างเท่ากันมาบรรจบกันที่มุม 90° ความหนาคอรอยเชื่อมประสิทธิผลคือระยะตั้งฉากจากมุมรากไปยังด้านตรงข้ามมุมฉาก (ผิวหน้ารอยเชื่อม) ซึ่งสำหรับสามเหลี่ยมมุมฉาก 45° จะเท่ากับ leg × sin(45°) = leg × 0.707 น้ำหนักบรรทุกถูกสมมติว่าเฉือนผ่านระนาบความหนาคอรอยเชื่อมนี้ ดังนั้นสิ่งนี้ — ไม่ใช่ขารอยเชื่อม — เป็นตัวกำหนดกำลังของรอยเชื่อม

ค่าที่ยอมให้ 0.30 × FEXX มาจากไหน?

การออกแบบด้วยหน่วยแรงที่ยอมให้ของ AISC (ASD) กำหนดหน่วยแรงเฉือนที่ยอมให้บนความหนาคอรอยเชื่อมไว้ที่ 0.30 เท่าของกำลังรับแรงดึงต่ำสุดของลวดเชื่อม FEXX ค่านี้รวมกำลังรอยเชื่อมระบุ (0.60 × FEXX) เข้ากับตัวประกอบความปลอดภัยประมาณ 2.0 สำหรับ E70 คือ 0.30 × 70 = 21 ksi (≈145 MPa) ซึ่งตรงกับตัวอย่างการคำนวณมาตรฐานของ AISC

การคำนวณนี้คำนึงถึงทิศทางของน้ำหนักบรรทุกหรือไม่?

ไม่ — v1 ใช้ค่าตามแนวยาวแบบระมัดระวัง 0.30 × FEXX สำหรับทุกทิศทาง AISC ยอมให้เพิ่มได้สูงสุด 1.5 เท่าสำหรับรอยเชื่อมที่รับน้ำหนักบรรทุกตามขวางกับแกน (0.30 × FEXX × (1.0 + 0.5·sin^1.5 θ)) การละเลยค่านี้ปลอดภัย (คุณได้กำลังมากกว่าที่คำนวณไว้) ซึ่งเป็นเหตุผลที่เครื่องคำนวณพื้นฐานส่วนใหญ่ละเว้นไว้ ให้ถือว่าผลลัพธ์เป็นค่าขั้นต่ำแบบระมัดระวัง

มีการตรวจสอบโลหะฐานด้วยหรือไม่?

ไม่ เครื่องคำนวณนี้ตรวจสอบเฉพาะโลหะเชื่อมเท่านั้น การออกแบบที่สมบูรณ์ต้องตรวจสอบด้วยว่าโลหะฐานที่เชื่อมต่อไม่วิบัติด้วยแรงเฉือนหรือแรงดึงตามแนวรอยเชื่อม และรอยเชื่อมไม่เกินขีดจำกัดความหนาของโลหะฐาน ให้ใช้เครื่องมือนี้เป็นการตรวจสอบโลหะเชื่อม แล้วตรวจสอบโลหะฐานแยกต่างหาก