В различни структурни ситуации, инженерите може да се нуждаят от оценка на здравината на съединенията, направени чрез заварки и механични крепежни елементи. Днес механичните крепежни елементи обикновено са болтове, но по-старите конструкции може да имат нитове.
Това може да се случи по време на подобрения, ремонти или подобрения на проект. Нов дизайн може да изисква болтово закрепване и заваряване, за да работят заедно в съединение, където материалът, който ще се съединява, първо се завинтва и след това се заварява, за да се осигури пълна здравина на съединението.
Определянето на общата товароносимост на съединението обаче не е толкова просто, колкото сумирането на отделните компоненти (заварки, болтове и нитове). Подобно предположение може да доведе до катастрофални последици.
Болтовите съединения са описани в Спецификацията за структурни съединения на Американския институт за стоманени конструкции (AISC), която използва болтове ASTM A325 или A490 като стегнат монтаж, предварително натягане или плъзгащ се ключ.
Затегнете плътно затегнатите връзки с ударен гайковерт или ключар, използвайки конвенционален двустранен ключ, за да осигурите плътен контакт на слоевете. При предварително напрегната връзка болтовете са монтирани така, че да са подложени на значителни опънови натоварвания, а плочите - на компресионни натоварвания.
1. Завъртете гайката. Методът на завъртане на гайката включва затягане на болта и след това завъртане на гайката допълнително, което зависи от диаметъра и дължината на болта.
2. Калибрирайте ключа. Методът с калибриран гаечен ключ измерва въртящия момент, свързан с опъването на болта.
3. Болт за регулиране на опъването от торсионен тип. Болтовете за опъване с отвиване имат малки шипове в края на болта, противоположен на главата. Когато се достигне необходимият въртящ момент, шпилката се развива.
4. Индикатор за директно опъване. Индикаторите за директно опъване са специални шайби с езичета. Степента на натиск върху ухото показва нивото на опъване, приложено към болта.
Казано по-просто, болтовете действат като щифтове в стегнати и предварително напрегнати съединения, подобно на месингов щифт, който държи купчина перфорирана хартия заедно. Критичните плъзгащи се съединения работят чрез триене: предварителното натоварване създава сила на притискане, а триенето между контактните повърхности работи заедно, за да се предотврати приплъзването на съединението. Това е като класьор, който държи купчина хартия заедно, не защото в хартията са пробити дупки, а защото класьорът притиска хартиите заедно и триенето държи купчината заедно.
Болтовете ASTM A325 имат минимална якост на опън от 150 до 120 кг на квадратен инч (KSI), в зависимост от диаметъра на болта, докато болтовете A490 трябва да имат якост на опън от 150 до 170 KSI. Нитовите съединения се държат по-скоро като стегнати съединения, но в този случай щифтовете са нитове, които обикновено са около половината от здравината на болт A325.
Едно от две неща може да се случи, когато механично закрепена връзка е подложена на сили на срязване (когато един елемент има тенденция да се плъзга върху друг поради приложена сила). Болтове или нитове могат да бъдат отстрани на отворите, което води до едновременно скъсване на болтовете или нитовете. Втората възможност е триенето, причинено от силата на затягане на предварително напрегнатите крепежни елементи, да може да издържи на товари на срязване. Не се очаква приплъзване за тази връзка, но е възможно.
Плътна връзка е приемлива за много приложения, тъй като лекото приплъзване не може да повлияе неблагоприятно на характеристиките на връзката. Например, помислете за силоз, предназначен за съхранение на гранулиран материал. Възможно е да има леко приплъзване при първото зареждане. След като се появи приплъзване, то няма да се повтори, защото всички следващи натоварвания са от същия характер.
Обръщането на натоварването се използва в някои приложения, например когато въртящите се елементи са подложени на променливи опънови и компресионни натоварвания. Друг пример е огъващ се елемент, подложен на напълно обратни натоварвания. Когато има значителна промяна в посоката на натоварване, може да се наложи предварително напрегната връзка, за да се елиминира цикличното приплъзване. Това приплъзване в крайна сметка води до по-голямо приплъзване в удължените отвори.
Някои съединения претърпяват много цикли на натоварване, което може да доведе до умора на материала. Те включват преси, опори на кранове и съединения в мостове. Плъзгащи, критични съединения са необходими, когато съединението е подложено на натоварвания от умора в обратна посока. При тези видове условия е много важно съединението да не се плъзга, така че са необходими съединения, критични за плъзгане.
Съществуващите болтови съединения могат да бъдат проектирани и произведени по всеки от тези стандарти. Нитовите съединения се считат за стегнати.
Заварените съединения са твърди. Споените съединения са трудни. За разлика от стегнатите болтови съединения, които могат да се приплъзнат под товар, заваръчните шевове не е необходимо да се разтягат и да разпределят приложеното натоварване в голяма степен. В повечето случаи заварените и лагерните механични крепежни елементи не се деформират по един и същи начин.
Когато заварките се използват с механични крепежни елементи, натоварването се прехвърля през по-твърдата част, така че заварката може да носи почти цялото натоварване, като много малко се споделя с болта. Ето защо трябва да се внимава при заваряване, болтово закрепване и нитоване. Спецификации. AWS D1 решава проблема със смесването на механични крепежни елементи и заварки. Спецификация 1:2000 за структурно заваряване – стомана. Параграф 2.6.3 гласи, че за нитове или болтове, използвани в лагерни съединения (т.е. където болтът или нитът действа като щифт), механичните крепежни елементи не трябва да се считат за споделящи натоварването със заварката. Ако се използва заваряване, те трябва да бъдат осигурени да поемат пълното натоварване в съединението. Допускат се обаче връзки, заварени към един елемент и нитовани или болтови към друг елемент.
При използване на механични крепежни елементи от лагерен тип и добавяне на заварки, носимоспособността на болта до голяма степен се пренебрегва. Съгласно тази разпоредба, заварката трябва да бъде проектирана така, че да пренася всички товари.
Това е по същество същото като AISC LRFD-1999, клауза J1.9. Канадският стандарт CAN/CSA-S16.1-M94 обаче позволява и самостоятелна употреба, когато мощността на механичния крепежен елемент или болт е по-висока от тази на заваряването.
В този случай три критерия са последователни: възможностите за механично закрепване от типа лагер и възможностите за заваряване не се сумират.
Раздел 2.6.3 от AWS D1.1 също обсъжда ситуации, при които болтове и заварки могат да бъдат комбинирани в двукомпонентно съединение, както е показано на Фигура 1. Заварки отляво, болтове отдясно. Тук може да се вземе предвид общата мощност на заварките и болтовете. Всяка част от цялата връзка работи независимо. По този начин, този код е изключение от принципа, съдържащ се в първата част на 2.6.3.
Правилата, които току-що обсъдихме, важат за нови сгради. За съществуващи конструкции, клауза 8.3.7 D1.1 гласи, че когато структурните изчисления показват, че нит или болт ще бъдат претоварени от ново общо натоварване, към него трябва да се присвои само съществуващото статично натоварване.
Същите правила изискват, ако нит или болт е претоварен само със статични товари или е подложен на циклични (умора) товари, да се добави достатъчно основен метал и заварки, за да се поддържа общото натоварване.
Разпределението на натоварването между механичните крепежни елементи и заварките е приемливо, ако конструкцията е предварително натоварена, с други думи, ако е възникнало приплъзване между свързаните елементи. Но върху механичните крепежни елементи могат да се прилагат само статични товари. Живите товари, които могат да доведат до по-голямо приплъзване, трябва да бъдат защитени чрез използването на заварки, способни да издържат на цялото натоварване.
Заварките трябва да се използват така, че да издържат на всички приложени или динамични натоварвания. Когато механичните крепежни елементи вече са претоварени, разпределението на натоварването не е разрешено. При циклично натоварване разпределението на натоварването не е разрешено, тъй като натоварването може да доведе до трайно приплъзване и претоварване на заварката.
илюстрация. Да разгледаме припокриващо съединение, което първоначално е било здраво закрепено с болтове (вижте Фигура 2). Структурата добавя допълнителна здравина и трябва да се добавят връзки и конектори, за да се осигури двойна якост. На Фиг. 3 е показан основният план за укрепване на елементите. Как трябва да се направи връзката?
Тъй като новата стомана трябваше да се съедини със старата чрез ъглови заварки, инженерът реши да добави няколко ъглови заварки на съединението. Тъй като болтовете все още бяха на мястото си, първоначалната идея беше да се добавят само заварките, необходими за прехвърляне на допълнителната мощност към новата стомана, като се очакваше 50% от натоварването да премине през болтовете и 50% от натоварването да премине през новите заварки. Приемливо ли е?
Нека първо приемем, че в момента върху връзката не се прилагат статични натоварвания. В този случай се прилага параграф 2.6.3 от AWS D1.1.
В това съединение тип лагер, заварката и болтът не могат да се считат за споделящи натоварването, така че посоченият размер на заварката трябва да е достатъчно голям, за да поддържа цялото статично и динамично натоварване. Носещата способност на болтовете в този пример не може да се вземе предвид, защото без статично натоварване, връзката ще бъде в хлабаво състояние. Заварката (проектирана да носи половината от натоварването) първоначално се разкъсва, когато се приложи пълното натоварване. След това болтът, също проектиран да пренася половината от натоварването, се опитва да прехвърли натоварването и се счупва.
Освен това, да се приеме, че е приложено статично натоварване. Освен това се приема, че съществуващата връзка е достатъчна, за да поеме съществуващото постоянно натоварване. В този случай се прилага параграф 8.3.7 D1.1. Новите заварки трябва да издържат само на увеличени статични и общи експлоатационни товари. Съществуващите постоянни товари могат да бъдат присвоени на съществуващи механични крепежни елементи.
При постоянно натоварване, съединението не провисва. Вместо това, болтовете вече носят натоварването си. Има известно приплъзване във съединението. Следователно, могат да се използват заварки, които могат да предават динамични натоварвания.
Отговорът на въпроса „Приемливо ли е това?“ зависи от условията на натоварване. В първия случай, при липса на статично натоварване, отговорът ще бъде отрицателен. При специфичните условия на втория сценарий отговорът е „да“.
Само защото е приложено статично натоварване, не винаги е възможно да се направи заключение. Нивото на статичните натоварвания, адекватността на съществуващите механични връзки и естеството на крайните натоварвания – независимо дали са статични или циклични – могат да променят отговора.
Дуейн К. Милър, доктор по медицина, инженер, 22801 Saint Clair Ave., Кливланд, Охайо 44117-1199, мениджър на Центъра за заваръчни технологии, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric произвежда заваръчно оборудване и консумативи за заваряване по целия свят. Инженерите и техниците на Центъра за заваръчни технологии помагат на клиентите да решават проблеми със заваряването.
Американско дружество по заваряване, 550 NW LeJeune Road, Маями, Флорида 33126-5671, телефон 305-443-9353, факс 305-443-7559, уебсайт www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, телефон 610-832-9585, факс 610-832-9555, уебсайт www.astm.org.
Американска асоциация за стоманени конструкции, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, телефон 312-670-2400, факс 312-670-5403, уебсайт www.aisc.org.
FABRICATOR е водещото списание за производство и формоване на стомана в Северна Америка. Списанието публикува новини, технически статии и истории за успех, които позволяват на производителите да вършат работата си по-ефективно. FABRICATOR е в индустрията от 1970 г.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The FABRICATOR, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Дигиталното издание на The Tube & Pipe Journal вече е напълно достъпно, осигурявайки лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Получете пълен дигитален достъп до списанието STAMPING, което представя най-новите технологии, най-добри практики и новини от индустрията за пазара на щамповане на метали.
Сега с пълен дигитален достъп до The Fabricator en Español, имате лесен достъп до ценни индустриални ресурси.