En diverses situacions estructurals, els enginyers poden necessitar avaluar la resistència de les juntes fetes per soldadures i fixacions mecàniques.Avui en dia, els elements de fixació mecànics solen ser cargols, però els dissenys més antics poden tenir reblons.
Això pot passar durant actualitzacions, renovacions o millores d'un projecte.Un nou disseny pot requerir cargols i soldadures per treballar junts en una unió on el material que s'ha d'unir es cargola primer i després es solda per proporcionar tota la resistència a la junta.
Tanmateix, determinar la capacitat de càrrega total d'una unió no és tan senzill com sumar la suma dels components individuals (soldures, cargols i reblons).Aquesta suposició podria tenir conseqüències desastroses.
Les connexions cargolades es descriuen a l'especificació de la junta estructural de l'Institut Americà d'Estructures d'Acer (AISC), que utilitza cargols ASTM A325 o A490 com a muntatge ajustat, precàrrega o clau lliscant.
Premeu les connexions ben ajustades amb una clau d'impacte o un serraller amb una clau de doble cara convencional per assegurar-vos que les capes estiguin en contacte estret.En una connexió pretensada, els cargols s'instal·len de manera que estiguin sotmesos a càrregues de tracció importants i les plaques estiguin sotmeses a càrregues de compressió.
1. Gireu la femella.El mètode de girar la femella consisteix a estrènyer el cargol i després girar la femella una quantitat addicional, que depèn del diàmetre i la longitud del cargol.
2. Calibre la clau.El mètode de la clau anglesa calibrada mesura el parell associat a la tensió del cargol.
3. Pern d'ajust de tensió tipus torsió.Els cargols de tensió de torsió tenen petits tacs a l'extrem del cargol oposat al cap.Quan s'aconsegueix el parell requerit, es desenrosca el pern.
4. Índex de tracció recta.Els indicadors de tensió directe són rentadores especials amb pestanyes.La quantitat de compressió a l'extensió indica el nivell de tensió aplicat al cargol.
En termes senzills, els cargols actuen com a passadors en juntes estretes i pretensionades, com un passador de llautó que subjecta una pila de paper perforat.Les juntes lliscants crítiques funcionen per fricció: la precàrrega crea força aerodinàmica i la fricció entre les superfícies de contacte treballa conjuntament per resistir el lliscament de la junta.És com una carpeta que subjecta una pila de papers junts, no perquè hi hagi forats al paper, sinó perquè l'enquadernador pressiona els papers junts i la fricció manté la pila unida.
Els cargols ASTM A325 tenen una resistència a la tracció mínima de 150 a 120 kg per polzada quadrada (KSI), depenent del diàmetre del cargol, mentre que els cargols A490 han de tenir una resistència a la tracció de 150 a 170-KSI.Les juntes de reblons es comporten més com juntes estretes, però en aquest cas, els passadors són reblons que solen ser aproximadament la meitat més forts que un cargol A325.
Una de dues coses pot passar quan una unió fixada mecànicament està sotmesa a forces de tall (quan un element tendeix a lliscar sobre un altre a causa d'una força aplicada).Els cargols o els reblons poden estar als costats dels forats, fent que els cargols o els reblons es trenquin al mateix temps.La segona possibilitat és que la fricció provocada per la força de subjecció dels elements de fixació pretensats pugui suportar càrregues de cisalla.No s'espera cap lliscament per a aquesta connexió, però és possible.
Una connexió estreta és acceptable per a moltes aplicacions, ja que un lleuger lliscament no pot afectar negativament les característiques de la connexió.Per exemple, considereu una sitja dissenyada per emmagatzemar material granular.Pot haver-hi un lleuger lliscament quan es carrega per primera vegada.Un cop es produeix el lliscament, no tornarà a passar, perquè totes les càrregues posteriors són de la mateixa naturalesa.
La inversió de càrrega s'utilitza en algunes aplicacions, com quan els elements giratoris estan sotmesos a càrregues de tracció i compressió alternes.Un altre exemple és un element de flexió sotmès a càrregues totalment inverses.Quan hi ha un canvi significatiu en la direcció de la càrrega, pot ser necessària una connexió precarregada per eliminar el lliscament cíclic.Aquest lliscament eventualment condueix a més lliscament als forats allargats.
Algunes articulacions experimenten molts cicles de càrrega que poden provocar fatiga.Aquests inclouen premses, suports de grua i connexions en ponts.Les connexions crítiques lliscants són necessàries quan la connexió està sotmesa a càrregues de fatiga en sentit invers.Per a aquest tipus de condicions, és molt important que l'articulació no llisqui, per la qual cosa es necessiten juntes crítiques de lliscament.
Les connexions cargolades existents es poden dissenyar i fabricar segons qualsevol d'aquests estàndards.Les connexions de reblons es consideren estretes.
Les juntes soldades són rígides.Les juntes de soldadura són complicades.A diferència de les juntes estretes, que poden lliscar sota càrrega, les soldadures no han d'estirar i distribuir la càrrega aplicada en gran mesura.En la majoria dels casos, els elements de subjecció mecànics soldats i de coixinets no es deformen de la mateixa manera.
Quan s'utilitzen soldadures amb fixadors mecànics, la càrrega es transfereix a través de la part més dura, de manera que la soldadura pot suportar gairebé tota la càrrega, amb molt poca part compartida amb el cargol.És per això que cal tenir cura a l'hora de soldar, cargolar i reblar.Especificacions.AWS D1 resol el problema de barrejar elements de fixació mecànics i soldadures.Especificació 1:2000 per a la soldadura estructural d'acer.El paràgraf 2.6.3 estableix que per als reblons o cargols utilitzats en juntes de tipus coixinet (és a dir, quan el cargol o el rebló actua com a passador), no s'ha de considerar que els fixadors mecànics comparteixen la càrrega amb la soldadura.Si s'utilitza soldadura, s'han de proporcionar per suportar tota la càrrega a la junta.No obstant això, es permeten connexions soldades a un element i reblades o cargolades a un altre element.
Quan s'utilitzen elements de fixació mecànics de tipus coixinet i s'afegeixen soldadures, la capacitat de càrrega del cargol es descuida en gran mesura.Segons aquesta disposició, la soldadura s'ha de dissenyar per transferir totes les càrregues.
Això és essencialment el mateix que AISC LRFD-1999, clàusula J1.9.No obstant això, l'estàndard canadenc CAN/CSA-S16.1-M94 també permet l'ús autònom quan la potència de la fixació mecànica o del cargol és superior a la de la soldadura.
En aquesta matèria, tres criteris són coherents: les possibilitats de fixació mecànica del tipus coixinet i les possibilitats de soldadura no sumen.
La secció 2.6.3 d'AWS D1.1 també tracta situacions en què els cargols i les soldadures es poden combinar en una unió de dues parts, tal com es mostra a la figura 1. Soldadures a l'esquerra, cargolades a la dreta.Aquí es pot tenir en compte la potència total de les soldadures i els cargols.Cada part de tota la connexió funciona de manera independent.Així, aquest codi és una excepció al principi contingut a la primera part de 2.6.3.
Les normes que s'acaben de comentar s'apliquen als edificis nous.Per a les estructures existents, la clàusula 8.3.7 D1.1 estableix que quan els càlculs estructurals mostren que un rebló o cargol serà sobrecarregat per una nova càrrega total, només s'ha d'assignar-li la càrrega estàtica existent.
Les mateixes regles requereixen que si un rebló o cargol només està sobrecarregat amb càrregues estàtiques o sotmès a càrregues cícliques (fatiga), s'ha d'afegir suficient metall base i soldadures per suportar la càrrega total.
La distribució de càrrega entre fixacions mecàniques i soldadures és acceptable si l'estructura està precarregada, és a dir, si s'ha produït un lliscament entre els elements connectats.Però només es poden col·locar càrregues estàtiques als fixadors mecànics.Les càrregues vives que poden provocar un major lliscament s'han de protegir mitjançant l'ús de soldadures capaços de suportar tota la càrrega.
Les soldadures s'han d'utilitzar per suportar totes les càrregues aplicades o dinàmiques.Quan els elements de fixació mecànics ja estan sobrecarregats, no es permet compartir la càrrega.Sota càrrega cíclica, no es permet compartir la càrrega, ja que la càrrega pot provocar un lliscament permanent i una sobrecàrrega de la soldadura.
il·lustració.Penseu en una unió solapada que originalment es va cargolar amb força (vegeu la figura 2).L'estructura afegeix potència addicional i s'han d'afegir connexions i connectors per proporcionar el doble de força.A la fig.3 mostra el pla bàsic per a l'enfortiment dels elements.Com s'ha de fer la connexió?
Com que l'acer nou s'havia d'unir a l'acer antic mitjançant soldadures de filet, l'enginyer va decidir afegir algunes soldadures de filet a la unió.Com que els cargols encara estaven al seu lloc, la idea original era afegir només les soldadures necessàries per transferir la potència addicional al nou acer, esperant que el 50% de la càrrega passés pels cargols i el 50% de la càrrega per les noves soldadures.És acceptable?
Suposem primer que actualment no s'apliquen càrregues estàtiques a la connexió.En aquest cas, s'aplica el paràgraf 2.6.3 d'AWS D1.1.
En aquesta unió de tipus de coixinet, no es pot considerar que la soldadura i el cargol comparteixen la càrrega, de manera que la mida de soldadura especificada ha de ser prou gran per suportar tota la càrrega estàtica i dinàmica.La capacitat de càrrega dels cargols d'aquest exemple no es pot tenir en compte, perquè sense una càrrega estàtica, la connexió estarà en estat fluix.La soldadura (dissenyada per suportar la meitat de la càrrega) es trenca inicialment quan s'aplica la càrrega completa.Aleshores, el cargol, també dissenyat per transferir la meitat de la càrrega, intenta transferir la càrrega i es trenca.
Suposem, a més, que s'aplica una càrrega estàtica.A més, s'assumeix que la connexió existent és suficient per suportar la càrrega permanent existent.En aquest cas, s'aplica el paràgraf 8.3.7 D1.1.Les noves soldadures només han de suportar l'augment de les càrregues estàtiques i generals.Les càrregues mortes existents es poden assignar als elements de fixació mecànics existents.
Sota càrrega constant, la connexió no s'enfonsa.En canvi, els cargols ja suporten la seva càrrega.Hi ha hagut algun lliscament en la connexió.Per tant, es poden utilitzar soldadures i poden transmetre càrregues dinàmiques.
La resposta a la pregunta "És acceptable?"depèn de les condicions de càrrega.En el primer cas, en absència de càrrega estàtica, la resposta serà negativa.En les condicions específiques del segon escenari, la resposta és sí.
Només perquè s'aplica una càrrega estàtica, no sempre és possible treure una conclusió.El nivell de càrregues estàtiques, l'adequació de les connexions mecàniques existents i la naturalesa de les càrregues finals, ja siguin estàtiques o cícliques, poden canviar la resposta.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, director del centre de tecnologia de soldadura, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric fabrica equips de soldadura i consumibles de soldadura a tot el món.Els enginyers i tècnics del centre de tecnologia de soldadura ajuden els clients a resoldre problemes de soldadura.
Societat Americana de Soldadura, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telèfon 305-443-9353, fax 305-443-7559, lloc web www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telèfon 610-832-9585, fax 610-832-9555, lloc web www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telèfon 312-670-2400, fax 312-670-5403, lloc web www.aisc.org.
FABRICATOR és la revista líder de fabricació i conformació d'acer d'Amèrica del Nord.La revista publica notícies, articles tècnics i casos d'èxit que permeten als fabricants fer la seva feina de manera més eficient.FABRICATOR ha estat en la indústria des de 1970.
Ara amb accés complet a l'edició digital de The FABRICATOR, accés fàcil a recursos valuosos de la indústria.
L'edició digital de The Tube & Pipe Journal és ara totalment accessible i ofereix un fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.
Aconsegueix accés digital complet a STAMPING Journal, que inclou les últimes tecnologies, les millors pràctiques i les notícies del sector per al mercat de l'estampació de metalls.
Ara, amb accés digital complet a The Fabricator en Español, teniu fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.