En diverses situacions estructurals, els enginyers poden necessitar avaluar la resistència de les unions fetes per soldadures i elements de fixació mecànica. Avui dia, els elements de fixació mecànica solen ser cargols, però els dissenys més antics poden tenir reblons.
Això pot passar durant millores, reformes o millores d'un projecte. Un nou disseny pot requerir cargolats i soldadura per treballar junts en una unió on el material que s'ha d'unir primer es cargola i després es solda per proporcionar plena resistència a la unió.
Tanmateix, determinar la capacitat de càrrega total d'una unió no és tan senzill com sumar la suma dels components individuals (soldadures, cargols i reblons). Aquesta suposició podria tenir conseqüències desastroses.
Les connexions cargolades es descriuen a l'Especificació de juntes estructurals de l'Institut Americà d'Estructures d'Acer (AISC), que utilitza cargols ASTM A325 o A490 com a clau de muntatge ajustat, precàrrega o lliscament.
Estrenyeu les connexions ben ajustades amb una clau d'impacte o una clau de serralleria convencional de doble cara per assegurar-vos que les capes estiguin en contacte hermètic. En una connexió pretensada, els cargols s'instal·len de manera que estiguin sotmesos a càrregues de tracció significatives i les plaques a càrregues de compressió.
1. Gireu la femella. El mètode per 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. Calibra la clau. El mètode de la clau calibrada mesura el parell d'apretament associat a la tensió del cargol.
3. Cargol d'ajust de tensió de tipus torsió. Els cargols de tensió de tipus giratori tenen petits espàrrecs a l'extrem del cargol oposat al cap. Quan s'assoleix el parell d'apretament requerit, es desenrosca el espàrrec.
4. Índex de tracció recta. Els indicadors de tensió directa són volanderes especials amb pestanyes. La quantitat de compressió a la pestanya indica el nivell de tensió aplicada al cargol.
En termes senzills, els cargols actuen com a passadors en unions ajustades i pretesades, de manera semblant a un passador de llautó que manté unida una pila de paper perforat. Les unions lliscants crítiques funcionen per fricció: la precàrrega crea força descendent i la fricció entre les superfícies de contacte treballa conjuntament per resistir el lliscament de la junta. És com una carpeta que manté unida una pila de papers, no perquè es facin forats al paper, sinó perquè la carpeta 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 unions de reblons es comporten més com unions ajustades, però en aquest cas, els passadors són reblons que solen ser aproximadament la meitat de resistents que un cargol A325.
Quan una unió fixada mecànicament se sotmet a forces de cisallament (quan un element tendeix a lliscar sobre un altre a causa d'una força aplicada), pot passar una de dues coses. Els cargols o reblons poden estar als costats dels forats, fent que els cargols o reblons es tallin alhora. La segona possibilitat és que la fricció causada per la força de subjecció dels elements de fixació pretesats pugui suportar càrregues de cisallament. No s'espera cap lliscament per a aquesta connexió, però és possible.
Una connexió ajustada 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 ara quan els elements giratoris estan sotmesos a càrregues de tracció i compressió alternes. Un altre exemple és un element de flexió sotmès a càrregues completament 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 finalment provoca més lliscament als forats allargats.
Algunes unions experimenten molts cicles de càrrega que poden provocar fatiga. Aquests inclouen premses, suports de grues i connexions en ponts. Les connexions crítiques lliscants són necessàries quan la connexió està sotmesa a càrregues de fatiga en direcció inversa. Per a aquest tipus de condicions, és molt important que l'unió no llisqui, per la qual cosa es necessiten unions crítiques antilliscants.
Les connexions cargolades existents es poden dissenyar i fabricar segons qualsevol d'aquestes normes. Les connexions amb reblons es consideren estanques.
Les unions soldades són rígides. Les unions soldades són complicades. A diferència de les unions cargolades ajustades, que poden relliscar sota càrrega, les soldadures no han d'estirar-se ni distribuir la càrrega aplicada en gran mesura. En la majoria dels casos, els elements de fixació mecànics soldats i els de tipus coixinet no es deformen de la mateixa manera.
Quan s'utilitzen soldadures amb elements de fixació mecànics, la càrrega es transfereix a través de la part més dura, de manera que la soldadura pot suportar gairebé tota la càrrega, compartint-ne molt poca amb el cargol. És per això que s'ha de tenir cura en soldar, cargolar i reblar. Especificacions. AWS D1 resol el problema de barrejar elements de fixació mecànics i soldadures. Especificació 1:2000 per a soldadura estructural - acer. El paràgraf 2.6.3 estableix que per a reblons o cargols utilitzats en unions de tipus coixinet (és a dir, on el cargol o el rebló actua com a passador), no s'ha de considerar que els elements de fixació mecànics comparteixin la càrrega amb la soldadura. Si s'utilitza soldadura, s'han de proporcionar per suportar tota la càrrega a la unió. Tanmateix, 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 portant del cargol es negligeix ​​en gran mesura. Segons aquesta disposició, la soldadura ha d'estar dissenyada per transferir totes les càrregues.
Això és essencialment el mateix que l'AISC LRFD-1999, clàusula J1.9. Tanmateix, la norma canadenca CAN/CSA-S16.1-M94 també permet l'ús independent quan la potència de la fixació mecànica o del cargol és superior a la de la soldadura.
En aquest assumpte, tres criteris són consistents: les possibilitats de fixacions mecàniques del tipus de coixinet i les possibilitats de soldadures 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. Per tant, aquest codi és una excepció al principi contingut a la primera part de 2.6.3.
Les normes que acabem 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 un cargol es veurà sobrecarregat per una nova càrrega total, només se li ha d'assignar la càrrega estàtica existent.
Les mateixes regles exigeixen que si un rebló o un cargol només està sobrecarregat amb càrregues estàtiques o sotmès a càrregues cícliques (de fatiga), s'ha d'afegir prou metall base i soldadures per suportar la càrrega total.
La distribució de la càrrega entre els elements de fixació mecànics i les 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 aplicar càrregues estàtiques als elements de fixació mecànics. Les càrregues vives que poden provocar un lliscament més gran s'han de protegir mitjançant l'ús de soldadures capaces 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 la distribució de la càrrega. Sota càrrega cíclica, no es permet la distribució de la càrrega, ja que la càrrega pot provocar un lliscament permanent i una sobrecàrrega de la soldadura.
il·lustració. Considereu una junta de solapament que originalment estava cargolada (vegeu la figura 2). L'estructura afegeix potència addicional i s'han d'afegir connexions i connectors per proporcionar el doble de resistència. La figura 3 mostra el pla bàsic per reforçar els elements. Com s'ha de fer la connexió?
Com que el nou acer s'havia d'unir a l'acer antic mitjançant soldadures d'angle, l'enginyer va decidir afegir algunes soldadures d'angle a la unió. Com que els cargols encara eren 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 passés 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 tipus coixinet, no es pot considerar que la soldadura i el cargol comparteixin 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 portant dels cargols en aquest exemple no es pot tenir en compte, ja que sense una càrrega estàtica, la connexió estarà en un estat fluix. La soldadura (dissenyada per suportar la meitat de la càrrega) inicialment es trenca 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.
A més, suposem que s'aplica una càrrega estàtica. A més, se suposa 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 càrregues estàtiques i càrregues vives generals augmentades. Les càrregues mortes existents es poden assignar a elements de fixació mecànics existents.
Sota una càrrega constant, la connexió no s'enfonsa. En canvi, els cargols ja suporten la seva càrrega. Hi ha hagut cert lliscament a la connexió. Per tant, es poden utilitzar soldadures i poden transmetre càrregues dinàmiques.
La resposta a la pregunta "És acceptable això?" depèn de les condicions de càrrega. En el primer cas, en absència d'una 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'n 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, gerent 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.
Associació Americana d'Estructures d'Acer, 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 en fabricació i conformació d'acer a Amèrica del Nord. La revista publica notícies, articles tècnics i històries d'èxit que permeten als fabricants fer la seva feina de manera més eficient. FABRICATOR ha estat a la indústria des del 1970.
Ara, amb accés complet a l'edició digital de The FABRICATOR, fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.
L'edició digital de The Tube & Pipe Journal ja és totalment accessible i proporciona un fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.
Obtingueu accés digital complet a STAMPING Journal, que presenta 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 espanyol, teniu fàcil accés a recursos valuosos del sector.