V různých konstrukčních situacích mohou inženýři potřebovat posoudit pevnost spojů vytvořených svary a mechanickými spojovacími prvky. Dnes jsou mechanickými spojovacími prvky obvykle šrouby, ale starší konstrukce mohou obsahovat nýty.
K tomu může dojít během modernizací, renovací nebo vylepšení projektu. Nový návrh může vyžadovat, aby šroubování a svařování fungovaly společně ve spoji, kde je spojovaný materiál nejprve sešroubován a poté svařen, aby se spoji poskytla plná pevnost.
Stanovení celkové únosnosti spoje však není tak jednoduché jako sečtení součtu jednotlivých komponent (svarů, šroubů a nýtů). Takový předpoklad by mohl vést ke katastrofálním následkům.
Šroubové spoje jsou popsány ve specifikaci konstrukčních spojů Amerického institutu ocelových konstrukcí (AISC), která používá šrouby ASTM A325 nebo A490 jako pevně upevněné, předpínací nebo posuvné pero.
Pevně ​​utažené spoje utáhněte rázovým utahovákem nebo zámečníkem pomocí běžného oboustranného klíče, abyste zajistili těsný kontakt vrstev. U předpjatého spoje jsou šrouby instalovány tak, aby byly vystaveny značnému tahovému zatížení, a desky jsou vystaveny tlakovému zatížení.
1. Otočte matici. Způsob otáčení matice zahrnuje utažení šroubu a následné otočení matice o další hodnotu, která závisí na průměru a délce šroubu.
2. Kalibrujte klíč. Metoda kalibrovaného klíče měří krouticí moment spojený s napětím šroubu.
3. Šroub pro nastavení napětí torzního typu. Šrouby s odšroubováním mají na konci šroubu naproti hlavě malé čepy. Po dosažení požadovaného utahovacího momentu se čep odšroubuje.
4. Ukazatel přímého tahu. Ukazatele přímého tahu jsou speciální podložky s jazýčky. Míra stlačení na výstupku udává úroveň napětí působícího na šroub.
Laicky řečeno, šrouby fungují jako čepy v těsných a předpjatých spojích, podobně jako mosazný čep držící pohromadě stoh perforovaného papíru. Kritické posuvné spoje fungují na principu tření: předpětí vytváří přítlačnou sílu a tření mezi kontaktními plochami spolupracuje, aby zabránilo prokluzování spoje. Je to jako pořadač, který drží stoh papírů pohromadě, ne proto, že by v papíru byly vyraženy otvory, ale proto, že pořadač papíry stlačuje k sobě a tření drží stoh pohromadě.
Šrouby dle normy ASTM A325 mají minimální pevnost v tahu 150 až 120 kg na čtvereční palec (KSI) v závislosti na průměru šroubu, zatímco šrouby dle normy A490 musí mít pevnost v tahu 150 až 170 KSI. Nýtové spoje se chovají spíše jako těsné spoje, ale v tomto případě jsou čepy nýty, které jsou obvykle asi poloviční pevnosti šroubu A325.
Pokud je mechanicky upevněný spoj vystaven smykovým silám (když má jeden prvek tendenci klouzat po druhém v důsledku působící síly), může dojít ke dvěma věcem. Šrouby nebo nýty mohou být po stranách otvorů, což způsobuje jejich současné střihové odtržení. Druhou možností je, že tření způsobené upínací silou předpjatých spojovacích prvků odolá smykovému zatížení. U tohoto spojení se neočekává žádné prokluzování, ale je možné.
Těsné spojení je pro mnoho aplikací přijatelné, protože mírné prokluzování nemůže nepříznivě ovlivnit vlastnosti spojení. Uvažujme například silo určené pro skladování granulovaného materiálu. Při prvním nakládání může dojít k mírnému prokluzování. Jakmile k prokluzování dojde, už se neopakuje, protože všechna následující zatížení mají stejnou povahu.
Obrácení zatížení se používá v některých aplikacích, například když jsou rotující prvky vystaveny střídavému tahovému a tlakovému zatížení. Dalším příkladem je ohybový prvek vystavený plně obrácenému zatížení. Pokud dojde k významné změně směru zatížení, může být nutné předpjaté spojení, aby se eliminoval cyklický prokluz. Tento prokluz nakonec vede k většímu prokluzu v podlouhlých otvorech.
Některé spoje zažívají mnoho cyklů zatížení, které mohou vést k únavě materiálu. Patří mezi ně lisy, podpěry jeřábů a spoje v mostech. Kritické kluzné spoje jsou nutné, když je spoj vystaven únavovému zatížení v opačném směru. Pro tyto typy podmínek je velmi důležité, aby spoj neprokluzoval, proto jsou zapotřebí spoje kritické z hlediska prokluzu.
Stávající šroubové spoje lze navrhnout a vyrobit podle kterékoli z těchto norem. Nýtové spoje jsou považovány za těsné.
Svařované spoje jsou tuhé. Pájené spoje jsou choulostivé. Na rozdíl od pevných šroubových spojů, které se mohou pod zatížením prokluzovat, se svary nemusí natahovat a rozkládat působící zatížení do značné míry. Ve většině případů se svařované a ložiskové mechanické spojovací prvky nedeformují stejným způsobem.
Pokud se svary používají s mechanickými spojovacími prvky, zatížení se přenáší přes tvrdší část, takže svar může nést téměř veškeré zatížení a se šroubem se sdílí jen velmi malá část. Proto je třeba při svařování, šroubování a nýtování dbát opatrnosti. Specifikace. AWS D1 řeší problém kombinování mechanických spojovacích prvků a svarů. Specifikace 1:2000 pro konstrukční svařování – ocel. Odstavec 2.6.3 uvádí, že u nýtů nebo šroubů používaných v ložiskových spojích (tj. kde šroub nebo nýt působí jako čep) by se mechanické spojovací prvky neměly považovat za sdílející zatížení se svarem. Pokud se použije svařování, musí být zajištěno, aby neslo plné zatížení ve spoji. Jsou však povoleny spoje svařené k jednomu prvku a nýtované nebo šroubované k jinému prvku.
Při použití mechanických spojovacích prvků s ložisky a přidávání svarů se únosnost šroubu do značné míry zanedbává. Podle tohoto ustanovení musí být svar navržen tak, aby přenášel veškeré zatížení.
Toto je v podstatě totéž co AISC LRFD-1999, článek J1.9. Kanadská norma CAN/CSA-S16.1-M94 však také umožňuje samostatné použití, pokud je síla mechanického spojovacího prvku nebo šroubu vyšší než síla svařování.
V této věci jsou tři kritéria shodná: možnosti mechanického upevnění ložiskového typu a možnosti svarů se nesčítají.
Oddíl 2.6.3 normy AWS D1.1 také pojednává o situacích, kdy lze šrouby a svary kombinovat ve dvoudílném spoji, jak je znázorněno na obrázku 1. Svary vlevo, šrouby vpravo. Zde lze zohlednit celkový výkon svarů a šroubů. Každá část celého spoje funguje nezávisle. Tato norma je tedy výjimkou z principu obsaženého v první části oddílu 2.6.3.
Právě diskutovaná pravidla platí pro nové budovy. Pro stávající konstrukce bod 8.3.7 D1.1 stanoví, že pokud statické výpočty ukazují, že nýt nebo šroub bude přetížen novým celkovým zatížením, mělo by mu být přiřazeno pouze stávající statické zatížení.
Stejná pravidla vyžadují, že pokud je nýt nebo šroub přetížen pouze statickým zatížením nebo je vystaven cyklickému (únavovému) zatížení, musí být přidáno dostatečné množství základního kovu a svarů k podpoře celkového zatížení.
Rozložení zatížení mezi mechanické spojovací prvky a svary je přijatelné, pokud je konstrukce předpjatá, jinými slovy, pokud došlo k prokluzu mezi spojenými prvky. Na mechanické spojovací prvky však lze působit pouze statickým zatížením. Provozní zatížení, které může vést k většímu prokluzu, musí být chráněno použitím svarů schopných odolat celému zatížení.
Svary musí být použity tak, aby odolaly veškerému aplikovanému nebo dynamickému zatížení. Pokud jsou mechanické spojovací prvky již přetížené, sdílení zatížení není povoleno. Při cyklickém zatížení není sdílení zatížení povoleno, protože zatížení může vést k trvalému posunutí a přetížení svaru.
ilustrace. Uvažujme přeplátovaný spoj, který byl původně pevně sešroubován (viz obrázek 2). Konstrukce dodává dodatečnou pevnost a pro dosažení dvojnásobné pevnosti je nutné přidat spoje a konektory. Na obr. 3 je znázorněn základní plán zesílení prvků. Jak by mělo být spojení provedeno?
Protože nová ocel musela být spojena se starou ocelí koutovými svary, rozhodl se inženýr přidat několik koutových svarů na spoji. Protože šrouby byly stále na místě, původní myšlenkou bylo přidat pouze svary potřebné k přenosu dodatečné síly na novou ocel s očekáváním, že 50 % zatížení bude procházet šrouby a 50 % zatížení novými svary. Je to přijatelné?
Nejprve předpokládejme, že na spoj momentálně nepůsobí žádná statická zatížení. V tomto případě platí odstavec 2.6.3 normy AWS D1.1.
V tomto ložiskovém spoji nelze uvažovat o sdílení zatížení mezi svarem a šroubem, takže specifikovaná velikost svaru musí být dostatečně velká, aby unesla veškeré statické i dynamické zatížení. Únosnost šroubů v tomto příkladu nelze zohlednit, protože bez statického zatížení bude spoj v uvolněném stavu. Svar (navržený k přenesení poloviny zatížení) se zpočátku přetrhne při působení plného zatížení. Poté se šroub, rovněž navržený k přenosu poloviny zatížení, pokusí zatížení přenést a zlomí se.
Dále se předpokládá, že je aplikováno statické zatížení. Kromě toho se předpokládá, že stávající spoj je dostatečný k únosnosti stávajícího stálého zatížení. V tomto případě platí odstavec 8.3.7 D1.1. Nové svary musí odolat pouze zvýšenému statickému a obecnému stálému zatížení. Stávající stálé zatížení lze přiřadit stávajícím mechanickým spojovacím prvkům.
Při konstantním zatížení se spoj neprověšuje. Šrouby již nesou své zatížení. Ve spoji došlo k určitému prokluzu. Proto lze použít svary, které mohou přenášet dynamické zatížení.
Odpověď na otázku „Je to přijatelné?“ závisí na podmínkách zatížení. V prvním případě, bez statického zatížení, bude odpověď záporná. Za specifických podmínek druhého scénáře je odpověď ano.
Pouhé působení statického zatížení ne vždy umožňuje vyvodit závěr. Úroveň statického zatížení, dostatečnost stávajících mechanických spojení a povaha koncových zatížení – ať už statických nebo cyklických – mohou odpověď změnit.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, manažer centra svařovací technologie, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Společnost Lincoln Electric vyrábí svařovací zařízení a svařovací spotřební materiály po celém světě. Inženýři a technici centra svařovací technologie pomáhají zákazníkům řešit problémy se svařováním.
Americká svářečská společnost, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefon 305-443-9353, fax 305-443-7559, webové stránky www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, fax 610-832-9555, webové stránky www.astm.org.
Americká asociace ocelových konstrukcí, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefon 312-670-2400, fax 312-670-5403, webové stránky www.aisc.org.
FABRICATOR je přední severoamerický časopis o výrobě a tváření oceli. Časopis publikuje novinky, technické články a úspěšné příběhy, které výrobcům umožňují efektivněji vykonávat svou práci. FABRICATOR působí v oboru od roku 1970.
Nyní s plným přístupem k digitální edici The FABRICATOR máte snadný přístup k cenným oborovým zdrojům.
Digitální vydání časopisu The Tube & Pipe Journal je nyní plně dostupné a poskytuje snadný přístup k cenným oborovým zdrojům.
Získejte plný digitální přístup k časopisu STAMPING Journal, který obsahuje nejnovější technologie, osvědčené postupy a novinky z oboru lisování kovů.
Nyní s plným digitálním přístupem k The Fabricator en Español máte snadný přístup k cenným zdrojům z oboru.