V různých konstrukčních situacích mohou inženýři potřebovat vyhodnotit pevnost spojů vytvořených svary a mechanickými spojovacími prvky.Dnes jsou mechanické spojovací prvky obvykle šrouby, ale starší konstrukce mohou mít nýty.
K tomu může dojít během upgradů, renovací nebo vylepšení projektu.Nová konstrukce může vyžadovat šroubování a svařování, aby fungovaly společně ve spoji, kde je spojovaný materiál nejprve sešroubován a poté svařen, aby byl spoji poskytnuta plná pevnost.
Určení celkové únosnosti spoje však není tak jednoduché, jako sečíst součet jednotlivých součástí (svarů, šroubů a nýtů).Takový předpoklad by mohl mít katastrofální následky.
Šroubové spoje jsou popsány v Americkém institutu ocelových konstrukcí (AISC) Structural Joint Specification, který používá šrouby ASTM A325 nebo A490 jako těsnou montáž, předpětí nebo posuvný klíč.
Pevně ​​utažené spoje utáhněte rázovým utahovákem nebo zámečníkem pomocí běžného oboustranného klíče, aby bylo zajištěno, že vrstvy budou v těsném kontaktu.V předpjatém spojení jsou šrouby instalovány tak, že jsou vystaveny značnému tahovému zatížení a desky jsou vystaveny tlakovému zatížení.
1. Otočte maticí.Způsob otáčení matice zahrnuje utažení šroubu a následné otočení matice o další množství, které závisí na průměru a délce šroubu.
2. Zkalibrujte klíč.Metoda kalibrovaného klíče měří krouticí moment, který souvisí s napětím šroubu.
3. Šroub pro nastavení napětí torzního typu.Zkroucené napínací šrouby mají malé čepy na konci šroubu proti hlavě.Po dosažení požadovaného utahovacího momentu se čep vyšroubuje.
4. Přímý index tahu.Přímé indikátory napětí jsou speciální podložky s jazýčky.Míra stlačení na oku udává úroveň napětí aplikovaného na šroub.
Laicky řečeno, šrouby fungují jako špendlíky v těsných a předepnutých spojích, podobně jako mosazný špendlík držící stoh děrovaného papíru pohromadě.Kritické kluzné spoje fungují třením: předpětí vytváří přítlak a tření mezi kontaktními plochami spolupracuje, aby odolalo prokluzu spoje.Je to jako pořadač, který drží stoh papírů pohromadě, ne proto, že jsou do papíru proraženy díry, ale proto, že pořadač tiskne papíry k sobě a tření drží stoh pohromadě.
Šrouby ASTM A325 mají minimální pevnost v tahu 150 až 120 kg na čtvereční palec (KSI), v závislosti na průměru šroubu, zatímco šrouby A490 musí mít pevnost v tahu 150 až 170 KSI.Nýtové spoje se chovají spíše jako těsné spoje, ale v tomto případě jsou kolíky nýty, které jsou obvykle asi o polovinu silnější než šroub A325.
Jedna ze dvou věcí se může stát, když je mechanicky upevněný spoj vystaven smykovým silám (když má jeden prvek tendenci klouzat po druhém v důsledku působící síly).Šrouby nebo nýty mohou být po stranách otvorů, což způsobí, že se šrouby nebo nýty současně odstřihnou.Druhou možností je, že tření způsobené svírací silou předepnutých spojovacích prvků odolá smykovému zatížení.U tohoto spojení se neočekává skluz, ale je to možné.
Těsné spojení je přijatelné pro mnoho aplikací, protože mírné prokluzování nemůže nepříznivě ovlivnit vlastnosti spojení.Uvažujme například silo navržené pro skladování zrnitého materiálu.Při prvním nakládání může dojít k mírnému prokluzování.Jakmile dojde k prokluzu, nebude se to opakovat, protože všechna následující zatížení jsou stejného charakteru.
V některých aplikacích se používá obrácení zatížení, například když jsou rotující prvky vystaveny střídavému tahovému a tlakovému zatížení.Dalším příkladem je ohýbaný prvek vystavený plně obrácenému zatížení.Pokud dojde k významné změně směru zatížení, může být vyžadováno předepjaté spojení, aby se eliminoval cyklický skluz.Toto prokluzování nakonec vede k většímu prokluzu v podlouhlých otvorech.
Některé klouby procházejí mnoha cykly zátěže, které mohou vést k únavě.Patří sem lisy, podpěry jeřábů a spoje v mostech.Posuvné kritické spoje jsou vyžadovány, když je spoj vystaven únavovému zatížení v opačném směru.Pro tyto typy podmínek je velmi důležité, aby spoj neklouzal, takže jsou potřeba spoje kritické pro skluz.
Stávající šroubové spoje mohou být navrženy a vyrobeny podle kterékoli z těchto norem.Nýtové spoje jsou považovány za těsné.
Svařované spoje jsou tuhé.Pájené spoje jsou složité.Na rozdíl od těsných šroubových spojů, které mohou při zatížení prokluzovat, se svary nemusejí natahovat a rozkládat působící zatížení ve velké míře.Ve většině případů se mechanické spojovací prvky svařovaného a ložiskového typu nedeformují stejným způsobem.
Při použití svarů s mechanickými spojovacími prvky se zatížení přenáší přes tvrdší část, takže svar unese téměř celé zatížení, přičemž se šroubem je sdíleno velmi málo.Proto je třeba dávat pozor při svařování, šroubování a nýtování.Specifikace.AWS D1 řeší problém míchání 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. tam, kde šroub nebo nýt působí jako kolík), by se nemělo uvažovat o tom, že mechanické spojovací prvky sdílejí zatížení se svarem.Je-li použito svařování, musí být zajištěny tak, aby přenesly plné zatížení ve spoji.Jsou však povoleny spoje přivařené k jednomu prvku a přinýtované nebo přišroubované k jinému prvku.
Při použití mechanických spojovacích prostředků ložiskového typu a přidání svarů je nosnost šroubu značně zanedbávána.Podle tohoto ustanovení musí být svar navržen tak, aby přenesl všechna zatížení.
To je v podstatě stejné jako AISC LRFD-1999, článek J1.9.Kanadský standard CAN/CSA-S16.1-M94 však také umožňuje samostatné použití, když je síla mechanického spojovacího prvku nebo šroubu vyšší než síla svařování.
V této věci se shodují tři kritéria: možnosti mechanického upevnění typu ložiska a možnosti svarů se nesčítají.
Část 2.6.3 AWS D1.1 také pojednává o situacích, kdy lze šrouby a svary kombinovat ve dvoudílném spoji, jak je znázorněno na obrázku 1. Svary vlevo, šroubované vpravo.Zde lze vzít v úvahu celkovou sílu svarů a šroubů.Každá část celého spojení funguje samostatně.Tento kodex je tedy výjimkou ze zásady obsažené v první části 2.6.3.
Právě projednávaná pravidla platí pro novostavby.U stávajících konstrukcí bod 8.3.7 D1.1 uvádí, že když konstrukční výpočty ukážou, že nýt nebo šroub bude přetížen novým celkovým zatížením, mělo by se mu přiřadit pouze stávající statické zatížení.
Stejná pravidla vyžadují, že pokud je nýt nebo šroub přetížen pouze statickým zatížením nebo vystaven cyklickému (únavovému) zatížení, musí být přidáno dostatečné množství základního kovu a svarů, aby unesl celkové zatížení.
Rozložení zatížení mezi mechanickými spojovacími prvky a svary je přijatelné, pokud je konstrukce předepjatá, jinými slovy, pokud došlo k prokluzu mezi spojovanými prvky.Ale na mechanické spojovací prvky lze umístit pouze statické zatížení.Živá zatížení, která mohou vést k většímu prokluzu, musí být chráněna použitím svarů schopných vydržet celé zatížení.
Svary musí být použity tak, aby vydržely veškeré aplikované nebo dynamické zatížení.Pokud jsou mechanické spojovací prvky již přetížené, není sdílení zatížení povoleno.Při cyklickém zatěžování není sdílení zatížení povoleno, protože zatížení může vést k trvalému prokluzu a přetížení svaru.
ilustrace.Uvažujme přeplátovaný spoj, který byl původně pevně přišroubován (viz obrázek 2).Konstrukce dodává extra výkon a pro zajištění dvojnásobné pevnosti je nutné přidat připojení a konektory.Na Obr.3 ukazuje základní plán posílení prvků.Jak by mělo být spojení provedeno?
Protože nová ocel musela být spojena se starou ocelí koutovými svary, rozhodl se inženýr přidat nějaké koutové svary na spoj.Vzhledem k tomu, že šrouby byly stále na svém místě, původní myšlenkou bylo přidat pouze svary potřebné k přenosu extra výkonu na novou ocel, přičemž se očekávalo, že 50 % zatížení projde šrouby a 50 % zatížení projde novými svary.Je to přijatelné?
Předpokládejme nejprve, že na spoj není aktuálně aplikováno žádné statické zatížení.V tomto případě platí odstavec 2.6.3 AWS D1.1.
U tohoto spoje typu ložiska nelze uvažovat, že svar a šroub sdílejí zatížení, takže specifikovaná velikost svaru musí být dostatečně velká, aby unesla veškeré statické a dynamické zatížení.Únosnost šroubů v tomto příkladu nelze zohlednit, protože bez statického zatížení bude spoj v prověšeném stavu.Svar (navržený tak, aby nesl poloviční zatížení) se při plném zatížení zpočátku protrhne.Poté se šroub, rovněž určený k přenesení polovičního zatížení, pokusí přenést zatížení a zlomí se.
Dále předpokládejme, že je aplikováno statické zatížení.Navíc se předpokládá, že stávající přípojka je dostatečná pro přenášení stávající trvalé zátěže.V tomto případě platí odstavec 8.3.7 D1.1.Nové svary musí odolat pouze zvýšenému statickému a obecnému zatížení.Stávající vlastní zatížení lze přiřadit stávajícím mechanickým spojovacím prvkům.
Při konstantní zátěži se spojení neprohýbá.Místo toho šrouby již nesou své zatížení.Ve spojení došlo k určitému skluzu.Proto mohou být použity svary a mohou přenášet dynamické zatížení.
Odpověď na otázku "Je to přijatelné?"závisí na podmínkách zatížení.V prvním případě, při absenci statického zatížení, bude odpověď záporná.Za specifických podmínek druhého scénáře je odpověď ano.
Jen proto, že je aplikováno statické zatížení, není vždy možné vyvodit závěr.Úroveň statického zatížení, přiměřenost stávajících mechanických spojů a povaha koncových zatížení – ať už statické nebo cyklické – mohou změnit odpověď.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, manažer centra svařovací techniky, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric vyrábí svářecí zařízení a spotřební materiál po celém světě.Inženýři a technici Welding Technology Center pomáhají zákazníkům řešit problémy se svařováním.
American Welding Society, 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 Harbour Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, fax 610-832-9555, webová stránka www.astm.org.
American Steel Structures Association, 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 pro výrobu a tváření oceli.Časopis publikuje novinky, technické články a příběhy o úspěchu, které výrobcům umožňují dělat jejich práci efektivněji.FABRICATOR působí v oboru od roku 1970.
Nyní s plným přístupem k digitální edici The FABRICATOR, snadným přístupem k cenným průmyslovým zdrojům.
Digitální vydání časopisu The Tube & Pipe Journal je nyní plně přístupné a poskytuje snadný přístup k cenným průmyslovým zdrojům.
Získejte plný digitální přístup k STAMPING Journal, který obsahuje nejnovější technologie, osvědčené postupy a novinky z oboru pro trh lisování kovů.
Nyní s plným digitálním přístupem k The Fabricator en Español máte snadný přístup k cenným průmyslovým zdrojům.