In verschiedenen strukturellen Situationen müssen Ingenieure möglicherweise die Festigkeit von Verbindungen bewerten, die durch Schweißnähte und mechanische Befestigungselemente hergestellt werden.Heutzutage handelt es sich bei mechanischen Befestigungselementen meist um Bolzen, bei älteren Konstruktionen können jedoch auch Nieten verwendet werden.
Dies kann bei Upgrades, Renovierungen oder Erweiterungen eines Projekts passieren.Bei einer neuen Konstruktion kann es erforderlich sein, dass Schrauben und Schweißen in einer Verbindung zusammenwirken, wobei das zu verbindende Material zunächst zusammengeschraubt und dann verschweißt wird, um der Verbindung die volle Festigkeit zu verleihen.
Allerdings lässt sich die Gesamttragfähigkeit einer Verbindung nicht so einfach ermitteln, indem man die Summe der einzelnen Komponenten (Schweißnähte, Bolzen und Nieten) addiert.Eine solche Annahme könnte katastrophale Folgen haben.
Schraubverbindungen werden in der Structural Joint Specification des American Institute of Steel Structures (AISC) beschrieben, die ASTM A325- oder A490-Schrauben als Festmontage-, Vorspannungs- oder Schiebeschlüssel verwendet.
Ziehen Sie festsitzende Verbindungen mit einem Schlagschrauber oder einem Schlosser mithilfe eines herkömmlichen Doppelmaulschlüssels fest, um sicherzustellen, dass die Schichten einen festen Kontakt haben.Bei einer vorgespannten Verbindung werden die Schrauben so eingebaut, dass sie erheblichen Zugbelastungen und die Platten Druckbelastungen ausgesetzt sind.
1. Mutter drehen.Die Methode zum Drehen der Mutter besteht darin, die Schraube festzuziehen und dann die Mutter um einen weiteren Betrag zu drehen, der vom Durchmesser und der Länge der Schraube abhängt.
2. Kalibrieren Sie den Schlüssel.Die kalibrierte Schraubenschlüsselmethode misst das Drehmoment, das mit der Schraubenspannung verbunden ist.
3. Spannungseinstellschraube vom Torsionstyp.Twist-off-Spannbolzen haben am dem Kopf gegenüberliegenden Ende des Bolzens kleine Noppen.Wenn das erforderliche Drehmoment erreicht ist, wird der Bolzen herausgeschraubt.
4. Gerader Zugindex.Direkte Spannungsanzeiger sind spezielle Unterlegscheiben mit Laschen.Der Grad der Kompression auf die Öse gibt an, wie stark die Schraube auf die Schraube ausgeübt wird.
Laienhaft ausgedrückt wirken Schrauben wie Stifte in festen und vorgespannten Verbindungen, ähnlich wie ein Messingstift, der einen Stapel perforiertes Papier zusammenhält.Kritische Gleitgelenke funktionieren durch Reibung: Vorspannung erzeugt Abtrieb und Reibung zwischen den Kontaktflächen wirkt zusammen, um ein Verrutschen des Gelenks zu verhindern.Es ist wie ein Ordner, der einen Stapel Papiere zusammenhält, nicht weil Löcher in das Papier gestanzt sind, sondern weil der Ordner die Papiere zusammendrückt und die Reibung den Stapel zusammenhält.
ASTM A325-Schrauben haben je nach Schraubendurchmesser eine Mindestzugfestigkeit von 150 bis 120 kg pro Quadratzoll (KSI), während A490-Schrauben eine Zugfestigkeit von 150 bis 170 KSI haben müssen.Nietverbindungen verhalten sich eher wie feste Verbindungen, aber in diesem Fall handelt es sich bei den Stiften um Nieten, die normalerweise etwa halb so stark sind wie eine A325-Schraube.
Eines von zwei Dingen kann passieren, wenn eine mechanisch befestigte Verbindung Scherkräften ausgesetzt ist (wenn ein Element aufgrund einer ausgeübten Kraft dazu neigt, über ein anderes zu gleiten).An den Seiten der Löcher können sich Schrauben oder Nieten befinden, die dazu führen, dass die Schrauben oder Nieten gleichzeitig abscheren.Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass die durch die Klemmkraft der vorgespannten Verbindungselemente verursachte Reibung Scherbelastungen standhält.Bei dieser Verbindung ist kein Schlupf zu erwarten, aber möglich.
Für viele Anwendungen ist eine dichte Verbindung akzeptabel, da ein leichter Schlupf die Eigenschaften der Verbindung nicht beeinträchtigen kann.Stellen Sie sich beispielsweise ein Silo zur Lagerung von körnigem Material vor.Beim ersten Laden kann es zu leichtem Verrutschen kommen.Sobald ein Schlupf auftritt, wird er nicht erneut auftreten, da alle nachfolgenden Belastungen von gleicher Natur sind.
Die Lastumkehr wird in einigen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise wenn rotierende Elemente abwechselnden Zug- und Druckbelastungen ausgesetzt sind.Ein weiteres Beispiel ist ein Biegeelement, das vollständig umgekehrten Belastungen ausgesetzt ist.Bei einer erheblichen Änderung der Lastrichtung kann eine vorgespannte Verbindung erforderlich sein, um zyklischen Schlupf zu verhindern.Dieser Schlupf führt schließlich zu mehr Schlupf in den Langlöchern.
Manche Gelenke unterliegen vielen Belastungszyklen, was zu Ermüdung führen kann.Dazu gehören Pressen, Kranstützen und Verbindungen in Brücken.Gleitkritische Verbindungen sind erforderlich, wenn die Verbindung Ermüdungsbelastungen in umgekehrter Richtung ausgesetzt ist.Bei solchen Bedingungen ist es sehr wichtig, dass die Verbindung nicht verrutscht, weshalb rutschkritische Verbindungen erforderlich sind.
Bestehende Schraubverbindungen können nach jedem dieser Standards entworfen und hergestellt werden.Nietverbindungen gelten als dicht.
Schweißverbindungen sind starr.Lötverbindungen sind schwierig.Im Gegensatz zu festen Schraubverbindungen, die unter Last verrutschen können, müssen sich Schweißnähte nicht dehnen und die aufgebrachte Last weitgehend verteilen.In den meisten Fällen verformen sich geschweißte und lagerartige mechanische Verbindungselemente nicht in gleicher Weise.
Wenn Schweißnähte mit mechanischen Verbindungselementen verwendet werden, wird die Last über den härteren Teil übertragen, sodass die Schweißnaht fast die gesamte Last tragen kann und nur sehr wenig mit der Schraube geteilt wird.Deshalb ist beim Schweißen, Schrauben und Nieten Vorsicht geboten.Spezifikationen.AWS D1 löst das Problem der Vermischung von mechanischen Verbindungselementen und Schweißnähten.Spezifikation 1:2000 für Strukturschweißen – Stahl.In Absatz 2.6.3 heißt es, dass bei Nieten oder Bolzen, die in tragenden Verbindungen verwendet werden (d. h. wenn der Bolzen oder Niet als Stift fungiert), davon ausgegangen werden sollte, dass mechanische Befestigungselemente die Last nicht mit der Schweißung teilen.Beim Schweißen müssen diese dafür sorgen, dass sie die volle Last in der Verbindung tragen können.Zulässig sind jedoch Verbindungen, die mit einem Element verschweißt und mit einem anderen Element vernietet oder verschraubt werden.
Bei der Verwendung von tragenden mechanischen Verbindungselementen und dem Hinzufügen von Schweißnähten wird die Tragfähigkeit der Schraube weitgehend vernachlässigt.Danach muss die Schweißnaht so ausgelegt sein, dass sie alle Lasten übertragen kann.
Dies ist im Wesentlichen dasselbe wie AISC LRFD-1999, Abschnitt J1.9.Der kanadische Standard CAN/CSA-S16.1-M94 erlaubt jedoch auch den eigenständigen Einsatz, wenn die Kraft des mechanischen Verbindungselements oder Bolzens höher ist als die des Schweißens.
Dabei stimmen drei Kriterien überein: Die Möglichkeiten mechanischer Befestigungen der Lagerart und die Möglichkeiten von Schweißungen passen nicht zusammen.
In Abschnitt 2.6.3 von AWS D1.1 werden auch Situationen erörtert, in denen Schrauben und Schweißnähte in einer zweiteiligen Verbindung kombiniert werden können, wie in Abbildung 1 dargestellt. Schweißnähte links, Schrauben rechts.Hierbei kann die Gesamtleistung von Schweißnähten und Schrauben berücksichtigt werden.Jeder Teil der gesamten Verbindung arbeitet unabhängig.Somit stellt dieser Code eine Ausnahme von dem im ersten Teil von 2.6.3 enthaltenen Grundsatz dar.
Für Neubauten gelten die gerade besprochenen Regeln.Für Bestandskonstruktionen heißt es in Abschnitt 8.3.7 D1.1, dass, wenn statische Berechnungen ergeben, dass eine Niete oder Schraube durch eine neue Gesamtlast überlastet wird, ihr nur die bestehende statische Last zuzuordnen ist.
Die gleichen Regeln erfordern, dass, wenn ein Niet oder eine Schraube nur durch statische Lasten überlastet oder zyklischen (Ermüdungs-)Lasten ausgesetzt wird, ausreichend Grundmetall und Schweißnähte hinzugefügt werden müssen, um die Gesamtlast zu tragen.
Die Lastverteilung zwischen mechanischen Befestigungselementen und Schweißnähten ist akzeptabel, wenn die Struktur vorgespannt ist, d. h. wenn ein Schlupf zwischen den verbundenen Elementen aufgetreten ist.Auf mechanische Verbindungselemente können jedoch nur statische Belastungen ausgeübt werden.Verkehrslasten, die zu größerem Schlupf führen können, müssen durch Schweißnähte geschützt werden, die der gesamten Belastung standhalten.
Die Schweißnähte müssen allen auftretenden oder dynamischen Belastungen standhalten.Wenn mechanische Verbindungselemente bereits überlastet sind, ist eine Lastverteilung nicht zulässig.Bei zyklischer Belastung ist eine Lastverteilung nicht zulässig, da die Belastung zu dauerhaftem Durchrutschen und Überlastung der Schweißnaht führen kann.
Illustration.Stellen Sie sich eine Überlappungsverbindung vor, die ursprünglich fest verschraubt war (siehe Abbildung 2).Die Struktur sorgt für zusätzliche Leistung und es müssen Anschlüsse und Anschlüsse hinzugefügt werden, um die doppelte Festigkeit zu gewährleisten.Auf Abb.3 zeigt den Grundplan zur Verstärkung der Elemente.Wie soll die Verbindung hergestellt werden?
Da der neue Stahl durch Kehlnähte mit dem alten Stahl verbunden werden musste, beschloss der Ingenieur, an der Verbindung einige Kehlnähte anzubringen.Da die Schrauben noch vorhanden waren, bestand die ursprüngliche Idee darin, nur die Schweißnähte hinzuzufügen, die zur Übertragung der zusätzlichen Kraft auf den neuen Stahl erforderlich waren, wobei davon ausgegangen wurde, dass 50 % der Last durch die Schrauben und 50 % der Last durch die neuen Schweißnähte gehen würden.Es ist akzeptabel?
Gehen wir zunächst davon aus, dass derzeit keine statischen Lasten auf die Verbindung wirken.In diesem Fall gilt Abschnitt 2.6.3 von AWS D1.1.
Bei dieser Lagerverbindung kann nicht davon ausgegangen werden, dass Schweißnaht und Bolzen die Last teilen, daher muss die angegebene Schweißnahtgröße groß genug sein, um die gesamte statische und dynamische Last zu tragen.Die Tragfähigkeit der Schrauben kann in diesem Beispiel nicht berücksichtigt werden, da sich die Verbindung ohne statische Belastung im lockeren Zustand befindet.Die Schweißnaht (ausgelegt für die Aufnahme der halben Last) reißt zunächst, wenn die volle Last aufgebracht wird.Dann versucht der Bolzen, der ebenfalls für die Übertragung der halben Last ausgelegt ist, die Last zu übertragen und bricht.
Gehen Sie weiterhin davon aus, dass eine statische Last ausgeübt wird.Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass die vorhandene Verbindung ausreicht, um die vorhandene Dauerlast aufzunehmen.In diesem Fall gilt Abschnitt 8.3.7 D1.1.Neue Schweißnähte müssen lediglich erhöhten statischen und allgemeinen Verkehrslasten standhalten.Vorhandene Eigenlasten können vorhandenen mechanischen Verbindungselementen zugeordnet werden.
Unter Dauerbelastung sackt die Verbindung nicht ab.Stattdessen tragen die Schrauben bereits ihre Last.Es gab einige Fehler in der Verbindung.Daher sind Schweißnähte einsetzbar und sie können dynamische Lasten übertragen.
Die Antwort auf die Frage „Ist das akzeptabel?“hängt von den Lastbedingungen ab.Im ersten Fall ist die Antwort mangels statischer Belastung negativ.Unter den spezifischen Bedingungen des zweiten Szenarios lautet die Antwort „Ja“.
Nur weil eine statische Belastung vorliegt, ist eine Aussage nicht immer möglich.Die Höhe der statischen Belastungen, die Eignung vorhandener mechanischer Verbindungen und die Art der Endlasten – ob statisch oder zyklisch – können die Antwort ändern.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Manager des Welding Technology Center, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric stellt weltweit Schweißgeräte und Schweißzusätze her.Ingenieure und Techniker des Welding Technology Center helfen Kunden bei der Lösung von Schweißproblemen.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, Telefon 305-443-9353, Fax 305-443-7559, Website www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, Telefon 610-832-9585, Fax 610-832-9555, Website 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, Website www.aisc.org.
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