Különböző szerkezeti helyzetekben a mérnököknek szükségük lehet a hegesztések és mechanikus rögzítőelemek által létrehozott kötések szilárdságának értékelésére. Manapság a mechanikus rögzítőelemek általában csavarok, de a régebbi konstrukciókban szegecsek is lehetnek.
Ez előfordulhat egy projekt fejlesztése, felújítása vagy bővítése során. Egy új konstrukció csavarozást és hegesztést igényelhet a csatlakozások együttes működéséhez, ahol az összeillesztendő anyagot először csavarozzák össze, majd hegesztik a csatlakozás teljes szilárdságának biztosítása érdekében.
Egy kötés teljes teherbírásának meghatározása azonban nem olyan egyszerű, mint az egyes alkatrészek (hegesztések, csavarok és szegecsek) összegének összeadása. Egy ilyen feltételezés katasztrofális következményekkel járhat.
A csavarozott csatlakozásokat az Amerikai Acélszerkezetek Intézetének (AISC) szerkezeti csatlakozási specifikációja írja le, amely ASTM A325 vagy A490 csavarokat használ szoros rögzítésű, előfeszített vagy csúszókulcsként.
A szorosan meghúzott csatlakozásokat ütvecsavarozóval vagy lakatossal, hagyományos kétoldalas villáskulccsal kell meghúzni, hogy a rétegek szorosan érintkezzenek. Feszített csatlakozásnál a csavarokat úgy szerelik be, hogy jelentős húzóterhelésnek legyenek kitéve, a lemezeket pedig nyomóterhelésnek.
1. Forgassa el az anyát. Az anya elforgatásának módja a csavar meghúzása, majd az anya további elforgatása, amely a csavar átmérőjétől és hosszától függ.
2. Kalibrálja a kulcsot. A kalibrált kulcs módszerrel a csavar feszességéhez kapcsolódó nyomatékot mérik.
3. Torziós típusú feszességállító csavar. A csavarható feszítőcsavarok fejjel ellentétes végén kis csapok találhatók. Amikor eléri a kívánt nyomatékot, a csapot kicsavarják.
4. Egyenes húzóerő-index. A közvetlen feszítőerő-jelzők speciális, fülekkel ellátott alátétek. A fülön lévő összenyomódás mértéke jelzi a csavarra ható feszültség mértékét.
Közérthetőbben fogalmazva, a csavarok a szoros és előfeszített kötésekben csapként működnek, hasonlóan ahhoz, mint egy sárgaréz csap, amely egy perforált papírköteget tart össze. A kritikus csúszókötések súrlódás útján működnek: az előterhelés leszorítóerőt hoz létre, és az érintkező felületek közötti súrlódás együttesen megakadályozza a kötés elcsúszását. Ez olyan, mint egy iratgyűjtő, amely egy papírköteget tart össze, nem azért, mert lyukakat ütnek a papírba, hanem azért, mert a kötőanyag összenyomja a papírokat, és a súrlódás tartja egyben a köteget.
Az ASTM A325 csavarok minimális szakítószilárdsága 150-120 kg/négyzethüvelyk (KSI), a csavarátmérőtől függően, míg az A490 csavarok szakítószilárdságának 150-170 KSI között kell lennie. A szegecskötések inkább szoros kötésekhez hasonlóan viselkednek, de ebben az esetben a csapok szegecsek, amelyek jellemzően körülbelül fele olyan erősek, mint egy A325 csavar.
Két dolog történhet, ha egy mechanikusan rögzített kötést nyíróerők érnek (amikor az egyik elem hajlamos elcsúszni a másikon az alkalmazott erő hatására). A csavarok vagy szegecsek a furatok oldalán lehetnek, ami azt okozhatja, hogy a csavarok vagy szegecsek egyidejűleg el is nyíródnak. A második lehetőség az, hogy az előfeszített rögzítőelemek szorítóereje által okozott súrlódás ellenáll a nyíróterheléseknek. Ennél a csatlakozásnál nem várható megcsúszás, de lehetséges.
A szoros csatlakozás számos alkalmazásnál elfogadható, mivel a kismértékű megcsúszás nem befolyásolhatja hátrányosan a csatlakozás jellemzőit. Vegyünk például egy szemcsés anyag tárolására tervezett silót. Az első rakodáskor enyhe megcsúszás előfordulhat. Ha a megcsúszás egyszer bekövetkezik, az nem fog újra előfordulni, mivel az összes további rakodás ugyanolyan jellegű.
A terhelés megfordítását bizonyos alkalmazásokban alkalmazzák, például amikor forgó elemek váltakozó húzó- és nyomóterhelésnek vannak kitéve. Egy másik példa egy hajlító elem, amely teljesen fordított terhelésnek van kitéve. Amikor a terhelés iránya jelentősen megváltozik, előfeszített kapcsolatra lehet szükség a ciklikus megcsúszás kiküszöbölésére. Ez a megcsúszás végül további megcsúszáshoz vezet a hosszúkás furatokban.
Egyes kötések számos terhelési cikluson mennek keresztül, ami kifáradáshoz vezethet. Ilyenek például a prések, a darutámaszok és a hidak csatlakozásai. Csúszókritikus kötésekre van szükség, ha a csatlakozás fordított irányú kifáradási terhelésnek van kitéve. Ilyen körülmények között nagyon fontos, hogy a kötés ne csússzon meg, ezért csúszáskritikus kötésekre van szükség.
A meglévő csavarozott csatlakozások bármelyik szabvány szerint tervezhetők és gyárthatók. A szegecskötések tömörnek tekinthetők.
A hegesztett kötések merevek. A forrasztott kötések bonyolultak. A szoros csavarozott kötésekkel ellentétben, amelyek terhelés alatt megcsúszhatnak, a hegesztéseknek nem kell nagymértékben megnyúlniuk és elosztaniuk az alkalmazott terhelést. A legtöbb esetben a hegesztett és a csapágyas mechanikus rögzítők nem deformálódnak ugyanúgy.
Amikor mechanikus kötőelemekkel hegesztést alkalmaznak, a terhelés a keményebb részen keresztül kerül át, így a hegesztés szinte az összes terhelést elbírja, és nagyon kevés terhelést oszt meg a csavarral. Ezért kell óvatosan eljárni hegesztés, csavarozás és szegecselés során. Specifikációk. Az AWS D1 megoldja a mechanikus kötőelemek és a hegesztések keverésének problémáját. 1:2000 specifikáció szerkezeti hegesztéshez – acél. A 2.6.3. bekezdés kimondja, hogy a csapágyazott kötésekben (azaz ahol a csavar vagy szegecs csapként működik) használt szegecsek vagy csavarok esetében a mechanikus kötőelemeket nem szabad úgy tekinteni, hogy megosztják a terhelést a hegesztéssel. Hegesztés alkalmazása esetén azoknak a kötésben a teljes terhelést el kell viselniük. Megengedettek azonban az egyik elemhez hegesztett, a másikhoz szegecselt vagy csavarozott csatlakozások.
Csapágyas mechanikus rögzítőelemek használata és hegesztések hozzáadása esetén a csavar teherbírása nagymértékben elhanyagolható. E rendelkezés szerint a hegesztést úgy kell megtervezni, hogy minden terhelést átvegyen.
Ez lényegében megegyezik az AISC LRFD-1999 szabvány J1.9 záradékával. A kanadai CAN/CSA-S16.1-M94 szabvány azonban önálló használatot is lehetővé tesz, ha a mechanikus rögzítőelem vagy csavar teljesítménye nagyobb, mint a hegesztési teljesítmény.
Ebben a kérdésben három kritérium következetes: a csapágytípus mechanikai rögzítésének lehetőségei és a hegesztések lehetőségei nem adódnak össze.
Az AWS D1.1 2.6.3. szakasza olyan helyzeteket is tárgyal, amikor csavarok és hegesztések kombinálhatók egy kétrészes kötésben, ahogy az az 1. ábrán látható. Bal oldalon hegesztések, jobb oldalon csavarozottak. Itt figyelembe vehető a hegesztések és csavarok teljes teljesítménye. A teljes csatlakozás minden része függetlenül működik. Így ez a kód kivételt képez a 2.6.3. szakasz első részében foglalt elv alól.
Az imént tárgyalt szabályok új épületekre vonatkoznak. Meglévő szerkezetek esetében a 8.3.7 D1.1 záradék kimondja, hogy ha a tartószerkezeti számítások azt mutatják, hogy egy szegecs vagy csavar túlterhelődik egy új összterhelés hatására, akkor csak a meglévő statikus terhelést kell hozzárendelni.
Ugyanezek a szabályok előírják, hogy ha egy szegecset vagy csavart csak statikus terheléssel túlterhelnek, vagy ciklikus (fárasztó) terhelésnek tesznek ki, elegendő alapanyagot és hegesztési varratot kell hozzáadni a teljes terhelés elviseléséhez.
A mechanikus rögzítőelemek és a hegesztések közötti terheléseloszlás elfogadható, ha a szerkezet elő van terhelve, azaz ha a csatlakoztatott elemek között elcsúszás történt. A mechanikus rögzítőelemekre azonban csak statikus terhelések helyezhetők. Azokat az élő terheléseket, amelyek nagyobb elcsúszáshoz vezethetnek, olyan hegesztési varratokkal kell védeni, amelyek képesek elviselni a teljes terhelést.
A hegesztéseket úgy kell használni, hogy ellenálljanak minden alkalmazott vagy dinamikus terhelésnek. Ha a mechanikus rögzítőelemek már túlterheltek, a tehermegosztás nem megengedett. Ciklikus terhelés esetén a tehermegosztás nem megengedett, mivel a terhelés a hegesztés állandó megcsúszásához és túlterheléséhez vezethet.
ábra. Vegyünk egy eredetileg szorosan csavarozott átfedő illesztést (lásd a 2. ábrát). A szerkezet extra szilárdságot biztosít, és csatlakozásokat és összekötőket kell hozzáadni a szilárdság kétszeresének eléréséhez. A 3. ábra az elemek megerősítésének alapvető tervét mutatja. Hogyan kell a csatlakozást létrehozni?
Mivel az új acélt sarokvarratokkal kellett a régi acélhoz rögzíteni, a mérnök úgy döntött, hogy sarokvarratokat készít a csatlakozásnál. Mivel a csavarok még a helyükön voltak, az eredeti ötlet az volt, hogy csak azokat a hegesztéseket hozzák létre, amelyek a plusz erő átviteléhez szükségesek az új acélra, azzal a várakozással, hogy a terhelés 50%-a a csavarokon, 50%-a pedig az új hegesztéseken megy keresztül. Ez elfogadható?
Először is tegyük fel, hogy jelenleg nincsenek statikus terhelések a csatlakozáson. Ebben az esetben az AWS D1.1 2.6.3. bekezdése érvényes.
Ebben a csapágyazott kötésben a hegesztés és a csavar nem tekinthető a terhelés megosztására alkalmasnak, ezért a megadott hegesztési méretnek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy elbírja a teljes statikus és dinamikus terhelést. A csavarok teherbírása ebben a példában nem vehető figyelembe, mert statikus terhelés nélkül a csatlakozás laza állapotban lesz. A hegesztés (amelyet a terhelés felének hordozására terveztek) kezdetben elszakad, amikor a teljes terhelést alkalmazzák. Ezután a csavar, amely szintén a terhelés felének átvitelére van tervezve, megpróbálja átadni a terhelést, és eltörik.
Továbbá feltételezzük, hogy statikus terhelést alkalmaznak. Ezenkívül feltételezzük, hogy a meglévő csatlakozás elegendő a meglévő állandó terhelés elviselésére. Ebben az esetben a 8.3.7 D1.1 bekezdés érvényes. Az új hegesztéseknek csak a megnövekedett statikus és általános állandó terheléseket kell elviselniük. A meglévő állandó terhelések a meglévő mechanikus rögzítőelemekhez rendelhetők.
Állandó terhelés alatt a csatlakozás nem hajlik meg. Ehelyett a csavarok már viselik a terhelést. A csatlakozásban némi megcsúszás történt. Ezért hegesztések használhatók, és ezek képesek dinamikus terhelések átvitelére.
Az „Elfogadható ez?” kérdésre a válasz a terhelési viszonyoktól függ. Az első esetben, statikus terhelés hiányában, a válasz nemleges lesz. A második forgatókönyv konkrét feltételei között a válasz igen.
Csak azért, mert statikus terhelést alkalmaznak, nem mindig lehet következtetést levonni. A statikus terhelések mértéke, a meglévő mechanikai csatlakozások megfelelősége és a végterhelések jellege – legyen az statikus vagy ciklikus – megváltoztathatja a választ.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Hegesztéstechnológiai Központ vezetője, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. A Lincoln Electric világszerte gyárt hegesztőberendezéseket és hegesztőanyagokat. A Hegesztéstechnológiai Központ mérnökei és technikusai segítik az ügyfeleket a hegesztési problémák megoldásában.
Amerikai Hegesztő Társaság, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefon: 305-443-9353, fax: 305-443-7559, weboldal: www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon: 610-832-9585, fax: 610-832-9555, weboldal: www.astm.org.
Amerikai Acélszerkezetek Szövetsége, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefon: 312-670-2400, fax: 312-670-5403, weboldal: www.aisc.org.
A FABRICATOR Észak-Amerika vezető acélmegmunkálással és -alakítással foglalkozó magazinja. A magazin híreket, műszaki cikkeket és sikertörténeteket közöl, amelyek lehetővé teszik a gyártók számára, hogy hatékonyabban végezzék munkájukat. A FABRICATOR 1970 óta van jelen az iparágban.
Mostantól teljes hozzáféréssel a The FABRICATOR digitális kiadásához, könnyű hozzáféréssel az értékes iparági forrásokhoz.
A The Tube & Pipe Journal digitális kiadása mostantól teljes mértékben hozzáférhető, könnyű hozzáférést biztosítva az értékes iparági forrásokhoz.
Teljes digitális hozzáférést kaphat a STAMPING Journalhoz, amely a fémbélyegző piac legújabb technológiáit, legjobb gyakorlatait és iparági híreit tartalmazza.
Mostantól a The Fabricator en Español teljes digitális hozzáférésével könnyedén hozzáférhet értékes iparági forrásokhoz.