In varie situazioni strutturali, gli ingegneri potrebbero aver bisogno di valutare la resistenza dei giunti realizzati da saldature e fissaggi meccanici.Oggi, gli elementi di fissaggio meccanici sono generalmente bulloni, ma i modelli più vecchi possono avere rivetti.
Ciò può accadere durante aggiornamenti, ristrutturazioni o miglioramenti a un progetto.Un nuovo progetto può richiedere che la bullonatura e la saldatura lavorino insieme in un giunto in cui il materiale da unire viene prima imbullonato insieme e poi saldato per fornire piena resistenza al giunto.
Tuttavia, determinare la capacità di carico totale di un giunto non è semplice come sommare la somma dei singoli componenti (saldature, bulloni e rivetti).Una tale ipotesi potrebbe portare a conseguenze disastrose.
Le connessioni bullonate sono descritte nella specifica del giunto strutturale dell'American Institute of Steel Structures (AISC), che utilizza bulloni ASTM A325 o A490 come montaggio stretto, precarico o chiave scorrevole.
Stringere i collegamenti ben serrati con una chiave a percussione o un fabbro utilizzando una chiave a doppia faccia convenzionale per garantire che gli strati siano a stretto contatto.In una connessione precompressa, i bulloni sono installati in modo da essere soggetti a carichi di trazione significativi e le piastre sono soggette a carichi di compressione.
1. Girare il dado.Il metodo di rotazione del dado prevede il serraggio del bullone e quindi la rotazione del dado di una quantità aggiuntiva, che dipende dal diametro e dalla lunghezza del bullone.
2. Calibrare la chiave.Il metodo della chiave calibrata misura la coppia associata alla tensione del bullone.
3. Bullone di regolazione della tensione del tipo a torsione.I bulloni di tensione twist-off hanno piccoli prigionieri all'estremità del bullone opposta alla testa.Quando viene raggiunta la coppia richiesta, il prigioniero viene svitato.
4. Indice di tiro dritto.Gli indicatori di tensione diretta sono rondelle speciali con linguette.La quantità di compressione sul capocorda indica il livello di tensione applicato al bullone.
In parole povere, i bulloni agiscono come perni in giunti stretti e pretensionati, proprio come un perno di ottone che tiene insieme una pila di carta perforata.I giunti scorrevoli critici funzionano per attrito: il precarico crea deportanza e l'attrito tra le superfici di contatto lavora insieme per resistere allo slittamento del giunto.È come un raccoglitore che tiene insieme una pila di fogli, non perché i fogli siano perforati, ma perché il raccoglitore preme insieme i fogli e l'attrito tiene insieme la pila.
I bulloni ASTM A325 hanno una resistenza alla trazione minima da 150 a 120 kg per pollice quadrato (KSI), a seconda del diametro del bullone, mentre i bulloni A490 devono avere una resistenza alla trazione da 150 a 170-KSI.I giunti dei rivetti si comportano più come giunti stretti, ma in questo caso i perni sono rivetti che in genere sono circa la metà più resistenti di un bullone A325.
Una delle due cose può accadere quando un giunto fissato meccanicamente è soggetto a forze di taglio (quando un elemento tende a scivolare sull'altro a causa di una forza applicata).Bulloni o rivetti possono trovarsi ai lati dei fori, causando il taglio simultaneo dei bulloni o dei rivetti.La seconda possibilità è che l'attrito causato dalla forza di serraggio degli elementi di fissaggio pretensionati possa sopportare carichi di taglio.Non è previsto alcuno slittamento per questa connessione, ma è possibile.
Una connessione stretta è accettabile per molte applicazioni, poiché un leggero scorrimento non può influire negativamente sulle caratteristiche della connessione.Ad esempio, si consideri un silo progettato per immagazzinare materiale granulare.Potrebbe esserci un leggero slittamento durante il caricamento per la prima volta.Una volta che si verifica lo slittamento, non accadrà più, perché tutti i carichi successivi sono della stessa natura.
L'inversione del carico viene utilizzata in alcune applicazioni, ad esempio quando gli elementi rotanti sono soggetti a carichi alternati di trazione e compressione.Un altro esempio è un elemento flettente sottoposto a carichi completamente inversi.Quando si verifica un cambiamento significativo nella direzione del carico, potrebbe essere necessaria una connessione precaricata per eliminare lo scorrimento ciclico.Questo slittamento alla fine porta a un ulteriore slittamento nei fori allungati.
Alcune articolazioni subiscono molti cicli di carico che possono portare all'affaticamento.Questi includono presse, supporti per gru e collegamenti in ponti.Le connessioni critiche scorrevoli sono necessarie quando la connessione è soggetta a carichi di fatica nella direzione opposta.Per questi tipi di condizioni, è molto importante che il giunto non scivoli, quindi sono necessari giunti critici per lo scivolamento.
Le connessioni bullonate esistenti possono essere progettate e prodotte secondo uno qualsiasi di questi standard.Le connessioni rivettate sono considerate strette.
I giunti saldati sono rigidi.I giunti di saldatura sono complicati.A differenza dei giunti bullonati stretti, che possono scivolare sotto carico, le saldature non devono allungarsi e distribuire in larga misura il carico applicato.Nella maggior parte dei casi, i fissaggi meccanici saldati e di tipo cuscinetto non si deformano allo stesso modo.
Quando le saldature vengono utilizzate con dispositivi di fissaggio meccanici, il carico viene trasferito attraverso la parte più dura, quindi la saldatura può sopportare quasi tutto il carico, condividendo pochissimo con il bullone.Ecco perché è necessario prestare attenzione durante la saldatura, l'avvitatura e la rivettatura.Specifiche.AWS D1 risolve il problema della combinazione di fissaggi meccanici e saldature.Specifica 1:2000 per saldatura strutturale – acciaio.Il paragrafo 2.6.3 afferma che per rivetti o bulloni utilizzati in giunti di tipo portante (ovvero dove il bullone o il rivetto funge da perno), non si dovrebbe considerare che i fissaggi meccanici condividano il carico con la saldatura.Se si utilizza la saldatura, devono essere forniti per sostenere l'intero carico nel giunto.Tuttavia, sono consentiti collegamenti saldati ad un elemento e rivettati o imbullonati ad un altro elemento.
Quando si utilizzano dispositivi di fissaggio meccanici del tipo a cuscinetto e si aggiungono saldature, la capacità portante del bullone viene ampiamente trascurata.Secondo questa disposizione, la saldatura deve essere progettata per trasferire tutti i carichi.
Questo è essenzialmente lo stesso di AISC LRFD-1999, clausola J1.9.Tuttavia, lo standard canadese CAN/CSA-S16.1-M94 consente anche l'utilizzo autonomo quando la potenza del fissaggio meccanico o del bullone è superiore a quella della saldatura.
In questa materia, tre criteri sono coerenti: le possibilità di fissaggi meccanici del tipo a cuscinetto e le possibilità di saldature non si sommano.
La sezione 2.6.3 di AWS D1.1 discute anche situazioni in cui i bulloni e le saldature possono essere combinati in un giunto in due parti, come mostrato nella Figura 1. Saldature a sinistra, imbullonate a destra.La potenza totale di saldature e bulloni può essere presa in considerazione qui.Ogni parte dell'intera connessione funziona in modo indipendente.Pertanto, questo codice costituisce un'eccezione al principio contenuto nella prima parte del 2.6.3.
Le regole appena discusse si applicano alle nuove costruzioni.Per le strutture esistenti, la clausola 8.3.7 D1.1 afferma che quando i calcoli strutturali mostrano che un rivetto o un bullone sarà sovraccaricato da un nuovo carico totale, solo il carico statico esistente dovrebbe essere assegnato ad esso.
Le stesse regole richiedono che se un rivetto o un bullone è sovraccaricato solo con carichi statici o sottoposto a carichi ciclici (fatica), devono essere aggiunti metallo di base e saldature sufficienti per supportare il carico totale.
La distribuzione del carico tra fissaggi meccanici e saldature è accettabile se la struttura è precaricata, cioè se si è verificato lo scorrimento tra gli elementi collegati.Ma solo i carichi statici possono essere posizionati su dispositivi di fissaggio meccanici.I carichi dinamici che possono portare a un maggiore slittamento devono essere protetti mediante l'uso di saldature in grado di sopportare l'intero carico.
Le saldature devono essere utilizzate per resistere a tutti i carichi applicati o dinamici.Quando i dispositivi di fissaggio meccanici sono già sovraccarichi, la condivisione del carico non è consentita.In condizioni di carico ciclico, la condivisione del carico non è consentita, poiché il carico può portare allo slittamento permanente e al sovraccarico della saldatura.
illustrazione.Si consideri un giunto a sovrapposizione originariamente imbullonato (vedere la Figura 2).La struttura aggiunge ulteriore potenza e devono essere aggiunti collegamenti e connettori per fornire il doppio della forza.Sulla fig.3 mostra il piano di base per rafforzare gli elementi.Come deve essere effettuato il collegamento?
Poiché il nuovo acciaio doveva essere unito a quello vecchio mediante saldature d'angolo, l'ingegnere ha deciso di aggiungere alcune saldature d'angolo al giunto.Poiché i bulloni erano ancora al loro posto, l'idea originale era di aggiungere solo le saldature necessarie per trasferire la potenza extra al nuovo acciaio, prevedendo che il 50% del carico passasse attraverso i bulloni e il 50% del carico passasse attraverso le nuove saldature.È accettabile?
Supponiamo innanzitutto che non siano attualmente applicati carichi statici alla connessione.In questo caso si applica il paragrafo 2.6.3 dell'AWS D1.1.
In questo tipo di giunto a cuscinetto, non si può considerare che la saldatura e il bullone condividano il carico, quindi la dimensione della saldatura specificata deve essere sufficientemente grande da supportare tutto il carico statico e dinamico.La capacità portante dei bulloni in questo esempio non può essere presa in considerazione, perché senza un carico statico, la connessione sarà in uno stato allentato.La saldatura (progettata per sopportare metà del carico) inizialmente si rompe quando viene applicato il pieno carico.Quindi il bullone, anch'esso progettato per trasferire metà del carico, cerca di trasferire il carico e si rompe.
Supponiamo inoltre che venga applicato un carico statico.Inoltre, si presume che la connessione esistente sia sufficiente a sostenere il carico permanente esistente.In questo caso si applica il paragrafo 8.3.7 D1.1.Le nuove saldature devono solo sopportare maggiori carichi statici e dinamici generali.I carichi permanenti esistenti possono essere assegnati a fissaggi meccanici esistenti.
Sotto carico costante, la connessione non si abbassa.Invece, i bulloni sopportano già il loro carico.C'è stato qualche slittamento nella connessione.Pertanto, le saldature possono essere utilizzate e possono trasmettere carichi dinamici.
La risposta alla domanda "È accettabile?"dipende dalle condizioni di carico.Nel primo caso, in assenza di carico statico, la risposta sarà negativa.Nelle condizioni specifiche del secondo scenario, la risposta è sì.
Solo perché viene applicato un carico statico, non è sempre possibile trarre una conclusione.Il livello dei carichi statici, l'adeguatezza delle connessioni meccaniche esistenti e la natura dei carichi alle estremità, statici o ciclici, possono cambiare la risposta.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Direttore del centro di tecnologia di saldatura, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric produce attrezzature per saldatura e materiali di consumo per saldatura in tutto il mondo.Gli ingegneri e i tecnici del Welding Technology Center aiutano i clienti a risolvere i problemi di saldatura.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefono 305-443-9353, fax 305-443-7559, sito web www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefono 610-832-9585, fax 610-832-9555, sito web www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefono 312-670-2400, fax 312-670-5403, sito web www.aisc.org.
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