さまざまな構造状況において、エンジニアは溶接や機械的留め具によって作られた接合部の強度を評価する必要がある場合があります。現在、機械式ファスナーは通常ボルトですが、古いデザインではリベットが使用されている場合があります。
これは、プロジェクトのアップグレード、改修、または機能強化中に発生する可能性があります。新しい設計では、接合部でボルト締めと溶接を併用する必要がある場合があります。この場合、接合する材料が最初にボルト締めされ、次に溶接されて接合部に十分な強度が与えられます。
ただし、ジョイントの総耐荷重を決定することは、個々のコンポーネント (溶接、ボルト、リベット) の合計を合計するほど単純ではありません。そのような仮定は悲惨な結果を招く可能性があります。
ボルト接合は、米国鉄鋼構造協会 (AISC) の構造接合仕様に記載されており、ASTM A325 または A490 ボルトをタイト マウント、プリロード、またはスライディング キーとして使用します。
層がしっかりと接触していることを確認するために、従来の両面レンチを使用して、インパクト レンチまたは鍵屋でしっかりと締め付けられた接続を締めます。プレストレス接続では、ボルトには大きな引張荷重がかかり、プレートには圧縮荷重がかかるように取り付けられます。
1. ナットを回します。ナットを回す方法では、ボルトを締めてから、ボルトの直径と長さに応じてさらにナットを回転させます。
2. キーを校正します。校正されたレンチ法では、ボルトの張力に関連するトルクを測定します。
3. ねじり式テンション調整ボルト。ツイストオフ テンション ボルトには、ボルトの頭の反対側の端に小さなスタッドが付いています。必要なトルクに達したら、スタッドを緩めます。
4. ストレートプルインデックス。ダイレクトテンションインジケーターはタブ付きの特殊なワッシャーです。ラグの圧縮量は、ボルトにかかる張力のレベルを示します。
平たく言えば、ボルトは、あらかじめ張力がかけられたしっかりとした接合部のピンのように機能します。これは、穴あき紙の束をまとめて保持する真鍮のピンとよく似ています。重要な滑りジョイントは摩擦によって機能します。プリロードがダウンフォースを生成し、接触面間の摩擦が連携してジョイントの滑りに抵抗します。これは、紙の束をまとめるバインダーのようなものです。これは、紙に穴を開けるためではなく、バインダーが紙を互いに押し付け、摩擦によって束を保持するためです。
ASTM A325 ボルトの最小引張強度はボルトの直径に応じて 150 ～ 120 kg/平方インチ (KSI) ですが、A490 ボルトの引張強度は 150 ～ 170-KSI でなければなりません。リベット接合はより緊密な接合のように動作しますが、この場合、ピンは通常 A325 ボルトの約半分の強度のリベットです。
機械的に固定されたジョイントがせん断力を受けると (加えられた力によって 1 つの要素が別の要素の上を滑る傾向があるとき)、2 つのうちの 1 つが発生する可能性があります。ボルトまたはリベットが穴の側面にある場合、ボルトまたはリベットが同時にせん断される可能性があります。2 番目の可能性は、事前に張力をかけたファスナーの締め付け力によって生じる摩擦がせん断荷重に耐えられる可能性があるということです。この接続では滑りは予想されませんが、滑りが発生する可能性があります。
わずかな滑りが接続の特性に悪影響を与えることはないため、しっかりとした接続は多くの用途で許容されます。たとえば、粒状材料を保管するように設計されたサイロを考えてみましょう。初めて装着する際は若干の滑りが生じる場合がございます。一度スリップが発生すると、その後の荷重はすべて同じ性質であるため、再びスリップが発生することはありません。
荷重反転は、回転要素に引張荷重と圧縮荷重が交互にかかる場合など、一部の用途で使用されます。別の例は、完全に逆の荷重を受ける曲げ要素です。荷重の方向に大きな変化がある場合、周期的な滑りを排除するために予荷重を加えた接続が必要になる場合があります。この滑りは、最終的には長穴内でのさらなる滑りにつながります。
一部の関節は多くの負荷サイクルを経験し、疲労を引き起こす可能性があります。これらには、プレス、クレーン サポート、橋の接続部が含まれます。接続が逆方向の疲労荷重を受ける場合、滑り性の重要な接続が必要です。このようなタイプの条件では、ジョイントが滑らないことが非常に重要であるため、スリップクリティカルジョイントが必要です。
既存のボルト接続は、これらの規格のいずれかに従って設計および製造できます。リベット接続はしっかりしていると考えられます。
溶接接合部は堅いです。はんだ接合は難しいです。荷重がかかると滑る可能性があるきつくボルトで締められた接合部とは異なり、溶接部は伸びて加えられる荷重を大幅に分散する必要がありません。ほとんどの場合、溶接タイプとベアリングタイプのメカニカルファスナーは同じように変形しません。
溶接が機械的締結具とともに使用される場合、荷重はより硬い部分を介して伝達されるため、溶接はほとんどすべての荷重に耐えることができ、ボルトにはほとんど負担がかかりません。そのため、溶接、ボルト締め、リベット締めの際には注意が必要です。仕様。AWS D1 は、機械的ファスナーと溶接の混在の問題を解決します。仕様 1:2000 構造溶接用 - 鋼。2.6.3 項では、ベアリングタイプの接合部 (つまり、ボルトまたはリベットがピンとして機能する場合) で使用されるリベットまたはボルトの場合、機械的締結具が溶接部と荷重を共有すると考えるべきではないと述べています。溶接を使用する場合は、接合部で全荷重を支えることができるように溶接を行う必要があります。ただし、1 つの要素に溶接され、別の要素にリベットまたはボルトで固定された接続は許可されます。
ベアリングタイプのメカニカルファスナーを使用して溶接を追加する場合、ボルトの耐荷重能力はほとんど無視されます。この規定によれば、溶接はすべての荷重を伝達できるように設計されなければなりません。
これは本質的に AISC LRFD-1999 の J1.9 項と同じです。ただし、カナダの規格 CAN/CSA-S16.1-M94 では、機械式締結具またはボルトの出力が溶接の出力よりも高い場合、スタンドアロンでの使用も許可されています。
この件に関しては、次の 3 つの基準が一致しています。ベアリング タイプの機械的固定の可能性と溶接の可能性は合計されません。
AWS D1.1 のセクション 2.6.3 では、図 1 に示すように、ボルトと溶接を 2 つの部分からなるジョイントで組み合わせることができる状況についても説明しています。左側が溶接、右側がボルトで固定されています。ここでは、溶接とボルトの合計の力を考慮することができます。接続全体の各部分は独立して動作します。したがって、このコードは 2.6.3 の最初の部分に含まれる原則の例外です。
先ほど説明したルールは新しい建物に適用されます。既存の構造物については、8.3.7 D1.1 項に、リベットまたはボルトが新しい合計荷重によって過負荷になることが構造計算で示された場合、既存の静荷重のみをそれに割り当てる必要があると記載されています。
同じ規則により、リベットまたはボルトに静荷重のみが過負荷になる場合、または周期 (疲労) 荷重がかかる場合は、総荷重を支えるのに十分な母材と溶接部を追加する必要があります。
構造に予荷重がかかっている場合、つまり、接続された要素間で滑りが発生している場合、機械的ファスナーと溶接部の間の荷重の分散は許容可能です。ただし、機械式ファスナーにかけることができるのは静荷重のみです。滑りが大きくなる可能性がある活荷重は、荷重全体に耐えられる溶接を使用して保護する必要があります。
溶接は、適用されるすべての荷重または動的荷重に耐えられるように使用する必要があります。メカニカル ファスナーがすでに過負荷になっている場合、負荷分散は許可されません。周期的な荷重がかかると、荷重が永久的な滑りや溶接部の過負荷につながる可能性があるため、荷重の分散は許可されません。
図。元々ボルトでしっかりと固定されていた重ね継手を考えてみましょう (図 2 を参照)。この構造により余分な力が追加され、2 倍の強度を提供するには接続とコネクタを追加する必要があります。図上。要素強化の基本計画を図３に示す。どのように接続すればよいでしょうか?
新しい鋼材を古い鋼材に隅肉溶接で接合する必要があるため、エンジニアは接合部に隅肉溶接を追加することにしました。ボルトがまだ所定の位置にあったため、当初のアイデアは、荷重の 50% がボルトを通過し、荷重の 50% が新しい溶接部を通過することを想定して、余分な力を新しい鋼に伝達するために必要な溶接のみを追加することでした。受け入れられますか？
まず、現在接続に静的荷重が適用されていないと仮定します。この場合、AWS D1.1 の段落 2.6.3 が適用されます。
このベアリング タイプのジョイントでは、溶接部とボルトが荷重を分担すると考えることができないため、指定された溶接部のサイズは、静荷重と動荷重のすべてを支えるのに十分な大きさでなければなりません。この例では、静荷重がないと接続が緩んだ状態になるため、ボルトの支持力は考慮できません。溶接部 (荷重の半分を支えるように設計されている) は、全荷重がかかると最初に破断します。次に、同じく荷重の半分を伝達するように設計されているボルトが、荷重を伝達しようとして破損します。
さらに静荷重がかかるものとします。さらに、既存の接続は既存の永続的な負荷を支えるのに十分であると想定されます。この場合、8.3.7 D1.1 項が適用されます。新しい溶接部は、増加した静荷重および一般的な活荷重に耐えるだけで済みます。既存の死荷重を既存のメカニカル ファスナーに割り当てることができます。
一定の負荷がかかっても、接続がたるむことはありません。代わりに、ボルトはすでにその荷重に耐えています。接続部分に若干のズレが生じております。したがって、溶接を使用することができ、動的荷重を伝達することができます。
「これは受け入れられますか？」という質問に対する答えは次のとおりです。負荷条件により異なります。最初のケースでは、静荷重が存在しないため、答えは負になります。2 番目のシナリオの特定の条件下では、答えは「はい」です。
静荷重が適用されたからといって、必ずしも結論を導き出せるわけではありません。静的荷重のレベル、既存の機械的接続の適切性、および終端荷重の性質 (静的か周期的か) によって、答えが変わる可能性があります。
Duane K. Miller、MD、PE、22801 Saint Clair Ave.、Cleveland、OH 44117-1199、Lincoln Electric Company、溶接技術センター マネージャー、www.lincolnelectric.com。リンカーン エレクトリックは、世界中で溶接装置と溶接消耗品を製造しています。溶接テクノロジーセンターのエンジニアと技術者は、お客様の溶接の問題解決を支援します。
American Welding Society、550 NW LeJeune Road、マイアミ、フロリダ州 33126-5671、電話 305-443-9353、ファックス 305-443-7559、ウェブサイト www.aws.org。
ASTM Intl.、100 Barr Harbor Drive、West Conshohocken、PA 19428-2959、電話 610-832-9585、ファックス 610-832-9555、ウェブサイト www.astm.org。
American Steel Structures Association、One E. Wacker Drive、Suite 3100、Chicago、IL 60601-2001、電話 312-670-2400、ファックス 312-670-5403、ウェブサイト www.aisc.org。
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