In verschillende structurele situaties moeten ingenieurs mogelijk de sterkte evalueren van verbindingen die zijn gemaakt door lassen en mechanische bevestigingsmiddelen.Tegenwoordig zijn mechanische bevestigingsmiddelen meestal bouten, maar oudere ontwerpen kunnen klinknagels hebben.
Dit kan gebeuren tijdens upgrades, renovaties of verbeteringen aan een project.Een nieuw ontwerp kan bouten en lassen vereisen om samen te werken in een verbinding waarbij het te verbinden materiaal eerst aan elkaar wordt geschroefd en vervolgens wordt gelast om de verbinding volledige sterkte te geven.
Het bepalen van het totale draagvermogen van een verbinding is echter niet zo eenvoudig als het optellen van de som van de afzonderlijke componenten (lassen, bouten en klinknagels).Een dergelijke aanname kan rampzalige gevolgen hebben.
Boutverbindingen worden beschreven in de structurele verbindingsspecificatie van het American Institute of Steel Structures (AISC), die ASTM A325- of A490-bouten gebruikt als strakke montage, voorbelasting of glijdende sleutel.
Draai stevig vastgedraaide verbindingen vast met een slagmoersleutel of slotenmaker met een conventionele dubbelzijdige sleutel om ervoor te zorgen dat de lagen goed contact maken.In een voorgespannen verbinding worden de bouten zo geïnstalleerd dat ze worden onderworpen aan aanzienlijke trekbelastingen en worden de platen onderworpen aan drukbelastingen.
1. Draai de moer.De methode om de moer te draaien houdt in dat de bout wordt vastgedraaid en vervolgens de moer een extra slag wordt gedraaid, afhankelijk van de diameter en lengte van de bout.
2. Kalibreer de sleutel.De gekalibreerde sleutelmethode meet het koppel dat gepaard gaat met boutspanning.
3. Stelbout torsiespanning.Twist-off spanbouten hebben kleine tapeinden aan het uiteinde van de bout tegenover de kop.Wanneer het vereiste koppel is bereikt, wordt de bout losgeschroefd.
4. Rechte trekindex.Directe spanningsindicatoren zijn speciale ringen met lipjes.De hoeveelheid compressie op de nok geeft het spanningsniveau aan dat op de bout wordt uitgeoefend.
In termen van leken gedragen bouten zich als pennen in strakke en voorgespannen verbindingen, net als een koperen pen die een stapel geperforeerd papier bij elkaar houdt.Kritieke glijdende gewrichten werken door wrijving: voorbelasting creëert neerwaartse kracht en wrijving tussen de contactoppervlakken werkt samen om slippen van het gewricht tegen te gaan.Het is als een ringband die een stapel papieren bij elkaar houdt, niet omdat er gaatjes in het papier worden geponst, maar omdat de ringband de papieren tegen elkaar drukt en de wrijving de stapel bij elkaar houdt.
ASTM A325-bouten hebben een minimale treksterkte van 150 tot 120 kg per vierkante inch (KSI), afhankelijk van de boutdiameter, terwijl A490-bouten een treksterkte van 150 tot 170-KSI moeten hebben.Klinknagelverbindingen gedragen zich meer als strakke verbindingen, maar in dit geval zijn de pennen klinknagels die doorgaans ongeveer half zo sterk zijn als een A325-bout.
Er kunnen twee dingen gebeuren wanneer een mechanisch bevestigde verbinding wordt onderworpen aan afschuifkrachten (wanneer een element de neiging heeft over een ander te glijden als gevolg van een uitgeoefende kracht).Bouten of klinknagels kunnen zich aan de zijkanten van de gaten bevinden, waardoor de bouten of klinknagels tegelijkertijd afbreken.De tweede mogelijkheid is dat de wrijving veroorzaakt door de klemkracht van de voorgespannen bevestigingsmiddelen bestand is tegen schuifbelastingen.Voor deze verbinding wordt geen slip verwacht, maar het is mogelijk.
Een strakke verbinding is acceptabel voor veel toepassingen, aangezien lichte slip de eigenschappen van de verbinding niet nadelig kan beïnvloeden.Denk bijvoorbeeld aan een silo die is ontworpen om korrelig materiaal op te slaan.Bij de eerste keer laden kan er een lichte slip optreden.Als er eenmaal slip is opgetreden, zal dit niet meer gebeuren, omdat alle volgende belastingen van dezelfde aard zijn.
Belastingomkering wordt in sommige toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld wanneer roterende elementen worden onderworpen aan afwisselende trek- en drukbelastingen.Een ander voorbeeld is een buigelement dat wordt onderworpen aan volledig omgekeerde belastingen.Wanneer er een significante verandering in belastingsrichting is, kan een voorbelaste verbinding nodig zijn om cyclische slip te voorkomen.Deze slip leidt uiteindelijk tot meer slip in de langwerpige gaten.
Sommige gewrichten ondergaan veel belastingscycli die kunnen leiden tot vermoeidheid.Denk hierbij aan persen, kraansteunen en verbindingen in bruggen.Glijdende kritieke verbindingen zijn vereist wanneer de verbinding wordt onderworpen aan vermoeiingsbelastingen in omgekeerde richting.Voor dit soort omstandigheden is het erg belangrijk dat de verbinding niet wegglijdt, dus slipkritische verbindingen zijn nodig.
Bestaande boutverbindingen kunnen volgens elk van deze normen worden ontworpen en vervaardigd.Klinknagelverbindingen worden als strak beschouwd.
Gelaste verbindingen zijn stijf.Soldeerverbindingen zijn lastig.In tegenstelling tot strakke boutverbindingen, die onder belasting kunnen slippen, hoeven lasnaden niet uit te rekken en de uitgeoefende belasting in grote mate te verdelen.In de meeste gevallen vervormen gelaste en gelagerde mechanische bevestigingsmiddelen niet op dezelfde manier.
Wanneer lassen worden gebruikt met mechanische bevestigingsmiddelen, wordt de belasting overgebracht door het hardere deel, zodat de las bijna alle belasting kan dragen, met zeer weinig gedeeld met de bout.Daarom is voorzichtigheid geboden bij lassen, bouten en klinken.Specificaties.AWS D1 lost het probleem op van het mengen van mechanische bevestigingsmiddelen en lassen.Specificatie 1:2000 voor constructief lassen – staal.Paragraaf 2.6.3 stelt dat voor klinknagels of bouten die worden gebruikt in lagertype verbindingen (dwz waar de bout of klinknagel als pen fungeert), mechanische bevestigingsmiddelen niet geacht mogen worden de belasting met de las te delen.Als lassen wordt gebruikt, moeten deze worden aangebracht om de volledige belasting in de verbinding te dragen.Verbindingen die aan het ene element zijn gelast en aan een ander element zijn geklonken of geschroefd, zijn echter toegestaan.
Bij het gebruik van mechanische bevestigingsmiddelen van het lagertype en het toevoegen van lasnaden wordt het draagvermogen van de bout grotendeels verwaarloosd.Volgens deze bepaling moet de las ontworpen zijn om alle belastingen over te dragen.
Dit is in wezen hetzelfde als AISC LRFD-1999, clausule J1.9.De Canadese norm CAN/CSA-S16.1-M94 staat echter ook stand-alone gebruik toe wanneer de kracht van de mechanische bevestiging of bout groter is dan die van lassen.
In deze kwestie zijn drie criteria consistent: de mogelijkheden van mechanische bevestigingen van het lagertype en de mogelijkheden van lassen kloppen niet.
Paragraaf 2.6.3 van AWS D1.1 bespreekt ook situaties waarin bouten en lassen gecombineerd kunnen worden in een tweedelige verbinding, zoals weergegeven in figuur 1. Lassen links, gebout rechts.Hierbij kan rekening worden gehouden met het totale vermogen van lassen en bouten.Elk onderdeel van de gehele verbinding opereert onafhankelijk.Deze code is dus een uitzondering op het principe vervat in het eerste deel van 2.6.3.
Voor nieuwbouw gelden de zojuist besproken regels.Voor bestaande constructies stelt artikel 8.3.7 D1.1 dat wanneer structurele berekeningen aantonen dat een klinknagel of bout zal worden overbelast door een nieuwe totale belasting, alleen de bestaande statische belasting eraan moet worden toegewezen.
Dezelfde regels vereisen dat als een klinknagel of bout alleen wordt overbelast met statische belastingen of wordt onderworpen aan cyclische (vermoeiings)belastingen, er voldoende basismetaal en lasnaden moeten worden toegevoegd om de totale belasting te dragen.
De verdeling van de belasting tussen mechanische bevestigingsmiddelen en lassen is acceptabel als de constructie is voorbelast, met andere woorden als er slip is opgetreden tussen de verbonden elementen.Maar alleen statische belastingen kunnen op mechanische bevestigingsmiddelen worden geplaatst.Actieve belastingen die tot grotere slip kunnen leiden, moeten worden beschermd door het gebruik van lassen die de volledige belasting kunnen weerstaan.
Lassen moeten worden gebruikt om alle toegepaste of dynamische belasting te weerstaan.Wanneer mechanische bevestigingsmiddelen al overbelast zijn, is lastverdeling niet toegestaan.Bij cyclische belasting is load sharing niet toegestaan, aangezien de belasting kan leiden tot permanent slippen en overbelasting van de las.
illustratie.Overweeg een overlappingsverbinding die oorspronkelijk vastgeschroefd was (zie afbeelding 2).De structuur voegt extra kracht toe en verbindingen en connectoren moeten worden toegevoegd om dubbele sterkte te bieden.Op afb.3 toont het basisplan voor het versterken van de elementen.Hoe moet de verbinding gemaakt worden?
Omdat het nieuwe staal met hoeklassen aan het oude staal moest worden verbonden, besloot de ingenieur enkele hoeklassen aan de verbinding toe te voegen.Omdat de bouten nog op hun plaats zaten, was het oorspronkelijke idee om alleen de lasnaden toe te voegen die nodig waren om het extra vermogen op het nieuwe staal over te brengen, in de verwachting dat 50% van de belasting door de bouten zou gaan en 50% van de belasting door de nieuwe lassen.Het is acceptabel?
Laten we eerst aannemen dat er momenteel geen statische belastingen op de verbinding worden toegepast.In dit geval is paragraaf 2.6.3 van AWS D1.1 van toepassing.
In deze verbinding van het lagertype kunnen de las en de bout niet worden beschouwd als delen van de belasting, dus de gespecificeerde lasmaat moet groot genoeg zijn om alle statische en dynamische belasting te dragen.Er kan in dit voorbeeld geen rekening worden gehouden met het draagvermogen van de bouten, omdat zonder statische belasting de verbinding slap zal zijn.De las (ontworpen om de helft van de belasting te dragen) scheurt aanvankelijk wanneer de volledige belasting wordt uitgeoefend.Dan probeert de bout, ook ontworpen om de helft van de lading over te dragen, de lading over te brengen en breekt.
Ga er verder vanuit dat er een statische belasting wordt uitgeoefend.Daarnaast wordt aangenomen dat de bestaande aansluiting voldoende is om de bestaande permanente belasting te dragen.In dit geval is paragraaf 8.3.7 D1.1 van toepassing.Nieuwe lassen hoeven alleen verhoogde statische en algemene spanningen te weerstaan.Bestaande eigen lasten kunnen worden toegewezen aan bestaande mechanische bevestigingsmiddelen.
Bij constante belasting zakt de verbinding niet door.In plaats daarvan dragen de bouten hun lading al.Er is wat ontsporing opgetreden in de verbinding.Daarom kunnen lassen worden gebruikt en kunnen ze dynamische belastingen overbrengen.
Het antwoord op de vraag “Is dit acceptabel?”hangt af van de belastingsomstandigheden.In het eerste geval, bij afwezigheid van een statische belasting, zal het antwoord negatief zijn.Onder de specifieke voorwaarden van het tweede scenario is het antwoord ja.
Alleen omdat er een statische belasting wordt toegepast, is het niet altijd mogelijk om een ​​conclusie te trekken.Het niveau van statische belastingen, de geschiktheid van bestaande mechanische verbindingen en de aard van de eindbelastingen, zowel statisch als cyclisch, kunnen het antwoord veranderen.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Welding Technology Center Manager, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric produceert lasapparatuur en lastoevoegmaterialen over de hele wereld.Ingenieurs en technici van het Welding Technology Center helpen klanten bij het oplossen van lasproblemen.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefoon 305-443-9353, fax 305-443-7559, website www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefoon 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, telefoon 312-670-2400, fax 312-670-5403, website www.aisc.org.
FABRICATOR is Noord-Amerika's leidende tijdschrift voor staalproductie en -vorming.Het magazine publiceert nieuws, technische artikelen en succesverhalen waarmee fabrikanten hun werk efficiënter kunnen doen.FABRICATOR is actief in de branche sinds 1970.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, gemakkelijke toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt gemakkelijke toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
Krijg volledige digitale toegang tot het STAMPING Journal, met de nieuwste technologie, best practices en nieuws uit de branche voor de metaalstempelmarkt.
Nu met volledige digitale toegang tot The Fabricator en Español, hebt u gemakkelijk toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.