In diverse constructiesituaties moeten ingenieurs mogelijk de sterkte van verbindingen beoordelen die tot stand zijn gekomen door lassen en mechanische bevestigingsmiddelen. Tegenwoordig zijn mechanische bevestigingsmiddelen meestal bouten, maar oudere ontwerpen kunnen klinknagels bevatten.
Dit kan gebeuren tijdens upgrades, renovaties of verbeteringen aan een project. Een nieuw ontwerp kan vereisen dat bouten en lassen samenwerken in een verbinding waarbij het te verbinden materiaal eerst wordt vastgeschroefd en vervolgens gelast om de verbinding volledige sterkte te geven.
Het bepalen van de totale draagkracht van een verbinding is echter niet zo eenvoudig als het optellen van de afzonderlijke componenten (lassen, bouten en klinknagels). Een dergelijke aanname kan desastreuze gevolgen hebben.
Boutverbindingen worden beschreven in de Structural Joint Specification van het American Institute of Steel Structures (AISC), waarin ASTM A325- of A490-bouten worden gebruikt als bevestigingsbouten, voorgespannen bouten of schuifbouten.
Draai de strak aangedraaide verbindingen vast met een slagmoersleutel of een gewone dubbelzijdige sleutel om ervoor te zorgen dat de lagen goed contact maken. Bij een voorgespannen verbinding worden de bouten zo gemonteerd dat ze aan aanzienlijke trekkrachten worden blootgesteld en de platen aan drukkrachten.
1. Draai de moer aan. Om de moer aan te draaien, draai je eerst de bout vast en vervolgens de moer nog een klein beetje verder aan. De hoeveelheid die je aandraait, hangt af van de diameter en de lengte van de bout.
2. Kalibreer de sleutel. De gekalibreerde sleutelmethode meet het koppel dat hoort bij de boutspanning.
3. Torsie-aanhaalbout. Torsie-aanhaalbouten hebben kleine nokjes aan het uiteinde van de bout tegenover de kop. Wanneer het gewenste koppel is bereikt, wordt het nokje losgedraaid.
4. Rechte trekindex. Directe spanningsindicatoren zijn speciale ringen met lipjes. De mate van compressie op het lipje geeft de spanning aan die op de bout wordt uitgeoefend.
Simpel gezegd, bouten werken als pinnen in strakke en voorgespannen verbindingen, net zoals een messing pin een stapel geperforeerd papier bij elkaar houdt. Kritische schuifverbindingen werken door wrijving: voorspanning creëert neerwaartse druk en wrijving tussen de contactoppervlakken zorgt ervoor dat de verbinding niet verschuift. Het is vergelijkbaar met een ringband die een stapel papier bij elkaar houdt, niet omdat er gaten in het papier zijn geponst, maar omdat de ringband het papier samendrukt 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 pinnen klinknagels die doorgaans ongeveer half zo sterk zijn als een A325-bout.
Wanneer een mechanisch bevestigde verbinding wordt blootgesteld aan schuifkrachten (waarbij een element door een uitgeoefende kracht over een ander element heen schuift), kunnen er twee dingen gebeuren. De bouten of klinknagels kunnen zich aan de zijkanten van de gaten bevinden, waardoor ze tegelijkertijd afbreken. De tweede mogelijkheid is dat de wrijving die ontstaat door de klemkracht van de voorgespannen bevestigingsmiddelen de schuifkrachten kan weerstaan. In dit geval wordt geen slip verwacht, maar het is wel mogelijk.
Een strakke verbinding is voor veel toepassingen acceptabel, omdat lichte slip de eigenschappen van de verbinding niet nadelig beïnvloedt. Neem bijvoorbeeld een silo die is ontworpen voor de opslag van korrelig materiaal. Er kan lichte slip optreden bij de eerste belading. Zodra slip optreedt, zal dit niet meer gebeuren, omdat alle volgende beladingen van dezelfde aard zijn.
Belastingsomkering wordt in sommige toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld wanneer roterende elementen worden blootgesteld aan wisselende trek- en drukkrachten. Een ander voorbeeld is een buigend element dat wordt blootgesteld aan volledig omgekeerde belastingen. Bij een aanzienlijke verandering in de richting van de belasting kan een voorgespannen verbinding nodig zijn om cyclische slip te voorkomen. Deze slip leidt uiteindelijk tot meer slip in de langwerpige gaten.
Sommige verbindingen worden blootgesteld aan vele belastingcycli, wat kan leiden tot vermoeiing. Dit geldt bijvoorbeeld voor persen, kraansteunen en verbindingen in bruggen. Schuifkritische verbindingen zijn vereist wanneer de verbinding wordt blootgesteld aan vermoeiingsbelastingen in de tegenovergestelde richting. Onder deze omstandigheden is het van cruciaal belang dat de verbinding niet verschuift; daarom zijn schuifkritische verbindingen nodig.
Bestaande boutverbindingen kunnen volgens elk van deze normen worden ontworpen en gefabriceerd. Klinknagelverbindingen worden als dicht beschouwd.
Gelaste verbindingen zijn stijf. Soldeerverbindingen zijn lastiger. In tegenstelling tot strakke boutverbindingen, die onder belasting kunnen verschuiven, hoeven lassen niet uit te rekken en de toegepaste belasting in grote mate te verdelen. In de meeste gevallen vervormen gelaste en gelaste mechanische bevestigingsmiddelen niet op dezelfde manier.
Bij het gebruik van lassen in combinatie met mechanische bevestigingsmiddelen wordt de belasting overgebracht via het hardere deel, waardoor de las bijna de gehele belasting kan dragen en slechts een klein deel wordt gedeeld met de bout. Daarom is zorgvuldigheid geboden bij het lassen, bouten en klinken. Specificaties. AWS D1 biedt een oplossing voor het probleem van het combineren van mechanische bevestigingsmiddelen en lassen. Specificatie 1:2000 voor constructielassen – staal. Paragraaf 2.6.3 stelt dat voor klinknagels of bouten die worden gebruikt in dragende verbindingen (d.w.z. waar de bout of klinknagel als pen fungeert), mechanische bevestigingsmiddelen niet geacht worden de belasting met de las te delen. Indien lassen wordt gebruikt, moeten deze de volledige belasting in de verbinding kunnen dragen. Verbindingen die aan het ene element zijn gelast en aan een ander element zijn geklonken of gebout, zijn echter wel toegestaan.
Bij het gebruik van mechanische bevestigingsmiddelen met lagers en het toevoegen van lassen wordt het draagvermogen van de bout grotendeels verwaarloosd. Volgens deze bepaling moet de las zodanig ontworpen zijn dat alle belastingen worden overgedragen.
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 voor mechanische bevestiging van het lagertype en de mogelijkheden voor lassen wegen niet op tegen elkaar.
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 aan de linkerkant, bouten aan de rechterkant. Hierbij kan rekening worden gehouden met de totale kracht van lassen en bouten. Elk onderdeel van de gehele verbinding werkt onafhankelijk. Deze norm vormt dus een uitzondering op het principe dat in het eerste deel van paragraaf 2.6.3 wordt beschreven.
De zojuist besproken regels gelden voor nieuwbouw. ​​Voor bestaande constructies bepaalt clausule 8.3.7 D1.1 dat wanneer constructieberekeningen aantonen dat een klinknagel of bout overbelast zal raken door een nieuwe totale belasting, alleen de bestaande statische belasting eraan mag worden toegewezen.
Dezelfde regels vereisen dat, indien een klinknagel of bout alleen wordt overbelast met statische belastingen of wordt blootgesteld aan cyclische (vermoeidheids)belastingen, er voldoende basismetaal en lassen moeten worden toegevoegd om de totale belasting te kunnen dragen.
De verdeling van de belasting tussen mechanische bevestigingsmiddelen en lassen is acceptabel als de constructie voorgespannen is, met andere woorden, als er slip optreedt tussen de verbonden elementen. Maar alleen statische belastingen mogen op mechanische bevestigingsmiddelen worden aangebracht. Dynamische belastingen die tot grotere slip kunnen leiden, moeten worden opgevangen door lassen die de volledige belasting kunnen weerstaan.
Lasverbindingen moeten bestand zijn tegen alle toegepaste of dynamische belastingen. Wanneer mechanische bevestigingsmiddelen al overbelast zijn, is lastverdeling niet toegestaan. Ook bij cyclische belasting is lastverdeling niet toegestaan, omdat dit kan leiden tot permanente verschuiving en overbelasting van de las.
Illustratie. Beschouw een overlappende verbinding die oorspronkelijk vastgeschroefd was (zie figuur 2). De constructie voegt extra vermogen toe en er moeten verbindingen en koppelingen worden toegevoegd om de sterkte te verdubbelen. Figuur 3 toont het basisplan voor het versterken van de elementen. Hoe moet de verbinding worden gemaakt?
Omdat het nieuwe staal met hoeklassen aan het oude staal moest worden verbonden, besloot de ingenieur om enkele hoeklassen op de verbinding aan te brengen. Aangezien de bouten nog steeds aanwezig waren, was het oorspronkelijke idee om alleen de lassen aan te brengen die nodig waren om de extra belasting op het nieuwe staal over te brengen, ervan uitgaande dat 50% van de belasting via de bouten en 50% via de nieuwe lassen zou lopen. Is dit acceptabel?
Laten we er eerst van uitgaan dat er momenteel geen statische belastingen op de verbinding worden toegepast. In dat geval is paragraaf 2.6.3 van AWS D1.1 van toepassing.
Bij dit type lagerverbinding kunnen de las en de bout niet worden beschouwd als delend de belasting, dus de gespecificeerde lasafmetingen moeten groot genoeg zijn om alle statische en dynamische belastingen te kunnen dragen. Het draagvermogen van de bouten in dit voorbeeld kan niet in aanmerking worden genomen, omdat de verbinding zonder statische belasting slap zal zijn. De las (ontworpen om de helft van de belasting te dragen) scheurt aanvankelijk wanneer de volledige belasting wordt aangebracht. Vervolgens probeert de bout, die ook is ontworpen om de helft van de belasting over te brengen, de belasting over te brengen en breekt.
Verder wordt aangenomen dat er een statische belasting wordt toegepast. Daarnaast wordt ervan uitgegaan dat de bestaande verbinding 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 de verhoogde statische en algemene variabele belastingen te weerstaan. Bestaande permanente belastingen kunnen worden toegewezen aan bestaande mechanische bevestigingsmiddelen.
Onder constante belasting zakt de verbinding niet door. De bouten dragen immers al hun eigen gewicht. Er is wel enige slip in de verbinding opgetreden. Daarom kunnen lassen worden gebruikt, die dynamische belastingen kunnen overbrengen.
Het antwoord op de vraag "Is dit acceptabel?" hangt af van de belastingomstandigheden. In het eerste geval, bij afwezigheid van een statische belasting, zal het antwoord negatief zijn. Onder de specifieke omstandigheden van het tweede scenario is het antwoord ja.
Het feit dat er een statische belasting wordt toegepast, betekent niet automatisch dat er een conclusie getrokken kan worden. De hoogte van de statische belasting, de geschiktheid van de bestaande mechanische verbindingen en de aard van de eindbelastingen – statisch of cyclisch – kunnen het antwoord beïnvloeden.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Manager van het Welding Technology Center, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produceert wereldwijd lasapparatuur en lasbenodigdheden. 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 het toonaangevende tijdschrift voor staalconstructie en -vorming in Noord-Amerika. Het tijdschrift publiceert nieuws, technische artikelen en succesverhalen die fabrikanten in staat stellen hun werk efficiënter uit te voeren. FABRICATOR is al sinds 1970 actief in de branche.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, heeft u eenvoudig toegang tot waardevolle branchebronnen.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt gemakkelijke toegang tot waardevolle branchebronnen.
Krijg volledige digitale toegang tot het STAMPING Journal, met de nieuwste technologie, beste praktijken en branchenieuws voor de metaalstempelmarkt.
Nu u volledig digitaal toegang hebt tot The Fabricator en Español, hebt u eenvoudig toegang tot waardevolle branchebronnen.