W różnych sytuacjach konstrukcyjnych inżynierowie mogą potrzebować ocenić wytrzymałość połączeń wykonanych za pomocą spawów i łączników mechanicznych. Obecnie łącznikami mechanicznymi są zazwyczaj śruby, ale starsze konstrukcje mogą być wyposażone w nity.
Może się to zdarzyć podczas modernizacji, renowacji lub udoskonaleń projektu. Nowy projekt może wymagać połączenia śrubowego i spawalniczego, aby zapewnić połączenie, w którym łączony materiał jest najpierw skręcany, a następnie spawany, aby zapewnić pełną wytrzymałość połączenia.
Określenie całkowitej nośności połączenia nie jest jednak tak proste, jak zsumowanie poszczególnych elementów (spoin, śrub i nitów). Takie założenie może prowadzić do katastrofalnych skutków.
Połączenia śrubowe opisano w Specyfikacji połączeń konstrukcyjnych Amerykańskiego Instytutu Konstrukcji Stalowych (AISC), w której do mocowania ścisłego, mocowania wstępnego lub wpustów przesuwnych zastosowano śruby ASTM A325 lub A490.
Dokręć mocno dokręcone połączenia kluczem udarowym lub ślusarzem, używając konwencjonalnego klucza dwustronnego, aby zapewnić ścisły kontakt warstw. W połączeniu sprężonym śruby są montowane tak, aby były poddawane znacznym obciążeniom rozciągającym, a płyty obciążeniom ściskającym.
1. Obróć nakrętkę. Metoda obracania nakrętki polega na dokręceniu śruby, a następnie dokręceniu nakrętki o dodatkową wartość, która zależy od średnicy i długości śruby.
2. Skalibruj klucz. Metoda kalibrowanego klucza mierzy moment obrotowy związany z napięciem śruby.
3. Śruba regulacji naciągu typu skrętnego. Śruby naciągowe typu twist-off mają małe kołki na końcu śruby naprzeciwko łba. Po osiągnięciu wymaganego momentu obrotowego kołek jest odkręcany.
4. Wskaźnik naciągu prostego. Wskaźniki naciągu bezpośredniego to specjalne podkładki z wypustkami. Stopień ściśniętości na uchu wskazuje poziom naciągu przyłożonego do śruby.
Mówiąc prościej, śruby działają jak sworznie w ciasnych i naprężonych połączeniach, podobnie jak mosiężny sworzeń utrzymujący stos perforowanego papieru razem. Krytyczne połączenia przesuwne działają na zasadzie tarcia: napięcie wstępne wytwarza siłę docisku, a tarcie między powierzchniami styku zapobiega poślizgowi połączenia. To jak segregator, który utrzymuje stos papierów razem, nie dlatego, że są w nim dziurkowane, ale dlatego, że segregator ściska papiery razem, a tarcie utrzymuje stos razem.
Śruby ASTM A325 charakteryzują się minimalną wytrzymałością na rozciąganie od 150 do 120 kg na cal kwadratowy (KSI), w zależności od średnicy śruby, natomiast śruby A490 muszą mieć wytrzymałość na rozciąganie od 150 do 170 KSI. Połączenia nitowe zachowują się bardziej jak połączenia szczelne, ale w tym przypadku trzpienie są nitami, które są zazwyczaj o połowę słabsze niż śruby A325.
Gdy połączenie mechanicznie jest poddawane siłom ścinającym (gdy jeden element ma tendencję do przesuwania się po drugim pod wpływem przyłożonej siły), mogą wystąpić dwa scenariusze. Śruby lub nity mogą znajdować się po bokach otworów, powodując jednoczesne ich ścinanie. Drugą możliwością jest to, że tarcie spowodowane siłą zacisku wstępnie naprężonych elementów złącznych może wytrzymać obciążenia ścinające. W przypadku tego połączenia nie przewiduje się poślizgu, ale jest on możliwy.
W wielu zastosowaniach akceptowalne jest ścisłe połączenie, ponieważ niewielki poślizg nie może negatywnie wpłynąć na jego właściwości. Rozważmy na przykład silos przeznaczony do przechowywania materiałów ziarnistych. Podczas pierwszego załadunku może wystąpić niewielki poślizg. Po wystąpieniu poślizgu nie powtórzy się on, ponieważ wszystkie kolejne obciążenia mają ten sam charakter.
Odwrócenie kierunku obciążenia jest stosowane w niektórych zastosowaniach, na przykład gdy elementy obrotowe są poddawane naprzemiennym obciążeniom rozciągającym i ściskającym. Innym przykładem jest element zginany poddany obciążeniom całkowicie odwróconym. W przypadku znacznej zmiany kierunku obciążenia, może być konieczne zastosowanie połączenia sprężonego, aby wyeliminować cykliczny poślizg. Ten poślizg ostatecznie prowadzi do większego poślizgu w otworach wydłużonych.
Niektóre połączenia podlegają wielu cyklom obciążeń, co może prowadzić do zmęczenia materiału. Należą do nich prasy, podpory dźwigów i połączenia w mostach. Połączenia o krytycznym znaczeniu ślizgowym są wymagane, gdy połączenie jest poddawane obciążeniom zmęczeniowym w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. W takich warunkach bardzo ważne jest, aby połączenie nie miało ślizgu, dlatego potrzebne są połączenia o krytycznym znaczeniu ślizgowym.
Istniejące połączenia śrubowe można zaprojektować i wyprodukować zgodnie z dowolną z tych norm. Połączenia nitowe uważa się za szczelne.
Połączenia spawane są sztywne. Połączenia lutowane są trudne. W przeciwieństwie do ciasnych połączeń śrubowych, które mogą się ślizgać pod obciążeniem, spoiny nie muszą się rozciągać i rozkładać w dużym stopniu obciążenia. W większości przypadków łączniki mechaniczne spawane i łożyskowe nie odkształcają się w ten sam sposób.
Gdy spoiny są stosowane z łącznikami mechanicznymi, obciążenie jest przenoszone przez twardszą część, więc spoina może przenieść prawie całe obciążenie, a tylko niewielką jego część przypada na śrubę. Dlatego należy zachować ostrożność podczas spawania, skręcania i nitowania. Specyfikacje. AWS D1 rozwiązuje problem mieszania łączników mechanicznych i spoin. Specyfikacja 1:2000 dla spawania konstrukcyjnego – stal. Paragraf 2.6.3 stanowi, że w przypadku nitów lub śrub stosowanych w połączeniach łożyskowych (tj. gdzie śruba lub nit działa jak sworzeń), łączniki mechaniczne nie powinny być uważane za dzielące obciążenie ze spoiną. Jeśli stosowane są spawy, muszą być one tak zaprojektowane, aby przenosić pełne obciążenie w połączeniu. Jednakże połączenia spawane do jednego elementu i nitowane lub skręcane do innego elementu są dozwolone.
W przypadku stosowania łączników mechanicznych łożyskowych i dodatkowych spoin, nośność śruby jest w dużym stopniu pomijana. Zgodnie z tym przepisem spoina musi być zaprojektowana tak, aby przenosić wszystkie obciążenia.
Jest to zasadniczo to samo, co AISC LRFD-1999, klauzula J1.9. Jednak kanadyjska norma CAN/CSA-S16.1-M94 dopuszcza również samodzielne stosowanie, gdy siła łącznika mechanicznego lub śruby jest większa niż siła spawania.
W tej kwestii trzy kryteria są spójne: możliwości zamocowań mechanicznych typu łożyskowego i możliwości spawów nie sumują się.
Sekcja 2.6.3 normy AWS D1.1 omawia również sytuacje, w których śruby i spoiny można połączyć w dwuczęściowym połączeniu, jak pokazano na rysunku 1. Spoiny po lewej stronie, śruby po prawej. Można tu uwzględnić całkowitą moc spoin i śrub. Każda część całego połączenia działa niezależnie. Zatem niniejszy kod stanowi wyjątek od zasady zawartej w pierwszej części normy 2.6.3.
Omówione powyżej zasady mają zastosowanie do nowych budynków. W przypadku istniejących konstrukcji, punkt 8.3.7 D1.1 stanowi, że jeżeli obliczenia konstrukcyjne wskazują, że nit lub śruba zostanie przeciążona nowym obciążeniem całkowitym, należy przypisać do niego tylko istniejące obciążenie statyczne.
Te same zasady stanowią, że jeśli nit lub śruba jest przeciążona tylko obciążeniami statycznymi lub poddana obciążeniom cyklicznym (zmęczeniowym), należy dodać wystarczającą ilość metalu bazowego i spoin, aby wytrzymać całe obciążenie.
Rozkład obciążenia między łącznikami mechanicznymi a spoinami jest akceptowalny, jeśli konstrukcja jest sprężona, czyli jeśli wystąpił poślizg między łączonymi elementami. Na łączniki mechaniczne można jednak przenosić wyłącznie obciążenia statyczne. Obciążenia użytkowe, które mogą prowadzić do większego poślizgu, muszą być zabezpieczone poprzez zastosowanie spoin zdolnych do przeniesienia całego obciążenia.
Spoiny muszą być stosowane tak, aby wytrzymywały wszelkie obciążenia przyłożone lub dynamiczne. Gdy łączniki mechaniczne są już przeciążone, współdzielenie obciążenia jest niedozwolone. W przypadku obciążenia cyklicznego współdzielenie obciążenia jest niedozwolone, ponieważ obciążenie może prowadzić do trwałego poślizgu i przeciążenia spoiny.
Ilustracja. Rozważmy połączenie zakładkowe, które pierwotnie było mocno przykręcone (patrz rysunek 2). Konstrukcja zwiększa moc, a połączenia i łączniki muszą zostać dodane, aby zapewnić dwukrotnie większą wytrzymałość. Na rysunku 3 przedstawiono podstawowy plan wzmocnienia elementów. Jak należy wykonać połączenie?
Ponieważ nowa stal musiała zostać połączona ze starą stalą spoinami pachwinowymi, inżynier zdecydował się dodać kilka spoin pachwinowych w miejscu połączenia. Ponieważ śruby były nadal na miejscu, pierwotnym pomysłem było dodanie tylko spoin potrzebnych do przeniesienia dodatkowej mocy na nową stal, zakładając, że 50% obciążenia będzie przenoszone przez śruby, a 50% przez nowe spoiny. Czy to akceptowalne?
Załóżmy najpierw, że do połączenia nie są obecnie przyłożone żadne obciążenia statyczne. W takim przypadku obowiązuje punkt 2.6.3 dokumentu AWS D1.1.
W tym typie połączenia łożyskowego, spoina i śruba nie mogą być traktowane jako dzielące obciążenie, dlatego określony rozmiar spoiny musi być wystarczająco duży, aby przenieść całe obciążenie statyczne i dynamiczne. Nośność śrub w tym przykładzie nie może być uwzględniona, ponieważ bez obciążenia statycznego połączenie będzie luźne. Spoina (zaprojektowana do przenoszenia połowy obciążenia) początkowo pęka po przyłożeniu pełnego obciążenia. Następnie śruba, również zaprojektowana do przenoszenia połowy obciążenia, próbuje przenieść obciążenie i pęka.
Załóżmy ponadto, że przyłożone jest obciążenie statyczne. Dodatkowo zakłada się, że istniejące połączenie jest wystarczające do przeniesienia istniejącego obciążenia stałego. W takim przypadku obowiązuje punkt 8.3.7 D1.1. Nowe spoiny muszą wytrzymywać jedynie zwiększone obciążenia statyczne i ogólne obciążenia użytkowe. Istniejące obciążenia stałe można przypisać do istniejących łączników mechanicznych.
Pod stałym obciążeniem połączenie nie ugina się. Śruby już przenoszą obciążenie. W połączeniu wystąpił pewien poślizg. Dlatego można zastosować spoiny, które mogą przenosić obciążenia dynamiczne.
Odpowiedź na pytanie „Czy to jest akceptowalne?” zależy od warunków obciążenia. W pierwszym przypadku, przy braku obciążenia statycznego, odpowiedź będzie negatywna. W szczególnych warunkach drugiego scenariusza odpowiedź brzmi „tak”.
Samo zastosowanie obciążenia statycznego nie zawsze pozwala na wyciągnięcie wniosków. Poziom obciążeń statycznych, adekwatność istniejących połączeń mechanicznych oraz charakter obciążeń końcowych – czy to statycznych, czy cyklicznych – mogą wpłynąć na odpowiedź.
Duane K. Miller, lekarz medycyny, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Kierownik Centrum Technologii Spawalniczych, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produkuje sprzęt spawalniczy i materiały spawalnicze na całym świecie. Inżynierowie i technicy Centrum Technologii Spawalniczych pomagają klientom rozwiązywać problemy spawalnicze.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefon 305-443-9353, faks 305-443-7559, strona internetowa www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, faks 610-832-9555, strona internetowa www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefon 312-670-2400, faks 312-670-5403, strona internetowa www.aisc.org.
FABRICATOR to wiodący w Ameryce Północnej magazyn poświęcony obróbce i formowaniu stali. Magazyn publikuje wiadomości, artykuły techniczne i historie sukcesów, które pozwalają producentom efektywniej wykonywać swoją pracę. FABRICATOR działa w branży od 1970 roku.
Teraz dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego The FABRICATOR masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Cyfrowe wydanie czasopisma The Tube & Pipe Journal jest już w pełni dostępne, dzięki czemu można łatwo zapoznać się z cennymi zasobami branżowymi.
Uzyskaj pełny dostęp cyfrowy do czasopisma STAMPING Journal, w którym znajdziesz najnowsze technologie, najlepsze praktyki i wiadomości branżowe dotyczące rynku tłoczenia metali.
Dzięki pełnemu dostępowi cyfrowemu do The Fabricator en Español możesz teraz łatwo korzystać z cennych zasobów branżowych.