W różnych sytuacjach konstrukcyjnych inżynierowie mogą potrzebować oceny wytrzymałości połączeń wykonanych za pomocą spoin i łączników mechanicznych.Obecnie łączniki mechaniczne to zwykle śruby, ale starsze konstrukcje mogą mieć nity.
Może się to zdarzyć podczas aktualizacji, renowacji lub ulepszeń projektu.Nowy projekt może wymagać połączenia śrubami i spawania, aby działały razem w złączu, w którym materiał, który ma być połączony, jest najpierw skręcany, a następnie spawany, aby zapewnić pełną wytrzymałość połączenia.
Jednak określenie całkowitej nośności połączenia nie jest tak proste, jak zsumowanie sumy poszczególnych elementów (spoin, śrub i nitów).Takie założenie może prowadzić do katastrofalnych konsekwencji.
Połączenia śrubowe są opisane w Specyfikacji połączeń strukturalnych Amerykańskiego Instytutu Konstrukcji Stalowych (AISC), która wykorzystuje śruby ASTM A325 lub A490 jako wpust mocujący, napinający lub przesuwny.
Mocno dokręcone połączenia należy dokręcić kluczem udarowym lub ślusarzem za pomocą konwencjonalnego klucza dwustronnego, aby zapewnić szczelny kontakt warstw.W połączeniu sprężonym śruby są instalowane w taki sposób, że są poddawane znacznym obciążeniom rozciągającym, a płyty są poddawane obciążeniom ściskającym.
1. Obróć nakrętkę.Metoda obracania nakrętki polega na dokręceniu śruby, a następnie dokręceniu nakrętki o dodatkowy stopień, który zależy od średnicy i długości śruby.
2. Skalibruj klucz.Metoda kalibrowanego klucza mierzy moment obrotowy związany z napięciem śruby.
3. Śruba regulacji napięcia typu skrętnego.Śruby napinające typu twist-off mają małe kołki na końcu śruby naprzeciwko łba.Po osiągnięciu wymaganego momentu obrotowego śruba dwustronna jest odkręcana.
4. Wskaźnik ciągnięcia prostego.Bezpośrednie wskaźniki napięcia to specjalne podkładki z wypustkami.Stopień ściśnięcia występu wskazuje poziom naprężenia zastosowanego do śruby.
W kategoriach laika śruby działają jak szpilki w ciasnych i wstępnie naprężonych połączeniach, podobnie jak mosiężna szpilka trzymająca razem stos perforowanego papieru.Krytyczne połączenia ślizgowe działają na zasadzie tarcia: napięcie wstępne wytwarza siłę docisku, a tarcie między powierzchniami styku działa razem, aby przeciwdziałać poślizgowi złącza.To jest jak segregator, który trzyma stos papierów razem, nie dlatego, że dziurki są dziurkowane w papierze, ale dlatego, że segregator dociska papiery do siebie, a tarcie utrzymuje stos razem.
Śruby ASTM A325 mają minimalną wytrzymałość na rozciąganie od 150 do 120 kg na cal kwadratowy (KSI), w zależności od średnicy śruby, podczas gdy śruby A490 muszą mieć wytrzymałość na rozciąganie od 150 do 170-KSI.Połączenia nitowe zachowują się bardziej jak ciasne połączenia, ale w tym przypadku kołki są nitami, które są zwykle o połowę tak mocne, jak śruba A325.
Jedna z dwóch rzeczy może się zdarzyć, gdy połączenie mocowane mechanicznie zostanie poddane działaniu sił ścinających (gdy jeden element ma tendencję do przesuwania się po drugim pod wpływem przyłożonej siły).Śruby lub nity mogą znajdować się po bokach otworów, powodując jednoczesne ścięcie śrub lub nitów.Druga możliwość jest taka, że ​​tarcie spowodowane siłą zacisku wstępnie naprężonych elementów złącznych może wytrzymać obciążenia ścinające.W przypadku tego połączenia nie przewiduje się poślizgu, ale jest to możliwe.
Szczelne połączenie jest dopuszczalne w wielu zastosowaniach, ponieważ niewielki poślizg nie może negatywnie wpłynąć na charakterystykę połączenia.Rozważmy na przykład silos przeznaczony do przechowywania materiału ziarnistego.Podczas ładowania po raz pierwszy może wystąpić niewielki poślizg.Raz występujący poślizg nie powtórzy się, ponieważ wszystkie kolejne obciążenia mają ten sam charakter.
Odwrócenie obciążenia jest stosowane w niektórych zastosowaniach, na przykład gdy obracające się elementy są poddawane naprzemiennym obciążeniom rozciągającym i ściskającym.Innym przykładem jest element zginany poddany całkowicie odwrotnemu obciążeniu.W przypadku znacznej zmiany kierunku obciążenia może być wymagane połączenie z napięciem wstępnym w celu wyeliminowania poślizgu cyklicznego.Ten poślizg ostatecznie prowadzi do większego poślizgu w podłużnych otworach.
Niektóre stawy podlegają wielu cyklom obciążenia, co może prowadzić do zmęczenia.Należą do nich prasy, podpory dźwigów i połączenia w mostach.Krytyczne połączenia przesuwne są wymagane, gdy połączenie jest poddawane obciążeniom zmęczeniowym w odwrotnym kierunku.W tego typu warunkach bardzo ważne jest, aby połączenie się nie ślizgało, dlatego potrzebne są połączenia krytyczne dla poślizgu.
Istniejące połączenia śrubowe można zaprojektować i wyprodukować zgodnie z dowolnymi z tych norm.Połączenia nitowe są uważane 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 przyłożonego obciążenia.W większości przypadków spawane i łożyskowane łączniki mechaniczne nie odkształcają się w ten sam sposób.
Kiedy spoiny są używane z łącznikami mechanicznymi, obciążenie jest przenoszone przez twardszą część, więc spoina może przenosić prawie całe obciążenie, z bardzo niewielkim udziałem śruby.Dlatego należy zachować ostrożność podczas spawania, skręcania i nitowania.Specyfikacje.AWS D1 rozwiązuje problem mieszania łączników mechanicznych i spoin.Specyfikacja 1:2000 dla spawania konstrukcji – stal.W paragrafie 2.6.3 stwierdza się, że w przypadku nitów lub śrub stosowanych w połączeniach typu łożyskowego (tj. gdy śruba lub nit działa jak sworzeń), łączników mechanicznych nie należy uważać za rozkładające obciążenie ze spoiną.Jeśli stosowane jest spawanie, muszą być one przystosowane do przenoszenia pełnego obciążenia w złączu.Dopuszczalne są jednak połączenia spawane do jednego elementu i nitowane lub skręcane z innym elementem.
Podczas stosowania łączników mechanicznych typu łożyskowego i dodawania spoin nośność śruby jest w dużej mierze 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 użycie, gdy moc mechanicznego łącznika lub śruby jest większa niż moc spawania.
Zgodne są w tej kwestii trzy kryteria: możliwości mocowań mechanicznych typu łożyskowego i możliwości spawów nie sumują się.
W sekcji 2.6.3 AWS D1.1 omówiono również sytuacje, w których śruby i spoiny można łączyć w dwuczęściowe połączenie, jak pokazano na rysunku 1. Spoiny po lewej stronie, śruby po prawej.Można tutaj uwzględnić całkowitą moc spoin i śrub.Każda część całego połączenia działa niezależnie.Kodeks ten stanowi zatem wyjątek od zasady zawartej w pierwszej części 2.6.3.
Omówione zasady dotyczą nowych budynków.W przypadku istniejących konstrukcji, punkt 8.3.7 D1.1 stanowi, że gdy obliczenia konstrukcyjne wykazują, że nit lub śruba zostaną przeciążone przez nowe obciążenie całkowite, należy przypisać do nich tylko istniejące obciążenie statyczne.
Te same zasady wymagają, aby jeśli nit lub śruba są przeciążane tylko obciążeniami statycznymi lub poddawane obciążeniom cyklicznym (zmęczeniowym), należy dodać wystarczającą ilość metalu nieszlachetnego i spoin, aby wytrzymać całkowite obciążenie.
Rozkład obciążeń pomiędzy łącznikami mechanicznymi a spoinami jest dopuszczalny, jeżeli konstrukcja jest obciążona wstępnie, czyli jeżeli pomiędzy łączonymi elementami wystąpił poślizg.Ale na łączniki mechaniczne można nakładać tylko obciążenia statyczne.Obciążenia użytkowe, które mogą prowadzić do większego poślizgu, muszą być chronione za pomocą spoin zdolnych wytrzymać całe obciążenie.
Spoiny muszą być stosowane tak, aby wytrzymać wszystkie przyłożone lub dynamiczne obciążenia.Gdy łączniki mechaniczne są już przeciążone, podział obciążenia jest niedozwolony.Przy obciążeniu cyklicznym współdzielenie obciążenia jest niedozwolone, ponieważ obciążenie może prowadzić do trwałego poślizgu i przeciążenia spoiny.
ilustracja.Rozważ połączenie zakładkowe, które pierwotnie było mocno dokręcone (patrz rysunek 2).Struktura dodaje dodatkową moc, a połączenia i złącza muszą być dodane, aby zapewnić podwójną wytrzymałość.na ryc.3 przedstawia podstawowy plan wzmocnienia elementów.Jak powinno być wykonane połączenie?
Ponieważ nowa stal musiała być połączona ze starą za pomocą spoin pachwinowych, inżynier postanowił dodać kilka spoin pachwinowych na złączu.Ponieważ śruby nadal były na miejscu, pierwotnym pomysłem było dodanie tylko spoin potrzebnych do przeniesienia dodatkowej mocy na nową stal, spodziewając się, że 50% obciążenia przejdzie przez śruby, a 50% obciążenia przejdzie przez nowe spoiny.jest do zaakceptowania?
Załóżmy najpierw, że połączenie nie jest obecnie obciążone statycznie.W takim przypadku zastosowanie ma pkt 2.6.3 AWS D1.1.
W takim połączeniu typu łożyskowego nie można uznać, że spoina i śruba dzielą obciążenie, więc określony rozmiar spoiny musi być wystarczająco duży, aby wytrzymać całe obciążenie statyczne i dynamiczne.Nośność śrub w tym przykładzie nie może być brana pod uwagę, ponieważ bez obciążenia statycznego połączenie będzie w stanie luźnym.Spoina (przeznaczona do przenoszenia połowy obciążenia) początkowo pęka po przyłożeniu pełnego obciążenia.Następnie śruba, również przeznaczona do przenoszenia połowy obciążenia, próbuje przenieść obciążenie i pęka.
Załóżmy ponadto, że zastosowano obciążenie statyczne.Dodatkowo zakłada się, że istniejące połączenie jest wystarczające do przeniesienia istniejącego stałego obciążenia.W takim przypadku zastosowanie ma pkt 8.3.7 D1.1.Nowe spoiny muszą jedynie wytrzymać zwiększone obciążenia statyczne i ogólne obciążenia użytkowe.Istniejące obciążenia stałe można przypisać do istniejących łączników mechanicznych.
Przy stałym obciążeniu połączenie nie zwisa.Zamiast tego śruby już przenoszą swoje obciążenie.Nastąpiło poślizg w połączeniu.Dlatego spoiny mogą być stosowane i mogą przenosić obciążenia dynamiczne.
Odpowiedź na pytanie „Czy to jest dopuszczalne?”zależy od warunków obciążenia.W pierwszym przypadku, przy braku obciążenia statycznego, odpowiedź będzie negatywna.W szczególnych warunkach drugiego scenariusza odpowiedź brzmi „tak”.
Tylko dlatego, że przykładane jest obciążenie statyczne, nie zawsze można wyciągnąć wnioski.Poziom obciążeń statycznych, adekwatność istniejących połączeń mechanicznych oraz charakter obciążeń końcowych — czy to statyczne, czy cykliczne — mogą zmienić odpowiedź.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, kierownik centrum technologii spawania, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric produkuje sprzęt spawalniczy i materiały spawalnicze na całym świecie.Inżynierowie i technicy Centrum Technologii Spawalnictwa 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 magazyn zajmujący się produkcją i formowaniem stali w Ameryce Północnej.Magazyn publikuje wiadomości, artykuły techniczne i historie sukcesu, które umożliwiają producentom wydajniejsze wykonywanie ich pracy.FABRICATOR istnieje w branży od 1970 roku.
Teraz z pełnym dostępem do cyfrowej edycji The FABRICATOR, łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Cyfrowe wydanie The Tube & Pipe Journal jest teraz w pełni dostępne, zapewniając łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Uzyskaj pełny dostęp cyfrowy do czasopisma STAMPING Journal, zawierającego najnowsze technologie, najlepsze praktyki i wiadomości branżowe dotyczące rynku tłoczenia metali.
Teraz dzięki pełnemu cyfrowemu dostępowi do The Fabricator en Español masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.