În diverse situații structurale, inginerii pot fi nevoiți să evalueze rezistența îmbinărilor realizate prin suduri și elemente de fixare mecanice. Astăzi, elementele de fixare mecanice sunt de obicei șuruburi, dar modelele mai vechi pot avea nituri.
Acest lucru se poate întâmpla în timpul modernizărilor, renovărilor sau îmbunătățirilor unui proiect. Un design nou poate necesita șuruburi și sudură pentru a funcționa împreună într-o îmbinare, unde materialul care urmează să fie îmbinat este mai întâi înșurubat și apoi sudat pentru a oferi rezistență maximă îmbinării.
Totuși, determinarea capacității portante totale a unei îmbinări nu este la fel de simplă ca adunarea sumei componentelor individuale (suduri, șuruburi și nituri). O astfel de presupunere ar putea duce la consecințe dezastruoase.
Îmbinările cu șuruburi sunt descrise în Specificațiile pentru îmbinări structurale ale Institutului American de Structuri din Oțel (AISC), care utilizează șuruburi ASTM A325 sau A490 ca cheie de fixare strânsă, pretensionare sau glisantă.
Strângeți strâns conexiunile cu o cheie de impact sau cu o cheie dublă convențională pentru a vă asigura că straturile sunt în contact strâns. Într-o conexiune pretensionată, șuruburile sunt instalate astfel încât să fie supuse unor sarcini de tracțiune semnificative, iar plăcile sunt supuse unor sarcini de compresie.
1. Rotiți piulița. Metoda de rotire a piuliței implică strângerea șurubului și apoi rotirea piuliței cu o oarecare amplitudine, care depinde de diametrul și lungimea șurubului.
2. Calibrați cheia. Metoda cheii calibrate măsoară cuplul asociat cu tensiunea șurubului.
3. Șurub de reglare a tensiunii de tip torsiune. Șuruburile de tensionare cu deșurubare au niște știfturi mici la capătul șurubului, opus capului. Când se atinge cuplul necesar, știftul se deșurubează.
4. Indicator de tracțiune dreaptă. Indicatorii de tensiune directă sunt șaibe speciale cu urechi. Gradul de compresie de pe ureche indică nivelul de tensiune aplicat șurubului.
În termeni simpli, șuruburile acționează ca niște știfturi în îmbinări strânse și pretensionate, la fel ca un știft de alamă care ține împreună o stivă de hârtie perforată. Îmbinările glisante critice funcționează prin frecare: preîncărcarea creează forță de apăsare, iar frecarea dintre suprafețele de contact lucrează împreună pentru a rezista alunecării îmbinării. Este ca un liant care ține împreună o stivă de hârtii, nu pentru că sunt perforate găuri în hârtie, ci pentru că liantul apasă hârtiile împreună, iar frecarea ține stiva împreună.
Șuruburile ASTM A325 au o rezistență minimă la tracțiune de 150 până la 120 kg pe inch pătrat (KSI), în funcție de diametrul șurubului, în timp ce șuruburile A490 trebuie să aibă o rezistență la tracțiune de 150 până la 170 KSI. Îmbinarea cu nituri se comportă mai mult ca nituri strânse, dar în acest caz, știfturile sunt nituri care sunt de obicei aproximativ pe jumătate din rezistența unui șurub A325.
Când o îmbinare fixată mecanic este supusă unor forțe de forfecare (când un element tinde să alunece peste altul din cauza unei forțe aplicate), se pot întâmpla unul din două lucruri. Șuruburile sau niturile pot fi prezente pe lateralele găurilor, provocând forfecarea simultană a șuruburilor sau niturilor. A doua posibilitate este ca frecarea cauzată de forța de strângere a elementelor de fixare pretensionate să poată rezista la sarcini de forfecare. Nu este de așteptat nicio alunecare pentru această îmbinare, dar este posibilă.
O conexiune strânsă este acceptabilă pentru multe aplicații, deoarece o ușoară alunecare nu poate afecta negativ caracteristicile conexiunii. De exemplu, luați în considerare un siloz proiectat pentru depozitarea materialelor granulare. Poate exista o ușoară alunecare la prima încărcare. Odată ce apare alunecarea, aceasta nu se va mai întâmpla, deoarece toate încărcările ulterioare sunt de aceeași natură.
Inversarea sarcinii este utilizată în anumite aplicații, cum ar fi atunci când elementele rotative sunt supuse unor sarcini alternante de tracțiune și compresiune. Un alt exemplu este un element de încovoiere supus unor sarcini complet inversate. Atunci când există o schimbare semnificativă a direcției sarcinii, poate fi necesară o conexiune preîncărcată pentru a elimina alunecarea ciclică. Această alunecare duce în cele din urmă la o alunecare mai mare în găurile alungite.
Unele îmbinări sunt supuse multor cicluri de încărcare care pot duce la oboseală. Acestea includ prese, suporturi de macarale și conexiuni în poduri. Conexiunile critice glisante sunt necesare atunci când îmbinarea este supusă unor sarcini de oboseală în direcție inversă. Pentru aceste tipuri de condiții, este foarte important ca îmbinarea să nu alunece, așadar sunt necesare îmbinări critice anti-alunecare.
Îmbinările cu șuruburi existente pot fi proiectate și fabricate conform oricăruia dintre aceste standarde. Îmbinările cu nituri sunt considerate etanșe.
Îmbinările sudate sunt rigide. Îmbinările prin lipire sunt dificile. Spre deosebire de îmbinările strânse cu șuruburi, care pot aluneca sub sarcină, sudurile nu trebuie să se întindă și să distribuie sarcina aplicată într-o mare măsură. În majoritatea cazurilor, elementele de fixare mecanice sudate și cele de tip rulment nu se deformează în același mod.
Când sudurile sunt utilizate cu elemente de fixare mecanice, sarcina este transferată prin partea mai dură, astfel încât sudura poate suporta aproape toată sarcina, cu foarte puțină parte împărțită cu șurubul. De aceea, trebuie acordată atenție la sudare, înșurubare și nituire. Specificații. AWS D1 rezolvă problema amestecării elementelor de fixare mecanice și a sudurilor. Specificația 1:2000 pentru sudarea structurală - oțel. Punctul 2.6.3 prevede că pentru niturile sau șuruburile utilizate în îmbinări de tip lagăr (adică unde șurubul sau nitul acționează ca un știft), elementele de fixare mecanice nu trebuie considerate ca împartând sarcina cu sudura. Dacă se utilizează sudarea, acestea trebuie prevăzute pentru a suporta întreaga sarcină în îmbinare. Cu toate acestea, sunt permise conexiunile sudate la un element și nituite sau înșurubate la un alt element.
Atunci când se utilizează elemente de fixare mecanice de tip rulment și se adaugă suduri, capacitatea portantă a șurubului este în mare măsură neglijată. Conform acestei prevederi, sudura trebuie proiectată pentru a transfera toate încărcările.
Aceasta este în esență aceeași cu AISC LRFD-1999, clauza J1.9. Cu toate acestea, standardul canadian CAN/CSA-S16.1-M94 permite, de asemenea, utilizarea independentă atunci când puterea elementului de fixare mecanic sau a șurubului este mai mare decât cea a sudării.
În această chestiune, trei criterii sunt consistente: posibilitățile de fixare mecanică de tip rulment și posibilitățile de sudură nu se adună.
Secțiunea 2.6.3 din AWS D1.1 discută, de asemenea, situațiile în care șuruburile și sudurile pot fi combinate într-o îmbinare din două părți, așa cum se arată în Figura 1. Suduri în stânga, șuruburi în dreapta. Puterea totală a sudurilor și șuruburilor poate fi luată în considerare aici. Fiecare parte a întregii îmbinări funcționează independent. Prin urmare, acest cod este o excepție de la principiul conținut în prima parte a 2.6.3.
Regulile tocmai discutate se aplică clădirilor noi. Pentru structurile existente, clauza 8.3.7 D1.1 prevede că, atunci când calculele structurale arată că un nit sau un șurub va fi suprasolicitat de o nouă sarcină totală, trebuie atribuită acestuia doar sarcina statică existentă.
Aceleași reguli impun ca, dacă un nit sau un șurub este suprasolicitat doar cu sarcini statice sau supus unor sarcini ciclice (de oboseală), trebuie adăugate suficiente elemente de metal de bază și suduri pentru a susține sarcina totală.
Distribuția sarcinii între elementele de fixare mecanice și suduri este acceptabilă dacă structura este preîncărcată, cu alte cuvinte, dacă a avut loc o alunecare între elementele conectate. Însă numai sarcinile statice pot fi aplicate elementelor de fixare mecanice. Sarcinile active care pot duce la o alunecare mai mare trebuie protejate prin utilizarea unor suduri capabile să suporte întreaga sarcină.
Sudurile trebuie utilizate pentru a rezista la toate încărcările aplicate sau dinamice. Când elementele de fixare mecanice sunt deja supraîncărcate, partajarea sarcinii nu este permisă. În cazul încărcării ciclice, partajarea sarcinii nu este permisă, deoarece sarcina poate duce la alunecare permanentă și la supraîncărcarea sudurii.
ilustrație. Luați în considerare o îmbinare suprapusă care a fost inițial prinsă cu șuruburi (vezi Figura 2). Structura adaugă o rezistență suplimentară, iar conexiunile și conectorii trebuie adăugați pentru a oferi o rezistență dublă. În Fig. 3 este prezentat planul de bază pentru consolidarea elementelor. Cum ar trebui realizată conexiunea?
Întrucât noul oțel trebuia îmbinat cu vechiul oțel prin suduri de colț, inginerul a decis să adauge niște suduri de colț la îmbinare. Întrucât șuruburile erau încă la locul lor, ideea inițială a fost să se adauge doar sudurile necesare pentru a transfera puterea suplimentară către noul oțel, așteptându-se ca 50% din sarcină să treacă prin șuruburi și 50% din sarcină să treacă prin noile suduri. Este acceptabil?
Să presupunem mai întâi că în prezent nu sunt aplicate încărcări statice conexiunii. În acest caz, se aplică paragraful 2.6.3 din AWS D1.1.
În această îmbinare de tip lagăr, nu se poate considera că sudura și șurubul împart sarcina, așadar dimensiunea specificată a sudurii trebuie să fie suficient de mare pentru a suporta toată sarcina statică și dinamică. Capacitatea portantă a șuruburilor din acest exemplu nu poate fi luată în considerare, deoarece fără o sarcină statică, îmbinarea va fi într-o stare slăbită. Sudarea (proiectată să suporte jumătate din sarcină) se rupe inițial când se aplică sarcina completă. Apoi, șurubul, proiectat, de asemenea, să transfere jumătate din sarcină, încearcă să transfere sarcina și se rupe.
Presupunem în plus că se aplică o sarcină statică. În plus, se presupune că îmbinarea existentă este suficientă pentru a suporta sarcina permanentă existentă. În acest caz, se aplică paragraful 8.3.7 D1.1. Noile suduri trebuie să reziste doar la sarcini statice crescute și sarcini utile generale. Sarcinile fixe existente pot fi atribuite elementelor de fixare mecanice existente.
Sub sarcină constantă, îmbinarea nu se lasă. În schimb, șuruburile își suportă deja sarcina. A existat o oarecare alunecare în îmbinare. Prin urmare, se pot utiliza suduri și acestea pot transmite încărcări dinamice.
Răspunsul la întrebarea „Este acceptabil?” depinde de condițiile de încărcare. În primul caz, în absența unei sarcini statice, răspunsul va fi negativ. În condițiile specifice ale celui de-al doilea scenariu, răspunsul este da.
Doar pentru că se aplică o sarcină statică, nu este întotdeauna posibil să se tragă o concluzie. Nivelul încărcărilor statice, caracterul adecvat al conexiunilor mecanice existente și natura încărcărilor terminale - fie ele statice sau ciclice - pot schimba răspunsul.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Manager Centru Tehnologic de Sudură, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produce echipamente de sudură și consumabile de sudură la nivel mondial. Inginerii și tehnicienii Centrului Tehnologic de Sudură îi ajută pe clienți să rezolve problemele de sudură.
Societatea Americană de Sudură, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefon 305-443-9353, fax 305-443-7559, site web www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, fax 610-832-9555, site web www.astm.org.
Asociația Americană a Structurilor de Oțel, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefon 312-670-2400, fax 312-670-5403, site web www.aisc.org.
FABRICATOR este revista lider în America de Nord dedicată fabricării și formării oțelului. Revista publică știri, articole tehnice și povești de succes care permit producătorilor să își facă treaba mai eficient. FABRICATOR activează în industrie din 1970.
Acum, cu acces complet la ediția digitală The FABRICATOR, acces facil la resurse valoroase din industrie.
Ediția digitală a revistei The Tube & Pipe Journal este acum complet accesibilă, oferind acces facil la resurse valoroase din industrie.
Obțineți acces digital complet la Jurnalul STAMPING, care prezintă cele mai recente tehnologii, cele mai bune practici și știri din industrie pentru piața de ștanțare a metalelor.
Acum, cu acces digital complet la The Fabricator en Español, aveți acces facil la resurse valoroase din industrie.