В различных структурных ситуациях инженерам может потребоваться оценить прочность соединений, выполненных сваркой и механическими креплениями.Сегодня механические крепления обычно представляют собой болты, но в старых конструкциях могут быть заклепки.
Это может произойти во время обновлений, обновлений или улучшений проекта.Новая конструкция может потребовать совместной работы болтов и сварки в соединении, где соединяемый материал сначала скрепляется болтами, а затем сваривается, чтобы обеспечить полную прочность соединения.
Однако определение общей несущей способности соединения не так просто, как сложение суммы отдельных компонентов (сварных швов, болтов и заклепок).Такое предположение могло привести к катастрофическим последствиям.
Болтовые соединения описаны в Спецификации структурных соединений Американского института стальных конструкций (AISC), в которой используются болты ASTM A325 или A490 в качестве плотного крепления, предварительной нагрузки или скользящей шпонки.
Плотно затянутые соединения подтяните ударным гайковертом или слесарным с помощью обычного двустороннего ключа, чтобы убедиться в плотном контакте слоев.В предварительно напряженном соединении болты устанавливаются так, что на них действуют значительные растягивающие нагрузки, а на пластины - сжимающие.
1. Поверните гайку.Метод закручивания гайки заключается в затягивании болта и последующем повороте гайки на дополнительную величину, которая зависит от диаметра и длины болта.
2. Откалибруйте ключ.Метод калиброванного ключа измеряет крутящий момент, связанный с натяжением болта.
3. Болт регулировки натяжения торсионного типа.Натяжные болты Twist-off имеют небольшие шпильки на конце болта, противоположном головке.При достижении необходимого крутящего момента шпилька выкручивается.
4. Индекс прямой тяги.Индикаторы прямого натяжения представляют собой специальные шайбы с выступами.Величина сжатия выступа указывает уровень натяжения болта.
С точки зрения непрофессионала, болты действуют как штифты в тугих и предварительно натянутых соединениях, во многом как латунный штифт, скрепляющий стопку перфорированной бумаги.Критические скользящие соединения работают за счет трения: предварительная нагрузка создает прижимную силу, а трение между контактными поверхностями работает вместе, чтобы противостоять проскальзыванию соединения.Это похоже на скоросшиватель, который скрепляет стопку бумаг не потому, что в бумаге пробиты отверстия, а потому, что скоросшиватель прижимает бумаги друг к другу, а трение удерживает стопку вместе.
Болты ASTM A325 имеют минимальный предел прочности на растяжение от 150 до 120 кг на квадратный дюйм (KSI), в зависимости от диаметра болта, в то время как болты A490 должны иметь предел прочности на разрыв от 150 до 170-KSI.Заклепочные соединения ведут себя скорее как тугие соединения, но в этом случае штифты представляют собой заклепки, прочность которых обычно примерно вдвое меньше, чем у болта A325.
Одно из двух может произойти, когда механически закрепленное соединение подвергается сдвиговым усилиям (когда один элемент стремится скользить по другому из-за приложенной силы).Болты или заклепки могут находиться по бокам отверстий, в результате чего болты или заклепки срезаются одновременно.Вторая возможность заключается в том, что трение, вызванное усилием зажима предварительно натянутых крепежных деталей, может выдерживать сдвигающие нагрузки.Для этого соединения не ожидается проскальзывания, но оно возможно.
Плотное соединение приемлемо для многих применений, так как незначительное проскальзывание не может неблагоприятно повлиять на характеристики соединения.Например, рассмотрим силос, предназначенный для хранения гранулированного материала.При первой загрузке может быть небольшое проскальзывание.Как только произойдет проскальзывание, оно больше не повторится, потому что все последующие нагрузки имеют одинаковую природу.
Реверсирование нагрузки используется в некоторых приложениях, например, когда вращающиеся элементы подвергаются чередующимся растягивающим и сжимающим нагрузкам.Другим примером является изгибающийся элемент, подвергаемый полностью обратным нагрузкам.При значительном изменении направления нагрузки может потребоваться соединение с предварительным натягом для устранения циклического проскальзывания.Это скольжение в конечном итоге приводит к большему скольжению в удлиненных отверстиях.
Некоторые суставы испытывают много циклов нагрузки, что может привести к усталости.К ним относятся прессы, крановые опоры и соединения в мостах.Скользящие критические соединения необходимы, когда соединение подвергается усталостным нагрузкам в обратном направлении.Для этих типов условий очень важно, чтобы соединение не скользило, поэтому необходимы соединения, критические для скольжения.
Существующие болтовые соединения могут быть спроектированы и изготовлены в соответствии с любым из этих стандартов.Заклепочные соединения считаются герметичными.
Сварные соединения жесткие.Паяные соединения сложны.В отличие от тугих болтовых соединений, которые могут проскальзывать под нагрузкой, сварные швы не должны сильно растягиваться и распределять приложенную нагрузку.В большинстве случаев механические крепления сварного и подшипникового типа не деформируются одинаково.
Когда сварные швы используются с механическими крепежными элементами, нагрузка передается через более твердую часть, поэтому сварной шов может нести почти всю нагрузку, при этом очень небольшая доля приходится на болт.Вот почему необходимо соблюдать осторожность при сварке, скреплении болтами и клепками.Технические характеристики.AWS D1 решает проблему смешивания механических креплений и сварных швов.Спецификация 1:2000 для сварки конструкций – сталь.В параграфе 2.6.3 указано, что для заклепок или болтов, используемых в соединениях подшипникового типа (т. е. когда болт или заклепка действует как штифт), механические крепежные детали не должны рассматриваться как разделяющие нагрузку со сварным швом.Если используется сварка, они должны быть предусмотрены, чтобы выдерживать полную нагрузку в соединении.Однако допускаются сварные соединения с одним элементом и заклепки или болты с другим элементом.
При использовании механических креплений подшипникового типа и добавлении сварных швов несущей способностью болта в значительной степени пренебрегают.Согласно этому положению, сварной шов должен быть рассчитан на передачу всех нагрузок.
По сути, это то же самое, что и AISC LRFD-1999, пункт J1.9.Однако канадский стандарт CAN/CSA-S16.1-M94 также допускает автономное использование, когда мощность механического крепежа или болта выше, чем мощность сварки.
В этом вопросе согласуются три критерия: возможности механических креплений подшипникового типа и возможности сварных швов не складываются.
В разделе 2.6.3 AWS D1.1 также обсуждаются ситуации, когда болты и сварные швы могут сочетаться в соединении, состоящем из двух частей, как показано на рис. 1. Сварные швы слева, болтовые соединения справа.Здесь может быть учтена суммарная мощность сварных швов и болтов.Каждая часть всего соединения работает независимо.Таким образом, этот код является исключением из принципа, содержащегося в первой части 2.6.3.
Только что рассмотренные правила применимы к новостройкам.Для существующих конструкций в пункте 8.3.7 D1.1 указано, что, когда структурные расчеты показывают, что заклепка или болт будут перегружены новой общей нагрузкой, им следует назначать только существующую статическую нагрузку.
Те же правила требуют, чтобы, если заклепка или болт перегружены только статическими нагрузками или подвергаются циклическим (усталостным) нагрузкам, необходимо добавить достаточное количество основного металла и сварных швов, чтобы выдержать общую нагрузку.
Распределение нагрузки между механическими креплениями и сварными швами допустимо, если конструкция предварительно нагружена, иначе говоря, если между соединяемыми элементами произошло проскальзывание.Но на механические крепления можно воздействовать только статическими нагрузками.Временные нагрузки, которые могут привести к большему проскальзыванию, должны быть защищены за счет использования сварных швов, способных выдержать полную нагрузку.
Сварные швы должны использоваться, чтобы выдерживать все прилагаемые или динамические нагрузки.Когда механические крепления уже перегружены, разделение нагрузки не допускается.При циклическом нагружении разделение нагрузки не допускается, так как нагрузка может привести к постоянному проскальзыванию и перегрузке сварного шва.
иллюстрация.Рассмотрим соединение внахлестку, которое изначально было затянуто болтами (см. рис. 2).Структура добавляет дополнительную мощность, а соединения и разъемы должны быть добавлены, чтобы обеспечить двойную прочность.На рис.3 показан основной план укрепления элементов.Как должно быть выполнено подключение?
Так как новую сталь нужно было соединить со старой сталью угловыми сварными швами, инженер решил добавить несколько угловых сварных швов в месте соединения.Поскольку болты все еще были на месте, первоначальная идея заключалась в том, чтобы добавить только сварные швы, необходимые для передачи дополнительной мощности на новую сталь, ожидая, что 50% нагрузки пройдет через болты и 50% нагрузки пройдет через новые сварные швы.Это приемлемо?
Сначала предположим, что в настоящее время к соединению не применяются статические нагрузки.В этом случае применяется параграф 2.6.3 AWS D1.1.
В этом соединении подшипникового типа нельзя считать, что сварной шов и болт разделяют нагрузку, поэтому указанный размер сварного шва должен быть достаточно большим, чтобы выдерживать всю статическую и динамическую нагрузку.Несущая способность болтов в данном примере не может быть учтена, так как без статической нагрузки соединение будет находиться в провисшем состоянии.Сварной шов (рассчитанный на половину нагрузки) первоначально разрывается при приложении полной нагрузки.Затем болт, также рассчитанный на передачу половины нагрузки, пытается передать нагрузку и ломается.
Далее предположим, что приложена статическая нагрузка.Кроме того, предполагается, что существующего соединения достаточно, чтобы нести существующую постоянную нагрузку.В этом случае применяется параграф 8.3.7 D1.1.Новые сварные швы должны выдерживать только повышенные статические и общие временные нагрузки.Существующие постоянные нагрузки могут быть назначены существующим механическим креплениям.
При постоянной нагрузке соединение не провисает.Вместо этого болты уже несут свою нагрузку.Произошло некоторое проскальзывание в соединении.Следовательно, можно использовать сварные швы, и они могут передавать динамические нагрузки.
Ответ на вопрос «Приемлемо ли это?»зависит от условий нагрузки.В первом случае при отсутствии статической нагрузки ответ будет отрицательным.В конкретных условиях второго сценария ответ положительный.
Только потому, что приложена статическая нагрузка, не всегда можно сделать вывод.Уровень статических нагрузок, адекватность существующих механических соединений и характер концевых нагрузок — будь то статические или циклические — могут изменить ответ.
Дуэйн К. Миллер, доктор медицинских наук, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, руководитель центра сварочных технологий, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric производит сварочное оборудование и сварочные материалы по всему миру.Инженеры и техники Центра сварочных технологий помогают клиентам решать проблемы, связанные со сваркой.
Американское общество сварщиков, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, телефон 305-443-9353, факс 305-443-7559, веб-сайт www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbour Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, телефон 610-832-9585, факс 610-832-9555, веб-сайт www.astm.org.
Американская ассоциация стальных конструкций, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, телефон 312-670-2400, факс 312-670-5403, веб-сайт www.aisc.org.
FABRICATOR является ведущим в Северной Америке журналом по производству и формовке металлоконструкций.Журнал публикует новости, технические статьи и истории успеха, которые позволяют производителям выполнять свою работу более эффективно.FABRICATOR работает в отрасли с 1970 года.
Теперь с полным доступом к цифровому изданию The FABRICATOR вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Цифровое издание The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступно, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный цифровой доступ к журналу STAMPING Journal, в котором представлены новейшие технологии, передовой опыт и отраслевые новости для рынка штамповки металлов.
Теперь с полным цифровым доступом к The Fabricator en Español у вас есть легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.