В различных конструктивных ситуациях инженерам может потребоваться оценить прочность соединений, выполненных сваркой и механическими крепежными элементами. Сегодня в качестве механических крепежных элементов обычно используются болты, но в более старых конструкциях могут применяться заклепки.
Это может произойти во время модернизации, ремонта или усовершенствования проекта. Новая конструкция может потребовать использования болтов и сварки для соединения материалов, которые сначала скрепляются болтами, а затем свариваются для обеспечения полной прочности соединения.
Однако определение общей несущей способности соединения — задача не из простых, а представляет собой не простое суммирование характеристик отдельных компонентов (сварных швов, болтов и заклепок). Подобное предположение может привести к катастрофическим последствиям.
Болтовые соединения описаны в Спецификации по конструкционным соединениям Американского института стальных конструкций (AISC), где в качестве крепежных элементов, элементов с предварительной нагрузкой или скользящим шпоночным соединением используются болты ASTM A325 или A490.
Для обеспечения плотного контакта слоев, сильно затяните соединения ударным гайковертом или используйте обычный двусторонний ключ. В предварительно напряженном соединении болты устанавливаются таким образом, чтобы они подвергались значительным растягивающим нагрузкам, а пластины — сжимающим нагрузкам.
1. Поверните гайку. Способ поворота гайки заключается в затягивании болта, а затем в дополнительном повороте гайки на определенное расстояние, которое зависит от диаметра и длины болта.
2. Откалибруйте ключ. Метод калиброванного ключа измеряет крутящий момент, соответствующий натяжению болта.
3. Регулировочный болт торсионного типа. Натяжные болты с отвинчивающимся креплением имеют небольшие шпильки на конце болта, противоположном головке. При достижении необходимого момента затяжки шпилька отвинчивается.
4. Индикатор прямого натяжения. Прямые индикаторы натяжения представляют собой специальные шайбы с выступами. Величина сжатия на выступе указывает на уровень натяжения, приложенного к болту.
Проще говоря, болты действуют как штифты в тугих и предварительно натянутых соединениях, подобно латунному штифту, скрепляющему стопку перфорированной бумаги. В критически важных скользящих соединениях работа осуществляется за счет трения: предварительное натяжение создает прижимную силу, а трение между контактирующими поверхностями совместно препятствует проскальзыванию соединения. Это похоже на папку, которая скрепляет стопку бумаг не потому, что в бумаге проделаны отверстия, а потому, что папка сжимает бумаги, а трение удерживает стопку вместе.
Болты ASTM A325 имеют минимальную прочность на растяжение от 150 до 120 кг на квадратный дюйм (KSI) в зависимости от диаметра болта, в то время как болты A490 должны иметь прочность на растяжение от 150 до 170 KSI. Заклепочные соединения ведут себя больше как плотные соединения, но в этом случае штифты представляют собой заклепки, которые обычно примерно вдвое менее прочны, чем болты A325.
При воздействии сдвиговых сил на механически скрепленное соединение (когда один элемент стремится скользить по другому под действием приложенной силы) может произойти одно из двух. Болты или заклепки могут находиться по бокам отверстий, что приведет к их одновременному срезанию. Вторая возможность заключается в том, что трение, вызванное силой зажима предварительно натянутых крепежных элементов, может компенсировать сдвиговые нагрузки. В этом случае проскальзывание не ожидается, но оно возможно.
Для многих применений допустимо плотное соединение, поскольку небольшое проскальзывание не может негативно повлиять на характеристики соединения. Например, рассмотрим силос, предназначенный для хранения гранулированного материала. При первой загрузке может наблюдаться небольшое проскальзывание. После того, как проскальзывание произойдет, оно больше не повторится, поскольку все последующие нагрузки будут иметь тот же характер.
Изменение направления нагрузки используется в некоторых областях применения, например, когда вращающиеся элементы подвергаются переменным растягивающим и сжимающим нагрузкам. Другой пример — изгибающийся элемент, подвергающийся полностью реверсивным нагрузкам. При значительном изменении направления нагрузки может потребоваться предварительно нагруженное соединение для устранения циклического проскальзывания. Это проскальзывание в конечном итоге приводит к дальнейшему проскальзыванию в вытянутых отверстиях.
Некоторые соединения подвергаются многочисленным циклам нагрузок, что может привести к усталости. К ним относятся прессы, опоры кранов и соединения в мостах. Соединения, критически важные к скольжению, необходимы, когда соединение подвергается усталостным нагрузкам в обратном направлении. В таких условиях очень важно, чтобы соединение не проскальзывало, поэтому необходимы соединения, критически важные к скольжению.
Существующие болтовые соединения могут быть спроектированы и изготовлены в соответствии с любым из этих стандартов. Заклепочные соединения считаются надежными.
Сварные соединения жесткие. Паяные соединения — более сложная задача. В отличие от тугих болтовых соединений, которые могут проскальзывать под нагрузкой, сварные швы не должны сильно растягиваться и распределять приложенную нагрузку. В большинстве случаев сварные и подшипниковые механические крепежные элементы деформируются иначе.
При использовании сварных швов с механическими крепежными элементами нагрузка передается через более твердую часть, поэтому сварной шов может нести почти всю нагрузку, при этом очень небольшая часть передается болту. Именно поэтому необходимо соблюдать осторожность при сварке, болтовом соединении и клепке. Технические условия. Стандарт AWS D1 решает проблему сочетания механических крепежных элементов и сварных швов. Спецификация 1:2000 для конструкционной сварки – сталь. В пункте 2.6.3 указано, что для заклепок или болтов, используемых в соединениях подшипникового типа (т.е. где болт или заклепка действует как штифт), механические крепежные элементы не должны рассматриваться как разделяющие нагрузку со сварным швом. Если используется сварка, они должны быть рассчитаны на то, чтобы нести полную нагрузку в соединении. Однако допускаются соединения, приваренные к одному элементу и приклепанные или привинченные к другому элементу.
При использовании механических крепежных элементов подшипникового типа и добавлении сварных швов несущая способность болта в значительной степени игнорируется. Согласно этому положению, сварной шов должен быть рассчитан на передачу всех нагрузок.
По сути, это то же самое, что и в стандарте AISC LRFD-1999, пункт J1.9. Однако канадский стандарт CAN/CSA-S16.1-M94 также допускает автономное использование, когда мощность механического крепежа или болта превышает мощность сварки.
В этом вопросе сходятся три критерия: возможности механического крепления подшипникового типа и возможности сварки не совпадают.
В разделе 2.6.3 стандарта AWS D1.1 также рассматриваются ситуации, когда болты и сварные швы могут быть объединены в двухкомпонентное соединение, как показано на рисунке 1. Сварные швы слева, болты справа. Здесь можно учитывать суммарную мощность сварных швов и болтов. Каждая часть всего соединения работает независимо. Таким образом, данный стандарт является исключением из принципа, изложенного в первой части раздела 2.6.3.
Обсужденные выше правила применяются к новым зданиям. Для существующих конструкций пункт 8.3.7 D1.1 гласит, что если расчеты конструкции показывают, что заклепка или болт будут перегружены новой суммарной нагрузкой, то к ним следует присвоить только существующую статическую нагрузку.
Те же правила требуют, чтобы в случае, если заклепка или болт перегружены только статическими нагрузками или подвергаются циклическим (усталостным) нагрузкам, было добавлено достаточное количество основного металла и сварных швов для выдерживания общей нагрузки.
Распределение нагрузки между механическими крепежными элементами и сварными швами допустимо, если конструкция предварительно нагружена, то есть если между соединяемыми элементами произошло проскальзывание. Однако на механические крепежные элементы могут воздействовать только статические нагрузки. Для компенсации динамических нагрузок, которые могут привести к большему проскальзыванию, необходимо использовать сварные швы, способные выдерживать всю нагрузку.
Сварные швы должны выдерживать все приложенные или динамические нагрузки. Когда механические крепежные элементы уже перегружены, распределение нагрузки не допускается. При циклической нагрузке распределение нагрузки также не допускается, поскольку нагрузка может привести к необратимому проскальзыванию и перегрузке сварного шва.
Иллюстрация. Рассмотрим нахлесточное соединение, которое изначально было надежно скреплено болтами (см. рис. 2). Конструкция добавляет дополнительную прочность, и для обеспечения удвоенной прочности необходимо добавить соединения и соединители. На рис. 3 показан базовый план усиления элементов. Как следует выполнить соединение?
Поскольку новую сталь необходимо было соединить со старой сталью угловыми сварными швами, инженер решил добавить несколько угловых сварных швов в место соединения. Поскольку болты оставались на месте, первоначальная идея заключалась в том, чтобы добавить только те сварные швы, которые необходимы для передачи дополнительной мощности на новую сталь, предполагая, что 50% нагрузки будет проходить через болты, а 50% — через новые сварные швы. Это приемлемо?
Предположим сначала, что в данный момент к соединению не применяются статические нагрузки. В этом случае применяется пункт 2.6.3 стандарта AWS D1.1.
В этом шарнирном соединении сварной шов и болт не могут считаться взаимодействующими по нагрузке, поэтому заданный размер сварного шва должен быть достаточно большим, чтобы выдерживать всю статическую и динамическую нагрузку. Несущая способность болтов в этом примере не учитывается, поскольку без статической нагрузки соединение будет находиться в ослабленном состоянии. Сварной шов (рассчитанный на половину нагрузки) первоначально разрушается при приложении полной нагрузки. Затем болт, также рассчитанный на передачу половины нагрузки, пытается передать нагрузку и ломается.
Предположим также, что приложена статическая нагрузка. Кроме того, предполагается, что существующее соединение достаточно прочно для восприятия существующей постоянной нагрузки. В этом случае применяется пункт 8.3.7 D1.1. Новые сварные швы должны выдерживать только увеличенные статические и общие динамические нагрузки. Существующие постоянные нагрузки могут быть отнесены к существующим механическим крепежным элементам.
При постоянной нагрузке соединение не провисает. Вместо этого болты уже несут свою нагрузку. В соединении происходит некоторое проскальзывание. Поэтому можно использовать сварку, которая способна передавать динамические нагрузки.
Ответ на вопрос «Это приемлемо?» зависит от условий нагрузки. В первом случае, при отсутствии статической нагрузки, ответ будет отрицательным. При специфических условиях второго сценария ответ — да.
Тот факт, что приложена статическая нагрузка, не всегда позволяет сделать вывод. Уровень статических нагрузок, адекватность существующих механических соединений и характер концевых нагрузок — статические или циклические — могут изменить ответ.
Дуэйн К. Миллер, доктор медицины, инженер-технолог, 22801 Сент-Клер-авеню, Кливленд, Огайо 44117-1199, руководитель Центра сварочных технологий, компания Lincoln Electric, www.lincolnelectric.com. Компания Lincoln Electric производит сварочное оборудование и сварочные расходные материалы по всему миру. Инженеры и техники Центра сварочных технологий помогают клиентам решать проблемы, связанные со сваркой.
Американское сварочное общество, 550 NW LeJeune Road, Майами, Флорида 33126-5671, телефон 305-443-9353, факс 305-443-7559, веб-сайт www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor 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 — ведущий североамериканский журнал по металлообработке и формовке. Журнал публикует новости, технические статьи и истории успеха, которые помогают производителям выполнять свою работу более эффективно. FABRICATOR работает в отрасли с 1970 года.
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала The FABRICATOR, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Цифровая версия журнала The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступна, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный цифровой доступ к журналу STAMPING Journal, в котором представлены новейшие технологии, лучшие практики и новости отрасли для рынка штамповки металла.
Теперь, благодаря полному цифровому доступу к The Fabricator en Español, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.