В различных структурных ситуациях инженерам может потребоваться оценить прочность соединений, выполненных сваркой и механическими крепежами. Сегодня механические крепежи обычно представляют собой болты, но в более старых конструкциях могут быть заклепки.
Это может произойти во время модернизации, обновления или усовершенствования проекта. Новая конструкция может потребовать болтовых соединений и сварки для совместной работы в соединении, где соединяемые материалы сначала скрепляются болтами, а затем свариваются для обеспечения полной прочности соединения.
Однако определение общей грузоподъемности соединения не сводится к простому сложению суммы отдельных компонентов (сварных швов, болтов и заклепок). Такое предположение может привести к катастрофическим последствиям.
Болтовые соединения описаны в Спецификации структурных соединений Американского института стальных конструкций (AISC), в которой болты ASTM A325 или A490 используются в качестве жесткого крепления, предварительного натяжения или скользящей шпонки.
Затяните плотно затянутые соединения ударным гайковертом или обычным слесарским двусторонним ключом, чтобы обеспечить плотный контакт слоев. В предварительно напряженном соединении болты устанавливаются таким образом, что подвергаются значительным растягивающим нагрузкам, а пластины подвергаются сжимающим нагрузкам.
1. Поверните гайку. Метод поворота гайки заключается в затягивании болта и последующем повороте гайки на дополнительное расстояние, которое 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. Болты регулировки натяжения с откручиванием имеют небольшие шпильки на конце болта напротив головки. При достижении необходимого крутящего момента шпилька откручивается.
4. Прямой индекс натяжения. Прямые индикаторы натяжения — это специальные шайбы с выступами. Величина сжатия на выступе указывает на уровень натяжения, приложенного к болту.
Говоря простым языком, болты действуют как штифты в плотных и предварительно напряженных соединениях, подобно латунному штифту, скрепляющему 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 как папка, которая скрепляет стопку бумаг, не потому что в бумаге пробиты отверстия, а потому что папка сжимает бумаги вместе, и трение удерживает стопку вместе.
Болты ASTM A325 имеют минимальную прочность на разрыв от 150 до 120 кг на квадратный дюйм (KSI) в зависимости от диаметра болта, тогда как болты A490 должны иметь прочность на разрыв от 150 до 170-KSI. Заклепочные соединения ведут себя скорее как плотные соединения, но в этом случае штифты представляют собой заклепки, которые обычно примерно вдвое прочнее болта A325.
Одно из двух может произойти, когда механически закрепленное соединение подвергается воздействию сдвигающих усилий (когда один элемент стремится скользить по другому из-за приложенной силы). Болты или заклепки могут находиться по бокам отверстий, что приводит к срезу болтов или заклепок одновременно. Вторая возможность заключается в том, что трение, вызванное зажимным усилием предварительно натянутых крепежей, может выдерживать сдвигающие нагрузки. Для этого соединения проскальзывание не ожидается, но оно возможно.
Плотное соединение приемлемо для многих применений, так как небольшое проскальзывание не может отрицательно повлиять на характеристики соединения. Например, рассмотрим силос, предназначенный для хранения гранулированного материала. При первой загрузке может быть небольшое проскальзывание. Если проскальзывание произошло, оно больше не повторится, поскольку все последующие нагрузки имеют одинаковую природу.
Реверсирование нагрузки используется в некоторых приложениях, например, когда вращающиеся элементы подвергаются переменным растягивающим и сжимающим нагрузкам. Другим примером является изгибающийся элемент, подвергающийся полностью обратным нагрузкам. При значительном изменении направления нагрузки может потребоваться предварительно нагруженное соединение для устранения циклического проскальзывания. Это проскальзывание в конечном итоге приводит к большему проскальзыванию в удлиненных отверстиях.
Некоторые соединения испытывают много циклов нагрузки, что может привести к усталости. К ним относятся прессы, опоры кранов и соединения в мостах. Скользящие критические соединения требуются, когда соединение подвергается усталостным нагрузкам в обратном направлении. Для таких условий очень важно, чтобы соединение не проскальзывало, поэтому необходимы скользящие критические соединения.
Существующие болтовые соединения могут быть спроектированы и изготовлены по любому из этих стандартов. Заклепочные соединения считаются герметичными.
Сварные соединения жесткие. Паяные соединения сложные. В отличие от тугих болтовых соединений, которые могут проскальзывать под нагрузкой, сварные швы не должны растягиваться и распределять приложенную нагрузку в значительной степени. В большинстве случаев механические крепежи сварного и подшипникового типа деформируются по-разному.
При использовании сварных швов с механическими крепежами нагрузка передается через более твердую часть, поэтому сварной шов может выдерживать почти всю нагрузку, разделяя ее с болтом. Вот почему необходимо соблюдать осторожность при сварке, болтовом соединении и клепке. Технические характеристики. AWS D1 решает проблему смешивания механических крепежей и сварных швов. Технические характеристики 1:2000 для структурной сварки – сталь. В пункте 2.6.3 указано, что для заклепок или болтов, используемых в соединениях подшипникового типа (т. е. где болт или заклепка действуют как штифт), механические крепежи не следует считать разделяющими нагрузку со сваркой. Если используется сварка, они должны быть предусмотрены для переноса полной нагрузки в соединении. Однако соединения, приваренные к одному элементу и заклепанные или прикрученные болтами к другому элементу, допускаются.
При использовании механических креплений 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 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 у сварки.
В этом вопросе совпадают три критерия: возможности механических креплений подшипникового типа и возможности сварных швов не суммируются.
В разделе 2.6.3 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, болтовые справа. Здесь можно учесть общую мощность сварных швов и болтов. Каждая часть всего соединения работает независимо. Таким образом, этот кодекс является исключением из принципа, содержащегося в первой части 2.6.3.
Правила, которые мы только что обсудили, применяются к новым зданиям. Для существующих конструкций пункт 8.3.7 D1.1 гласит, 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 в случае, если заклепка или болт перегружаются только статическими нагрузками или подвергаются циклическим (усталостным) нагрузкам, для выдерживания общей нагрузки необходимо добавить достаточное количество основного металла и сварных швов.
Распределение нагрузки между механическими крепежами и сварными швами приемлемо, если конструкция предварительно нагружена, то есть если между соединенными элементами произошло проскальзывание. Но на механические крепежи можно воздействовать только статические нагрузки. Временные нагрузки, которые могут привести к большему проскальзыванию, должны быть защищены путем использования сварных швов, способных выдерживать всю нагрузку.
Сварные швы должны выдерживать все приложенные или динамические нагрузки. Когда механические крепежи уже перегружены, распределение нагрузки не допускается. При циклической нагрузке распределение нагрузки не допускается, поскольку нагрузка может привести к постоянному проскальзыванию и перегрузке сварного шва.
Иллюстрация. Рассмотрим соединение внахлест, которое изначально было затянуто болтами (см. рис. 2). Конструкция добавляет дополнительную мощность, и для обеспечения двойной прочности необходимо добавить соединения и разъемы. На рис. 3 показан базовый план усиления элементов. Как должно быть выполнено соединение?
Поскольку новую сталь нужно было соединить со старой сталью угловыми швами, инженер решил добавить несколько угловых швов в стык. Поскольку болты все еще были на месте, первоначальная идея состояла в том, чтобы добавить только сварные швы, необходимые для передачи дополнительной мощности новой стали, ожидая, что 50% нагрузки будет проходить через болты, а 50% нагрузки — через новые сварные швы. Это приемлемо?
Давайте сначала предположим, что в данный момент статические нагрузки на соединение не действуют. В этом случае применяется пункт 2.6.3 AWS D1.1.
В этом соединении подшипникового типа сварка и болт не могут считаться разделяющими нагрузку, поэтому указанный размер сварного шва должен быть достаточно большим, чтобы выдерживать всю статическую и динамическую нагрузку. Несущая способность болтов в этом примере не может быть принята во внимание, поскольку без статической нагрузки соединение будет находиться в ослабленном состоянии. Сварка (рассчитанная на восприятие половины нагрузки) изначально разрывается при приложении полной нагрузки. Затем болт, также рассчитанный на передачу половины нагрузки, пытается передать нагрузку и ломается.
Далее предположим, что применяется статическая нагрузка. Кроме того, предполагается, что существующее соединение достаточно для выдерживания существующей постоянной нагрузки. В этом случае применяется пункт 8.3.7 D1.1. Новые сварные швы должны выдерживать только возросшие статические и общие динамические нагрузки. Существующие постоянные нагрузки могут быть назначены существующим механическим крепежам.
При постоянной нагрузке соединение не провисает. Вместо этого болты уже несут свою нагрузку. В соединении произошло некоторое проскальзывание. Поэтому можно использовать сварные швы, которые могут передавать динамические нагрузки.
Ответ на вопрос «Приемлемо ли это?» зависит от условий нагрузки. В первом случае, при отсутствии статической нагрузки, ответ будет отрицательным. При определенных условиях второго сценария ответ — да.
Только потому, что применяется статическая нагрузка, не всегда возможно сделать вывод. Уровень статических нагрузок, адекватность существующих механических соединений и характер конечных нагрузок — статических или циклических — могут изменить ответ.
Дуэйн К. Миллер, доктор медицины, инженер-консультант, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, менеджер 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 сварки, 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 журнал по производству и формовке стали в Северной Америке. 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 получите легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Электронная версия журнала The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступна, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный цифровой доступ к журналу STAMPING, в котором представлены новейшие технологии, передовой опыт и отраслевые новости для рынка штамповки металлов.
Теперь, имея полный цифровой доступ к The Fabricator на испанском языке, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.