I olika strukturella situationer kan ingenjörer behöva utvärdera hållfastheten hos fogar gjorda av svetsar och mekaniska fästelement. Idag är mekaniska fästelement vanligtvis bultar, men äldre konstruktioner kan ha nitar.
Detta kan hända vid uppgraderingar, renoveringar eller förbättringar av ett projekt. En ny design kan kräva bultning och svetsning för att fungera tillsammans i en skarv där materialet som ska sammanfogas först bultas ihop och sedan svetsas för att ge skarven full hållfasthet.
Att bestämma den totala lastkapaciteten för en förband är dock inte så enkelt som att lägga ihop summan av de enskilda komponenterna (svetsar, bultar och nitar). Ett sådant antagande kan leda till katastrofala konsekvenser.
Bultade förbindningar beskrivs i American Institute of Steel Structures (AISC) Structural Joint Specification, som använder ASTM A325- eller A490-bultar som tätmontering, förspänning eller glidkil.
Dra åt ordentligt åtdragna förbindningar med en slagnyckel eller låssmed med en vanlig dubbelsidig nyckel för att säkerställa att lagren har tät kontakt. I en förspänd förbindning monteras bultarna så att de utsätts för betydande dragbelastningar och plattorna utsätts för tryckbelastningar.
1. Vrid muttern. Metoden för att vrida muttern innebär att dra åt bulten och sedan vrida muttern ytterligare ett steg, vilket beror på bultens diameter och längd.
2. Kalibrera nyckeln. Den kalibrerade nyckelmetoden mäter vridmomentet som är förknippat med bultspänningen.
3. Vridmomentsjusteringsbult. Vridmomentsbultarna har små pinnbultar på änden av bulten mittemot huvudet. När önskat vridmoment har uppnåtts skruvas pinnbulten loss.
4. Rakdragsindex. Direktspänningsindikatorer är speciella brickor med flikar. Mängden kompression på klacken indikerar spänningsnivån som appliceras på bulten.
Enkelt uttryckt fungerar bultar som stift i täta och förspända fogar, ungefär som en mässingsstift som håller ihop en bunt perforerat papper. Kritiska glidfogar fungerar genom friktion: förspänning skapar nedåtriktad kraft, och friktionen mellan kontaktytorna samverkar för att motstå glidning av fogen. Det är som en pärm som håller ihop en bunt papper, inte för att hål stansas i pappret, utan för att pärmen pressar ihop pappren och friktionen håller ihop bunten.
ASTM A325-bultar har en minsta draghållfasthet på 150 till 120 kg per kvadrattum (KSI), beroende på bultdiametern, medan A490-bultar måste ha en draghållfasthet på 150 till 170 KSI. Nitförband beter sig mer som täta förband, men i det här fallet är stiften nitar som vanligtvis är ungefär hälften så starka som en A325-bult.
En av två saker kan hända när en mekaniskt fäst skarv utsätts för skjuvkrafter (när ett element tenderar att glida över ett annat på grund av en applicerad kraft). Bultar eller nitar kan finnas på sidorna av hålen, vilket gör att bultarna eller nitarna skjuvs av samtidigt. Den andra möjligheten är att friktionen som orsakas av klämkraften från de förspända fästelementen kan motstå skjuvbelastningar. Ingen glidning förväntas för denna koppling, men det är möjligt.
En tät förbindning är acceptabel för många tillämpningar, eftersom lätt glidning inte kan påverka förbindningens egenskaper negativt. Tänk dig till exempel en silo konstruerad för att lagra granulärt material. Det kan förekomma lätt glidning vid första lastningen. När en glidning väl inträffar kommer den inte att hända igen, eftersom alla efterföljande laster är av samma slag.
Lastvändning används i vissa tillämpningar, till exempel när roterande element utsätts för alternerande drag- och tryckbelastningar. Ett annat exempel är ett böjande element som utsätts för helt omvända belastningar. När det sker en betydande förändring i lastriktningen kan en förspänd förbindning krävas för att eliminera cyklisk glidning. Denna glidning leder så småningom till mer glidning i de avlånga hålen.
Vissa förband utsätts för många belastningscykler vilket kan leda till utmattning. Dessa inkluderar pressar, kranstöd och förband i broar. Glidande kritiska förband krävs när förbandet utsätts för utmattningsbelastningar i motsatt riktning. För dessa typer av förhållanden är det mycket viktigt att förbandet inte glider, så glidkritiska förband behövs.
Befintliga bultförband kan konstrueras och tillverkas enligt vilken som helst av dessa standarder. Nitförband anses vara täta.
Svetsade fogar är styva. Lödfogar är knepiga. Till skillnad från täta bultförband, som kan glida under belastning, behöver svetsar inte sträckas ut och fördela den applicerade belastningen i stor utsträckning. I de flesta fall deformeras inte svetsade och lagerliknande mekaniska fästelement på samma sätt.
När svetsar används med mekaniska fästelement överförs lasten genom den hårdare delen, så svetsen kan bära nästan all last, med väldigt lite som delas med bulten. Därför måste försiktighet iakttas vid svetsning, bultning och nitning. Specifikationer. AWS D1 löser problemet med att blanda mekaniska fästelement och svetsar. Specifikation 1:2000 för konstruktionssvetsning – stål. Punkt 2.6.3 anger att för nitar eller bultar som används i lagerförband (dvs. där bulten eller niten fungerar som en stift) bör mekaniska fästelement inte anses dela lasten med svetsen. Om svetsning används måste de tillhandahållas för att bära hela lasten i förbandet. Emellertid är förbindningar som är svetsade till ett element och nitade eller bultade till ett annat element tillåtna.
Vid användning av mekaniska fästelement av lagertyp och tillägg av svetsar försummas bultens bärförmåga i stor utsträckning. Enligt denna bestämmelse måste svetsen vara utformad för att överföra alla laster.
Detta är i huvudsak samma sak som AISC LRFD-1999, klausul J1.9. Den kanadensiska standarden CAN/CSA-S16.1-M94 tillåter dock även fristående användning när kraften hos det mekaniska fästelementet eller bulten är högre än svetskraften.
I denna fråga är tre kriterier konsekventa: möjligheterna till mekaniska infästningar av lagertyp och möjligheterna till svetsar läggs inte ihop.
Avsnitt 2.6.3 i AWS D1.1 diskuterar även situationer där bultar och svetsar kan kombineras i en tvådelad skarv, såsom visas i figur 1. Svetsar till vänster, bultar till höger. Den totala styrkan hos svetsar och bultar kan beaktas här. Varje del av hela förbindningen fungerar oberoende. Således är denna kod ett undantag från principen i den första delen av 2.6.3.
De regler som just diskuterats gäller för nya byggnader. För befintliga konstruktioner anger klausul 8.3.7 D1.1 att när konstruktionsberäkningar visar att en nit eller bult kommer att överbelastas av en ny totallast, ska endast den befintliga statiska lasten tillskrivas den.
Samma regler kräver att om en nit eller bult endast överbelastas med statiska belastningar eller utsätts för cykliska (utmattnings-) belastningar, måste tillräckligt med basmetall och svetsar läggas till för att bära den totala belastningen.
Lastfördelningen mellan mekaniska fästelement och svetsar är acceptabel om konstruktionen är förbelastad, med andra ord om glidning har uppstått mellan de sammankopplade elementen. Men endast statiska belastningar kan läggas på mekaniska fästelement. Nytta som kan leda till större glidning måste skyddas genom användning av svetsar som kan motstå hela belastningen.
Svetsar måste användas för att motstå all applicerad eller dynamisk belastning. När mekaniska fästelement redan är överbelastade är lastdelning inte tillåten. Vid cyklisk belastning är lastdelning inte tillåten, eftersom belastningen kan leda till permanent glidning och överbelastning av svetsen.
illustration. Betrakta en överlappningskoppling som ursprungligen var fastbultad (se figur 2). Strukturen ger extra kraft, och anslutningar och kontaktdon måste läggas till för att ge dubbel styrka. Figur 3 visar den grundläggande planen för att förstärka elementen. Hur ska anslutningen göras?
Eftersom det nya stålet skulle sammanfogas med det gamla stålet med kälsvetsar, bestämde sig ingenjören för att lägga till några kälsvetsar vid skarven. Eftersom bultarna fortfarande satt på plats var den ursprungliga idén att bara lägga till de svetsar som behövdes för att överföra den extra kraften till det nya stålet, med förväntan att 50 % av lasten skulle gå genom bultarna och 50 % av lasten skulle gå genom de nya svetsarna. Är det acceptabelt?
Låt oss först anta att inga statiska belastningar för närvarande appliceras på anslutningen. I detta fall gäller paragraf 2.6.3 i AWS D1.1.
I denna lagerförbindning kan svetsen och bulten inte anses dela lasten, så den angivna svetsstorleken måste vara tillräckligt stor för att bära all statisk och dynamisk last. Bultarnas bärförmåga i detta exempel kan inte beaktas, eftersom utan statisk last kommer förbindningen att vara i ett slakt tillstånd. Svetsen (konstruerad för att bära halva lasten) brister initialt när full last appliceras. Sedan försöker bulten, som också är konstruerad för att överföra halva lasten, överföra lasten och går sönder.
Antag vidare att en statisk last appliceras. Dessutom antas det att den befintliga förbindningen är tillräcklig för att bära den befintliga permanenta lasten. I detta fall gäller punkt 8.3.7 D1.1. Nya svetsar behöver endast motstå ökade statiska och allmänna nyttolaster. Befintliga egenlaster kan hänföras till befintliga mekaniska fästelement.
Under konstant belastning buktar inte förbandet. Istället bär bultarna redan sin last. Det har förekommit en viss glidning i förbandet. Därför kan svetsar användas och de kan överföra dynamiska belastningar.
Svaret på frågan ”Är detta acceptabelt?” beror på belastningsförhållandena. I det första fallet, i frånvaro av statisk belastning, blir svaret negativt. Under de specifika förhållandena i det andra scenariot är svaret ja.
Bara för att en statisk last appliceras är det inte alltid möjligt att dra en slutsats. Nivån på statiska laster, tillräckligheten hos befintliga mekaniska förbindningar och typen av ändlaster – oavsett om de är statiska eller cykliska – kan ändra svaret.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, chef för Welding Technology Center, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric tillverkar svetsutrustning och svetsförbrukningsvaror över hela världen. Ingenjörer och tekniker på Welding Technology Center hjälper kunder att lösa svetsproblem.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefon 305-443-9353, fax 305-443-7559, webbplats www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, fax 610-832-9555, webbplats www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefon 312-670-2400, fax 312-670-5403, webbplats www.aisc.org.
FABRICATOR är Nordamerikas ledande tidskrift för ståltillverkning och formning. Tidskriften publicerar nyheter, tekniska artiklar och framgångshistorier som gör det möjligt för tillverkare att göra sitt jobb mer effektivt. FABRICATOR har varit i branschen sedan 1970.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The FABRICATOR, enkel åtkomst till värdefulla branschresurser.
Den digitala utgåvan av The Tube & Pipe Journal är nu helt tillgänglig och ger enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Få fullständig digital tillgång till STAMPING Journal, med den senaste tekniken, bästa praxis och branschnyheter för metallpräglingsmarknaden.
Nu med fullständig digital åtkomst till The Fabricator på spanska har du enkel tillgång till värdefulla branschresurser.