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 under uppgraderingar, renoveringar eller förbättringar av ett projekt.En ny design kan kräva bultning och svetsning för att samverka i en fog där materialet som ska sammanfogas först bultas ihop och sedan svetsas för att ge full styrka till fogen.
Att bestämma den totala belastningskapaciteten för en fog 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.
Bultförband beskrivs i American Institute of Steel Structures (AISC) Structural Joint Specification, som använder ASTM A325 eller A490 bultar som tätt fäste, förspänning eller glidnyckel.
Dra åt hårt åtdragna anslutningar med en slagnyckel eller låssmed med en konventionell dubbelsidig skiftnyckel för att säkerställa att skikten är i tät kontakt.I en förspänd anslutning installeras bultarna så att de utsätts för betydande dragbelastningar, och plattorna utsätts för tryckbelastningar.
1. Vrid muttern.Metoden att vrida muttern innebär att man drar åt bulten och sedan vrider muttern ytterligare en mängd, vilket beror på bultens diameter och längd.
2. Kalibrera nyckeln.Den kalibrerade skiftnyckelmetoden mäter vridmomentet som är förknippat med bultspänningen.
3. Spänningsjusteringsbult av torsionstyp.Twist-off spännbultar har små dubbar i änden av bulten mittemot huvudet.När det erforderliga vridmomentet har uppnåtts skruvas tappen av.
4. Rakt dragindex.Direktspänningsindikatorer är speciella brickor med flikar.Mängden kompression på klacken indikerar nivån av spänning som appliceras på bulten.
I lekmannatermer fungerar bultar som stift i täta och förspända skarvar, ungefär som en mässingsstift som håller ihop en bunt perforerat papper.Kritiska glidförband fungerar genom friktion: förspänning skapar nedåtkraft, och friktion mellan kontaktytorna samverkar för att motverka glidning av fogen.Det är som en pärm som håller ihop en bunt papper, inte för att det är hål i papperet, utan för att pärmen pressar ihop papperen 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.Nitfogar beter sig mer som täta skarvar, 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 fog utsätts för skjuvkrafter (när ett element tenderar att glida över ett annat på grund av en pålagd kraft).Bultar eller nitar kan vara på sidorna av hålen, vilket gör att bultarna eller nitarna klipps av samtidigt.Den andra möjligheten är att friktionen orsakad av klämkraften hos de förspända fästelementen kan motstå skjuvbelastningar.Ingen glidning förväntas för denna anslutning, men det är möjligt.
En tät anslutning är acceptabel för många tillämpningar, eftersom lätt glidning inte kan påverka anslutningens egenskaper negativt.Tänk till exempel på en silo utformad för att lagra granulärt material.Det kan förekomma en liten glidning när du laddar för första gången.När glidning inträffar kommer det inte att hända igen, eftersom alla efterföljande laster är av samma karaktär.
Lastreversering används i vissa applikationer, till exempel när roterande element utsätts för omväxlande drag- och tryckbelastningar.Ett annat exempel är ett bockningselement som utsätts för helt omvända belastningar.När det finns en betydande förändring i lastriktningen kan en förspänd anslutning krävas för att eliminera cyklisk slirning.Denna glidning leder så småningom till mer glid i de långsträckta hålen.
Vissa leder upplever många belastningscykler som kan leda till trötthet.Dessa inkluderar pressar, kranstöd och anslutningar i broar.Glidkritiska anslutningar krävs när anslutningen utsätts för utmattningsbelastningar i motsatt riktning.För den här typen av tillstånd är det mycket viktigt att fogen inte glider, därför behövs halkkritiska fogar.
Befintliga skruvförband kan designas och tillverkas enligt någon av dessa standarder.Nitanslutningar anses vara täta.
Svetsfogar är styva.Lödfogar är knepiga.Till skillnad från täta skruvförband, som kan glida under belastning, behöver svetsar inte sträckas och fördela den pålagda belastningen i stor utsträckning.I de flesta fall deformeras inte svetsade och bärande mekaniska fästelement på samma sätt.
När svetsar används med mekaniska fästelement, överförs belastningen genom den hårdare delen, så att svetsen kan bära nästan all belastning, med mycket lite som delas med bulten.Därför måste man vara försiktig 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 ett stift), ska mekaniska fästelement inte anses dela belastningen med svetsen.Om svetsning används måste de tillhandahållas för att bära hela belastningen i fogen.Dock är anslutningar svetsade till ett element och nitade eller bultade till ett annat element tillåtna.
När man använder mekaniska fästelement av lagertyp och lägger till svetsar, försummas bultens bärförmåga till stor del.Enligt denna bestämmelse ska svetsen vara utformad för att överföra alla belastningar.
Detta är i huvudsak detsamma 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 svetsningen.
I denna fråga är tre kriterier konsekventa: möjligheterna till mekaniska fästen av lagertyp och möjligheterna med svetsar går inte ihop.
Avsnitt 2.6.3 i AWS D1.1 diskuterar också situationer där bultar och svetsar kan kombineras i en tvådelad fog, som visas i figur 1. Svetsar till vänster, bultade till höger.Den totala effekten av svetsar och bultar kan tas med i beräkningen här.Varje del av hela anslutningen fungerar oberoende.Denna kod är således ett undantag från principen i den första delen av 2.6.3.
De nyss diskuterade reglerna gäller för nybyggnader.För befintliga konstruktioner anger avsnitt 8.3.7 D1.1 att när konstruktionsberäkningar visar att en nit eller bult kommer att överbelastas av en ny total belastning, ska endast den befintliga statiska belastningen tilldelas 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 stödja den totala belastningen.
Fördelningen av belastningen mellan mekaniska fästelement och svetsar är acceptabel om strukturen är förspänd, med andra ord om glidning har inträffat mellan de anslutna elementen.Men endast statiska belastningar kan placeras på mekaniska fästelement.Spännande belastningar som kan leda till större slirning 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.Tänk på en höftled som ursprungligen skruvades fast (se figur 2).Strukturen tillför extra kraft, och anslutningar och kontakter måste läggas till för att ge dubbel styrka.På fig.3 visar grundplanen för förstärkning av elementen.Hur ska kopplingen göras?
Eftersom det nya stålet måste sammanfogas med det gamla stålet med kälsvetsar, beslutade ingenjören att lägga till några kälsvetsar vid fogen.Eftersom bultarna fortfarande var på plats var den ursprungliga idén att bara lägga till de svetsar som behövdes för att överföra den extra kraften till det nya stålet, och förväntade sig att 50 % av belastningen skulle gå genom bultarna och 50 % av belastningen 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 punkt 2.6.3 i AWS D1.1.
I denna lagerförband kan svetsen och bulten inte anses dela belastningen, så den angivna svetsstorleken måste vara tillräckligt stor för att klara hela den statiska och dynamiska belastningen.Bultarnas bärförmåga i detta exempel kan inte tas med i beräkningen, eftersom utan statisk belastning kommer anslutningen att vara i ett slappt tillstånd.Svetsen (konstruerad för att bära halva belastningen) brister initialt när full belastning appliceras.Sedan försöker bulten, också utformad för att överföra halva lasten, överföra lasten och går sönder.
Antag vidare att en statisk belastning appliceras.Dessutom förutsätts att den befintliga anslutningen är tillräcklig för att bära den befintliga permanenta lasten.I detta fall gäller punkt 8.3.7 D1.1.Nya svetsar behöver bara motstå ökade statiska och generella spänningar.Befintliga dödlaster kan tilldelas befintliga mekaniska fästelement.
Vid konstant belastning sjunker inte anslutningen.Istället bär bultarna redan sin belastning.Det har skett en viss glidning i sambandet.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 en statisk belastning, kommer svaret att vara negativt.Under de specifika förhållandena i det andra scenariot är svaret ja.
Bara för att en statisk belastning appliceras är det inte alltid möjligt att dra en slutsats.Nivån på statiska belastningar, lämpligheten hos befintliga mekaniska anslutningar och typen av ändbelastningar – vare sig de är statiska eller cykliska – kan ändra svaret.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Welding Technology Center Manager, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric tillverkar svetsutrustning och svetstillsatser över hela världen.Svetsteknikcenters ingenjörer och tekniker 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 magasin för ståltillverkning och formning.Tidningen 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 The FABRICATOR digital edition, enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Den digitala utgåvan av The Tube & Pipe Journal är nu fullt tillgänglig, vilket ger enkel tillgång till värdefulla industriresurser.
Få full digital tillgång till STAMPING Journal, med den senaste tekniken, bästa praxis och branschnyheter för metallstämpelmarknaden.
Nu med full digital tillgång till The Fabricator en Español har du enkel tillgång till värdefulla branschresurser.