ในสถานการณ์โครงสร้างต่างๆ วิศวกรอาจจำเป็นต้องประเมินความแข็งแรงของข้อต่อที่ทำขึ้นโดยการเชื่อมและตัวยึดเชิงกล ปัจจุบัน ตัวยึดเชิงกลมักจะเป็นสลักเกลียว แต่การออกแบบแบบเก่าอาจใช้หมุดย้ำ
เหตุการณ์นี้อาจเกิดขึ้นระหว่างการปรับปรุง ซ่อมแซม หรือเพิ่มประสิทธิภาพโครงการ การออกแบบใหม่ๆ อาจต้องใช้การยึดด้วยน็อตและการเชื่อมร่วมกันในข้อต่อ โดยวัสดุที่จะเชื่อมต่อกันนั้นจะถูกยึดด้วยน็อตก่อน แล้วจึงเชื่อมเพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กับข้อต่ออย่างเต็มที่
อย่างไรก็ตาม การกำหนดความสามารถในการรับน้ำหนักรวมของข้อต่อไม่ใช่เรื่องง่ายเหมือนกับการนำผลรวมของส่วนประกอบแต่ละส่วน (รอยเชื่อม สลักเกลียว และหมุดย้ำ) มาบวกกัน การสันนิษฐานเช่นนั้นอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ร้ายแรงได้
การเชื่อมต่อด้วยสลักเกลียวได้รับการอธิบายไว้ในข้อกำหนดการเชื่อมต่อโครงสร้างของสถาบันโครงสร้างเหล็กแห่งอเมริกา (AISC) ซึ่งใช้สลักเกลียว ASTM A325 หรือ A490 สำหรับการยึดแน่น การรับแรงดึงล่วงหน้า หรือแบบเลื่อน
ขันข้อต่อที่แน่นสนิทให้แน่นยิ่งขึ้นด้วยประแจกระแทกหรือประแจสองคมแบบธรรมดา เพื่อให้แน่ใจว่าชั้นต่างๆ สัมผัสกันแน่นสนิท ในการเชื่อมต่อแบบรับแรงดึงล่วงหน้า สลักเกลียวจะถูกติดตั้งเพื่อให้รับแรงดึงจำนวนมาก และแผ่นเหล็กจะรับแรงอัด
1. หมุนน็อต วิธีการหมุนน็อตคือการขันโบลต์ให้แน่นก่อน แล้วจึงหมุนน็อตเพิ่มอีกเล็กน้อย ซึ่งปริมาณการหมุนจะขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของโบลต์
2. ปรับเทียบประแจ วิธีการปรับเทียบประแจจะวัดแรงบิดที่เกี่ยวข้องกับแรงดึงของสลักเกลียว
3. สลักปรับความตึงแบบบิด สลักปรับความตึงแบบบิดจะมีเดือยเล็กๆ อยู่ที่ปลายสลักด้านตรงข้ามกับหัว เมื่อได้แรงบิดที่ต้องการแล้ว เดือยก็จะถูกคลายออก
4. ดัชนีแรงดึงตรง ตัวบ่งชี้แรงดึงตรงเป็นแหวนรองพิเศษที่มีแท็บ ปริมาณการบีบอัดบนตัวยึดจะบ่งบอกถึงระดับแรงดึงที่ใช้กับสลักเกลียว
อธิบายง่ายๆ ก็คือ สลักเกลียวทำหน้าที่เหมือนหมุดในข้อต่อที่แน่นและมีการรับแรงดึงไว้ล่วงหน้า คล้ายกับหมุดทองเหลืองที่ยึดกระดาษที่เจาะรูไว้ด้วยกัน ข้อต่อแบบเลื่อนที่สำคัญทำงานโดยอาศัยแรงเสียดทาน: แรงดึงล่วงหน้าสร้างแรงกดลง และแรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวสัมผัสทำงานร่วมกันเพื่อต้านทานการเลื่อนของข้อต่อ มันเหมือนกับแฟ้มที่ยึดกระดาษหลายแผ่นไว้ด้วยกัน ไม่ใช่เพราะมีการเจาะรูในกระดาษ แต่เพราะแฟ้มกดกระดาษเข้าด้วยกันและแรงเสียดทานช่วยยึดกระดาษเหล่านั้นไว้ด้วยกัน
น็อต ASTM A325 มีความแข็งแรงดึงขั้นต่ำ 150 ถึง 120 กิโลกรัมต่อตารางนิ้ว (KSI) ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของน็อต ในขณะที่น็อต A490 ต้องมีความแข็งแรงดึง 150 ถึง 170 KSI ข้อต่อแบบหมุดย้ำมีลักษณะคล้ายกับข้อต่อที่แน่น แต่ในกรณีนี้ หมุดที่ใช้คือหมุดย้ำซึ่งโดยทั่วไปมีความแข็งแรงประมาณครึ่งหนึ่งของน็อต A325
เมื่อข้อต่อที่ยึดด้วยกลไกถูกแรงเฉือนกระทำ (เมื่อชิ้นส่วนหนึ่งพยายามเลื่อนไปบนอีกชิ้นส่วนหนึ่งเนื่องจากแรงที่กระทำ) อาจเกิดได้สองอย่าง อย่างแรกคือ สลักเกลียวหรือหมุดย้ำอาจอยู่ด้านข้างของรู ทำให้สลักเกลียวหรือหมุดย้ำขาดไปพร้อมกัน หรืออย่างที่สองคือ แรงเสียดทานที่เกิดจากแรงยึดของตัวยึดที่ดึงไว้ล่วงหน้าอาจต้านทานแรงเฉือนได้ ไม่คาดว่าจะเกิดการลื่นไถลในข้อต่อนี้ แต่ก็เป็นไปได้
การเชื่อมต่อที่แน่นหนาเป็นที่ยอมรับได้สำหรับการใช้งานหลายประเภท เนื่องจากความคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยจะไม่ส่งผลเสียต่อคุณลักษณะของการเชื่อมต่อ ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาไซโลที่ออกแบบมาเพื่อจัดเก็บวัสดุที่เป็นเม็ด อาจมีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยเมื่อบรรจุครั้งแรก เมื่อเกิดความคลาดเคลื่อนแล้ว จะไม่เกิดขึ้นอีก เพราะการบรรจุในครั้งต่อๆ ไปจะมีลักษณะเดียวกัน
การกลับทิศทางของแรงถูกนำไปใช้ในบางแอปพลิเคชัน เช่น เมื่อชิ้นส่วนหมุนถูกแรงดึงและแรงอัดสลับกัน อีกตัวอย่างหนึ่งคือชิ้นส่วนดัดงอที่ถูกแรงกลับทิศทางอย่างสมบูรณ์ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางของแรงอย่างมีนัยสำคัญ อาจจำเป็นต้องใช้การเชื่อมต่อแบบรับแรงไว้ล่วงหน้าเพื่อขจัดปัญหาการลื่นไถลแบบวนซ้ำ การลื่นไถลนี้จะนำไปสู่การลื่นไถลมากขึ้นในรูที่ยืดออกในที่สุด
ข้อต่อบางประเภทต้องรับแรงหลายรอบ ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้าได้ เช่น เครื่องอัดขึ้นรูป แท่นรองรับเครน และจุดเชื่อมต่อในสะพาน ข้อต่อแบบเลื่อนได้ที่สำคัญ (Sliding Critical Joints) จำเป็นเมื่อข้อต่อต้องรับแรงล้าในทิศทางตรงกันข้าม สำหรับสภาวะเช่นนี้ การที่ข้อต่อไม่ลื่นไถลเป็นสิ่งสำคัญมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ข้อต่อแบบเลื่อนได้ที่สำคัญ (Slip-Critical Joints)
การเชื่อมต่อด้วยสลักเกลียวที่มีอยู่สามารถออกแบบและผลิตให้เป็นไปตามมาตรฐานเหล่านี้ได้ การเชื่อมต่อด้วยหมุดย้ำถือว่าแน่นหนาแล้ว
รอยเชื่อมมีความแข็งแรง ส่วนรอยบัดกรีนั้นซับซ้อนกว่า ต่างจากรอยขันน็อตที่แน่นหนาซึ่งอาจเลื่อนได้ภายใต้แรงกด รอยเชื่อมไม่จำเป็นต้องยืดและกระจายแรงกดมากนัก ในกรณีส่วนใหญ่ ตัวยึดเชิงกลแบบเชื่อมและแบบรับแรงจะไม่เสียรูปในลักษณะเดียวกัน
เมื่อใช้การเชื่อมร่วมกับตัวยึดเชิงกล แรงจะถูกถ่ายเทผ่านส่วนที่แข็งกว่า ดังนั้นการเชื่อมจึงรับแรงได้เกือบทั้งหมด โดยมีแรงที่แบ่งปันกับสลักเกลียวน้อยมาก นั่นเป็นเหตุผลที่ต้องระมัดระวังเมื่อทำการเชื่อม การขันสลักเกลียว และการตอกหมุด ข้อกำหนด AWS D1 แก้ปัญหาการผสมผสานตัวยึดเชิงกลและการเชื่อม ข้อกำหนด 1:2000 สำหรับงานเชื่อมโครงสร้าง – เหล็ก ย่อหน้า 2.6.3 ระบุว่า สำหรับหมุดย้ำหรือสลักเกลียวที่ใช้ในข้อต่อแบบรับแรง (เช่น ในกรณีที่สลักเกลียวหรือหมุดย้ำทำหน้าที่เป็นหมุด) ตัวยึดเชิงกลไม่ควรถูกพิจารณาว่าแบ่งปันแรงกับการเชื่อม หากใช้การเชื่อม ตัวยึดเชิงกลจะต้องรับแรงทั้งหมดในข้อต่อ อย่างไรก็ตาม อนุญาตให้ใช้การเชื่อมต่อที่เชื่อมกับชิ้นส่วนหนึ่งและตอกหมุดหรือขันสลักเกลียวกับอีกชิ้นส่วนหนึ่งได้
เมื่อใช้ตัวยึดเชิงกลแบบรับน้ำหนักและทำการเชื่อมเพิ่มเติม ความสามารถในการรับน้ำหนักของสลักเกลียวมักถูกละเลย ตามข้อกำหนดนี้ การเชื่อมจะต้องได้รับการออกแบบให้สามารถถ่ายโอนน้ำหนักทั้งหมดได้
โดยพื้นฐานแล้วหลักการนี้เหมือนกับมาตรฐาน AISC LRFD-1999 ข้อ J1.9 อย่างไรก็ตาม มาตรฐานของแคนาดา CAN/CSA-S16.1-M94 ยังอนุญาตให้ใช้งานได้โดยลำพังเมื่อกำลังของตัวยึดเชิงกลหรือสลักเกลียวสูงกว่ากำลังของการเชื่อม
ในเรื่องนี้ มีเกณฑ์สามประการที่สอดคล้องกัน คือ ความเป็นไปได้ของการยึดด้วยกลไกแบบแบริ่งและความเป็นไปได้ของการเชื่อมนั้นไม่สอดคล้องกัน
ส่วนที่ 2.6.3 ของ AWS D1.1 ยังกล่าวถึงสถานการณ์ที่สามารถใช้สลักเกลียวและการเชื่อมร่วมกันในข้อต่อสองส่วน ดังแสดงในรูปที่ 1 โดยด้านซ้ายเป็นการเชื่อม และด้านขวาเป็นการใช้สลักเกลียว สามารถพิจารณากำลังรวมของการเชื่อมและสลักเกลียวได้ แต่ละส่วนของการเชื่อมต่อทั้งหมดทำงานอย่างอิสระ ดังนั้น รหัสนี้จึงเป็นข้อยกเว้นจากหลักการในส่วนแรกของ 2.6.3
กฎที่กล่าวถึงข้างต้นใช้กับอาคารใหม่ สำหรับโครงสร้างที่มีอยู่แล้ว ข้อ 8.3.7 D1.1 ระบุว่า เมื่อการคำนวณโครงสร้างแสดงให้เห็นว่าหมุดย้ำหรือสลักเกลียวจะรับน้ำหนักเกินด้วยน้ำหนักรวมใหม่ ควรใช้น้ำหนักคงที่ที่มีอยู่เดิมเท่านั้นในการคำนวณ
กฎเดียวกันนี้กำหนดว่า หากหมุดย้ำหรือสลักเกลียวรับน้ำหนักเกินด้วยแรงคงที่หรือรับแรงแบบวัฏจักร (ความล้า) จะต้องเพิ่มโลหะฐานและรอยเชื่อมให้เพียงพอเพื่อรองรับน้ำหนักรวมทั้งหมด
การกระจายแรงระหว่างตัวยึดเชิงกลและรอยเชื่อมนั้นเป็นที่ยอมรับได้หากโครงสร้างได้รับการรับแรงไว้ล่วงหน้า กล่าวคือ หากเกิดการลื่นไถลระหว่างชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อกัน แต่สามารถรับแรงได้เฉพาะแรงคงที่เท่านั้น แรงบรรทุกจรที่อาจนำไปสู่การลื่นไถลที่มากขึ้นจะต้องได้รับการป้องกันโดยการใช้รอยเชื่อมที่สามารถรับแรงทั้งหมดได้
รอยเชื่อมต้องสามารถรับแรงกระทำหรือแรงไดนามิกได้ทั้งหมด เมื่อตัวยึดเชิงกลรับน้ำหนักเกินอยู่แล้ว การแบ่งรับน้ำหนักจึงไม่ได้รับอนุญาต ภายใต้การรับน้ำหนักแบบวัฏจักร การแบ่งรับน้ำหนักก็ไม่ได้รับอนุญาตเช่นกัน เนื่องจากแรงดังกล่าวอาจนำไปสู่การลื่นไถลถาวรและการรับน้ำหนักเกินของรอยเชื่อมได้
ตัวอย่างเช่น พิจารณาข้อต่อแบบซ้อนทับที่เดิมขันน็อตแน่น (ดูรูปที่ 2) โครงสร้างนี้เพิ่มกำลังรับแรง และจำเป็นต้องเพิ่มการเชื่อมต่อและตัวเชื่อมต่อเพื่อให้มีความแข็งแรงเป็นสองเท่า รูปที่ 3 แสดงแผนพื้นฐานสำหรับการเสริมความแข็งแรงให้กับองค์ประกอบต่างๆ ควรทำการเชื่อมต่ออย่างไร?
เนื่องจากเหล็กใหม่ต้องเชื่อมติดกับเหล็กเก่าด้วยการเชื่อมแบบฟิลเล็ต วิศวกรจึงตัดสินใจเพิ่มการเชื่อมแบบฟิลเล็ตที่รอยต่อ เนื่องจากน็อตยังคงอยู่กับที่ แนวคิดเดิมคือการเพิ่มการเชื่อมเฉพาะส่วนที่จำเป็นเพื่อถ่ายเทแรงที่เพิ่มขึ้นไปยังเหล็กใหม่ โดยคาดว่า 50% ของภาระจะผ่านน็อต และ 50% จะผ่านการเชื่อมใหม่ แบบนี้ยอมรับได้หรือไม่?
ก่อนอื่น ให้สมมติว่าขณะนี้ไม่มีโหลดคงที่ใดๆ ถูกใช้งานกับการเชื่อมต่อ ในกรณีนี้ ข้อ 2.6.3 ของ AWS D1.1 จะมีผลบังคับใช้
ในข้อต่อแบบรับน้ำหนักนี้ การเชื่อมและสลักเกลียวไม่สามารถถือว่ารับน้ำหนักร่วมกันได้ ดังนั้นขนาดของการเชื่อมที่กำหนดจะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะรองรับน้ำหนักคงที่และน้ำหนักพลวัตทั้งหมดได้ ความสามารถในการรับน้ำหนักของสลักเกลียวในตัวอย่างนี้สามารถนำมาพิจารณาได้ เพราะหากไม่มีน้ำหนักคงที่ การเชื่อมต่อจะอยู่ในสภาวะหลวม การเชื่อม (ที่ออกแบบมาเพื่อรับน้ำหนักครึ่งหนึ่ง) จะแตกหักในตอนแรกเมื่อรับน้ำหนักเต็มที่ จากนั้นสลักเกลียวซึ่งออกแบบมาเพื่อรับน้ำหนักครึ่งหนึ่งเช่นกัน จะพยายามรับน้ำหนักและแตกหักในที่สุด
นอกจากนี้ ให้ถือว่ามีการใช้แรงคงที่ และถือว่าการเชื่อมต่อที่มีอยู่เพียงพอที่จะรับน้ำหนักถาวรที่มีอยู่ ในกรณีนี้ ให้ใช้ข้อ 8.3.7 D1.1 การเชื่อมใหม่จำเป็นต้องรับน้ำหนักคงที่และน้ำหนักบรรทุกจรทั่วไปที่เพิ่มขึ้นเท่านั้น น้ำหนักคงที่ที่มีอยู่สามารถกำหนดให้กับตัวยึดเชิงกลที่มีอยู่ได้
ภายใต้ภาระคงที่ การเชื่อมต่อจะไม่หย่อนคล้อย แต่สลักเกลียวจะรับน้ำหนักได้เอง มีการลื่นไถลเกิดขึ้นบ้างในการเชื่อมต่อ ดังนั้นจึงสามารถใช้การเชื่อมได้ และการเชื่อมสามารถรับแรงแบบไดนามิกได้
คำตอบของคำถามที่ว่า “แบบนี้ยอมรับได้หรือไม่?” ขึ้นอยู่กับสภาวะการรับน้ำหนัก ในกรณีแรก คือไม่มีน้ำหนักคงที่ คำตอบจะเป็น “ไม่” แต่ภายใต้เงื่อนไขเฉพาะของสถานการณ์ที่สอง คำตอบคือ “ได้”
การที่ใช้แรงคงที่นั้นไม่ได้หมายความว่าจะสามารถสรุปผลได้เสมอไป ระดับของแรงคงที่ ความเหมาะสมของการเชื่อมต่อทางกลที่มีอยู่ และลักษณะของแรงที่ปลาย—ไม่ว่าจะเป็นแรงคงที่หรือแรงแบบวัฏจักร—อาจเปลี่ยนแปลงคำตอบได้
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, ผู้จัดการศูนย์เทคโนโลยีการเชื่อม, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric ผลิตอุปกรณ์เชื่อมและวัสดุสิ้นเปลืองสำหรับการเชื่อมทั่วโลก วิศวกรและช่างเทคนิคของศูนย์เทคโนโลยีการเชื่อมช่วยลูกค้าแก้ไขปัญหาเกี่ยวกับการเชื่อม
สมาคมการเชื่อมแห่งอเมริกา (American Welding Society), 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, โทรศัพท์ 305-443-9353, โทรสาร 305-443-7559, เว็บไซต์ www.aws.org
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, โทรศัพท์ 610-832-9585, โทรสาร 610-832-9555, เว็บไซต์ www.astm.org
สมาคมโครงสร้างเหล็กแห่งอเมริกา (American Steel Structures Association), One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, โทรศัพท์ 312-670-2400, โทรสาร 312-670-5403, เว็บไซต์ www.aisc.org
FABRICATOR คือนิตยสารชั้นนำด้านการผลิตและขึ้นรูปเหล็กในอเมริกาเหนือ นิตยสารฉบับนี้ตีพิมพ์ข่าวสาร บทความทางเทคนิค และเรื่องราวความสำเร็จที่ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น FABRICATOR อยู่ในวงการนี้มาตั้งแต่ปี 1970
ขณะนี้สามารถเข้าถึง The FABRICATOR ฉบับดิจิทัลได้อย่างเต็มรูปแบบ เข้าถึงแหล่งข้อมูลอุตสาหกรรมที่มีค่าได้อย่างง่ายดาย
วารสาร The Tube & Pipe Journal ฉบับดิจิทัลสามารถเข้าถึงได้อย่างเต็มรูปแบบแล้ว ทำให้เข้าถึงแหล่งข้อมูลอันมีค่าในอุตสาหกรรมได้อย่างง่ายดาย
รับสิทธิ์เข้าถึงวารสาร STAMPING Journal ฉบับดิจิทัลอย่างเต็มรูปแบบ ซึ่งนำเสนอเทคโนโลยีล่าสุด แนวปฏิบัติที่ดีที่สุด และข่าวสารในอุตสาหกรรมสำหรับตลาดการปั๊มโลหะ
ตอนนี้คุณสามารถเข้าถึง The Fabricator en Español ในรูปแบบดิจิทัลได้อย่างเต็มรูปแบบ ทำให้คุณเข้าถึงแหล่งข้อมูลอุตสาหกรรมที่มีค่าได้อย่างง่ายดาย