У різних конструкційних ситуаціях інженерам може знадобитися оцінити міцність з’єднань, утворених зварюванням і механічними кріпленнями.Сьогодні механічні кріпильні елементи зазвичай є болтами, але старіші конструкції можуть мати заклепки.
Це може статися під час оновлення, реконструкції або вдосконалення проекту.Нова конструкція може вимагати болтового кріплення та зварювання для спільної роботи в з’єднанні, де матеріал, який потрібно з’єднати, спочатку з’єднується болтами, а потім зварюється для забезпечення повної міцності з’єднання.
Однак визначити загальну навантажувальну здатність з’єднання не так просто, як скласти суму окремих компонентів (зварних швів, болтів і заклепок).Таке припущення може призвести до катастрофічних наслідків.
Болтові з’єднання описані в специфікаціях конструкційних з’єднань Американського інституту сталевих конструкцій (AISC), у яких використовуються болти ASTM A325 або A490 як жорстке кріплення, попередній натяг або шпонка.
Затягніть щільно затягнуті з'єднання ударним або слюсарним ключем звичайним двостороннім ключем, щоб переконатися в щільному контакті шарів.У попередньо напруженому з'єднанні болти встановлюють так, щоб на них діяли значні навантаження на розтяг, а на пластини - на стиск.
1. Поверніть гайку.Спосіб закручування гайки передбачає затягування болта з подальшим обертанням гайки на додаткову величину, яка залежить від діаметра та довжини болта.
2. Відкалібруйте ключ.Метод каліброваного гайкового ключа вимірює крутний момент, пов’язаний із натягом болта.
3. Болт регулювання натягу торсіонного типу.Закручувані натяжні болти мають маленькі шпильки на кінці болта, протилежному головці.При досягненні необхідного моменту шпилька відкручується.
4. Прямий індекс тяги.Індикатори прямого натягу - це спеціальні шайби з виступами.Ступінь стиснення вушка вказує на рівень натягу, прикладеного до затвора.
Говорячи непрофесіоналом, болти діють як шпильки в щільних і попередньо натягнутих з’єднаннях, подібно до латунної шпильки, яка скріплює стопку перфорованого паперу.Критичні ковзаючі з’єднання працюють за рахунок тертя: попереднє навантаження створює притискну силу, а тертя між контактними поверхнями працює разом, щоб протистояти ковзанню з’єднання.Це як швидкозшивач, який утримує стос паперів разом не тому, що в папері пробиті отвори, а тому, що швидкозшивач притискає папери разом, а тертя утримує стос разом.
Болти ASTM A325 мають мінімальну міцність на розрив від 150 до 120 кг на квадратний дюйм (KSI) залежно від діаметра болта, тоді як болти A490 повинні мати міцність на розрив від 150 до 170 KSI.Заклепкові з’єднання поводяться більше як щільні з’єднання, але в цьому випадку шпильки – це заклепки, які зазвичай приблизно вдвічі менші за міцність болта A325.
Одне з двох може статися, коли механічно закріплене з’єднання піддається зсуву (коли один елемент має тенденцію ковзати по іншому через прикладену силу).Болти або заклепки можуть бути з боків отворів, що призведе до одночасного зрізання болтів або заклепок.Друга можливість полягає в тому, що тертя, викликане затискною силою попередньо натягнутих кріплень, може витримувати навантаження на зсув.Для цього з’єднання не очікується прослизання, але воно можливо.
Щільне з'єднання прийнятно для багатьох застосувань, оскільки незначне прослизання не може негативно вплинути на характеристики з'єднання.Наприклад, розглянемо силос, призначений для зберігання гранульованого матеріалу.При першому завантаженні можливе невелике прослизання.Коли ковзання станеться, воно не повториться, тому що всі наступні навантаження однакові.
Реверсування навантаження використовується в деяких програмах, наприклад, коли обертові елементи піддаються змінним навантаженням розтягування та стиску.Іншим прикладом є згинальний елемент, що піддається повністю зворотним навантаженням.Коли відбувається значна зміна напрямку навантаження, може знадобитися попередньо натягнуте з’єднання, щоб усунути циклічне ковзання.Це ковзання зрештою призводить до більшого ковзання в подовжених отворах.
Деякі суглоби відчувають багато циклів навантаження, що може призвести до втоми.До них відносяться преси, опори кранів і з'єднання в мостах.Ковзні критичні з'єднання необхідні, коли з'єднання піддається втомним навантаженням у зворотному напрямку.Для таких типів умов дуже важливо, щоб з’єднання не ковзало, тому потрібні з’єднання, критичні до ковзання.
Існуючі болтові з’єднання можуть бути розроблені та виготовлені відповідно до будь-якого з цих стандартів.Заклепкові з'єднання вважаються герметичними.
Зварні з'єднання жорсткі.Паяні з’єднання складні.На відміну від щільних болтових з’єднань, які можуть зісковзувати під навантаженням, зварні шви не повинні розтягуватись і значною мірою розподіляти прикладене навантаження.У більшості випадків зварні та несучі механічні кріплення деформуються не однаково.
Коли зварні шви використовуються з механічними кріпленнями, навантаження передається через більш тверду частину, тому зварювальний шов може нести майже все навантаження, але дуже мало розподіляється з болтом.Тому під час зварювання, з’єднання болтів і заклепок необхідно бути обережним.Технічні характеристики.AWS D1 вирішує проблему змішування механічних кріплень і зварних швів.Специфікація 1:2000 для конструкційного зварювання – сталь.У параграфі 2.6.3 зазначено, що для заклепок або болтів, які використовуються в з’єднаннях типу підшипників (тобто, де болт або заклепка діють як штифт), механічні кріплення не повинні розглядатися як такі, що розподіляють навантаження зі зварним швом.Якщо використовується зварювання, вони повинні витримувати повне навантаження на з’єднання.Проте допускаються з’єднання, приварені до одного елемента та заклепки або болти до іншого елемента.
При використанні механічних кріплень підшипникового типу та додаванні зварних швів несучою здатністю болта значною мірою нехтують.Відповідно до цього положення зварний шов повинен бути розрахований на передачу всіх навантажень.
По суті, це те саме, що AISC LRFD-1999, пункт J1.9.Однак канадський стандарт CAN/CSA-S16.1-M94 також дозволяє автономне використання, коли потужність механічного кріплення або болта вища, ніж потужність зварювання.
У цьому питанні збігаються три критерії: можливості механічних кріплень несучого типу і можливості зварних швів не сумуються.
Розділ 2.6.3 AWS D1.1 також обговорює ситуації, коли болти та зварні шви можуть бути об’єднані в з’єднання з двох частин, як показано на малюнку 1. Зварні шви ліворуч, болти праворуч.Тут може бути врахована загальна потужність зварних швів і болтів.Кожна частина всього з'єднання працює незалежно.Таким чином, цей кодекс є винятком із принципу, який міститься в першій частині 2.6.3.
Щойно розглянуті правила стосуються новобудов.Для існуючих конструкцій у пункті 8.3.7 D1.1 зазначено, що коли структурні розрахунки показують, що заклепка чи болт будуть перевантажені новим загальним навантаженням, їм слід призначити лише існуюче статичне навантаження.
Ті самі правила вимагають, щоб якщо заклепка або болт перевантажуються лише статичними навантаженнями або піддаються циклічним (втомним) навантаженням, необхідно додати достатню кількість основного металу та зварних швів, щоб витримати загальне навантаження.
Розподіл навантаження між механічними кріпленнями та зварними швами прийнятний, якщо конструкція попередньо натягнута, іншими словами, якщо між з’єднаними елементами сталося ковзання.Але на механічні кріплення можна надавати тільки статичні навантаження.Постійні навантаження, які можуть призвести до більшого ковзання, повинні бути захищені використанням зварних швів, здатних витримати все навантаження.
Зварні шви повинні використовуватися, щоб витримувати всі прикладені або динамічні навантаження.Коли механічні кріплення вже перевантажені, розподіл навантаження не допускається.При циклічному навантаженні розподіл навантаження не допускається, оскільки навантаження може призвести до постійного прослизання та перевантаження зварного шва.
ілюстрація.Розглянемо з’єднання внапуск, яке спочатку було затягнуто болтами (див. Малюнок 2).Структура додає додаткової потужності, а для подвійної міцності потрібно додати з’єднання та роз’єми.На рис.3 показаний принциповий план посилення елементів.Як має здійснюватися підключення?
Оскільки нову сталь потрібно було з’єднати зі старою сталлю кутовими швами, інженер вирішив додати кілька кутових швів у з’єднанні.Оскільки болти все ще були на місці, початкова ідея полягала в тому, щоб додати лише зварні шви, необхідні для передачі додаткової потужності новій сталі, очікуючи, що 50% навантаження проходитиме через болти, а 50% навантаження – через нові зварні шви.Це прийнятно?
Давайте спочатку припустимо, що в даний момент на з'єднання не застосовано статичні навантаження.У цьому випадку застосовується пункт 2.6.3 AWS D1.1.
У цьому несучому з’єднанні не можна вважати, що зварний шов і болт розподіляють навантаження, тому вказаний розмір зварного шва має бути достатньо великим, щоб витримувати всі статичні та динамічні навантаження.Несучу здатність болтів в даному прикладі враховувати не можна, тому що без статичного навантаження з'єднання буде знаходитися в слабині.Зварний шов (розрахований на половину навантаження) спочатку розривається при застосуванні повного навантаження.Потім болт, також призначений для передачі половини навантаження, намагається перенести навантаження і ламається.
Далі припустимо, що прикладено статичне навантаження.Крім того, передбачається, що існуюче з'єднання є достатнім для того, щоб нести існуюче постійне навантаження.У цьому випадку застосовується пункт 8.3.7 D1.1.Нові зварні шви повинні витримувати тільки підвищені статичні та загальні навантаження.Існуючі постійні навантаження можуть бути призначені наявним механічним кріпленням.
При постійному навантаженні з'єднання не провисає.Натомість болти вже несуть своє навантаження.Відбулося деяке прослизання в зв’язку.Тому можна використовувати зварні шви, і вони можуть передавати динамічні навантаження.
Відповідь на питання «Чи прийнятно це?»залежить від умов навантаження.У першому випадку при відсутності статичного навантаження відповідь буде негативною.За конкретних умов другого сценарію відповідь ствердна.
Тільки через статичне навантаження не завжди можна зробити висновок.Рівень статичних навантажень, адекватність існуючих механічних з’єднань і характер кінцевих навантажень — статичних чи циклічних — можуть змінити відповідь.
Дуейн К. Міллер, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, менеджер центру зварювальних технологій, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric виробляє зварювальне обладнання та зварювальні матеріали по всьому світу.Інженери та техніки Центру зварювальних технологій допомагають клієнтам вирішувати проблеми зі зварюванням.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 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.
Американська асоціація сталевих конструкцій, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, телефон 312-670-2400, факс 312-670-5403, веб-сайт www.aisc.org.
FABRICATOR — це провідний у Північній Америці журнал із виробництва та формування сталі.Журнал публікує новини, технічні статті та історії успіху, які дозволяють виробникам виконувати свою роботу ефективніше.FABRICATOR працює в галузі з 1970 року.
Тепер із повним доступом до цифрової версії The FABRICATOR, легким доступом до цінних галузевих ресурсів.
Цифрове видання The Tube & Pipe Journal тепер повністю доступне, що забезпечує легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Отримайте повний цифровий доступ до STAMPING Journal, що містить найновіші технології, найкращі практики та галузеві новини для ринку металевого штампування.
Тепер із повним цифровим доступом до The Fabricator en Español у вас є легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.