Trong nhiều tình huống kết cấu khác nhau, các kỹ sư có thể cần đánh giá độ bền của các mối nối được tạo ra bởi mối hàn và chốt cơ khí. Ngày nay, chốt cơ khí thường là bu lông, nhưng các thiết kế cũ hơn có thể có đinh tán.
Điều này có thể xảy ra trong quá trình nâng cấp, cải tạo hoặc cải tiến một dự án. Một thiết kế mới có thể yêu cầu bu lông và hàn để làm việc cùng nhau trong một mối nối, nơi vật liệu cần nối trước tiên được bu lông lại với nhau và sau đó hàn để cung cấp toàn bộ sức mạnh cho mối nối.
Tuy nhiên, việc xác định tổng khả năng chịu tải của một mối nối không đơn giản như việc cộng tổng các thành phần riêng lẻ (mối hàn, bu lông và đinh tán). Giả định như vậy có thể dẫn đến hậu quả thảm khốc.
Các kết nối bu lông được mô tả trong Thông số kỹ thuật mối nối kết cấu của Viện Kết cấu Thép Hoa Kỳ (AISC), sử dụng bu lông ASTM A325 hoặc A490 làm chốt lắp chặt, tải trước hoặc chìa khóa trượt.
Siết chặt các kết nối được siết chặt bằng cờ lê tác động hoặc thợ khóa sử dụng cờ lê hai mặt thông thường để đảm bảo các lớp tiếp xúc chặt chẽ. Trong kết nối ứng suất trước, bu lông được lắp đặt sao cho chúng chịu tải trọng kéo đáng kể và các tấm chịu tải trọng nén.
1. Xoay đai ốc. Phương pháp xoay đai ốc bao gồm siết chặt bu lông rồi xoay đai ốc thêm một khoảng nữa, tùy thuộc vào đường kính và chiều dài của bu lông.
2. Hiệu chỉnh chìa khóa. Phương pháp cờ lê hiệu chuẩn đo mô-men xoắn liên quan đến độ căng của bu lông.
3. Bu lông điều chỉnh độ căng kiểu xoắn. ​​Bu lông căng kiểu xoắn có các đinh tán nhỏ ở đầu bu lông đối diện với đầu. Khi đạt được mô-men xoắn cần thiết, đinh tán sẽ được tháo ra.
4. Chỉ số kéo thẳng. Chỉ số căng thẳng trực tiếp là vòng đệm đặc biệt có các tab. Lượng nén trên vấu cho biết mức độ căng thẳng được áp dụng cho bu lông.
Nói một cách dễ hiểu, bu lông hoạt động như chốt trong các mối nối chặt chẽ và được căng trước, giống như chốt đồng giữ một chồng giấy đục lỗ lại với nhau. Các mối nối trượt quan trọng hoạt động nhờ ma sát: tải trước tạo ra lực ép xuống và ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc hoạt động cùng nhau để chống lại sự trượt của mối nối. Nó giống như một chất kết dính giữ một chồng giấy lại với nhau, không phải vì các lỗ được đục trên giấy, mà vì chất kết dính ép các tờ giấy lại với nhau và ma sát giữ cho chồng giấy lại với nhau.
Bu lông ASTM A325 có độ bền kéo tối thiểu là 150 đến 120 kg trên inch vuông (KSI), tùy thuộc vào đường kính bu lông, trong khi bu lông A490 phải có độ bền kéo là 150 đến 170-KSI. Mối ghép đinh tán hoạt động giống như mối ghép chặt hơn, nhưng trong trường hợp này, chốt là đinh tán thường chỉ mạnh bằng một nửa bu lông A325.
Một trong hai điều có thể xảy ra khi một mối nối được cố định bằng cơ học chịu lực cắt (khi một thành phần có xu hướng trượt trên thành phần khác do lực tác dụng). Bu lông hoặc đinh tán có thể ở hai bên lỗ, khiến bu lông hoặc đinh tán bị cắt cùng lúc. Khả năng thứ hai là ma sát do lực kẹp của các chốt căng trước có thể chịu được tải cắt. Không có dự kiến ​​trượt cho kết nối này, nhưng có thể xảy ra.
Kết nối chặt chẽ có thể chấp nhận được đối với nhiều ứng dụng, vì sự trượt nhẹ không thể ảnh hưởng xấu đến đặc tính của kết nối. Ví dụ, hãy xem xét một silo được thiết kế để lưu trữ vật liệu dạng hạt. Có thể có sự trượt nhẹ khi tải lần đầu tiên. Một khi sự trượt xảy ra, nó sẽ không xảy ra nữa, vì tất cả các tải tiếp theo đều có cùng bản chất.
Đảo ngược tải được sử dụng trong một số ứng dụng, chẳng hạn như khi các thành phần quay chịu tải kéo và nén xen kẽ. Một ví dụ khác là thành phần uốn chịu tải hoàn toàn ngược. Khi có sự thay đổi đáng kể về hướng tải, có thể cần kết nối tải trước để loại bỏ trượt tuần hoàn. Trượt này cuối cùng dẫn đến trượt nhiều hơn trong các lỗ dài.
Một số mối nối chịu nhiều chu kỳ tải có thể dẫn đến mỏi. Bao gồm máy ép, giá đỡ cần cẩu và các kết nối trong cầu. Các kết nối trượt quan trọng là cần thiết khi kết nối phải chịu tải trọng mỏi theo hướng ngược lại. Đối với các loại điều kiện này, điều rất quan trọng là mối nối không bị trượt, do đó cần có các mối nối trượt quan trọng.
Các kết nối bu lông hiện có có thể được thiết kế và sản xuất theo bất kỳ tiêu chuẩn nào trong số các tiêu chuẩn này. Các kết nối đinh tán được coi là chặt chẽ.
Mối hàn cứng. Mối hàn rất khó. Không giống như mối hàn bu lông chặt, có thể trượt dưới tải, mối hàn không phải kéo giãn và phân phối tải trọng tác dụng ở mức độ lớn. Trong hầu hết các trường hợp, các chốt cơ khí loại hàn và loại chịu lực không biến dạng theo cùng một cách.
Khi mối hàn được sử dụng với các chốt cơ khí, tải trọng được truyền qua phần cứng hơn, do đó mối hàn có thể chịu hầu hết tải trọng, với rất ít tải trọng được chia sẻ với bu lông. Đó là lý do tại sao phải cẩn thận khi hàn, bắt bu lông và tán đinh. Thông số kỹ thuật. AWS D1 giải quyết vấn đề trộn các chốt cơ khí và mối hàn. Thông số kỹ thuật 1:2000 cho hàn kết cấu – thép. Đoạn 2.6.3 nêu rằng đối với đinh tán hoặc bu lông được sử dụng trong các mối nối kiểu ổ trục (tức là nơi bu lông hoặc đinh tán hoạt động như một chốt), các chốt cơ khí không được coi là chia sẻ tải trọng với mối hàn. Nếu sử dụng hàn, chúng phải được cung cấp để chịu toàn bộ tải trọng trong mối nối. Tuy nhiên, các kết nối được hàn vào một phần tử và được tán đinh hoặc bu lông vào một phần tử khác là được phép.
Khi sử dụng chốt cơ khí loại ổ trục và thêm mối hàn, khả năng chịu tải của bu lông phần lớn bị bỏ qua. Theo quy định này, mối hàn phải được thiết kế để truyền tất cả tải.
Về cơ bản, điều này giống với AISC LRFD-1999, mục J1.9. Tuy nhiên, tiêu chuẩn Canada CAN/CSA-S16.1-M94 cũng cho phép sử dụng độc lập khi công suất của chốt hoặc bu lông cơ học cao hơn công suất của hàn.
Trong vấn đề này, có ba tiêu chí nhất quán: khả năng kết nối cơ học của loại ổ trục và khả năng hàn không phù hợp.
Mục 2.6.3 của AWS D1.1 cũng thảo luận về các tình huống mà bu lông và mối hàn có thể được kết hợp trong mối nối hai phần, như thể hiện trong Hình 1. Mối hàn bên trái, bu lông bên phải. Tổng công suất của mối hàn và bu lông có thể được tính đến ở đây. Mỗi phần của toàn bộ kết nối hoạt động độc lập. Do đó, mã này là một ngoại lệ đối với nguyên tắc có trong phần đầu tiên của 2.6.3.
Các quy tắc vừa thảo luận áp dụng cho các tòa nhà mới. Đối với các công trình hiện có, điều khoản 8.3.7 D1.1 nêu rằng khi các tính toán về kết cấu cho thấy đinh tán hoặc bu lông sẽ bị quá tải bởi tổng tải trọng mới, thì chỉ nên gán tải trọng tĩnh hiện có cho đinh tán hoặc bu lông đó.
Các quy tắc tương tự yêu cầu rằng nếu đinh tán hoặc bu lông chỉ bị quá tải do tải trọng tĩnh hoặc chịu tải trọng tuần hoàn (mỏi), thì phải thêm đủ kim loại cơ bản và mối hàn để chịu được tổng tải trọng.
Sự phân bố tải trọng giữa các chốt cơ khí và mối hàn là chấp nhận được nếu kết cấu được tải trước, nói cách khác, nếu có sự trượt giữa các thành phần được kết nối. Nhưng chỉ có thể đặt tải trọng tĩnh lên các chốt cơ khí. Tải trọng sống có thể dẫn đến trượt lớn hơn phải được bảo vệ bằng cách sử dụng các mối hàn có khả năng chịu được toàn bộ tải trọng.
Mối hàn phải được sử dụng để chịu được mọi tải trọng tác dụng hoặc tải trọng động. Khi các chốt cơ học đã quá tải, không được phép chia tải. Trong tải trọng tuần hoàn, không được phép chia tải, vì tải trọng có thể dẫn đến trượt vĩnh viễn và quá tải mối hàn.
minh họa. Hãy xem xét một mối nối chồng lên nhau ban đầu được bu lông chặt (xem Hình 2). Cấu trúc này tăng thêm sức mạnh và phải thêm các kết nối và đầu nối để tăng gấp đôi sức mạnh. Hình 3 cho thấy sơ đồ cơ bản để gia cố các thành phần. Kết nối nên được thực hiện như thế nào?
Vì thép mới phải được nối với thép cũ bằng mối hàn góc, nên kỹ sư quyết định thêm một số mối hàn góc tại mối nối. Vì bu lông vẫn còn nguyên, ý tưởng ban đầu là chỉ thêm các mối hàn cần thiết để truyền thêm lực cho thép mới, dự kiến ​​50% tải trọng sẽ đi qua bu lông và 50% tải trọng sẽ đi qua mối hàn mới. Có thể chấp nhận được không?
Trước tiên, hãy giả sử rằng hiện tại không có tải tĩnh nào được áp dụng cho kết nối. Trong trường hợp này, đoạn 2.6.3 của AWS D1.1 được áp dụng.
Trong mối nối loại chịu lực này, mối hàn và bu lông không thể được coi là chia sẻ tải trọng, do đó kích thước mối hàn được chỉ định phải đủ lớn để chịu được toàn bộ tải trọng tĩnh và động. Không thể tính đến khả năng chịu lực của bu lông trong ví dụ này, vì nếu không có tải trọng tĩnh, mối nối sẽ ở trạng thái chùng. Mối hàn (được thiết kế để chịu một nửa tải trọng) ban đầu bị đứt khi tải trọng đầy đủ được áp dụng. Sau đó, bu lông, cũng được thiết kế để truyền một nửa tải trọng, cố gắng truyền tải tải trọng và bị gãy.
Tiếp tục giả định rằng tải trọng tĩnh được áp dụng. Ngoài ra, giả định rằng kết nối hiện tại đủ để chịu tải trọng cố định hiện tại. Trong trường hợp này, đoạn 8.3.7 D1.1 được áp dụng. Các mối hàn mới chỉ cần chịu được tải trọng tĩnh và tải trọng động chung tăng lên. Tải trọng chết hiện tại có thể được chỉ định cho các chốt cơ khí hiện tại.
Dưới tải trọng không đổi, kết nối không bị võng. Thay vào đó, các bu lông đã chịu tải. Có một số sự trượt trong kết nối. Do đó, có thể sử dụng mối hàn và chúng có thể truyền tải tải trọng động.
Câu trả lời cho câu hỏi "Điều này có được chấp nhận không?" phụ thuộc vào điều kiện tải. Trong trường hợp đầu tiên, khi không có tải tĩnh, câu trả lời sẽ là phủ định. Theo các điều kiện cụ thể của kịch bản thứ hai, câu trả lời là có.
Chỉ vì tải trọng tĩnh được áp dụng, không phải lúc nào cũng có thể đưa ra kết luận. Mức tải trọng tĩnh, tính đầy đủ của các kết nối cơ học hiện có và bản chất của tải trọng cuối—cho dù là tĩnh hay tuần hoàn—có thể thay đổi câu trả lời.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Quản lý Trung tâm Công nghệ Hàn, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric sản xuất thiết bị hàn và vật tư tiêu hao hàn trên toàn thế giới. Các kỹ sư và kỹ thuật viên của Trung tâm Công nghệ Hàn giúp khách hàng giải quyết các vấn đề về hàn.
Hiệp hội hàn Hoa Kỳ, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, điện thoại 305-443-9353, fax 305-443-7559, trang web www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, điện thoại 610-832-9585, fax 610-832-9555, trang web www.astm.org.
Hiệp hội Kết cấu Thép Hoa Kỳ, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, điện thoại 312-670-2400, fax 312-670-5403, trang web www.aisc.org.
FABRICATOR là tạp chí chế tạo và tạo hình thép hàng đầu Bắc Mỹ. Tạp chí này xuất bản tin tức, bài viết kỹ thuật và những câu chuyện thành công giúp các nhà sản xuất thực hiện công việc của mình hiệu quả hơn. FABRICATOR đã hoạt động trong ngành từ năm 1970.
Bây giờ với quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số The FABRICATOR, bạn có thể dễ dàng truy cập vào các nguồn tài nguyên giá trị của ngành.
Phiên bản kỹ thuật số của The Tube & Pipe Journal hiện đã có thể truy cập đầy đủ, giúp bạn dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên giá trị trong ngành.
Truy cập kỹ thuật số đầy đủ vào Tạp chí STAMPING, nơi giới thiệu công nghệ mới nhất, các phương pháp hay nhất và tin tức ngành cho thị trường dập kim loại.
Bây giờ với quyền truy cập kỹ thuật số đầy đủ vào The Fabricator en Español, bạn có thể dễ dàng truy cập vào các nguồn tài nguyên giá trị của ngành.