In verschiedenen strukturellen Situationen müssen Ingenieure möglicherweise die Festigkeit von Schweiß- und mechanischen Verbindungselementen bewerten. Heutzutage werden mechanische Verbindungselemente meist mit Schrauben hergestellt, ältere Konstruktionen verwenden jedoch auch Nieten.
Dies kann bei Modernisierungen, Renovierungen oder Erweiterungen eines Projekts passieren. Ein neues Design kann das Zusammenwirken von Schrauben und Schweißverbindungen in einer Verbindung erfordern, bei der das zu verbindende Material zunächst verschraubt und dann verschweißt wird, um der Verbindung volle Festigkeit zu verleihen.
Die Gesamttragfähigkeit einer Verbindung lässt sich jedoch nicht einfach durch die Addition der einzelnen Komponenten (Schweißnähte, Schrauben und Nieten) ermitteln. Eine solche Annahme könnte verheerende Folgen haben.
Schraubverbindungen werden in der Structural Joint Specification des American Institute of Steel Structures (AISC) beschrieben, in der ASTM A325- oder A490-Schrauben als Festmontage, Vorspannung oder Gleitkeil verwendet werden.
Ziehen Sie fest angezogene Verbindungen mit einem Schlagschrauber oder Schlosser mit einem herkömmlichen doppelseitigen Schraubenschlüssel fest, um sicherzustellen, dass die Schichten fest anliegen. Bei einer vorgespannten Verbindung werden die Schrauben so eingebaut, dass sie erheblichen Zugbelastungen ausgesetzt sind, und die Platten werden Druckbelastungen ausgesetzt.
1. Drehen Sie die Mutter. Dazu ziehen Sie die Schraube fest und drehen die Mutter anschließend um einen weiteren Betrag, der vom Durchmesser und der Länge der Schraube abhängt.
2. Kalibrieren Sie den Schlüssel. Mit der Methode des kalibrierten Schraubenschlüssels wird das Drehmoment gemessen, das mit der Schraubenspannung verbunden ist.
3. Torsionsspannschraube. Abdrehbare Spannschrauben haben kleine Bolzen am dem Kopf gegenüberliegenden Ende der Schraube. Sobald das erforderliche Drehmoment erreicht ist, wird der Bolzen herausgeschraubt.
4. Direktzuganzeige. Direktzuganzeiger sind spezielle Unterlegscheiben mit Laschen. Der Druck auf die Öse gibt die auf die Schraube ausgeübte Spannung an.
Einfach ausgedrückt: Bolzen wirken wie Stifte in engen und vorgespannten Verbindungen, ähnlich wie eine Messingnadel, die einen Stapel perforiertes Papier zusammenhält. Kritische Gleitverbindungen funktionieren durch Reibung: Vorspannung erzeugt Abtrieb, und die Reibung zwischen den Kontaktflächen verhindert ein Verrutschen der Verbindung. Es ist wie ein Ordner, der einen Stapel Papier zusammenhält – nicht weil Löcher in das Papier gestanzt werden, sondern weil der Ordner die Blätter zusammenpresst und die Reibung den Stapel zusammenhält.
ASTM A325-Schrauben haben je nach Schraubendurchmesser eine Mindestzugfestigkeit von 150 bis 120 kg pro Quadratzoll (KSI), während A490-Schrauben eine Zugfestigkeit von 150 bis 170 KSI aufweisen müssen. Nietverbindungen verhalten sich eher wie dichte Verbindungen, allerdings sind die Stifte hier Nieten, die typischerweise etwa halb so stark sind wie eine A325-Schraube.
Wenn eine mechanisch befestigte Verbindung Scherkräften ausgesetzt ist (wenn ein Element aufgrund einer einwirkenden Kraft dazu neigt, über ein anderes zu gleiten), kann eines von zwei Dingen passieren. Schrauben oder Nieten können sich an den Seiten der Löcher befinden und gleichzeitig abscheren. Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass die durch die Klemmkraft der vorgespannten Verbindungselemente verursachte Reibung den Scherkräften standhält. Bei dieser Verbindung ist kein Schlupf zu erwarten, aber möglich.
Eine dichte Verbindung ist für viele Anwendungen akzeptabel, da ein leichtes Verrutschen die Eigenschaften der Verbindung nicht beeinträchtigen kann. Betrachten wir beispielsweise ein Silo zur Lagerung von körnigem Material. Beim ersten Beladen kann es zu leichtem Verrutschen kommen. Sobald ein Verrutschen auftritt, tritt es nicht mehr auf, da alle nachfolgenden Beladungen gleichartig sind.
Lastumkehr wird in einigen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise wenn rotierende Elemente abwechselnd Zug- und Druckbelastungen ausgesetzt sind. Ein weiteres Beispiel ist ein Biegeelement, das vollständig umgekehrten Belastungen ausgesetzt ist. Bei einer deutlichen Änderung der Lastrichtung kann eine vorgespannte Verbindung erforderlich sein, um zyklischen Schlupf zu vermeiden. Dieser Schlupf führt schließlich zu verstärktem Schlupf in den Langlöchern.
Manche Verbindungen sind vielen Lastwechseln ausgesetzt, die zu Ermüdung führen können. Dazu gehören Pressen, Kranstützen und Brückenverbindungen. Gleitkritische Verbindungen sind erforderlich, wenn die Verbindung Ermüdungsbelastungen in umgekehrter Richtung ausgesetzt ist. Unter diesen Bedingungen ist es sehr wichtig, dass die Verbindung nicht rutscht, daher sind gleitkritische Verbindungen erforderlich.
Vorhandene Schraubverbindungen können nach jedem dieser Standards konstruiert und hergestellt werden. Nietverbindungen gelten als dicht.
Schweißverbindungen sind starr. Lötverbindungen sind knifflig. Im Gegensatz zu festen Schraubverbindungen, die unter Belastung verrutschen können, müssen Schweißnähte die einwirkende Last nicht stark dehnen und verteilen. In den meisten Fällen verformen sich Schweiß- und Lagerverbindungen nicht auf die gleiche Weise.
Wenn Schweißnähte mit mechanischen Verbindungselementen verwendet werden, wird die Last über den härteren Teil übertragen, sodass die Schweißnaht fast die gesamte Last tragen kann und nur ein sehr geringer Teil mit der Schraube geteilt wird. Aus diesem Grund ist beim Schweißen, Schrauben und Nieten Vorsicht geboten. Spezifikationen. AWS D1 löst das Problem der Mischung von mechanischen Verbindungselementen und Schweißnähten. Spezifikation 1:2000 für Strukturschweißen – Stahl. Absatz 2.6.3 besagt, dass bei Nieten oder Schrauben, die in tragenden Verbindungen verwendet werden (d. h. wenn die Schraube oder Niete als Stift fungiert), mechanische Verbindungselemente nicht als Last teilend mit der Schweißnaht betrachtet werden sollten. Wenn Schweißnähte verwendet werden, müssen sie so ausgelegt sein, dass sie die volle Last in der Verbindung tragen können. Verbindungen, die an ein Element geschweißt und an ein anderes Element genietet oder geschraubt werden, sind jedoch zulässig.
Bei der Verwendung von tragenden mechanischen Verbindungselementen und dem Hinzufügen von Schweißnähten wird die Tragfähigkeit der Schraube weitgehend vernachlässigt. Gemäß dieser Vorschrift muss die Schweißnaht so ausgelegt sein, dass sie alle Lasten übertragen kann.
Dies entspricht im Wesentlichen AISC LRFD-1999, Abschnitt J1.9. Allerdings erlaubt die kanadische Norm CAN/CSA-S16.1-M94 auch die eigenständige Verwendung, wenn die Kraft des mechanischen Befestigungselements oder Bolzens höher ist als die beim Schweißen.
Dabei sind drei Kriterien einheitlich: Die Möglichkeiten mechanischer Befestigungen vom Lagertyp und die Möglichkeiten von Schweißnähten decken sich nicht.
Abschnitt 2.6.3 von AWS D1.1 behandelt auch Situationen, in denen Schrauben und Schweißnähte in einer zweiteiligen Verbindung kombiniert werden können, wie in Abbildung 1 dargestellt. Schweißnähte links, Schrauben rechts. Die Gesamtkraft von Schweißnähten und Schrauben kann hier berücksichtigt werden. Jeder Teil der Gesamtverbindung arbeitet unabhängig. Somit stellt diese Vorschrift eine Ausnahme vom Prinzip des ersten Teils von 2.6.3 dar.
Die eben besprochenen Regeln gelten für Neubauten. Für bestehende Bauwerke gilt gemäß Abschnitt 8.3.7 D1.1: Wenn statische Berechnungen ergeben, dass ein Niet oder Bolzen durch eine neue Gesamtlast überlastet wird, darf ihm nur die vorhandene statische Last zugewiesen werden.
Dieselben Regeln schreiben vor, dass, wenn ein Niet oder Bolzen nur mit statischen Lasten überlastet oder zyklischen (Ermüdungs-)Lasten ausgesetzt wird, ausreichend Grundmetall und Schweißnähte hinzugefügt werden müssen, um die Gesamtlast zu tragen.
Die Lastverteilung zwischen mechanischen Verbindungselementen und Schweißnähten ist akzeptabel, wenn die Struktur vorgespannt ist, d. h. wenn zwischen den verbundenen Elementen ein Schlupf aufgetreten ist. Mechanische Verbindungselemente dürfen jedoch nur statisch belastet werden. Nutzlasten, die zu stärkerem Schlupf führen können, müssen durch Schweißnähte geschützt werden, die der gesamten Belastung standhalten.
Schweißnähte müssen allen angewandten oder dynamischen Belastungen standhalten. Bei bereits überlasteten mechanischen Verbindungselementen ist eine Lastverteilung nicht zulässig. Bei zyklischer Belastung ist eine Lastverteilung nicht zulässig, da die Belastung zu dauerhaftem Schlupf und Überlastung der Schweißnaht führen kann.
Abbildung. Betrachten Sie eine Überlappverbindung, die ursprünglich fest verschraubt war (siehe Abbildung 2). Die Struktur bringt zusätzliche Kraft auf, daher müssen Verbindungen und Verbinder hinzugefügt werden, um die Festigkeit zu verdoppeln. Abbildung 3 zeigt den Grundplan zur Verstärkung der Elemente. Wie soll die Verbindung hergestellt werden?
Da der neue Stahl durch Kehlnähte mit dem alten Stahl verbunden werden musste, entschied sich der Ingenieur, an der Verbindungsstelle Kehlnähte hinzuzufügen. Da die Schrauben noch vorhanden waren, bestand die ursprüngliche Idee darin, nur die Schweißnähte hinzuzufügen, die zur Übertragung der zusätzlichen Kraft auf den neuen Stahl erforderlich waren. Dabei ging man davon aus, dass 50 % der Last über die Schrauben und 50 % über die neuen Schweißnähte übertragen werden. Ist das akzeptabel?
Nehmen wir zunächst an, dass aktuell keine statischen Lasten auf die Verbindung wirken. In diesem Fall gilt Absatz 2.6.3 von AWS D1.1.
Bei dieser tragenden Verbindung können Schweißnaht und Schraube nicht als tragende Last betrachtet werden. Daher muss die angegebene Schweißnahtgröße groß genug sein, um die gesamte statische und dynamische Last aufzunehmen. Die Tragfähigkeit der Schrauben kann in diesem Beispiel nicht berücksichtigt werden, da die Verbindung ohne statische Last schlaff ist. Die Schweißnaht (die für die halbe Last ausgelegt ist) reißt zunächst, wenn die volle Last aufgebracht wird. Anschließend versucht die Schraube, die ebenfalls für die halbe Last ausgelegt ist, die Last zu übertragen und bricht.
Gehen Sie weiterhin davon aus, dass eine statische Last anliegt. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass die bestehende Verbindung die bestehende Dauerlast tragen kann. In diesem Fall gilt Absatz 8.3.7 D1.1. Neue Schweißnähte müssen lediglich erhöhten statischen und allgemeinen Nutzlasten standhalten. Vorhandene Eigenlasten können auf vorhandene mechanische Verbindungselemente übertragen werden.
Unter Dauerbelastung sackt die Verbindung nicht durch. Stattdessen tragen die Schrauben bereits ihre Last. Es ist ein gewisser Schlupf in der Verbindung aufgetreten. Daher können Schweißnähte verwendet werden, die dynamische Lasten übertragen können.
Die Antwort auf die Frage „Ist das akzeptabel?“ hängt von den Belastungsbedingungen ab. Im ersten Fall, wenn keine statische Belastung vorliegt, lautet die Antwort negativ. Unter den spezifischen Bedingungen des zweiten Szenarios lautet die Antwort ja.
Nur weil eine statische Last angelegt wird, lässt sich nicht immer eine Schlussfolgerung ziehen. Die Höhe der statischen Last, die Eignung vorhandener mechanischer Verbindungen und die Art der Endlasten – ob statisch oder zyklisch – können das Ergebnis beeinflussen.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Leiter des Schweißtechnikzentrums, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produziert weltweit Schweißgeräte und Schweißzusätze. Die Ingenieure und Techniker des Schweißtechnikzentrums unterstützen Kunden bei der Lösung von Schweißproblemen.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, Telefon 305-443-9353, Fax 305-443-7559, Website www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, Telefon 610-832-9585, Fax 610-832-9555, Website 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, Website www.aisc.org.
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