En diversas situacións estruturais, os enxeñeiros poden ter que avaliar a resistencia das unións feitas por soldaduras e elementos de fixación mecánicos. Hoxe en día, os elementos de fixación mecánicos adoitan ser parafusos, pero os deseños máis antigos poden ter remaches.
Isto pode ocorrer durante melloras, reformas ou melloras dun proxecto. Un novo deseño pode requirir aparafusamento e a soldadura para traballar xuntos nunha unión onde o material que se vai unir primeiro se aparafusa e despois se solda para proporcionar a máxima resistencia á unión.
Non obstante, determinar a capacidade de carga total dunha unión non é tan sinxelo como sumar a suma dos compoñentes individuais (soldaduras, parafusos e remaches). Tal suposición podería levar a consecuencias desastrosas.
As conexións con parafusos descríbense na Especificación de xuntas estruturais do Instituto Americano de Estruturas de Aceiro (AISC), que emprega parafusos ASTM A325 ou A490 como chave de montaxe axustada, precarga ou deslizante.
Aperte as conexións firmemente axustadas cunha chave de impacto ou chave de chave de chave de dobre cara convencional para garantir que as capas estean en contacto axustado. Nunha conexión pretensada, os parafusos instálanse de xeito que estean sometidos a cargas de tracción significativas e as placas a cargas de compresión.
1. Xire a porca. O método para xirar a porca consiste en apertar o parafuso e despois xirar a porca unha cantidade adicional, o que depende do diámetro e da lonxitude do parafuso.
2. Calibra a chave. O método da chave calibrada mide o par de torsión asociado á tensión do parafuso.
3. Parafuso de axuste da tensión de tipo torsión. Os parafusos de tensión de extracción por rosca teñen pequenos pernos no extremo do parafuso oposto á cabeza. Cando se alcanza o par de torsión requirido, o perno desenroscase.
4. Índice de tracción directa. Os indicadores de tensión directa son arandelas especiais con pestanas. A cantidade de compresión na orella indica o nivel de tensión aplicada ao parafuso.
En termos sinxelos, os parafusos actúan como pasadores en unións axustadas e pretensadas, de xeito semellante a un pasador de latón que mantén unida unha pila de papel perforado. As unións deslizantes críticas funcionan por fricción: a precarga crea forza descendente e a fricción entre as superficies de contacto traballa conxuntamente para resistir o deslizamento da unión. É como unha carpeta que mantén unida unha pila de papeis, non porque se fagan buratos no papel, senón porque a carpeta presiona os papeis xuntos e a fricción mantén unida a pila.
Os parafusos ASTM A325 teñen unha resistencia á tracción mínima de 150 a 120 kg por polgada cadrada (KSI), dependendo do diámetro do parafuso, mentres que os parafusos A490 deben ter unha resistencia á tracción de 150 a 170 KSI. As unións con remaches compórtanse máis como unións axustadas, pero neste caso, os pasadores son remaches que normalmente son aproximadamente a metade de fortes que un parafuso A325.
Cando unha unión fixada mecanicamente se somete a forzas de corte (cando un elemento tende a deslizarse sobre outro debido a unha forza aplicada), pode ocorrer unha de dúas cousas. Os parafusos ou remaches poden estar nos laterais dos buratos, facendo que os parafusos ou remaches se corten ao mesmo tempo. A segunda posibilidade é que a fricción causada pola forza de suxeición dos elementos de fixación pretensados ​​poida soportar cargas de corte. Non se espera ningún deslizamento para esta conexión, pero é posible.
Unha conexión axustada é aceptable para moitas aplicacións, xa que un lixeiro deslizamento non pode afectar negativamente as características da conexión. Por exemplo, considere un silo deseñado para almacenar material granular. Pode haber un lixeiro deslizamento ao cargar por primeira vez. Unha vez que se produce o deslizamento, non volverá ocorrer, porque todas as cargas posteriores son da mesma natureza.
A inversión de carga úsase nalgunhas aplicacións, como cando os elementos rotatorios están sometidos a cargas alternas de tracción e compresión. Outro exemplo é un elemento de flexión sometido a cargas totalmente invertidas. Cando hai un cambio significativo na dirección da carga, pode ser necesaria unha conexión precargada para eliminar o deslizamento cíclico. Este deslizamento finalmente leva a un maior deslizamento nos orificios alongados.
Algunhas unións experimentan moitos ciclos de carga que poden levar á fatiga. Estes inclúen prensas, soportes de grúas e conexións en pontes. As conexións críticas deslizantes son necesarias cando a conexión está sometida a cargas de fatiga na dirección inversa. Para este tipo de condicións, é moi importante que a unión non escorregue, polo que se necesitan unións críticas antideslizantes.
As conexións con parafusos existentes pódense deseñar e fabricar segundo calquera destas normas. As conexións con remaches considéranse axustadas.
As unións soldadas son ríxidas. As unións soldadas son complicadas. A diferenza das unións aparafusadas axustadas, que poden esvarar baixo carga, as soldaduras non teñen que estirarse nin distribuir a carga aplicada en gran medida. Na maioría dos casos, os elementos de fixación mecánicos soldados e os de tipo rolamento non se deforman do mesmo xeito.
Cando se empregan soldaduras con elementos de fixación mecánicos, a carga transfírese a través da parte máis dura, polo que a soldadura pode soportar case toda a carga, compartindo moi pouca co parafuso. Por iso hai que ter coidado ao soldar, aparafusar e remachar. Especificacións. A AWS D1 resolve o problema de mesturar elementos de fixación mecánicos e soldaduras. Especificación 1:2000 para soldadura estrutural - aceiro. O parágrafo 2.6.3 establece que para remaches ou parafusos utilizados en unións de tipo rolamento (é dicir, onde o parafuso ou remache actúa como un pasador), non se debe considerar que os elementos de fixación mecánicos compartan a carga coa soldadura. Se se utiliza soldadura, deben proporcionarse para soportar a carga completa na unión. Non obstante, permítense conexións soldadas a un elemento e remachadas ou aparafusadas a outro elemento.
Ao empregar elementos de fixación mecánicos de tipo rolamento e engadir soldaduras, a capacidade portante do parafuso desprézase en gran medida. Segundo esta disposición, a soldadura debe estar deseñada para transferir todas as cargas.
Isto é esencialmente o mesmo que o da norma AISC LRFD-1999, cláusula J1.9. Non obstante, a norma canadense CAN/CSA-S16.1-M94 tamén permite o uso independente cando a potencia do elemento de fixación mecánico ou do parafuso é maior que a da soldadura.
Neste asunto, tres criterios son consistentes: as posibilidades de fixacións mecánicas do tipo de rolamento e as posibilidades de soldaduras non suman.
A sección 2.6.3 de AWS D1.1 tamén trata situacións nas que se poden combinar parafusos e soldaduras nunha unión de dúas partes, como se mostra na Figura 1. Soldaduras á esquerda, aparafusadas á dereita. Aquí pódese ter en conta a potencia total das soldaduras e os parafusos. Cada parte de toda a conexión funciona de forma independente. Polo tanto, este código é unha excepción ao principio contido na primeira parte de 2.6.3.
As regras que se acaban de comentar aplícanse a edificios novos. Para estruturas existentes, a cláusula 8.3.7 D1.1 establece que cando os cálculos estruturais mostren que un remache ou parafuso se sobrecargará cunha nova carga total, só se lle debe asignar a carga estática existente.
As mesmas regras esixen que se un remache ou parafuso só está sobrecargado con cargas estáticas ou sometido a cargas cíclicas (de fatiga), débese engadir suficiente metal base e soldaduras para soportar a carga total.
A distribución da carga entre os elementos de fixación mecánicos e as soldaduras é aceptable se a estrutura está precargada, é dicir, se se produciu deslizamento entre os elementos conectados. Pero só se poden aplicar cargas estáticas aos elementos de fixación mecánicos. As cargas vivas que poden provocar un maior deslizamento deben protexerse mediante o uso de soldaduras capaces de soportar toda a carga.
As soldaduras deben empregarse para soportar toda a carga aplicada ou dinámica. Cando os elementos de fixación mecánicos xa están sobrecargados, non se permite a distribución da carga. En cargas cíclicas, non se permite a distribución da carga, xa que a carga pode provocar un deslizamento permanente e unha sobrecarga da soldadura.
ilustración. Considere unha unión de solape que orixinalmente estaba aparafusada (véxase a figura 2). A estrutura engade potencia adicional e débense engadir conexións e conectores para proporcionar o dobre de resistencia. Na figura 3 móstrase o plan básico para reforzar os elementos. Como se debe facer a conexión?
Dado que o aceiro novo tiña que unirse ao aceiro antigo mediante soldaduras de filete, o enxeñeiro decidiu engadir algunhas soldaduras de filete na unión. Dado que os parafusos aínda estaban no seu lugar, a idea orixinal era engadir só as soldaduras necesarias para transferir a potencia adicional ao aceiro novo, esperando que o 50 % da carga pasase polos parafusos e o 50 % da carga pasase polas novas soldaduras. É aceptable?
Supoñamos primeiro que non se aplican cargas estáticas á conexión. Neste caso, aplícase o parágrafo 2.6.3 de AWS D1.1.
Nesta unión tipo rolamento, non se pode considerar que a soldadura e o parafuso compartan a carga, polo que o tamaño de soldadura especificado debe ser o suficientemente grande como para soportar toda a carga estática e dinámica. A capacidade portante dos parafusos neste exemplo non se pode ter en conta, porque sen unha carga estática, a conexión estará nun estado frouxo. A soldadura (deseñada para soportar a metade da carga) rompe inicialmente cando se aplica a carga completa. Entón, o parafuso, tamén deseñado para transferir a metade da carga, intenta transferir a carga e rompe.
Suponse ademais que se aplica unha carga estática. Ademais, asúmese que a conexión existente é suficiente para soportar a carga permanente existente. Neste caso, aplícase o parágrafo 8.3.7 D1.1. As novas soldaduras só precisan soportar cargas estáticas e cargas vivas xerais aumentadas. As cargas mortas existentes pódense asignar aos elementos de fixación mecánicos existentes.
Baixo unha carga constante, a conexión non se afunde. En cambio, os parafusos xa soportan a súa carga. Houbo certo deslizamento na conexión. Polo tanto, pódense usar soldaduras que poden transmitir cargas dinámicas.
A resposta á pregunta «É isto aceptable?» depende das condicións de carga. No primeiro caso, en ausencia dunha carga estática, a resposta será negativa. Nas condicións específicas do segundo escenario, a resposta é si.
O feito de aplicar unha carga estática non sempre é posible sacar unha conclusión. O nivel das cargas estáticas, a idoneidade das conexións mecánicas existentes e a natureza das cargas finais (xa sexan estáticas ou cíclicas) poden cambiar a resposta.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Xerente do Centro de Tecnoloxía de Soldadura, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric fabrica equipos e consumibles de soldadura en todo o mundo. Os enxeñeiros e técnicos do Centro de Tecnoloxía de Soldadura axudan aos clientes a resolver problemas de soldadura.
Sociedade Americana de Soldadura, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, teléfono 305-443-9353, fax 305-443-7559, sitio web www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, teléfono 610-832-9585, fax 610-832-9555, sitio web www.astm.org.
Asociación Americana de Estruturas de Aceiro, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, teléfono 312-670-2400, fax 312-670-5403, sitio web www.aisc.org.
FABRICATOR é a revista líder en fabricación e conformado de aceiro en América do Norte. A revista publica noticias, artigos técnicos e historias de éxito que permiten aos fabricantes facer o seu traballo de forma máis eficiente. FABRICATOR leva no sector desde 1970.
Agora con acceso completo á edición dixital de The FABRICATOR, acceso sinxelo a recursos valiosos da industria.
A edición dixital de The Tube & Pipe Journal xa é totalmente accesible, o que proporciona un acceso sinxelo a valiosos recursos da industria.
Obtén acceso dixital completo a STAMPING Journal, que inclúe a tecnoloxía máis recente, as mellores prácticas e as novidades do sector para o mercado da estampación de metais.
Agora, con acceso dixital completo a The Fabricator en español, tes acceso doado a recursos valiosos da industria.