In diverse structurele situaties moeten ingenieurs mogelijk de sterkte van verbindingen met lassen en mechanische bevestigingsmiddelen beoordelen. Tegenwoordig zijn mechanische bevestigingsmiddelen meestal bouten, maar oudere ontwerpen kunnen klinknagels bevatten.
Dit kan gebeuren tijdens upgrades, renovaties of verbeteringen aan een project. Een nieuw ontwerp kan bout- en lasverbindingen vereisen om samen te werken in een verbinding, waarbij het te verbinden materiaal eerst aan elkaar wordt geschroefd en vervolgens wordt gelast om de verbinding volledig te versterken.
Het bepalen van de totale belastbaarheid van een verbinding is echter niet zo eenvoudig als het optellen van de som van de afzonderlijke componenten (lassen, bouten en klinknagels). Een dergelijke aanname kan rampzalige gevolgen hebben.
Boutverbindingen worden beschreven in de Structural Joint Specification van het American Institute of Steel Structures (AISC), waarin ASTM A325- of A490-bouten worden gebruikt als vaste bevestiging, voorspanning of schuifsleutel.
Draai strak aangedraaide verbindingen vast met een slagsleutel of een conventionele slotenmakersleutel met een dubbelzijdige sleutel om ervoor te zorgen dat de lagen goed contact maken. Bij een voorgespannen verbinding worden de bouten zo gemonteerd dat ze aan aanzienlijke trekbelastingen worden blootgesteld en de platen aan drukbelastingen.
1. Draai de moer. De methode om de moer te draaien houdt in dat je de bout aandraait en de moer vervolgens nog een stukje verder draait, afhankelijk van de diameter en lengte van de bout.
2. Kalibreer de sleutel. De gekalibreerde sleutelmethode meet het koppel dat hoort bij de boutspanning.
3. Spanbout met torsie-instelling. Spanbouten met twist-off hebben kleine noppen aan het uiteinde van de bout, tegenover de kop. Wanneer het gewenste moment is bereikt, wordt de nop losgedraaid.
4. Rechte trekindex. Directe trekindicatoren zijn speciale ringen met lipjes. De mate van compressie op de nok geeft de spanning aan die op de bout wordt uitgeoefend.
Simpel gezegd werken bouten als pennen in strakke en voorgespannen verbindingen, net als een messing pen die een stapel geperforeerd papier bij elkaar houdt. Kritische schuifverbindingen werken door wrijving: voorspanning creëert neerwaartse kracht, en wrijving tussen de contactoppervlakken werkt samen om slippen van de verbinding te voorkomen. Het is als een map die een stapel papier bij elkaar houdt, niet doordat er gaatjes in het papier worden geponst, maar doordat de map de papiersoorten tegen elkaar drukt en de wrijving de stapel bij elkaar houdt.
ASTM A325-bouten hebben een minimale treksterkte van 150 tot 120 kg per vierkante inch (KSI), afhankelijk van de boutdiameter, terwijl A490-bouten een treksterkte van 150 tot 170 KSI moeten hebben. Klinknagelverbindingen gedragen zich meer als dichte verbindingen, maar in dit geval zijn de pennen klinknagels die doorgaans ongeveer half zo sterk zijn als een A325-bout.
Er kunnen twee dingen gebeuren wanneer een mechanisch bevestigde verbinding wordt blootgesteld aan schuifkrachten (wanneer een element de neiging heeft om over een ander te schuiven door een uitgeoefende kracht). Bouten of klinknagels kunnen zich aan de zijkanten van de gaten bevinden, waardoor de bouten of klinknagels tegelijkertijd afschuiven. De tweede mogelijkheid is dat de wrijving die wordt veroorzaakt door de klemkracht van de voorgespannen bevestigingsmiddelen schuifbelastingen kan weerstaan. Slippen is bij deze verbinding niet te verwachten, maar het is mogelijk.
Een strakke verbinding is voor veel toepassingen acceptabel, omdat lichte slip de eigenschappen van de verbinding niet negatief kan beïnvloeden. Denk bijvoorbeeld aan een silo die ontworpen is voor de opslag van granulaat. Bij de eerste belading kan er lichte slip optreden. Als er eenmaal slip optreedt, zal dit niet meer gebeuren, omdat alle volgende ladingen van dezelfde aard zijn.
Belastingomkering wordt in sommige toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld wanneer roterende elementen worden blootgesteld aan afwisselende trek- en drukbelastingen. Een ander voorbeeld is een buigelement dat volledig tegengestelde belastingen ondergaat. Bij een significante verandering in de belastingsrichting kan een voorgespannen verbinding nodig zijn om cyclische slip te voorkomen. Deze slip leidt uiteindelijk tot meer slip in de langwerpige gaten.
Sommige verbindingen ondergaan meerdere belastingscycli, wat kan leiden tot vermoeiing. Dit geldt bijvoorbeeld voor persen, kraanondersteuningen en verbindingen in bruggen. Glijdende verbindingen zijn vereist wanneer de verbinding in de tegenovergestelde richting wordt blootgesteld aan vermoeiingsbelastingen. Bij dit soort omstandigheden is het van groot belang dat de verbinding niet slipt; daarom zijn slipkritische verbindingen nodig.
Bestaande boutverbindingen kunnen volgens elk van deze normen worden ontworpen en vervaardigd. Klinknagelverbindingen worden als dicht beschouwd.
Gelaste verbindingen zijn stijf. Soldeerverbindingen zijn lastig. In tegenstelling tot strakke boutverbindingen, die onder belasting kunnen verschuiven, hoeven lassen niet te rekken en de belasting niet sterk te verdelen. In de meeste gevallen vervormen gelaste en dragende mechanische bevestigingsmiddelen niet op dezelfde manier.
Wanneer lassen met mechanische bevestigingsmiddelen worden gebruikt, wordt de belasting overgedragen via het hardere deel, waardoor de las bijna de gehele belasting kan dragen en slechts een klein deel met de bout hoeft te delen. Daarom is voorzichtigheid geboden bij het lassen, bouten en klinken. Specificaties. AWS D1 lost het probleem op van het mengen van mechanische bevestigingsmiddelen en lassen. Specificatie 1:2000 voor constructielassen – staal. Paragraaf 2.6.3 stelt dat voor klinknagels of bouten die worden gebruikt in lagerverbindingen (d.w.z. waarbij de bout of klinknagel als een pen fungeert), mechanische bevestigingsmiddelen niet als lastdelend met de las mogen worden beschouwd. Indien er gelast wordt, moeten deze de volledige belasting in de verbinding dragen. Verbindingen die echter aan het ene element zijn gelast en aan een ander element zijn geklonken of gebout, zijn toegestaan.
Bij het gebruik van dragende mechanische bevestigingsmiddelen en het toevoegen van lassen wordt het draagvermogen van de bout grotendeels verwaarloosd. Volgens deze bepaling moet de las zo ontworpen zijn dat deze alle belastingen kan overbrengen.
Dit is in wezen hetzelfde als AISC LRFD-1999, clausule J1.9. De Canadese norm CAN/CSA-S16.1-M94 staat echter ook stand-alone gebruik toe wanneer het vermogen van de mechanische bevestiging of bout hoger is dan dat van het lassen.
In deze kwestie zijn drie criteria consistent: de mogelijkheden van mechanische bevestigingen van het lagertype en de mogelijkheden van lassen zijn niet in overeenstemming met elkaar.
Paragraaf 2.6.3 van AWS D1.1 bespreekt ook situaties waarin bouten en lassen kunnen worden gecombineerd in een tweedelige verbinding, zoals weergegeven in Figuur 1. Lassen links, bouten rechts. Hierbij kan rekening worden gehouden met het totale vermogen van lassen en bouten. Elk onderdeel van de gehele verbinding werkt onafhankelijk. Deze code vormt daarom een ​​uitzondering op het principe uit het eerste deel van 2.6.3.
De zojuist besproken regels zijn van toepassing op nieuwe gebouwen. Voor bestaande constructies stelt paragraaf 8.3.7 D1.1 dat wanneer constructieberekeningen aantonen dat een klinknagel of bout met een nieuwe totale belasting zal worden overbelast, alleen de bestaande statische belasting eraan mag worden toegekend.
Dezelfde regels vereisen dat als een klinknagel of bout alleen met statische lasten wordt overbelast of aan cyclische (vermoeiings)belastingen wordt onderworpen, er voldoende basismetaal en lassen moeten worden toegevoegd om de totale belasting te kunnen dragen.
De belastingverdeling tussen mechanische bevestigingsmiddelen en lassen is acceptabel als de constructie voorgespannen is, met andere woorden, als er slip is opgetreden tussen de verbonden elementen. Mechanische bevestigingsmiddelen mogen echter alleen statische belastingen dragen. Levende belastingen die tot grotere slip kunnen leiden, moeten worden beschermd door het gebruik van lassen die de volledige belasting kunnen dragen.
Lassen moeten bestand zijn tegen alle toegepaste of dynamische belastingen. Wanneer mechanische bevestigingsmiddelen al overbelast zijn, is lastverdeling niet toegestaan. Bij cyclische belasting is lastverdeling niet toegestaan, omdat de belasting kan leiden tot permanente slip en overbelasting van de las.
Illustratie. Denk aan een schootverbinding die oorspronkelijk stevig was vastgeschroefd (zie figuur 2). De constructie voegt extra kracht toe, en er moeten verbindingen en connectoren worden toegevoegd om de sterkte te verdubbelen. Figuur 3 toont het basisplan voor het versterken van de elementen. Hoe moet de verbinding worden gemaakt?
Omdat het nieuwe staal met hoeklassen aan het oude staal moest worden verbonden, besloot de ingenieur hoeklassen aan de verbinding toe te voegen. Omdat de bouten nog aanwezig waren, was het oorspronkelijke idee om alleen de lassen toe te voegen die nodig waren om het extra vermogen over te brengen op het nieuwe staal, met de verwachting dat 50% van de belasting via de bouten en 50% via de nieuwe lassen zou gaan. Is dit acceptabel?
Laten we er eerst van uitgaan dat er momenteel geen statische belasting op de verbinding wordt toegepast. In dit geval is paragraaf 2.6.3 van AWS D1.1 van toepassing.
Bij dit type lagerverbinding kunnen de las en de bout niet als lastdragers worden beschouwd, dus de opgegeven lasgrootte moet groot genoeg zijn om de volledige statische en dynamische belasting te dragen. Het draagvermogen van de bouten in dit voorbeeld kan niet in aanmerking worden genomen, omdat de verbinding zonder statische belasting slap zal zijn. De las (die ontworpen is om de helft van de belasting te dragen) scheurt aanvankelijk wanneer de volledige belasting wordt toegepast. Vervolgens probeert de bout, die ook ontworpen is om de helft van de belasting over te dragen, de belasting over te dragen en breekt.
Veronderstel verder dat er een statische belasting wordt toegepast. Daarnaast wordt ervan uitgegaan dat de bestaande verbinding voldoende is om de bestaande permanente belasting te dragen. In dit geval is paragraaf 8.3.7 D1.1 van toepassing. Nieuwe lassen hoeven alleen bestand te zijn tegen verhoogde statische en algemene belasting. Bestaande vaste lasten kunnen worden toegewezen aan bestaande mechanische bevestigingsmiddelen.
Bij constante belasting zakt de verbinding niet door. In plaats daarvan dragen de bouten hun belasting al. Er is wel wat slip in de verbinding opgetreden. Daarom kunnen lassen worden gebruikt, die dynamische belastingen kunnen overbrengen.
Het antwoord op de vraag "Is dit acceptabel?" hangt af van de belastingomstandigheden. In het eerste geval, bij afwezigheid van een statische belasting, zal het antwoord negatief zijn. Onder de specifieke omstandigheden van het tweede scenario is het antwoord ja.
Alleen al omdat er een statische belasting wordt toegepast, is het niet altijd mogelijk om een ​​conclusie te trekken. De mate van statische belasting, de geschiktheid van bestaande mechanische verbindingen en de aard van de eindbelasting – statisch of cyclisch – kunnen het antwoord beïnvloeden.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Manager van het Welding Technology Center, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produceert wereldwijd lasapparatuur en lasbenodigdheden. De ingenieurs en technici van het Welding Technology Center helpen klanten bij het oplossen van lasproblemen.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefoon 305-443-9353, fax 305-443-7559, website www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefoon 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, telefoon 312-670-2400, fax 312-670-5403, website www.aisc.org.
FABRICATOR is hét toonaangevende vakblad voor staalbewerking en -bewerking in Noord-Amerika. Het tijdschrift publiceert nieuws, technische artikelen en succesverhalen die fabrikanten in staat stellen hun werk efficiënter uit te voeren. FABRICATOR is al sinds 1970 actief in de sector.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de sector.
Krijg volledige digitale toegang tot het STAMPING Journal, met de nieuwste technologieën, best practices en nieuws uit de branche voor de metaalstansmarkt.
Nu hebt u met volledige digitale toegang tot The Fabricator en Español eenvoudig toegang tot waardevolle bronnen uit de sector.