I ulike strukturelle situasjoner kan ingeniører trenge å evaluere styrken til skjøter laget av sveiser og mekaniske festemidler. I dag er mekaniske festemidler vanligvis bolter, men eldre design kan ha nagler.
Dette kan skje under oppgraderinger, renoveringer eller forbedringer av et prosjekt. En ny design kan kreve bolting og sveising for å fungere sammen i en skjøt der materialet som skal skjøtes først boltes sammen og deretter sveises for å gi skjøten full styrke.
Det er imidlertid ikke så enkelt å bestemme den totale lastekapasiteten til en skjøt som å legge sammen summen av de individuelle komponentene (sveiser, bolter og nagler). En slik antagelse kan føre til katastrofale konsekvenser.
Boltede forbindelser er beskrevet i American Institute of Steel Structures (AISC) Structural Joint Specification, som bruker ASTM A325- eller A490-bolter som tett montering, forspenning eller glidekile.
Stram godt tilstrammede forbindelser med en slagtrekker eller låsesmed med en konvensjonell dobbeltsidig skiftenøkkel for å sikre at lagene har tett kontakt. I en forspent forbindelse er boltene montert slik at de utsettes for betydelige strekkbelastninger, og platene utsettes for trykkbelastninger.
1. Vri mutteren. Metoden for å vri mutteren innebærer å stramme bolten og deretter vri mutteren ytterligere, noe som avhenger av diameteren og lengden på bolten.
2. Kalibrer nøkkelen. Den kalibrerte skiftenøkkelmetoden måler dreiemomentet som er forbundet med boltstrammingen.
3. Torsjonstype justeringsbolt for spenning. Vri-av-spenningsboltene har små bolter på enden av bolten motsatt av hodet. Når ønsket moment er nådd, skrus bolten ut.
4. Indeks for rett trekk. Indikatorer for direkte spenning er spesielle skiver med tapper. Mengden kompresjon på knasten indikerer spenningsnivået som påføres bolten.
Enkelt forklart fungerer bolter som pinner i tette og forspente skjøter, omtrent som en messingpinne som holder en bunke med perforert papir sammen. Kritiske glideskjøter fungerer ved friksjon: forbelastning skaper nedtrykk, og friksjonen mellom kontaktflatene fungerer sammen for å motstå glidning av skjøten. Det er som en perm som holder en bunke med papirer sammen, ikke fordi det er stanset hull i papiret, men fordi permen presser papirene sammen og friksjonen holder bunken sammen.
ASTM A325-bolter har en minimum strekkfasthet på 150 til 120 kg per kvadrattomme (KSI), avhengig av boltdiameteren, mens A490-bolter må ha en strekkfasthet på 150 til 170 KSI. Nagleforbindelser oppfører seg mer som tette forbindelser, men i dette tilfellet er pinnene nagler som vanligvis er omtrent halvparten så sterke som en A325-bolt.
En av to ting kan skje når en mekanisk festet skjøt utsettes for skjærkrefter (når ett element har en tendens til å gli over et annet på grunn av en påført kraft). Bolter eller nagler kan befinne seg på sidene av hullene, noe som fører til at boltene eller naglene skjæres av samtidig. Den andre muligheten er at friksjonen forårsaket av klemkraften til de forspente festene kan motstå skjærbelastninger. Det forventes ingen glidning for denne skjøten, men det er mulig.
En tett forbindelse er akseptabel for mange bruksområder, ettersom liten glidning ikke kan påvirke forbindelsens egenskaper negativt. Tenk deg for eksempel en silo designet for å lagre granulært materiale. Det kan være liten glidning ved første lasting. Når det først har skjedd glidning, vil det ikke skje igjen, fordi alle påfølgende laster er av samme art.
Lastreversering brukes i noen applikasjoner, for eksempel når roterende elementer utsettes for vekslende strekk- og trykkbelastninger. Et annet eksempel er et bøyeelement som utsettes for fullstendig reverserte belastninger. Når det er en betydelig endring i lastretningen, kan det være nødvendig med en forhåndsbelastet forbindelse for å eliminere syklisk glidning. Denne glidningen fører til slutt til mer glidning i de avlange hullene.
Noen skjøter opplever mange belastningssykluser som kan føre til utmatting. Disse inkluderer presser, kranstøtter og forbindelser i broer. Glide- og kritiske forbindelser er nødvendige når forbindelsen utsettes for utmattingslaster i motsatt retning. For denne typen forhold er det svært viktig at skjøten ikke glir, så glidningskritiske skjøter er nødvendige.
Eksisterende boltforbindelser kan designes og produseres i henhold til hvilken som helst av disse standardene. Nagleforbindelser anses som tette.
Sveisede skjøter er stive. Loddeskjøter er vanskelige. I motsetning til stramme bolteforbindelser, som kan skli under belastning, trenger ikke sveiser å strekke seg og fordele den påførte lasten i stor grad. I de fleste tilfeller deformeres ikke sveisede og lagerlignende mekaniske festemidler på samme måte.
Når sveiser brukes med mekaniske festemidler, overføres lasten gjennom den hardere delen, slik at sveisen kan bære nesten all lasten, med svært lite som deles med bolten. Derfor må man være forsiktig ved sveising, bolting og nagling. Spesifikasjoner. AWS D1 løser problemet med å blande mekaniske festemidler og sveiser. Spesifikasjon 1:2000 for konstruksjonssveising – stål. Paragraf 2.6.3 sier at for nagler eller bolter som brukes i lagerforbindelser (dvs. der bolten eller naglen fungerer som en pinne), bør mekaniske festemidler ikke anses å dele lasten med sveisen. Hvis sveising brukes, må de sørges for å bære full last i forbindelsen. Imidlertid er forbindelser sveiset til ett element og naglet eller boltet til et annet element tillatt.
Ved bruk av mekaniske festemidler av lagertypen og sveising blir boltens bæreevne i stor grad neglisjert. I henhold til denne bestemmelsen må sveisen være utformet for å overføre alle belastninger.
Dette er i hovedsak det samme som AISC LRFD-1999, klausul J1.9. Den kanadiske standarden CAN/CSA-S16.1-M94 tillater imidlertid også frittstående bruk når kraften til det mekaniske festet eller bolten er høyere enn sveisekraften.
I denne saken er tre kriterier konsistente: mulighetene for mekaniske fester av lagertypen og mulighetene for sveiser summerer seg ikke.
Avsnitt 2.6.3 i AWS D1.1 drøfter også situasjoner der bolter og sveiser kan kombineres i en todelt skjøt, som vist i figur 1. Sveisesømmer til venstre, boltet til høyre. Den totale styrken til sveiser og bolter kan tas i betraktning her. Hver del av hele forbindelsen fungerer uavhengig. Dermed er denne koden et unntak fra prinsippet i den første delen av 2.6.3.
Reglene som nettopp er omtalt gjelder for nye bygninger. For eksisterende konstruksjoner sier punkt 8.3.7 D1.1 at når konstruksjonsberegninger viser at en nagle eller bolt vil bli overbelastet av en ny totallast, skal kun den eksisterende statiske lasten tilordnes den.
De samme reglene krever at dersom en nagle eller bolt kun overbelastes med statiske belastninger eller utsettes for sykliske (utmattings-) belastninger, må det legges til tilstrekkelig grunnmetall og sveiser for å støtte den totale belastningen.
Lastfordelingen mellom mekaniske festemidler og sveiser er akseptabel dersom konstruksjonen er forbelastet, med andre ord dersom det har oppstått glidning mellom de tilkoblede elementene. Men bare statiske belastninger kan påføres mekaniske festemidler. Nyttelaster som kan føre til større glidning må beskyttes ved bruk av sveiser som kan tåle hele lasten.
Sveisesømmer må brukes til å tåle all påført eller dynamisk belastning. Når mekaniske festemidler allerede er overbelastet, er lastdeling ikke tillatt. Under syklisk belastning er lastdeling ikke tillatt, siden lasten kan føre til permanent glidning og overbelastning av sveisen.
illustrasjon. Tenk deg en overlappende skjøt som opprinnelig var boltet fast (se figur 2). Strukturen gir ekstra kraft, og tilkoblinger og kontakter må legges til for å gi dobbel styrke. Figur 3 viser den grunnleggende planen for å forsterke elementene. Hvordan bør tilkoblingen gjøres?
Siden det nye stålet måtte skjøtes sammen med det gamle stålet med kilsveiser, bestemte ingeniøren seg for å legge til noen kilsveiser i skjøten. Siden boltene fortsatt var på plass, var den opprinnelige ideen å bare legge til de sveisene som trengs for å overføre den ekstra kraften til det nye stålet, og forvente at 50 % av lasten skulle gå gjennom boltene og 50 % av lasten skulle gå gjennom de nye sveisene. Er det akseptabelt?
La oss først anta at det ikke påføres noen statiske belastninger på forbindelsen for øyeblikket. I dette tilfellet gjelder avsnitt 2.6.3 i AWS D1.1.
I denne lagerforbindelsen kan ikke sveisen og bolten anses å dele lasten, så den spesifiserte sveisestørrelsen må være stor nok til å bære all statisk og dynamisk last. Bæreevnen til boltene i dette eksemplet kan ikke tas med i betraktningen, fordi uten statisk last vil forbindelsen være i en slakk tilstand. Sveisen (konstruert for å bære halvparten av lasten) brister først når full last påføres. Deretter prøver bolten, som også er konstruert for å overføre halvparten av lasten, å overføre lasten og ryker.
Videre anta at det påføres en statisk last. I tillegg antas det at den eksisterende forbindelsen er tilstrekkelig til å bære den eksisterende permanente lasten. I dette tilfellet gjelder avsnitt 8.3.7 D1.1. Nye sveiser trenger bare å motstå økte statiske og generelle nyttelaster. Eksisterende egenlaster kan tilordnes eksisterende mekaniske festemidler.
Under konstant belastning siger ikke forbindelsen. I stedet bærer boltene allerede lasten sin. Det har vært noe glidning i forbindelsen. Derfor kan sveiser brukes, og de kan overføre dynamiske belastninger.
Svaret på spørsmålet «Er dette akseptabelt?» avhenger av lastforholdene. I det første tilfellet, i fravær av statisk last, vil svaret være negativt. Under de spesifikke forholdene i det andre scenarioet er svaret ja.
Bare fordi en statisk last påføres, er det ikke alltid mulig å trekke en konklusjon. Nivået på statiske laster, tilstrekkeligheten av eksisterende mekaniske forbindelser og typen endelaster – enten statiske eller sykliske – kan endre svaret.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, leder for sveiseteknologisenteret, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produserer sveiseutstyr og sveiseforbruksvarer over hele verden. Ingeniører og teknikere ved sveiseteknologisenteret hjelper kunder med å løse sveiseproblemer.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefon 305-443-9353, faks 305-443-7559, nettsted www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, faks 610-832-9555, nettsted www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefon 312-670-2400, faks 312-670-5403, nettsted www.aisc.org.
FABRICATOR er Nord-Amerikas ledende magasin for stålfabrikasjon og -forming. Magasinet publiserer nyheter, tekniske artikler og suksesshistorier som gjør det mulig for produsenter å gjøre jobben sin mer effektivt. FABRICATOR har vært i bransjen siden 1970.
Nå med full tilgang til den digitale utgaven av FABRICATOR, enkel tilgang til verdifulle ressurser fra bransjen.
Den digitale utgaven av The Tube & Pipe Journal er nå fullt tilgjengelig, og gir enkel tilgang til verdifulle ressurser i bransjen.
Få full digital tilgang til STAMPING Journal, med den nyeste teknologien, beste praksis og bransjenyheter for metallstemplingsmarkedet.
Nå med full digital tilgang til The Fabricator på spansk, har du enkel tilgang til verdifulle ressurser i bransjen.