W różnych sytuacjach konstrukcyjnych inżynierowie mogą musieć ocenić wytrzymałość połączeń wykonanych za pomocą spoin i łączników mechanicznych. Obecnie łączniki mechaniczne to zazwyczaj śruby, ale starsze konstrukcje mogą mieć nity.
Może się to zdarzyć podczas modernizacji, renowacji lub udoskonaleń projektu. Nowy projekt może wymagać przykręcania i spawania, aby działały razem w połączeniu, w którym materiał do połączenia jest najpierw przykręcany, a następnie spawany, aby zapewnić pełną wytrzymałość połączenia.
Jednak określenie całkowitej nośności połączenia nie jest tak proste, jak zsumowanie sumy poszczególnych komponentów (spoin, śrub i nitów). Takie założenie może prowadzić do katastrofalnych skutków.
Połączenia śrubowe opisano w Specyfikacji połączeń konstrukcyjnych Amerykańskiego Instytutu Konstrukcji Stalowych (AISC), w której do mocowania ścisłego, mocowania wstępnego lub mocowania przesuwnego wykorzystano śruby ASTM A325 lub A490.
Dokręć mocno dokręcone połączenia kluczem udarowym lub ślusarzem, używając konwencjonalnego klucza dwustronnego, aby upewnić się, że warstwy są w ścisłym kontakcie. W połączeniu naprężonym śruby są instalowane tak, aby były poddawane znacznym obciążeniom rozciągającym, a płyty są poddawane obciążeniom ściskającym.
1. Obróć nakrętkę. Metoda obracania nakrętki polega na dokręceniu śruby, a następnie obróceniu nakrętki o dodatkową wartość, która zależy od średnicy i długości śruby.
2. Skalibruj klucz. Metoda kalibrowanego klucza mierzy moment obrotowy związany z naprężeniem śruby.
3. Śruba regulacyjna naciągu typu skrętnego. Śruby naciągowe typu twist-off mają małe kołki na końcu śruby naprzeciwko łba. Po osiągnięciu wymaganego momentu obrotowego kołek jest odkręcany.
4. Wskaźnik prostego naciągu. Bezpośrednie wskaźniki naciągu to specjalne podkładki z wypustkami. Ilość kompresji na uchu wskazuje poziom naciągu przyłożonego do śruby.
Mówiąc prościej, śruby działają jak kołki w ciasnych i wstępnie naprężonych połączeniach, podobnie jak mosiężny kołek trzymający stos perforowanego papieru razem. Krytyczne połączenia przesuwne działają na zasadzie tarcia: wstępne obciążenie tworzy siłę docisku, a tarcie między powierzchniami styku działa razem, aby zapobiec poślizgowi połączenia. To jak segregator, który trzyma stos papierów razem, nie dlatego, że w papierze są dziurkowane, ale dlatego, że segregator dociska papiery razem, a tarcie trzyma stos razem.
Śruby ASTM A325 mają minimalną wytrzymałość na rozciąganie od 150 do 120 kg na cal kwadratowy (KSI), w zależności od średnicy śruby, podczas gdy śruby A490 muszą mieć wytrzymałość na rozciąganie od 150 do 170-KSI. Połączenia nitowe zachowują się bardziej jak połączenia szczelne, ale w tym przypadku kołki są nitami, które są zazwyczaj o połowę mniej wytrzymałe niż śruby A325.
Jedna z dwóch rzeczy może się zdarzyć, gdy mechanicznie zamocowane połączenie zostanie poddane siłom ścinającym (gdy jeden element ma tendencję do przesuwania się po drugim z powodu przyłożonej siły). Śruby lub nity mogą znajdować się po bokach otworów, powodując jednoczesne ścinanie śrub lub nitów. Drugą możliwością jest to, że tarcie spowodowane siłą zacisku wstępnie naprężonych elementów złącznych może wytrzymać obciążenia ścinające. Nie przewiduje się poślizgu w przypadku tego połączenia, ale jest to możliwe.
Ścisłe połączenie jest dopuszczalne w wielu zastosowaniach, ponieważ niewielki poślizg nie może niekorzystnie wpłynąć na charakterystykę połączenia. Na przykład rozważmy silos przeznaczony do przechowywania materiałów ziarnistych. Podczas pierwszego ładowania może wystąpić niewielki poślizg. Gdy poślizg wystąpi, nie powtórzy się, ponieważ wszystkie kolejne obciążenia mają ten sam charakter.
Odwrócenie obciążenia jest stosowane w niektórych zastosowaniach, na przykład gdy elementy obrotowe są poddawane naprzemiennym obciążeniom rozciągającym i ściskającym. Innym przykładem jest element zginany poddawany całkowicie odwrotnym obciążeniom. Gdy występuje znacząca zmiana kierunku obciążenia, może być wymagane połączenie wstępnie obciążone w celu wyeliminowania cyklicznego poślizgu. Ten poślizg ostatecznie prowadzi do większego poślizgu w wydłużonych otworach.
Niektóre połączenia podlegają wielu cyklom obciążenia, co może prowadzić do zmęczenia. Należą do nich prasy, podpory dźwigów i połączenia w mostach. Przesuwne połączenia krytyczne są wymagane, gdy połączenie jest poddawane obciążeniom zmęczeniowym w odwrotnym kierunku. W przypadku tego typu warunków bardzo ważne jest, aby połączenie się nie ślizgało, dlatego potrzebne są połączenia krytyczne pod kątem poślizgu.
Istniejące połączenia śrubowe mogą być zaprojektowane i wyprodukowane zgodnie z dowolnymi z tych standardów. Połączenia nitowe są uważane za szczelne.
Połączenia spawane są sztywne. Połączenia lutowane są trudne. W przeciwieństwie do ciasnych połączeń śrubowych, które mogą się ślizgać pod obciążeniem, spoiny nie muszą się rozciągać i rozkładać obciążenia w dużym stopniu. W większości przypadków spawane i łożyskowe łączniki mechaniczne nie odkształcają się w ten sam sposób.
Gdy spoiny są używane z łącznikami mechanicznymi, obciążenie jest przenoszone przez twardszą część, więc spoina może przenosić prawie całe obciążenie, a jedynie niewielką część dzieli ze śrubą. Dlatego należy zachować ostrożność podczas spawania, przykręcania i nitowania. Specyfikacje. AWS D1 rozwiązuje problem mieszania łączników mechanicznych i spoin. Specyfikacja 1:2000 dla spawania konstrukcyjnego – stal. Paragraf 2.6.3 stanowi, że w przypadku nitów lub śrub stosowanych w połączeniach łożyskowych (tj. gdy śruba lub nit działa jak sworzeń) łączniki mechaniczne nie powinny być uważane za dzielące obciążenie ze spoiną. Jeśli używane jest spawanie, muszą być one przewidziane do przenoszenia pełnego obciążenia w połączeniu. Jednak połączenia spawane do jednego elementu i nitowane lub przykręcane do innego elementu są dozwolone.
Podczas stosowania mechanicznych łączników łożyskowych i dodawania spoin, nośność śruby jest w dużej mierze pomijana. Zgodnie z tym postanowieniem spoina musi być zaprojektowana tak, aby przenosić wszystkie obciążenia.
Jest to w zasadzie to samo, co AISC LRFD-1999, klauzula J1.9. Jednak kanadyjska norma CAN/CSA-S16.1-M94 dopuszcza również samodzielne stosowanie, gdy siła łącznika mechanicznego lub śruby jest większa niż siła spawania.
W tej kwestii trzy kryteria są spójne: możliwości zamocowań mechanicznych typu łożyskowego oraz możliwości spawów nie sumują się.
Sekcja 2.6.3 AWS D1.1 omawia również sytuacje, w których śruby i spoiny mogą być łączone w dwuczęściowym połączeniu, jak pokazano na rysunku 1. Spoiny po lewej, przykręcone po prawej. Można tutaj uwzględnić całkowitą moc spoin i śrub. Każda część całego połączenia działa niezależnie. Zatem ten kod stanowi wyjątek od zasady zawartej w pierwszej części 2.6.3.
Omówione zasady dotyczą nowych budynków. W przypadku istniejących konstrukcji klauzula 8.3.7 D1.1 stanowi, że gdy obliczenia konstrukcyjne pokazują, że nit lub śruba zostaną przeciążone nowym całkowitym obciążeniem, należy przypisać do nich tylko istniejące obciążenie statyczne.
Te same zasady wymagają, aby w przypadku, gdy nit lub śruba są przeciążone wyłącznie obciążeniami statycznymi lub poddane obciążeniom cyklicznym (zmęczeniowym), zastosować odpowiednią ilość metalu bazowego i spoin, aby utrzymać całkowite obciążenie.
Rozkład obciążenia między łącznikami mechanicznymi a spoinami jest dopuszczalny, jeśli konstrukcja jest wstępnie obciążona, innymi słowy, jeśli wystąpił poślizg między połączonymi elementami. Jednak na łączniki mechaniczne można nakładać tylko obciążenia statyczne. Obciążenia ruchome, które mogą prowadzić do większego poślizgu, muszą być chronione przez zastosowanie spoin zdolnych wytrzymać całe obciążenie.
Spoiny muszą być stosowane tak, aby wytrzymywały wszystkie obciążenia przyłożone lub dynamiczne. Gdy łączniki mechaniczne są już przeciążone, dzielenie obciążenia nie jest dozwolone. W przypadku obciążenia cyklicznego dzielenie obciążenia nie jest dozwolone, ponieważ obciążenie może prowadzić do trwałego poślizgu i przeciążenia spoiny.
ilustracja. Rozważmy połączenie zakładkowe, które pierwotnie było mocno przykręcone (patrz rysunek 2). Konstrukcja dodaje dodatkowej mocy, a połączenia i łączniki muszą zostać dodane, aby zapewnić podwójną wytrzymałość. Na rys. 3 przedstawiono podstawowy plan wzmocnienia elementów. Jak powinno zostać wykonane połączenie?
Ponieważ nowa stal musiała zostać połączona ze starą stalą za pomocą spoin pachwinowych, inżynier zdecydował się dodać kilka spoin pachwinowych w miejscu połączenia. Ponieważ śruby były nadal na miejscu, pierwotnym pomysłem było dodanie tylko spoin potrzebnych do przeniesienia dodatkowej mocy na nową stal, spodziewając się, że 50% obciążenia przejdzie przez śruby, a 50% obciążenia przejdzie przez nowe spoiny. Czy to jest dopuszczalne?
Załóżmy najpierw, że do połączenia nie są obecnie przyłożone żadne obciążenia statyczne. W tym przypadku obowiązuje paragraf 2.6.3 AWS D1.1.
W tym typie połączenia łożyskowego spoina i śruba nie mogą być uważane za dzielące obciążenie, więc określony rozmiar spoiny musi być wystarczająco duży, aby wytrzymać całe obciążenie statyczne i dynamiczne. Nośność śrub w tym przykładzie nie może być brana pod uwagę, ponieważ bez obciążenia statycznego połączenie będzie w stanie luzu. Spoina (zaprojektowana do przenoszenia połowy obciążenia) początkowo pęka, gdy zostanie przyłożone pełne obciążenie. Następnie śruba, również zaprojektowana do przenoszenia połowy obciążenia, próbuje przenieść obciążenie i pęka.
Załóżmy ponadto, że obciążenie statyczne jest stosowane. Ponadto zakłada się, że istniejące połączenie jest wystarczające, aby unieść istniejące obciążenie stałe. W tym przypadku stosuje się paragraf 8.3.7 D1.1. Nowe spoiny muszą wytrzymać jedynie zwiększone obciążenia statyczne i ogólne obciążenia użytkowe. Istniejące obciążenia martwe można przypisać do istniejących łączników mechanicznych.
Przy stałym obciążeniu połączenie nie ugina się. Zamiast tego śruby już przenoszą obciążenie. W połączeniu wystąpiło pewne poślizgnięcie. Dlatego można stosować spoiny, które mogą przenosić obciążenia dynamiczne.
Odpowiedź na pytanie „Czy to jest akceptowalne?” zależy od warunków obciążenia. W pierwszym przypadku, przy braku obciążenia statycznego, odpowiedź będzie negatywna. W szczególnych warunkach drugiego scenariusza odpowiedź brzmi tak.
Tylko dlatego, że zastosowano obciążenie statyczne, nie zawsze można wyciągnąć wniosek. Poziom obciążeń statycznych, adekwatność istniejących połączeń mechanicznych i charakter obciążeń końcowych — czy statycznych, czy cyklicznych — mogą zmienić odpowiedź.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, kierownik Welding Technology Center, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produkuje sprzęt spawalniczy i materiały spawalnicze na całym świecie. Inżynierowie i technicy Welding Technology Center pomagają klientom rozwiązywać problemy spawalnicze.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, tel. 305-443-9353, faks 305-443-7559, strona internetowa www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, faks 610-832-9555, strona internetowa www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, tel. 312-670-2400, faks 312-670-5403, strona internetowa www.aisc.org.
FABRICATOR to wiodący w Ameryce Północnej magazyn o obróbce i formowaniu stali. Magazyn publikuje wiadomości, artykuły techniczne i historie sukcesów, które umożliwiają producentom wydajniejsze wykonywanie swojej pracy. FABRICATOR działa w branży od 1970 roku.
Teraz, dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego The FABRICATOR, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Cyfrowa edycja czasopisma The Tube & Pipe Journal jest już w pełni dostępna, umożliwiając łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Uzyskaj pełny dostęp cyfrowy do czasopisma STAMPING Journal, w którym znajdziesz najnowsze technologie, najlepsze praktyki i wiadomości branżowe na temat rynku tłoczenia metali.
Dzięki pełnemu dostępowi cyfrowemu do The Fabricator en Español masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.