V različnih konstrukcijskih situacijah morajo inženirji oceniti trdnost spojev, ki jih ustvarijo varjeni in mehanski pritrdilni elementi. Danes so mehanski pritrdilni elementi običajno vijaki, starejši modeli pa imajo lahko tudi zakovice.
To se lahko zgodi med nadgradnjami, prenovami ali izboljšavami projekta. Nova zasnova lahko zahteva vijačenje in varjenje, da se spoj najprej zvije skupaj in nato zvari, da se spoju zagotovi polna trdnost.
Vendar pa določitev skupne nosilnosti spoja ni tako preprosta kot seštevanje vsote posameznih komponent (varov, vijakov in zakovic). Takšna predpostavka bi lahko vodila do katastrofalnih posledic.
Vijačne povezave so opisane v specifikaciji strukturnih spojev Ameriškega inštituta za jeklene konstrukcije (AISC), ki uporablja vijake ASTM A325 ali A490 kot tesno pritrditev, prednapetost ali drsni ključ.
Tesno zategnjene povezave privijte z udarnim ključem ali ključavničarjem z uporabo običajnega dvostranskega ključa, da zagotovite tesen stik plasti. Pri prednapeti povezavi so vijaki nameščeni tako, da so izpostavljeni znatnim nateznim obremenitvam, plošče pa tlačnim obremenitvam.
1. Zavrtite matico. Metoda zavrtja matice vključuje zategovanje vijaka in nato dodatno zavrtje matice, ki je odvisno od premera in dolžine vijaka.
2. Kalibrirajte ključ. Metoda s kalibriranim ključem meri navor, ki je povezan z napetostjo vijaka.
3. Torzijski vijak za nastavitev napetosti. Napenjalni vijaki z odvitkom imajo na koncu vijaka, nasproti glave, majhne čepe. Ko je dosežen potreben navor, se čep odvije.
4. Kazalnik ravnega vlečenja. Neposredni kazalniki napetosti so posebne podložke z jezički. Količina stiskanja na ušesu kaže stopnjo napetosti, ki deluje na vijak.
Poenostavljeno povedano, vijaki delujejo kot zatiči v tesnih in prednapetih spojih, podobno kot medeninast zatič, ki drži skupaj kup perforiranega papirja. Kritični drsni spoji delujejo s trenjem: prednapetost ustvarja silo navzdol, trenje med kontaktnima površinama pa deluje skupaj, da prepreči zdrs spoja. Je kot vezivo, ki drži kup papirjev skupaj, ne zato, ker so v papirju izvrtane luknje, ampak zato, ker vezivo stisne papirje skupaj in trenje drži kup skupaj.
Vijaki ASTM A325 imajo minimalno natezno trdnost od 150 do 120 kg na kvadratni palec (KSI), odvisno od premera vijaka, medtem ko morajo imeti vijaki A490 natezno trdnost od 150 do 170 KSI. Zakovičasti spoji se obnašajo bolj kot tesni spoji, vendar so v tem primeru zatiči zakovice, ki so običajno približno polovico tako močni kot vijak A325.
Ko je mehansko pritrjen spoj izpostavljen strižnim silam (ko en element zaradi uporabljene sile zdrsne čez drugega), se lahko zgodi ena od dveh stvari. Vijaki ali zakovice so lahko ob straneh lukenj, zaradi česar se vijaki ali zakovice hkrati strižejo. Druga možnost je, da trenje, ki ga povzroča vpenjalna sila prednapetih pritrdilnih elementov, prenese strižne obremenitve. Pri tej povezavi ni pričakovati zdrsa, je pa možen.
Tesna povezava je sprejemljiva za številne aplikacije, saj rahlo zdrsavanje ne more negativno vplivati ​​na značilnosti povezave. Na primer, vzemimo silos, zasnovan za shranjevanje zrnatega materiala. Pri prvem nalaganju lahko pride do rahlega zdrsa. Ko se zdrs enkrat pojavi, se ne bo ponovil, ker so vse nadaljnje obremenitve enake narave.
Obračanje obremenitve se uporablja v nekaterih aplikacijah, na primer kadar so vrtljivi elementi izpostavljeni izmeničnim nateznim in tlačnim obremenitvam. Drug primer je upogibni element, ki je izpostavljen popolnoma obratnim obremenitvam. Ko pride do znatne spremembe smeri obremenitve, je morda potrebna prednapeta povezava, da se odpravi ciklično zdrsavanje. To zdrsavanje sčasoma povzroči še večje zdrsavanje v podolgovatih luknjah.
Nekateri spoji so podvrženi številnim obremenitvenim ciklom, kar lahko povzroči utrujenost. Mednje spadajo stiskalnice, nosilci žerjavov in spoji v mostovih. Drsni kritični spoji so potrebni, kadar je spoj izpostavljen utrujenostnim obremenitvam v obratni smeri. Za te vrste pogojev je zelo pomembno, da spoj ne zdrsne, zato so potrebni spoji, kritični proti zdrsu.
Obstoječe vijačne povezave je mogoče zasnovati in izdelati po katerem koli od teh standardov. Zakovične povezave veljajo za tesne.
Varjeni spoji so togi. Spajkani spoji so zapleteni. Za razliko od tesnih vijačnih spojev, ki lahko pod obremenitvijo zdrsnejo, se zvari ne raztezajo in ne porazdelijo obremenitve v veliki meri. V večini primerov se varjeni in ležajni mehanski pritrdilni elementi ne deformirajo na enak način.
Pri uporabi varjenih spojev z mehanskimi pritrdilnimi elementi se obremenitev prenese skozi trši del, zato lahko varjenje nosi skoraj vso obremenitev, zelo malo pa si je deli z vijakom. Zato je potrebna previdnost pri varjenju, vijačenju in kovičenju. Specifikacije. AWS D1 rešuje problem mešanja mehanskih pritrdilnih elementov in zvarov. Specifikacija 1:2000 za konstrukcijsko varjenje – jeklo. Odstavek 2.6.3 določa, da se pri zakovicah ali vijakih, ki se uporabljajo v ležajnih spojih (tj. kjer vijak ali zakovica deluje kot zatič), mehanski pritrdilni elementi ne smejo šteti za delitev obremenitve z zvarom. Če se uporablja varjenje, morajo biti zagotovljeni tako, da prenašajo celotno obremenitev v spoju. Dovoljene pa so povezave, privarjene na en element in zakovičene ali privijačene na drug element.
Pri uporabi mehanskih pritrdilnih elementov ležajnega tipa in dodajanju varov se nosilnost vijaka v veliki meri zanemari. V skladu s to določbo mora biti var zasnovan tako, da prenaša vse obremenitve.
To je v bistvu enako kot AISC LRFD-1999, člen J1.9. Vendar pa kanadski standard CAN/CSA-S16.1-M94 dovoljuje tudi samostojno uporabo, kadar je moč mehanskega pritrdilnega elementa ali vijaka večja od moči varjenja.
Pri tej zadevi so tri merila skladna: možnosti mehanskih pritrdilnih elementov ležajnega tipa in možnosti varjenja se ne seštevajo.
V razdelku 2.6.3 standarda AWS D1.1 so obravnavane tudi situacije, ko je mogoče vijake in vare kombinirati v dvodelnem spoju, kot je prikazano na sliki 1. Vari na levi, vijaki na desni. Tukaj se lahko upošteva skupna moč varov in vijakov. Vsak del celotne povezave deluje neodvisno. Zato je ta kodeks izjema od načela, ki ga vsebuje prvi del razdelka 2.6.3.
Pravkar omenjena pravila veljajo za nove stavbe. Za obstoječe konstrukcije člen 8.3.7 D1.1 določa, da kadar strukturni izračuni pokažejo, da bo zakovica ali vijak preobremenjen z novo skupno obremenitvijo, se mu mora pripisati le obstoječa statična obremenitev.
Ista pravila zahtevajo, da če je zakovica ali vijak preobremenjen le s statičnimi obremenitvami ali je izpostavljen cikličnim (utrujitvenim) obremenitvam, je treba dodati zadostno količino osnovne kovine in zvarov, da prenesejo celotno obremenitev.
Porazdelitev obremenitve med mehanskimi pritrdilnimi elementi in zvari je sprejemljiva, če je konstrukcija predhodno obremenjena, z drugimi besedami, če je med povezanimi elementi prišlo do zdrsa. Na mehanske pritrdilne elemente pa se lahko nanašajo le statične obremenitve. Žive obremenitve, ki lahko povzročijo večje zdrsavanje, je treba zaščititi z uporabo zvarov, ki lahko prenesejo celotno obremenitev.
Varjeni spoji morajo biti takšni, da prenesejo vse uporabljene ali dinamične obremenitve. Ko so mehanski pritrdilni elementi že preobremenjeni, delitev obremenitve ni dovoljena. Pri ciklični obremenitvi delitev obremenitve ni dovoljena, saj lahko obremenitev povzroči trajno zdrs in preobremenitev zvara.
Ilustracija. Predstavljajte si prekrivajoči spoj, ki je bil prvotno tesno privit (glejte sliko 2). Struktura doda dodatno moč, zato je treba dodati povezave in konektorje, da se zagotovi dvojna trdnost. Na sliki 3 je prikazan osnovni načrt za krepitev elementov. Kako naj bo povezava izvedena?
Ker je bilo treba novo jeklo s starim spojiti s kotnimi zvari, se je inženir odločil, da na spoju doda nekaj kotnih zvarov. Ker so bili vijaki še vedno na mestu, je bila prvotna ideja dodati le vare, potrebne za prenos dodatne moči na novo jeklo, pri čemer se je pričakovalo, da bo 50 % obremenitve šlo skozi vijake in 50 % obremenitve skozi nove zvare. Je to sprejemljivo?
Najprej predpostavimo, da na spoj trenutno ne delujejo statične obremenitve. V tem primeru velja odstavek 2.6.3 standarda AWS D1.1.
Pri tem ležajnem spoju ni mogoče šteti, da si var in vijak delita obremenitev, zato mora biti določena velikost varu dovolj velika, da podpira vso statično in dinamično obremenitev. Nosilnosti vijakov v tem primeru ni mogoče upoštevati, ker bo brez statične obremenitve spoj v ohlapnem stanju. Var (ki je zasnovan za prenašanje polovice obremenitve) se sprva pretrga, ko se nanj prenese polna obremenitev. Nato vijak, ki je prav tako zasnovan za prenos polovice obremenitve, poskuša prenesti obremenitev in se zlomi.
Nadalje predpostavimo, da je uporabljena statična obremenitev. Poleg tega se predpostavlja, da je obstoječa povezava zadostna za prenašanje obstoječe trajne obremenitve. V tem primeru velja odstavek 8.3.7 D1.1. Novi zvari morajo prenesti le povečane statične in splošne uporabne obremenitve. Obstoječe stalne obremenitve se lahko pripišejo obstoječim mehanskim pritrdilnim elementom.
Pri konstantni obremenitvi se spoj ne povesi. Namesto tega vijaki že nosijo svojo obremenitev. V spoju je prišlo do nekaj zdrsa. Zato se lahko uporabijo varjeni spoji, ki lahko prenašajo dinamične obremenitve.
Odgovor na vprašanje »Ali je to sprejemljivo?« je odvisen od pogojev obremenitve. V prvem primeru bo ob odsotnosti statične obremenitve odgovor negativen. V specifičnih pogojih drugega scenarija je odgovor pritrdilen.
Samo zato, ker je uporabljena statična obremenitev, ni vedno mogoče sklepati. Raven statičnih obremenitev, ustreznost obstoječih mehanskih povezav in narava končnih obremenitev – statične ali ciklične – lahko spremenijo odgovor.
Duane K. Miller, dr. med., dipl. inž., 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, vodja centra za varilno tehnologijo, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric proizvaja varilno opremo in potrošni material za varjenje po vsem svetu. Inženirji in tehniki centra za varilno tehnologijo pomagajo strankam reševati težave z varjenjem.
Ameriško varilsko združenje, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefon 305-443-9353, faks 305-443-7559, spletna stran www.aws.org.
Mednarodna ASTM, 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, faks 610-832-9555, spletna stran www.astm.org.
Ameriško združenje za jeklene konstrukcije, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefon 312-670-2400, faks 312-670-5403, spletna stran www.aisc.org.
FABRICATOR je vodilna severnoameriška revija za izdelavo in oblikovanje jekla. Revija objavlja novice, tehnične članke in zgodbe o uspehu, ki proizvajalcem omogočajo učinkovitejše opravljanje dela. FABRICATOR je v panogi prisoten že od leta 1970.
Zdaj s polnim dostopom do digitalne izdaje The FABRICATOR, enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.
Digitalna izdaja revije The Tube & Pipe Journal je zdaj v celoti dostopna in omogoča enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.
Pridobite poln digitalni dostop do revije STAMPING, ki vsebuje najnovejšo tehnologijo, najboljše prakse in novice iz industrije za trg žigosanja kovin.
Zdaj s polnim digitalnim dostopom do The Fabricator en Español imate enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.