У різних конструкційних ситуаціях інженерам може знадобитися оцінити міцність з'єднань, утворених зварними швами та механічними кріпленнями. Сьогодні механічними кріпленнями зазвичай є болти, але старіші конструкції можуть мати заклепки.
Це може статися під час модернізації, реконструкції або вдосконалення проекту. Новий дизайн може вимагати спільного використання болтового з'єднання та зварювання в з'єднанні, де матеріал, що з'єднується, спочатку скріплюється болтами, а потім зварюється для забезпечення повної міцності з'єднання.
Однак, визначення загальної вантажопідйомності з'єднання не таке просте, як додавання суми окремих компонентів (зварних швів, болтів та заклепок). Таке припущення може призвести до катастрофічних наслідків.
Болтові з'єднання описані в Специфікації конструкційних з'єднань Американського інституту сталевих конструкцій (AISC), де використовуються болти ASTM A325 або A490 як шпонка для тугого кріплення, попереднього натягу або ковзання.
Щільно затягнуті з'єднання затягують ударним гайковертом або слюсарем за допомогою звичайного двостороннього ключа, щоб забезпечити щільний контакт шарів. У попередньо напруженому з'єднанні болти встановлюються так, що вони піддаються значним розтягуючим навантаженням, а пластини - стискаючим.
1. Поверніть гайку. Спосіб повертання гайки передбачає затягування болта, а потім додаткове повертання гайки, яке залежить від діаметра та довжини болта.
2. Калібруйте ключ. Метод каліброваного ключа вимірює крутний момент, пов'язаний з натягом болта.
3. Болт регулювання натягу торсійного типу. Болти натягу з відкручуванням мають невеликі шпильки на кінці болта навпроти головки. Коли досягнуто необхідного крутного моменту, шпильку відкручують.
4. Індикатор прямого натягу. Індикатори прямого натягу – це спеціальні шайби з виступами. Величина стиснення на виступі вказує на рівень натягу, що прикладається до болта.
Простими словами, болти діють як штифти в щільних і попередньо натягнутих з'єднаннях, подібно до латунного штифта, що утримує стопку перфорованого паперу разом. Критичні ковзні з'єднання працюють за рахунок тертя: попереднє натягнення створює притискну силу, а тертя між контактними поверхнями працює разом, щоб протидіяти ковзанню з'єднання. Це як папка, яка утримує стопку паперів разом, не тому, що в папері пробиті отвори, а тому, що папка притискає папери разом, а тертя утримує стопку разом.
Болти ASTM A325 мають мінімальну міцність на розтяг від 150 до 120 кг на квадратний дюйм (KSI), залежно від діаметра болта, тоді як болти A490 повинні мати міцність на розтяг від 150 до 170 KSI. Заклепкові з'єднання поводяться скоріше як щільні з'єднання, але в цьому випадку штифти - це заклепки, які зазвичай приблизно вдвічі менш міцні, ніж болт A325.
Коли механічно скріплене з'єднання піддається впливу сил зсуву (коли один елемент прагне ковзати по іншому через прикладену силу), може статися одне з двох. Болти або заклепки можуть бути з боків отворів, що призводить до їх одночасного зсуву. Друга можливість полягає в тому, що тертя, спричинене силою затиску попередньо натягнутих кріплень, може витримувати навантаження зсуву. Прослизання для цього з'єднання не очікується, але воно можливе.
Щільне з'єднання є прийнятним для багатьох застосувань, оскільки незначне прослизання не може негативно вплинути на характеристики з'єднання. Наприклад, розглянемо силос, призначений для зберігання сипучих матеріалів. Під час першого завантаження може виникнути незначне прослизання. Якщо прослизання відбудеться, воно більше не повториться, оскільки всі наступні навантаження мають такий самий характер.
Зворотне навантаження використовується в деяких випадках, наприклад, коли обертові елементи піддаються змінним розтягуючим та стискаючим навантаженням. Іншим прикладом є елемент, що згинається, що піддається повністю зворотним навантаженням. Коли відбувається значна зміна напрямку навантаження, може знадобитися попередньо натягнуте з'єднання, щоб усунути циклічне ковзання. Це ковзання зрештою призводить до більшого ковзання в видовжених отворах.
Деякі з'єднання зазнають багатьох циклів навантаження, що може призвести до втоми. До них належать преси, опори кранів та з'єднання в мостах. Ковзні критичні з'єднання потрібні, коли з'єднання піддається втомним навантаженням у зворотному напрямку. Для таких типів умов дуже важливо, щоб з'єднання не ковзало, тому потрібні з'єднання, критичні до ковзання.
Існуючі болтові з'єднання можуть бути спроектовані та виготовлені відповідно до будь-якого з цих стандартів. Заклепкові з'єднання вважаються герметичними.
Зварні з'єднання жорсткі. Паяні з'єднання складні. На відміну від тугих болтових з'єднань, які можуть проковзувати під навантаженням, зварні шви не повинні розтягуватися та розподіляти прикладене навантаження у значній мірі. У більшості випадків зварні та підшипникові механічні кріплення деформуються не однаково.
Коли зварні шви використовуються з механічними кріпленнями, навантаження передається через твердішу частину, тому зварний шов може нести майже все навантаження, при цьому дуже мала його частина розподіляється з болтом. Саме тому слід бути обережним під час зварювання, болтового з'єднання та заклепування. Технічні умови. AWS D1 вирішує проблему змішування механічних кріплень та зварних швів. Технічні умови 1:2000 для конструкційного зварювання – сталь. У пункті 2.6.3 зазначено, що для заклепок або болтів, що використовуються в з'єднаннях підшипникового типу (тобто де болт або заклепка діє як штифт), механічні кріплення не слід розглядати як такі, що розподіляють навантаження зі зварним швом. Якщо використовується зварювання, воно має бути забезпечене для перенесення повного навантаження в з'єднанні. Однак допускаються з'єднання, зварені до одного елемента та заклеповані або болтовані до іншого елемента.
Під час використання механічних кріплень підшипникового типу та додавання зварних швів, несуча здатність болта значною мірою нехтується. Згідно з цим положенням, зварний шов має бути розрахований на передачу всіх навантажень.
Це по суті те саме, що й AISC LRFD-1999, пункт J1.9. Однак канадський стандарт CAN/CSA-S16.1-M94 також дозволяє автономне використання, коли потужність механічного кріплення або болта вища, ніж у зварювання.
У цьому питанні узгоджуються три критерії: можливості механічних кріплень підшипникового типу та можливості зварних швів не складаються.
У розділі 2.6.3 стандарту AWS D1.1 також обговорюються ситуації, коли болти та зварні шви можуть бути поєднані в двочастинному з'єднанні, як показано на рисунку 1. Зварні шви ліворуч, болтові - праворуч. Тут можна врахувати загальну потужність зварних швів та болтів. Кожна частина всього з'єднання працює незалежно. Таким чином, цей код є винятком із принципу, що міститься в першій частині 2.6.3.
Щойно обговорені правила застосовуються до нових будівель. Для існуючих конструкцій пункт 8.3.7 D1.1 зазначає, що коли структурні розрахунки показують, що заклепка або болт будуть перевантажені новим загальним навантаженням, до них слід призначати лише існуюче статичне навантаження.
Ті ж правила вимагають, щоб якщо заклепка або болт перевантажуються лише статичними навантаженнями або піддаються циклічним (втомним) навантаженням, необхідно додати достатню кількість основного металу та зварних швів для підтримки загального навантаження.
Розподіл навантаження між механічними кріпленнями та зварними швами є прийнятним, якщо конструкція попередньо навантажена, іншими словами, якщо між з'єднаними елементами сталося прослизання. Але на механічні кріплення можна прикладати лише статичні навантаження. Постійні навантаження, які можуть призвести до більшого прослизання, повинні бути захищені використанням зварних швів, здатних витримувати все навантаження.
Зварні шви повинні витримувати всі прикладені або динамічні навантаження. Коли механічні кріплення вже перевантажені, розподіл навантаження не допускається. За циклічного навантаження розподіл навантаження не допускається, оскільки навантаження може призвести до постійного зсуву та перевантаження зварного шва.
ілюстрація. Розглянемо нахлесточне з'єднання, яке спочатку було щільно скріплене болтами (див. рисунок 2). Конструкція додає додаткової міцності, і для забезпечення подвійної міцності необхідно додати з'єднання та роз'єми. На рис. 3 показано основний план посилення елементів. Як слід виконувати з'єднання?
Оскільки нову сталь потрібно було з'єднати зі старою за допомогою кутових зварних швів, інженер вирішив додати кілька кутових зварних швів на стику. Оскільки болти все ще були на місці, початкова ідея полягала в тому, щоб додати лише зварні шви, необхідні для передачі додаткової потужності на нову сталь, очікуючи, що 50% навантаження проходитиме через болти, а 50% навантаження - через нові зварні шви. Це прийнятно?
Спочатку припустимо, що на з'єднання наразі не прикладено статичних навантажень. У цьому випадку застосовується пункт 2.6.3 стандарту AWS D1.1.
У цьому з'єднанні типу підшипника зварний шов і болт не можна вважати такими, що розподіляють навантаження, тому заданий розмір зварного шва має бути достатньо великим, щоб витримувати все статичне та динамічне навантаження. Несучу здатність болтів у цьому прикладі не можна враховувати, оскільки без статичного навантаження з'єднання буде в ослабленому стані. Зварний шов (розрахований на перенесення половини навантаження) спочатку розривається, коли прикладається повне навантаження. Потім болт, також розрахований на перенесення половини навантаження, намагається перенести навантаження і ламається.
Далі припустимо, що прикладено статичне навантаження. Крім того, передбачається, що існуюче з'єднання достатньо для витримування існуючого постійного навантаження. У цьому випадку застосовується пункт 8.3.7 D1.1. Нові зварні шви повинні витримувати лише підвищені статичні та загальні робочі навантаження. Існуючі постійні навантаження можна призначити існуючим механічним кріпленням.
Під постійним навантаженням з'єднання не провисає. Натомість болти вже несуть своє навантаження. У з'єднанні відбулося деяке прослизання. Тому можна використовувати зварні шви, і вони можуть передавати динамічні навантаження.
Відповідь на питання «Чи це прийнятно?» залежить від умов навантаження. У першому випадку, за відсутності статичного навантаження, відповідь буде негативною. За конкретних умов другого сценарію відповідь – так.
Тільки тому, що прикладено статичне навантаження, не завжди можливо зробити висновок. Рівень статичних навантажень, адекватність існуючих механічних з'єднань та характер кінцевих навантажень — статичні чи циклічні — можуть змінити відповідь.
Дуейн К. Міллер, доктор медичних наук, інженер-механік, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, менеджер Центру зварювальних технологій, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric виробляє зварювальне обладнання та зварювальні матеріали по всьому світу. Інженери та техніки Центру зварювальних технологій допомагають клієнтам вирішувати проблеми зі зварюванням.
Американське зварювальне товариство, 550 NW LeJeune Road, Маямі, Флорида 33126-5671, телефон 305-443-9353, факс 305-443-7559, вебсайт www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, телефон 610-832-9585, факс 610-832-9555, вебсайт www.astm.org.
Американська асоціація сталевих конструкцій, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, телефон 312-670-2400, факс 312-670-5403, вебсайт www.aisc.org.
FABRICATOR – провідний північноамериканський журнал з виробництва та формування сталі. Журнал публікує новини, технічні статті та історії успіху, які дозволяють виробникам виконувати свою роботу ефективніше. FABRICATOR працює в галузі з 1970 року.
Тепер із повним доступом до цифрового видання The FABRICATOR, легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Цифрове видання журналу «The Tube & Pipe Journal» тепер повністю доступне, забезпечуючи легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Отримайте повний цифровий доступ до журналу STAMPING, який містить найновіші технології, передовий досвід та новини галузі для ринку штампування металу.
Тепер, маючи повний цифровий доступ до The Fabricator en Español, ви маєте легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.