Смешивание сварных песков и болтов

В различных конструктивных ситуациях инженеру может потребоваться оценить прочность соединения, выполненного с помощью сварных швов и механических креплений. Сегодня механические крепления обычно представляют собой болты, но более старые конструкции могут включать заклепки.

Такие ситуации могут возникнуть во время проектов модернизации, ремонта или усиления. В новых конструкциях может потребоваться совместная работа болтов и сварных швов в соединениях, в которых соединяемые материалы сначала закрепляются болтами, а затем свариваются для получения полной прочности соединения.

Однако определить общую несущую способность соединения не так просто, как сложить сумму отдельных компонентов — сварных швов, болтов и заклепок. Такое предположение может привести к катастрофическим последствиям.

Болтовые соединения описаны в Спецификациях Американского института стальных конструкций (AISC) для структурных соединений с использованием болтов ASTM A325 или A490 как плотно затянутые, предварительно натянутые или критически важные для скольжения.

Плотно затянутое соединение затягивается с помощью ударного гайковерта или слесарем, использующим обычный шпиндельный ключ, чтобы обеспечить плотный контакт слоев. В предварительно напряженном соединении болты устанавливаются так, что они испытывают значительную растягивающую нагрузку, а пластины — сжимающую.

В соответствии с разделом 8.2 приемлемы четыре метода выполнения этих соединений:

1. Поворот гайки. Метод поворота гайки включает в себя затягивание болта и последующий поворот гайки на дополнительный угол, который зависит от диаметра и длины болта.

2. Калибровочный ключ. Метод калиброванного ключа измеряет крутящий момент, который коррелирует с натяжением, приложенным к болту.

3. Болты регулировки натяжения откручивающегося типа. Болты для контроля натяжения откручивающегося типа имеют небольшие шпильки на конце болта, противоположном головке. При достижении необходимого крутящего момента шпилька откручивается.

4. Индикаторы прямого напряжения. Индикаторы прямого натяжения представляют собой специальные шайбы с выступами. Степень сжатия выступов показывает, какой уровень натяжения был приложен к болту.

С точки зрения непрофессионала, болты действуют как штифты в плотно затянутых и предварительно напряженных соединениях, подобно латунному стержню, который скрепляет стопку продырявленных бумаг. Соединения, критические к скольжению, работают за счет трения: силы предварительного натяжения создают силы зажима, а трение между контактными поверхностями работает вместе, чтобы противостоять проскальзыванию соединения. Это похоже на зажим для переплета, который скрепляет стопку бумаг не потому, что в бумаге пробиваются отверстия, а потому, что зажим для переплета сжимает листы бумаги вместе, а трение удерживает пакет вместе.

Болты ASTM A325 имеют минимальную прочность на разрыв от 150 до 120 килофунтов на квадратный дюйм (KSI), в зависимости от диаметра болта, а болты A490 должны иметь предел прочности на разрыв от 150 до 170 KSI. Заклепочные соединения ведут себя скорее как плотно затянутые соединения, но штифтами в этом случае являются заклепки, прочность которых обычно вдвое слабее, чем у болтов А325.

Когда механически скрепленное соединение подвергается сдвиговой нагрузке — когда один элемент имеет тенденцию скользить по другому из-за приложенных сил — может возникнуть одна из двух ситуаций. Болты или заклепки могут упираться в стенки отверстий, что приводит к одновременному срезу болта или заклепки. Вторая возможность заключается в том, что трение, создаваемое силами зажима предварительно натянутого крепежа, может противостоять сдвиговой нагрузке. Проскальзывания в этом стыке не ожидается, но такая возможность существует.

Плотноплотные соединения могут быть приемлемыми для многих применений, поскольку незначительное проскальзывание не может отрицательно повлиять на характеристики соединения. Например, рассмотрим бункер, предназначенный для хранения гранулированного материала. При первой загрузке может произойти незначительное проскальзывание. Если проскальзывание произошло, оно больше не повторится, поскольку вся последующая нагрузка будет носить тот же характер.

В некоторых приложениях используется реверс нагрузки, например, когда вращающиеся элементы испытывают попеременную растягивающую и сжимающую нагрузку. Другой пример — изгибающиеся элементы, которые подвергаются полному реверсу нагрузки. При значительном изменении нагрузки может потребоваться предварительное натяжение соединений для устранения циклического проскальзывания. Такое проскальзывание со временем приводит к удлинению отверстий и еще большему проскальзыванию.