溶接サンドボルトの混合

さまざまな構造状況において、エンジニアは溶接や機械的締結具による接続の強度を評価する必要がある場合があります。 現在、機械的締結具は通常ボルトですが、古い構造にはリベットが含まれる場合があります。

このような状況は、改修、修理、または強化プロジェクト中に発生する可能性があります。 新築の場合は、ボルトと溶接を組み合わせて接続する必要がある場合があります。この場合、接合される材料が最初にボルトで固定され、次に溶接されて完全な接続強度が得られます。

ただし、接続の総耐荷重を決定することは、溶接、ボルト、リベットなどの個々のコンポーネントの合計を加算するほど簡単ではありません。 そのような思い込みは悲惨な結果を招く可能性があります。

ボルト接合は、米国鉄鋼構造協会 (AISC) の ASTM A325 または A490 ボルトを使用した構造接合の仕様に、ぴったり締め、プリテンション、またはスリップクリティカルとして記載されています。

ぴったりと締められたジョイントは、インパクト レンチの力で締めるか、鉄工が通常のスパッド レンチを使用してプライをしっかりと接触させます。 プリテンションジョイントでは、ボルトには大きな引張荷重がかかり、プレートには圧縮荷重がかかるようにボルトが取り付けられています。

セクション 8.2 では、これらのジョイントを作成する 4 つの方法が許容されます。

1. ターンオフナット。 ナットを回す方法では、ボルトをしっかりと締めてから、ボルトの直径と長さに応じてナットをさらに回転させます。

2. 校正済みレンチ。 校正されたレンチ法では、ボルトにかかる張力に相関するトルクを測定します。

3. ツイストオフタイプのテンションコントロールボルト。 ツイストオフタイプの張力制御ボルトには、ボルトの頭の反対側の端に小さなスタッドが付いています。 必要なトルクに達すると、スタッドがねじれて外れます。

4. ダイレクトテンションインジケーター。 ダイレクトテンションインジケーターは突起が付いた特殊なワッシャーです。 突起の圧縮量は、ボルトにどの程度の張力がかかっているかを示します。

平たく言えば、ボルトは、穴を開けた紙の束を束ねる真鍮の刃と同様に、ぴったりと締め付けられ、事前に張力がかけられた接合部のピンとして機能します。 滑りが重要なジョイントは摩擦によって機能します。プリテンション力がクランプ力を生成し、接触面間の摩擦が協働してジョイントの滑りに抵抗します。 これは、紙の束をまとめるバインダー クリップに似ています。これは、紙に穴が開けられるためではなく、バインダー クリップが紙のシートを一緒に押し付け、摩擦によってパケットがまとまった状態に保たれるためです。

ASTM A325 ボルトの最小引張強度はボルトの直径に応じて 150 ～ 120 キロポンド/平方インチ (KSI) ですが、A490 ボルトの引張強度は 150 ～ 170 KSI の間に収まる必要があります。 リベット接合はぴったりと締められた接合のように動作しますが、この場合のピンはリベットであり、通常、強度は A325 ボルトの約半分です。

機械的に固定されたジョイントにせん断荷重がかかると、加えられた力により一方の部材が他方の部材の上を滑る傾向があり、次の 2 つの状況のいずれかが発生する可能性があります。 ボルトまたはリベットが穴の側面に押し付けられ、同時にボルトまたはリベットがせん断される可能性があります。 2 番目の可能性は、事前に張力をかけた締結具からのクランプ力によって生じる摩擦がせん断荷重に抵抗する可能性があることです。 このジョイントでは滑りはないと予想されますが、その可能性はあります。

わずかな滑りは接続性能に悪影響を及ぼさない可能性があるため、ぴったりと密着した接続は多くの用途に受け入れられます。 たとえば、粒状材料を入れるように設計されたホッパーを考えてみましょう。 初めてロードするときは、わずかな滑りが発生する可能性があります。 一度発生したスリッページは、その後のすべての荷重が同じ性質のものであるため、再発することはありません。

一部の用途には、回転部材に引張荷重と圧縮荷重が交互にかかる場合など、荷重の逆転が含まれます。 完全な荷重反転を受ける曲げ部材は別の例です。 重大な荷重反転が発生した場合、周期的な滑りを排除するために、事前に張力を与えたジョイントが必要になる場合があります。 このような滑りは、最終的に細長い穴を生じ、さらに大きな滑りにつながります。

一部の接続は多くの負荷サイクルにさらされるため、疲労が生じる可能性があります。 これには、プレス、クレーン サポート、ブリッジの接続が含まれます。 ジョイントが方向反転による疲労荷重を受ける場合、滑りクリティカルジョイントが必要です。 このようなタイプの条件では、ジョイントが滑らないことが重要であるため、スリップクリティカルジョイントの要件が必要になります。

既存のボルト締結は、これらの基準のいずれかに従って設計および構築されている可能性があります。 リベット接合はぴったりと密着するタイプとみなされます。

溶接接続は堅固です。 溶接接続は硬いです。 荷重がかかると滑る可能性があるぴったりと締められたボルト接合部とは異なり、溶接部は、加えられた荷重を大幅に伸ばして分散させることは期待できません。 ほとんどの場合、溶接部とベアリング タイプのメカニカル ファスナーは同じように変形しません。

溶接と機械的ファスナーを併​​用すると、負荷はより硬い部分に伝達されます。 したがって、溶接部はほぼすべての荷重に耐えることができ、ボルトとはほとんど荷重を分担しません。 そのため、溶接、ボルト、リベットを組み合わせる場合には注意が必要です。コード規定。 機械的ファスナーと溶接の混合の問題は、AWS D1 で対処されています。 1:2000 構造溶接規定 - 鋼。 規定 2.6.3 では、ベアリングタイプの接続 (つまり、ボルトまたはリベットがピンとして機能する場合) で使用されるリベットまたはボルトの場合、機械的締結具が溶接と組み合わせて荷重を分担するとみなすべきではないと述べています。 溶接を使用する場合は、接続内の全荷重を支えるために溶接を行う必要があります。 ただし、1 つの部材に溶接され、別の部材にリベットまたはボルトで固定された接続は許可されます。

メカニカルファスナーがベアリングタイプで溶接が追加される場合、ボルトの容量は基本的に無視されます。 この規定に従って、溶接はすべての荷重を伝達するように設計されなければなりません。

基本的に、これは AISC LRFD-1999、規定 J1.9 と同じです。 ただし、カナダの規格 CAN/CSA-S16.1-M94 では、機械式締結具またはボルトの能力が溶接の能力より大きい場合、その能力を単独で使用することも許可しています。

この問題に関しては、3 つの規格すべてが一致しています。ベアリング タイプのメカニカル ファスナーと溶接部の容量を合計することはできません。

AWS D1.1、段落 2.6.3 では、図 1 に示すように、ボルトと溶接を 2 つの別個のコンポーネントで構成される接続に組み合わせることができる状況についても取り上げています。溶接接続は左側、ボルト締め接続は左側にあります。権利。 ここで、溶接とボルトの全容量を考慮できます。 接続全体の各部分は独立して動作します。 したがって、このコードは、2.6.3 の最初の部分に含まれる原則の例外を提供します。

ここで説明した規定は、新築の場合にも適用されます。 既存の構造については、D1.1、パラグラフ 8.3.7 に、設計計算でリベットまたはボルトが新しい総荷重によって過剰な応力を受けることが示された場合、既存の死荷重のみがそれらに割り当てられるべきであると記載されています。

同じ規定では、リベットまたはボルトが死荷重のみによって過大な応力を受ける場合、または周期 (疲労) 荷重を受ける場合は、総荷重を支えるのに十分な母材と溶接を追加する必要があると規定しています。

構造に予荷重がかかっている場合、機械的ファスナーと溶接部の間で荷重を共有することは許容されます。 言い換えれば、接続されたメンバー間でスリップがすでに発生している場合です。 ただし、メカニカル ファスナーに割り当てることができるのは死荷重のみです。 より大きな滑りを引き起こす可能性がある活荷重には、荷重全体を支えることができる溶接を適用して抵抗する必要があります。

溶接は、適用された荷重または活荷重全体を受け止めるために使用する必要があります。 メカニカルファスナーがすでに過負荷になっている場合、荷重を共有することはできません。 周期的な荷重が関係する場合、荷重により継続的な滑りが発生し、溶接部に過負荷がかかる可能性があるため、荷重共有は許可されません。

イラスト。 もともとぴったりと締まったボルトで接続されていた重ね継手を考えてみましょう (「図2 ）。 構造にはさらなる容量が追加されており、強度を 2 倍にするために接続部と付属部材を増やす必要があります。図3メンバー強化の基本計画を図示したものです。 接続はどうすればいいのでしょうか？

新しい鋼材は隅肉溶接で古い鋼材に接合されるため、エンジニアは接続にいくつかの隅肉溶接を追加することにしました。 ボルトはまだ所定の位置にあるため、最初のアイデアは、新しい鋼の追加容量を伝達するために必要な溶接のみを追加し、荷重の 50 パーセントがボルトを通過し、50 パーセントが新しい溶接を通過すると予想されます。 これは受け入れられるでしょうか？

まず、現在接続に死荷重がかかっていないと仮定します。 この場合、AWS D1.1、段落 2.6.3 が適用されます。

このベアリング タイプの接続では、溶接部とボルトが荷重を分担していると見なすことができないため、指定された溶接部のサイズは、死荷重と活荷重全体を支えるのに十分な大きさでなければなりません。 死荷重がなければ接続は緩んだ状態になるため、この例ではボルトの容量は考慮できません。 全荷重が適用されると、最初は溶接部 (荷重の半分を伝達するように設計されています) が破損します。 すると、やはり荷重の半分を伝達するように設計されたボルトが荷重を伝達しようとして破損してしまいます。

次に死荷重がかかっていると仮定します。 さらに、既存の接続が既存の死荷重を伝達するのに適切であると仮定します。 この場合、D1.1、8.3.7 項が適用されます。 新しい溶接部には、増加した死荷重と総活荷重のみを加える必要があります。 既存の死荷重を既存のメカニカル ファスナーに割り当てることができます。

死荷重がかかると接続が緩みません。 代わりに、ボルトはすでにその負荷を支えています。 接続に何らかのスリップがすでに発生しています。 したがって、溶接を適用することができ、活荷重を伝達することができます。

「これは受け入れられますか？」という質問に答えます。 積載条件により異なります。 死荷重が想定されていない最初のケースでは、答えはノーです。 2 番目のシナリオの特定の条件下では、答えは「はい」です。

死荷重が適用されるからといって、答えが常に「はい」であると結論付けることはできません。 死荷重のレベル、既存の機械的接続の適切性、最終荷重の性質 (静的か周期的か) によって、答えが変わる可能性があります。

Duane K. Miller, Sc.D., PE は、The Lincoln Electric Company の溶接技術センター マネージャーです。住所 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199、Web サイト www.lincolnelectric.com にあります。The Lincoln Electric Company は、世界中の溶接機器と溶接消耗品。 同社の溶接テクノロジー センターのエンジニアと技術者は、溶接アプリケーションに関するお客様の質問をサポートします。

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