Mischen von Schweißsandbolzen

In verschiedenen strukturellen Situationen muss ein Ingenieur möglicherweise die Festigkeit einer Verbindung beurteilen, die mit Schweißnähten und mechanischen Befestigungselementen hergestellt wird. Heutzutage sind mechanische Befestigungselemente typischerweise Bolzen, ältere Strukturen können jedoch auch Nieten enthalten.

Solche Situationen können bei Nachrüstungs-, Reparatur- oder Verstärkungsprojekten auftreten. Bei Neubauten kann es erforderlich sein, dass Bolzen und Schweißnähte in Verbindungen zusammenarbeiten, bei denen die zu verbindenden Materialien zunächst mit Bolzen befestigt und dann verschweißt werden, um die volle Verbindungsfestigkeit zu erreichen.

Allerdings lässt sich die Gesamttragfähigkeit der Verbindung nicht so einfach ermitteln, indem man die Summe der einzelnen Komponenten – Schweißnähte, Bolzen und Nieten – addiert. Eine solche Annahme kann katastrophale Folgen haben.

Schraubenverbindungen werden in der Spezifikation für Strukturverbindungen unter Verwendung von ASTM A325- oder A490-Schrauben des American Institute of Steel Construction (AISC) als fest angezogen, vorgespannt oder rutschkritisch beschrieben.

Eine fest angezogene Verbindung wird mit der Kraft eines Schlagschraubers oder durch einen Schlosser mit einem gewöhnlichen Schraubenschlüssel festgezogen, um die Lagen in festen Kontakt zu bringen. Bei einer vorgespannten Verbindung werden die Schrauben so eingebaut, dass sie unter erheblicher Zugbelastung stehen, während die Platten unter Druckbelastung stehen.

Gemäß Abschnitt 8.2 sind vier Methoden zur Herstellung dieser Verbindungen zulässig:

1. Mutter drehen. Bei der Methode zum Drehen der Mutter wird die Schraube festgezogen und anschließend um einen weiteren Betrag gedreht, der vom Durchmesser und der Länge der Schraube abhängt.

2. Kalibrierter Schraubenschlüssel. Die kalibrierte Schraubenschlüsselmethode misst das Drehmoment, das mit der auf die Schraube ausgeübten Spannung korreliert.

3. Abschraubbare Spannungskontrollschrauben. Twist-off-Spannungskontrollschrauben haben kleine Zapfen am Ende der Schraube, gegenüber dem Kopf. Wenn das erforderliche Drehmoment erreicht ist, dreht sich der Bolzen ab.

4. Direktspannungsanzeiger. Direktspannungsindikatoren sind spezielle Unterlegscheiben mit Vorsprüngen. Der Grad der Kompression auf die Vorsprünge gibt an, wie stark die Spannung auf die Schraube ausgeübt wurde.

Laienhaft ausgedrückt fungieren die Bolzen als Stifte in fest angezogenen und vorgespannten Verbindungen, ähnlich einem Messingstift, der einen Stapel gelochter Papiere zusammenhält. Schlupfkritische Verbindungen funktionieren durch Reibung: Die Vorspannkräfte erzeugen Klemmkräfte, und die Reibung zwischen den Kontaktflächen wirkt zusammen, um einem Durchrutschen der Verbindung entgegenzuwirken. Dies ähnelt einer Heftklammer, die einen Stapel Papiere zusammenhält, nicht weil Löcher in das Papier gestanzt sind, sondern weil die Heftklammer die Papierblätter zusammendrückt und die Reibung das Paket zusammenhält.

ASTM A325-Schrauben haben je nach Schraubendurchmesser eine Mindestzugfestigkeit von 150 bis 120 Kilopound pro Quadratzoll (KSI), während A490-Schrauben eine Zugfestigkeit zwischen 150 und 170 KSI haben müssen. Nietverbindungen verhalten sich eher wie fest angezogene Verbindungen, aber die Stifte sind in diesem Fall die Nieten, die normalerweise etwa halb so stark sind wie A325-Schrauben.

Wenn eine mechanisch befestigte Verbindung auf Scherung beansprucht wird – wenn ein Element aufgrund der wirkenden Kräfte dazu neigt, über das andere zu gleiten – kann eine von zwei Situationen auftreten. Die Bolzen oder Nieten können an den Seiten der Löcher anliegen und gleichzeitig zum Abscheren der Bolzen oder Nieten führen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass Reibung, die durch die Klemmkräfte des vorgespannten Befestigungselements entsteht, der Scherbelastung widerstehen kann. In dieser Verbindung ist kein Schlupf zu erwarten, die Möglichkeit besteht jedoch.

Passgenaue Verbindungen können für viele Anwendungen akzeptabel sein, da geringfügiger Schlupf die Verbindungsleistung möglicherweise nicht negativ beeinflusst. Stellen Sie sich beispielsweise einen Trichter vor, der für die Aufnahme von körnigem Material ausgelegt ist. Beim ersten Laden kann es zu geringfügigem Verrutschen kommen. Sobald der Schlupf aufgetreten ist, wird er nicht erneut auftreten, da alle nachfolgenden Belastungen von derselben Art wären.

Bei einigen Anwendungen kommt es zu einer Lastumkehr, beispielsweise wenn rotierende Bauteile abwechselnd Zug- und Druckbelastungen ausgesetzt sind. Ein weiteres Beispiel sind Biegeelemente, die einer vollständigen Lastumkehr unterliegen. Wenn eine erhebliche Lastumkehr auftritt, können vorgespannte Verbindungen erforderlich sein, um zyklischen Schlupf zu verhindern. Ein solcher Schlupf führt schließlich zu Langlöchern und noch größerem Schlupf.

Manche Verbindungen unterliegen vielen Belastungszyklen, die zu Ermüdungserscheinungen führen können. Dazu gehören Verbindungen in Pressen, Kranstützen und Brücken. Bei Gelenken mit Ermüdungsbeanspruchung mit Richtungsumkehr sind gleitkritische Gelenke erforderlich. Bei solchen Bedingungen ist es wichtig, dass die Verbindung nicht verrutscht, weshalb es sich um schlupfkritische Verbindungen handelt.

Eine bestehende Schraubverbindung kann nach einem dieser Kriterien entworfen und gebaut worden sein. Nietverbindungen gelten als festsitzende Verbindungen.

Schweißverbindungen sind starr. Schweißverbindungen sind steif. Im Gegensatz zu fest angezogenen Schraubverbindungen, die bei Belastung verrutschen können, ist bei Schweißnähten nicht zu erwarten, dass sie sich dehnen und die aufgebrachte Last in großem Maße verteilen. In den meisten Fällen verformen sich Schweißnähte und mechanische Befestigungselemente vom Lagertyp nicht gleichermaßen.

Wenn Schweißnähte und mechanische Befestigungselemente zusammen verwendet werden, wird die Last über den steiferen Teil übertragen. Daher kann die Schweißnaht fast die gesamte Last tragen und teilt sich nur wenig mit den Schrauben. Aus diesem Grund ist bei der Kombination von Schweißnähten, Bolzen und Nieten Vorsicht geboten. Das Problem der Kombination von mechanischen Verbindungselementen und Schweißnähten wird im AWS D1 behandelt. 1:2000 Strukturschweißcode – Stahl. Bestimmung 2.6.3 besagt, dass bei Nieten oder Bolzen, die in lagerartigen Verbindungen verwendet werden (d. h. wenn der Bolzen oder Niet als Stift fungiert), die mechanischen Befestigungselemente nicht als Lastträger in Kombination mit Schweißnähten betrachtet werden sollten. Wenn Schweißnähte verwendet werden, sollten diese so vorgesehen sein, dass sie die gesamte Last in der Verbindung tragen können. Zulässig sind jedoch Verbindungen, die mit einem Bauteil verschweißt und mit einem anderen vernietet oder verschraubt werden.

Wenn es sich bei den mechanischen Befestigungselementen um Lagerbefestigungen handelt und eine Schweißung hinzugefügt wird, wird die Tragfähigkeit der Schraube im Wesentlichen ignoriert. Gemäß dieser Bestimmung muss die Schweißnaht so ausgelegt sein, dass sie die gesamte Last übertragen kann.

Im Grunde ist dies dasselbe wie AISC LRFD-1999, Bestimmung J1.9. Allerdings erlaubt die kanadische Norm CAN/CSA-S16.1-M94 auch die Nutzung der Kapazität des mechanischen Befestigungselements oder der Schraube allein, wenn diese höher ist als die Kapazität der Schweißnaht.

In dieser Frage sind sich alle drei Normen einig: Die Tragfähigkeiten der tragenden mechanischen Verbindungselemente und der Schweißnähte können nicht addiert werden.

AWS D1.1, Absatz 2.6.3 befasst sich auch mit einer Situation, in der Bolzen und Schweißnähte in einer Verbindung kombiniert werden können, die aus zwei separaten Komponenten besteht, wie in Abbildung 1 dargestellt. Auf der linken Seite befindet sich eine Schweißverbindung und auf der linken Seite eine Schraubverbindung das Recht. Dabei kann die volle Tragfähigkeit der Schweißnähte und Schrauben berücksichtigt werden. Jeder Teil der Gesamtverbindung verhält sich unabhängig. Daher stellt der Kodex eine Ausnahme von den im ersten Teil von 2.6.3 enthaltenen Grundsätzen dar.

Die eben besprochenen Bestimmungen gelten auch für Neubauten. Für bestehende Strukturen besagt D1.1, Absatz 8.3.7, dass, wenn Konstruktionsberechnungen zeigen, dass Nieten oder Bolzen durch die neue Gesamtlast überbeansprucht werden, ihnen nur die vorhandene Eigenlast zugewiesen werden sollte.

Die gleiche Bestimmung verlangt, dass, wenn Nieten oder Bolzen allein durch Eigenlast überbeansprucht werden oder einer zyklischen (Ermüdungs-)Belastung ausgesetzt sind, ausreichend Grundmetall und Schweißnähte hinzugefügt werden müssen, um die Gesamtlast zu tragen.

Eine Lastverteilung zwischen mechanischen Befestigungselementen und Schweißnähten ist zulässig, wenn die Struktur vorbelastet ist; mit anderen Worten, wenn bereits ein Schlupf zwischen den verbundenen Elementen aufgetreten ist. Dem mechanischen Verbindungselement kann jedoch nur die Eigenlast zugeordnet werden. Verkehrslasten, die zu stärkerem Schlupf führen können, müssen durch die Verwendung von Schweißnähten aufgenommen werden, die die gesamte Last tragen können.

Es müssen Schweißnähte zur Aufnahme der gesamten aufgebrachten bzw. Nutzlast verwendet werden. Eine Lastverteilung ist nicht zulässig, wenn die mechanischen Verbindungselemente bereits überlastet sind. Bei zyklischer Belastung ist keine Lastverteilung zulässig, da die Belastung zu anhaltendem Schlupf und einer Überlastung der Schweißnähte führen kann.

Eine Illustration. Stellen Sie sich eine Überlappungsverbindung vor, die ursprünglich mit festsitzenden Schrauben verbunden war (sieheFigur 2 ). Der Struktur wird zusätzliche Kapazität hinzugefügt, und die Verbindung und die daran befestigten Elemente müssen erhöht werden, um die doppelte Festigkeit zu erreichen.Figur 3 veranschaulicht den grundsätzlichen Plan zur Stärkung der Mitglieder. Was ist mit der Verbindung zu tun?

Da der neue Stahl durch Kehlnähte mit dem alten verbunden werden soll, beschließt der Ingenieur, der Verbindung einige Kehlnähte hinzuzufügen. Da die Schrauben noch vorhanden sind, besteht die ursprüngliche Idee darin, nur die Schweißnähte hinzuzufügen, die zur Übertragung der zusätzlichen Kapazität des neuen Stahls erforderlich sind, wobei erwartet wird, dass 50 Prozent der Last durch die Schrauben und 50 Prozent durch die neuen Schweißnähte gehen. Wird das akzeptabel sein?

Gehen Sie zunächst davon aus, dass derzeit keine Totlast auf die Verbindung wirkt. In diesem Fall gilt AWS D1.1, Absatz 2.6.3.

Bei dieser tragenden Verbindung können die Schweißnähte und Schrauben nicht als Lastverteilung betrachtet werden, daher muss die angegebene Schweißnahtgröße groß genug sein, um die gesamte Eigen- und Nutzlast zu tragen. Die Belastbarkeit der Schrauben kann in diesem Beispiel nicht berücksichtigt werden, da sich die Verbindung ohne die Eigenlast im entspannten Zustand befinden würde. Bei Volllast würden zunächst die Schweißnähte (die für die Übertragung der halben Last ausgelegt sind) brechen. Dann würden die Bolzen, die ebenfalls für die Übertragung der halben Last ausgelegt sind, versuchen, die Last zu übertragen, und dabei brechen.

Nehmen Sie als Nächstes an, dass eine Totlast angewendet wird. Gehen Sie weiterhin davon aus, dass die vorhandene Verbindung ausreicht, um die vorhandene Totlast zu übertragen. In diesem Fall gilt D1.1, Abschnitt 8.3.7. Die neuen Schweißnähte müssen nur die erhöhte Eigenlast und die gesamte Nutzlast tragen. Die vorhandene Eigenlast kann den vorhandenen mechanischen Verbindungselementen zugeordnet werden.

Bei der Totlast wird die Verbindung nicht entspannt. Stattdessen tragen die Schrauben bereits ihre Last. Es ist bereits ein Fehler in der Verbindung aufgetreten. Daher können Schweißnähte angebracht werden, die die Nutzlast übertragen können.

Beantwortung der Frage „Ist das akzeptabel?“ hängt von den Ladebedingungen ab. Im ersten Fall, in dem keine Totlast angenommen wurde, lautet die Antwort „Nein“. Unter den spezifischen Bedingungen des zweiten Szenarios lautet die Antwort „Ja“.

Daraus kann nicht geschlossen werden, dass die Antwort immer „Ja“ lautet, nur weil eine Totlast angewendet wird. Die Höhe der Eigenlast, die Eignung der bestehenden mechanischen Verbindung und die Art der Endbelastung – ob statisch oder zyklisch – könnten die Antwort ändern.

Duane K. Miller, Sc.D., PE, ist Leiter des Weld Technology Center bei The Lincoln Electric Company, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Website www.lincolnelectric.com. The Lincoln Electric Company produziert Schweißgeräte und Schweißzusätze weltweit. Die Ingenieure und Techniker des Weld Technology Center unterstützen Kunden bei Fragen zu Schweißanwendungen.

American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, Telefon 305-443-9353, Fax 305-443-7559, Website www.aws.org.

ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, Telefon 610-832-9585, Fax 610-832-9555, Website www.astm.org.

American Institute of Steel Construction, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, Telefon 312-670-2400, Fax 312-670-5403, Website www.aisc.org.