การต่อด้วยหมุดย้ำและสลักเกลียว – แท่งที่รับแรงดึงและแรงอัด

รอยต่อ เรียกความเชื่อมโยงที่ใช้สำหรับการต่อยืดหรือเพิ่มความยาว รอยต่อ เช่น จำเป็นเมื่อความยาวหรือความกว้างของแผ่นโลหะรีดที่มีอยู่ไม่เพียงพอ ในงานประกอบจำเป็นเพื่อจำกัดขนาดและน้ำหนักของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นที่ขนส่ง แผ่นประกับ เรียกแผ่นที่ปิดทับบริเวณที่รอยต่อขาดตอน ความเชื่อมโยงอื่นทั้งหมด โดยเฉพาะที่อยู่ระหว่างแท่งของโครงถักในทิศทางต่าง ๆ และคานรับในระนาบต่าง ๆ เรียกว่า จุดต่อ

สำหรับรอยต่อทั่วไป จะกำหนดขนาดแผ่นประกับและหมุดย้ำของรอยต่อจากแรงเต็ม ดังนั้นในรอยต่อปกติจึงไม่จำเป็นที่พื้นผิวรอยต่อจะต้องสัมผัสกัน

ขอบเขตหลักของการใช้งานแท่งดึงและแท่งอัด (ซึ่งเป็นแท่งตรงที่รับแรงส่วนใหญ่เป็นแรงปกติ) คือ โครงถัก การพิจารณาในตอนนี้ละเลยอันตรายจากการโก่งเดาะของแท่งอัด ก่อนอื่นจะพิจารณาความแข็งแรงสถิต

การหักน้ำหนักรูในแท่งรับแรงดึง

กำลังรับน้ำหนัก: สภาวะความเค้นในแท่งรับแรงดึงมีการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่อย่างมากเนื่องจากรู/ช่องเปิด ในบริเวณที่เป็นสัดส่วน การกระจายความเค้นสอดคล้องกับหน้าตัดที่อ่อนลง (รูป 1) ความเค้นตามยาวสูงสุดในแท่งรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าตาม A. Henning คือ:

maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]

รูป 1 - ความเค้นตามยาวและตามขวางในแท่งเจาะรู a) ตาม A. Henning; b) ตาม M. Rudeloff

ในกรณีขีดจำกัด d/b = 0 สำหรับแผ่นซี่ที่กว้างมาก จะได้ maxσ = 3σm และสำหรับกรณีที่แสดงในรูป 1a d/b = 1/3 จะได้ maxσ = 2,42 σm นอกจากความเค้นตามแนวยาวแล้ว ยังมีความเค้นตามขวางและความเค้นเฉือนอีกด้วย ความเค้นสูงสุดอยู่ที่ผิวรอบรู ที่นั่นการเปลี่ยนรูปถาวรครั้งแรกจะเกิดขึ้น กล่าวคือ ยอดความเค้นจะสลายตัวและเกิด การทำให้ความเค้นเท่ากัน ทั่วหน้าตัด การเปลี่ยนรูปถาวรที่สังเกตได้ในบริเวณรูจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อความเค้นเฉลี่ย σm ในหน้าตัดที่อ่อนกำลังลงเกินขีดจำกัดคราก σFO การยืดตัวรวมของแท่งที่ SF = Fm * σF จะมากกว่าแท่งที่ไม่มีรูเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (Fm คือพื้นที่หน้าตัดที่อ่อนที่สุด)

ในการทดสอบแรงดึงด้วยแท่งที่ยึดด้วยหมุดย้ำ การแตกหักจะเกิดขึ้นเสมอในหน้าตัดที่อ่อนแอ ภาระขณะวิบัติ ภายใต้สภาวะปกติ คำนวณได้ค่อนข้างแม่นยำจาก SB = Fn * σB. การทดสอบการฉีกขาดบนแท่งที่รับแรงดึงซึ่งมีรูเปิด แสดง ลักษณะการแตกหัก ดังในรูป 2.

รูป 2 - ภาพการวิบัติของแท่งที่รับแรงดึง

จากการทดลองกับรอยต่อย้ำหมุด แสดงให้เห็นว่าชิ้นต่อที่มีหมุดย้ำเรียงเพียงหนึ่งแถวมีความต้านทานน้อยกว่าชิ้นต่อที่มีหมุดย้ำหลายแถวเรียงต่อกัน ดังนั้นค่าความเค้นเฉลี่ยขณะขาด σB ในหน้าตัดใช้งานจึงได้เท่ากับ:

วิธีการออกแบบสำหรับแท่งรับแรงดึง: ตามวิธีคำนวณที่ใช้กันทั่วไป ต้องเป็นไปตาม σm = S/Fm ≤ dozσ สำหรับความเค้นดึงเฉลี่ย และใช้กับทุกหน้าตัดที่เป็นตัวกำหนด Fm การหักลบรูจะกำหนดสำหรับหน้าตัดตั้งฉากที่มีจำนวนรูมากที่สุด และอาจเกิดขึ้นได้ว่าหน้าตัดหักที่มีรูหลายรูให้ค่า Fm น้อยกว่า (รูป 2) ในความหมายนี้ สำหรับหน้าตัดรีด Fm คำนวณโดยการคลี่แผ่ออก สำหรับหน้าตัดประกอบก็ใช้หลักการเดียวกัน

อัตราส่วน Fm/F โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0,8 และ 0,9 กล่าวคือ ส่วนที่หักลบจากรู ΔF = F – Fm มีค่าเป็น 10% ถึง 20% ของพื้นที่หน้าตัดทั้งหมด F ของแท่ง ในโครงสร้างขนาดใหญ่ ΔF ส่งผลต่อ น้ำหนักอย่างมาก ดังนั้นจึงคุ้มค่าที่จะหาหน้าตัดที่มีส่วนหักลบจากรูน้อยกว่า

การเปลี่ยนรูป: การยืดตัวเชิงยืดหยุ่นของแท่งรับแรงดึงที่มีรูแทบจะมากกว่าแท่งที่ไม่มีรูในลักษณะใกล้เคียงกันเพียงเล็กน้อย การยืดตัวรวมของรอยต่อเกือบเท่ากับของแผ่นต่อที่ต่อกัน ดังนั้น สำหรับการคำนวณการเปลี่ยนรูปของโครงสร้างเหล็ก จึงเพียงพอที่จะกำหนดการยืดตัวเชิงยืดหยุ่นโดยใช้ค่า E และ F ของแท่งที่ไม่ถูกทำให้อ่อนกำลัง ความปลอดภัยต่อการครากของแท่งที่มีการลดทอนกำลังสูงกว่าตัวอย่างเช่นแท่งรับแรงอัด

การกระจายแรงในหมุดย้ำ

รูปที่. 3

การกระจายของแรง S ในแท่งไปยังหมุดย้ำแต่ละตัวของข้อต่อขึ้นอยู่กับคุณสมบัติความยืดหยุ่นของมัน และเป็นแบบ “กำหนดไม่ได้ทางสถิติ” ในกรณีของรูป 3 การกระจาย N1, N2, … ขึ้นอยู่กับการเสียรูปของหมุดย้ำและแผ่นโลหะที่เชื่อมต่อกัน และจะเปลี่ยนไปตามอัตราส่วน Fpodvezice/Fštapa สำหรับ Fpodvezice ≠ Fštapa แรงปลายสุดในหมุดย้ำจะไม่เท่ากันอีกต่อไป (รูป 50a) เมื่ออัตราส่วน Fpodvezice/Fštapa ลดลง Nn จะยิ่งน้อยลง N1 จะเข้าใกล้ S การเชื่อมแผ่นที่มีความหนาต่างกันมาก (รูป 4b) ไม่เหมาะสม เนื่องจากหมุดย้ำตัวแรกจะรับโหลดมากเกินไป

รูป 4 - การรับแรงของหมุดยึดสำหรับ Fštap > Fpodvezice

แผ่นไม้และเหล็กรัดแข็ง, มีเพียงหมุดย้ำที่ยืดหยุ่น (รูป 5a) จากนั้นหมุดย้ำทั้งหมดจะได้รับการดัดงอเท่ากัน แรงทั้งหมดในหมุดย้ำจึงต้องเท่ากัน

หมุดยึดแข็ง มีเพียงแผ่นประกบและชิ้นยึดที่ยืดหยุ่น (รูป 5b) เนื่องจากการยืดตัวในแท่งและชิ้นยึดระหว่างหมุดยึดตัวแรกและตัวสุดท้ายต้องเท่ากัน จึงได้ว่า N2 = N3 = … = Nn-1 = 0 ยกเว้น N1 = S * x1

รูปที่. 5

การกระจายของแรงจริงอยู่ระหว่างกรณีขีดจำกัดเหล่านี้ เมื่อโหลดเพิ่มขึ้น จะเกิดการเสียรูปถาวรที่หมุดย้ำปลายสุดก่อน จากนั้นหมุดย้ำที่รับแรงมากที่สุดจะถูกปลดภาระ และการกระจายแรงจะสม่ำเสมอมากขึ้นเรื่อยๆ หลังจากเกิดการเสียรูปมากขึ้น การกระจายแรงจะเข้าใกล้กรณีที่แผ่นและแถบรัดมีความแข็ง กล่าวคือ แรงในหมุดย้ำจะเกือบเท่ากันทั้งหมด ในกรณีที่การเฉือนของหมุดย้ำเป็นปัจจัยกำหนด

กำลังวิบัติ: วิธีการยึดหมุดย้ำแทบไม่มีผลต่อ τBV ค่ากำลังเฉือน τBV ของรอยต่อแทบไม่ขึ้นกับจำนวนหมุดย้ำ การจัดวาง รูปร่างของรอยต่อหมุดย้ำ กำลังวิบัติสอดคล้องได้ดีโดยประมาณกับการรับแรงสม่ำเสมอของหมุดย้ำทุกตัว ข้อความเดียวกันนี้ใช้ได้เช่นกันกับรอยต่อแบบสลักเกลียวธรรมดา ซึ่งสรุปได้ว่าความต้านทานต่อการลื่นไถลไม่มีอิทธิพลสำคัญต่อกำลังรับน้ำหนัก

การกำหนดขนาด: สำหรับโครงสร้างเหล็กและแท่งที่รับแรงแบบศูนย์กลาง คำนวณโดยการกระจายสม่ำเสมอ กล่าวคือในแต่ละหมุดย้ำ N = S/n เนื่องจากในกรณีของช่วงต่อที่ยาว หมุดย้ำตัวแรกจะรับเกินกำลังตั้งแต่เนิ่นๆ จึงควรหลีกเลี่ยงการใช้หมุดย้ำมากกว่า 6 ตัวเรียงต่อกันถ้าเป็นไปได้

ความต้านทานต่อการลื่นไถล: การลื่นในรอยต่อเกิดขึ้นได้แม้ภายใต้แรงกระทำค่อนข้างน้อย ความต้านทานต่อการลื่นไถลขึ้นอยู่เป็นอันดับแรกกับแรงดึงรัด ซึ่งเปลี่ยนแปลงได้จากอิทธิพลหลายประการ ทั้งนี้มักละเลยในการกำหนดขนาดของรอยต่อแบบหมุดย้ำและแบบสลักเกลียวที่ใช้กันทั่วไปจนถึงปัจจุบัน มีการชี้ไปที่รอยต่อด้วยสลักเกลียวคุณภาพสูง

การกระจายแรงในหมุดย้ำตามความกว้าง: เมื่อระยะห่างของหมุดย้ำเท่ากันและตั้งฉากกับทิศทางของแรง (รูป 6a) หมุดย้ำแต่ละตัวจะรับแถบหน้าตัดที่มีความกว้างเท่ากัน ดังนั้นในการประมาณลำดับแรก แรงในหมุดย้ำ N = a t σ จึงมีค่าเท่ากัน การกระจายเมื่อระยะห่างของหมุดย้ำไม่เท่ากันเป็นปัญหาที่กำหนดไม่ได้ทางสถิต; สำหรับกรณีในรูป 6b จะเป็นไปตามกฎคานงัด

รูปที่. 6

แท่งดึง

ต่อเนื่อง: การต่อเนื่องด้วยเหล็กยึดแบบสมมาตร (รูป 3 และ 4). แรง S ในแท่ง ณ จุดต่อจะต้องรับโดยเหล็กยึดเท่านั้น รอยหมุดย้ำในช่วงต่อก็ควรออกแบบตาม S เช่นกัน เพราะต้องถ่ายแรงทั้งหมดจากแท่งที่ต่อไปยังเหล็กยึด

รอยต่อที่มีแผ่นปิดด้านเดียวจะมีความเค้นดัดเพิ่มเติมอย่างมากในแผ่นที่เชื่อมต่อ แผ่นปิด และหมุดย้ำ การปิดรอยต่อด้านเดียวเนื่องจากการเสียรูปมากจึงใช้เฉพาะเมื่อ (รูป 7) แท่งมีความแข็งต่อการดัด หรือเมื่อถูกยึดด้านข้างจนไม่สามารถดัดได้

รูปที่. 7

การต่อแบบอ้อม – เมื่อแถบรัดไม่สามารถวางแนบชิดกับแผ่นที่ต่อกันได้ หมุดย้ำและแผ่นโลหะจะเกิดความเค้นดัดสูงขึ้นอย่างมาก ดังนั้นตามจำนวนชั้นกลาง m จึงเลือกจำนวนหมุดย้ำ n’ ที่มากกว่าจำนวน n ในกรณีที่มีการครอบรอยต่อโดยตรง

สล. 8

สำหรับหน้าตัดประกอบ จะจัดวางเหล็กรัดให้หลีกเลี่ยงการเพิ่มขึ้นเฉพาะที่ของความเค้น ดังนั้นพื้นที่หน้าตัดของเหล็กรัดแต่ละส่วนจึงกำหนดตามพื้นที่ของส่วนหน้าตัดที่มันครอบคลุม โดยพยายามรักษาตำแหน่งจุดศูนย์ถ่วงไว้ การกระจายพื้นที่ของเหล็กรัดที่เบี่ยงเบนจากนี้จะเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของการกระจายความเค้น รูป 9 แสดงการต่อขยายของแท่งแบบผนังเดี่ยว รูป 10 ของแท่งสองชิ้นพร้อมแผ่นตั้งฉาก 4 แผ่น และแผ่นประกบหนึ่งชิ้นระหว่างเหล็กฉาก

รูป 9

รูปที่. 10

การต่อเชื่อม: สำหรับการต่อแท่งที่รับแรงดึง ความสัมพันธ์พื้นฐานจะเหมือนกับการต่อยาวต่อเนื่องเช่นเดียวกัน การทดลองแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบอย่างมากของการถ่ายแรงแบบสมมาตร ในกรณีการต่อด้านเดียว จะเกิดการดัดงอมากทั้งในแนวยาวและแนวขวาง (รูป 11). แม้จะมีความเค้นดัดเพิ่มเติมอย่างมาก แท่ง L และ C ที่ต่อด้านเดียวก็ยังสามารถใช้งานได้เกือบเต็มกำลังรับแรง กำลังรับน้ำหนักของรอยต่อหนึ่งจุดอาจลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง หากไม่ได้ดำเนินมาตรการเพื่อปรับให้โมเมนต์ดัดเพิ่มเติมสมดุลกัน

รูปที่. 11

สำหรับการปิดรอยต่อ ไม่ควรใช้แผ่นจุดต่อ จึงต้องจัดเตรียมแผ่นปิดพิเศษไว้ การต่อเข้ากับแผ่นจุดต่อทำได้ง่ายขึ้นเมื่อพื้นที่ส่วนใหญ่ของหน้าตัดแท่งอยู่ในระนาบของแผ่นจุดต่อ

รูป 12 - จุดต่อแบบมีและไม่มีฉากต่อ

แท่งรับแรงอัด

หลักการเดียวกันใช้กับการต่อและการเชื่อมต่อของแท่งรับแรงอัด เช่นเดียวกับแท่งรับแรงดึง และในกรณีของมัน แรงรวมจะถ่ายผ่านหมุดย้ำและแผ่นรัด กล่าวคือ เมื่ออ้างอิงตามพื้นที่เต็ม F ของแท่ง จะกำหนดขนาด F ของแผ่นรัดและ Fs หรือ Fl ตามลำดับ โดยทั่วไป พื้นที่รอยต่อจะไม่ถูกเข้ารูปพอดีกัน ในโครงสร้างเหล็กงานอาคาร สำหรับเสาที่พาดผ่านหลายชั้นและรับแรงอัดเท่านั้น จะใช้วิธีผ่านต่อด้วยการซ้อนทับรอยต่อที่น้อยกว่า กำลังรับน้ำหนักของแท่งรับแรงอัดจะหมดลง หากไม่มีกรณีไม่เสถียรเกิดขึ้นก่อนหน้านั้น อย่างช้าสุดเมื่อถึงขีดจำกัดคราก เพราะจะเกิดการเปลี่ยนรูปมากและแท่งจะโก่งด้านข้าง รูที่เติมด้วยหมุดย้ำไม่มีผลที่ตรวจพบได้ต่อพฤติกรรมของแท่ง

ความแข็งแรงทนความล้าของรอยต่อหมุดย้ำ

สำหรับความทนทานต่อความล้าของรอยต่อหมุดย้ำ ปัจจัยสำคัญอันดับแรกคือจุดยอดความเค้นที่เกิดขึ้นบริเวณรู ความทนทานต่อความล้าจะลดลงอย่างมากเพียงเพราะตัวรูเองแล้ว แท่งที่มีรูเปิดจะขาดในการทดสอบความล้าภายใต้แรงดึงที่หน้าตัดอ่อนกำลัง และการแตกหักจากความล้าเริ่มจากรอยร้าวที่ขอบรู ซึ่งขยายลึกเข้าไปในหน้าตัดอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นรูที่เรียบจึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ ในรูป 13 แสดงความทนทานต่อความล้าของแท่งแบนในหลายระดับชั้น (ด้านขวาเป็นชั้นเหล็กที่สูงกว่า) เมื่อมีการรับน้ำหนักก่อนหน้ามากขึ้น σu วัสดุทั้งสองชนิดจะทนต่อความทนทานต่อความล้า σDz เหนือขีดจำกัดคราก แอมพลิจูดของความเค้นสำหรับทั้งสองชั้นมีค่าใกล้เคียงกัน

รูป 13 - ความแข็งแรงต่อความล้า σDz

สำหรับการรับแรงสลับดึงและอัดของรอยต่อหมุดย้ำ โดยหลักแล้วใช้ความสัมพันธ์คล้ายกับกรณีรับแรงทางเดียว ควรสังเกตว่าความแอมพลิจูดของความเค้นภายใต้แรงสลับมีค่ามากกว่าประมาณ 1,5 เท่า (รูป 14) แต่หมุดย้ำภายใต้การรับแรงลักษณะนี้มีความเสี่ยงสูงกว่าภายใต้การรับแรงทางเดียวอย่างเห็นได้ชัด

รูปที่ 14 - ความแข็งแรงล้าต่อแรงดึงของรอยต่อหมุดย้ำ