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Quando i membri dell'acciaio sono uniti utilizzando connessioni bulloni, l'interazione tra il bullone e il materiale della piastra circostante crea sollecitazioni di compressione localizzate note come stress del cuscinetto. Capire come queste sollecitazioni si sviluppano, come influiscono sul comportamento della connessione e come progettare correttamente la resistenza del cuscinetto è essenziale per gli ingegneri strutturali che lavorano con la costruzione dell'acciaio.

Questa guida completa esplora il ruolo critico della resistenza del cuscinetto nella progettazione di connessione in acciaio, esaminando i principi fondamentali, metodi di calcolo, modalità di guasto, considerazioni di progettazione e le migliori pratiche che garantiscono connessioni strutturali robuste e affidabili.

Che cosa è la resistenza cuscinetto in connessioni in acciaio?

La resistenza del cuscinetto è particolarmente critica per connessioni, giunzioni e punti di trasferimento del carico in cui vengono applicate le forze concentrate, determinando la capacità di carico di connessioni bulloni, rivettate o bloccate nelle strutture in acciaio.

Le sollecitazioni sviluppate quando due corpi elastici sono costretti insieme sono chiamati stress del cuscinetto, e sono localizzati sulla superficie del materiale e possono essere molto alti a causa delle piccole aree a contatto. In connessioni bullone, questo avviene quando il bullone porta contro la superficie interna del foro del bullone nelle piastre collegate.

Distribuzione di corde cuscinetto

Tuttavia, questo calcolo semplificato assume una distribuzione uniforme dello stress. In realtà, l'intensità dello stress del cuscinetto tra il rivetto e il foro non è costante ma varia da zero ai bordi ad un valore massimo direttamente nel retro del rivetto. Nonostante questa complessità, la pratica comune di assumere lo stress del cuscinetto per essere distribuito uniformemente sui risultati dell'area rivettata.

Lo stato di stress del cuscinetto può essere complicato dalla presenza di bullone o bordo vicini, e la distanza del bullone e del bordo avrà un effetto sulla resistenza del cuscinetto. Questa interazione tra i parametri geometrici e la capacità del cuscinetto è una considerazione critica nel dettaglio di connessione.

Materiale Comportatore sotto cuscinetti carichi

A livello microstrutturale, la resistenza del cuscinetto si manifesta attraverso la deformazione della plastica localizzata e la compattazione del materiale sotto la superficie di carico, dove le dislocazioni nella struttura di cristallo iniziano a muoversi e moltiplicarsi, creando piani di scivolamento e alla fine portando al flusso di plastica.

La resistenza del cuscinetto aumenta tipicamente con resistenza alla trazione ma con una diminuzione della velocità e gli acciai ultra-alti non possono mostrare aumenti proporzionali della resistenza del cuscinetto a causa della ridotta duttilità.

Tipi di connessioni a bullone e comportamento cuscinetto

La comprensione dei diversi tipi di connessioni bulloniate e il modo in cui le forze di cuscinetti si sviluppano in ogni configurazione è essenziale per un corretto disegno.

Connessioni con cuscinetti

Nei collegamenti a tipo cuscinetto, il carico viene inizialmente trasferito per attrito fino al verificarsi di scivolamento, dopo di che il foro del bullone e il lato del foro del bullone entrano in contatto diretto, le sollecitazioni del cuscinetto sono sviluppate sulle superfici di contatto, e come aumenta il carico applicato, le sollecitazioni di contatto aumentano fino a quando non si verifica un guasto del cuscinetto.

Due criteri di resistenza separati devono essere soddisfatti: (1) la forza di taglio del bullone stesso; e (2) la capacità di compressione degli elementi che si uniscono, come i bulloni "portare" sulla superficie interna dei fori del bullone.

Collegamenti a scorrimento-critico

Nei casi meno comuni in cui non è richiesto alcun slittamento — per esempio, nelle strutture soggette a ripetuti inversione di stress — i cosiddetti collegamenti scivolo-critici sono progettati sulla base della forza di bloccaggio che i bulloni posizionano sugli elementi in acciaio che sono uniti, in modo che l'attrito tra le superfici bloccate resiste alla tendenza dei bulloni a scivolare all'interno dei fori del bullone.

Sono per lo più richiesti in presenza di affaticamento con inversione del carico, fori oversize, fori scanalati (tranne quando il carico è normale alla fessura), e quando scivolare alla superficie faying sarebbe dannoso per le prestazioni della struttura.

Singola cinghia vs. Doppio taglio collegamenti

Quando il bullone è in doppia cinghia, due sezioni trasversali sono efficaci nella resistenza al carico, e il bullone in doppia cinghia avrà il doppio della forza di taglio di un bullone in una singola guaina. La configurazione della cinghia influisce anche sul comportamento del cuscinetto, poiché le considerazioni di distribuzione del carico e spessore della piastra differiscono tra le singole e doppie disposizioni di taglio.

Per i bulloni in una singola guaina, lo spessore del regolatore è lo spessore dell'elemento più sottile che si unisce, mentre per i bulloni in doppia cinghia, lo spessore rilevante è quello del pezzo medio, o gli spessori combinati dei due pezzi esterni (lato) che sono meno (supponendo che tutti gli elementi che sono uniti siano realizzati dallo stesso materiale).

Modalità di guasto in Connessioni cuscinetto

Le connessioni a bullone possono fallire in diverse modalità distinte, ognuna con caratteristiche e implicazioni diverse per il design. Riconoscere queste modalità di guasto e comprendere le condizioni che portano ad ogni tipo è fondamentale per creare connessioni sicure ed efficienti.

Insufficienza di cuscinetti delle piastre

Quando un bullone ordinario è sottoposto a forze di taglio, lo slip avviene e il bullone viene a contatto con le piastre, e la piastra può essere schiacciata, se il materiale della piastra è più debole del materiale del bullone. Questo tipo di guasto comporta una deformazione eccessiva e una eventuale schiacciatura del materiale della piastra intorno al foro del bullone.

Le sollecitazioni di compressione che si verificano tra il bullone e la piastra sono a causa di deformazioni eccessive sul bullone e sulla piastra, e per calcolare lo stress del cuscinetto tra il bullone e il bordo del foro, l'assunzione di distribuzione uniforme di stress su questa superficie è definita.

Inadempimento di bulloni

Il bullone è schiacciato intorno alla metà circonferenza, la piastra può essere forte nel cuscinetto e la piastra più pesante stressata può premere il gambo del bullone, anche se il guasto del cuscinetto dei bulloni generalmente non si verifica in pratica, tranne quando le piastre sono in acciaio ad alta resistenza e i bulloni sono di acciaio di grado molto basso.

Insegnare e cesoie fallimento

Il problema del cuscinetto può essere complicato dalla presenza di un bullone vicino o dalla prossimità di un bordo nella direzione del carico, la distanza del bullone e della distanza finale influenzerà la resistenza del cuscinetto, e una possibile modalità di guasto risultante da un eccessivo cuscinetto è strappo alla fine del membro collegato.

I campioni hanno mostrato tre modalità di guasto: trasversale netto; lacerazione; e guasti di divisione, dove distanza e distanza del bordo finale erano due parametri controllati che determinavano le modalità di fallimento.

Frattura della sezione netta

Due modalità principali di guasto sono state osservate nei test di connessione a bullone, vale a dire i guasti di tensione del cuscinetto e della sezione netta. La frattura della sezione netta si verifica quando l'area ridotta trasversale ai fori del bullone non può sostenere la forza di trazione applicata, portando alla frattura attraverso la sezione netta.

A causa di una riduzione dell'area netta (cioè, a causa di fori di bullone) della piastra lungo la linea del bullone, la resistenza alla trazione della piastra sarà minore del valore effettivo in questa sezione, e per questo motivo, la piastra potrebbe fallire sotto tensione, quindi, diventa importante calcolare l'area meno netta tra le diverse linee di bullone per trovare la resistenza meno trazione della piastra e controllarla per la sicurezza del carico applicato.

Blocco guasto della cinghia

Il membro può fallire a causa della frattura della tensione o della cesoia del blocco, e il guasto del cuscinetto della parte collegata/collegamento a causa del cuscinetto da fori del bullone.

Il caratteristico blocco di forza della cinghia Rn è calcolato in base agli stati limite di resa e rottura lungo la superficie o le superfici della cinghia e il limite di rottura si afferma lungo la superficie di trazione.

Standard di progettazione e Calcolazioni di resistenza del cuscinetto

La comprensione di questi requisiti di codice e dei loro principi fondamentali è essenziale per il design conforme e sicuro.

Specifiche AISC per la resistenza del cuscinetto

La forza di collegamento nel cuscinetto viene presa ai fori del bullone per la sezione J3.10 di AISC LRFD e la resistenza del cuscinetto del disegno al foro del bullone è φRn. La specifica AISC fornisce equazioni dettagliate per diversi tipi di foro e condizioni di carico.

La forza del cuscinetto di progettazione è per il carico di servizio quando la deformazione è una considerazione di progettazione (la deformazione del bordo del foro è limitata ad un massimo di 1⁄4"), e il bullone è anche in una connessione con fori standard, oversize e short-slotted indipendenti dalla direzione di carico, o un foro a lungo trafilato con lo slot parallelo alla direzione della forza del cuscinetto: Rn = 1.2LctFu ≤ 2.4dtFu.

La forza disponibile per un bullone nel cuscinetto, Rn/Ω = 1,5dbtFu, dove il fattore di sicurezza per il cuscinetto, Ω = 2.0. Queste equazioni rappresentano la distanza chiara tra i fori del bullone o al bordo della parte collegata.

Specifiche del materiale del bullone

Le denominazioni ASTM A325, F1852 e A-490, la nuova specifica ASTM F1852 si riferisce ai dispositivi di fissaggio spesso indicati come controllo della tensione, TC, twist-off o torque-and-snap, e i bulloni ad alta resistenza variano di diametro da 1⁄2 a 1 1⁄2 pollici.

Lo stress nominale della cinghia può essere assunto come 68 ksi per bulloni Gruppo A (A325) e 84 ksi per bulloni Gruppo B (A490): quando diviso per il fattore di sicurezza per la cinghia, Ω = 2.00, le sollecitazioni consentibili diventano 34 ksi per gruppo A e 42 ksi per bulloni Gruppo B.

Codici di progettazione internazionali

Il calcolatore supporta attualmente tre principali codici di progettazione: IS 800:2007 (standard indiano), AISC 360-16 (americano), e Eurocode 3 (EN 1993-1-8), e i calcoli si regolano automaticamente in base ai requisiti del codice selezionato e ai fattori di sicurezza.

Sebbene il comportamento meccanico dell'acciaio inossidabile e dell'acciaio al carbonio differisca significativamente, le disposizioni di progettazione per i collegamenti in acciaio inossidabile negli standard attuali sono essenzialmente basate sulle regole per l'acciaio al carbonio e per i collegamenti a bullone, le resistenze di progettazione nella norma EN 1993-1-4 e il manuale di progettazione SCI/Euro Inox per l'acciaio inossidabile strutturale si basano su quelle della norma EN 1993-1-8 e EN 1993-1-3 con solo alcune modifiche minori.

Fattori critici che affettano la forza cuscinetto

I fattori multipli influenzano la forza del cuscinetto delle connessioni in acciaio, e la comprensione dei loro effetti individuali e combinati è essenziale per ottimizzare la progettazione di connessione.

Proprietà dei materiali

Le proprietà materiali delle piastre connesse e dei bulloni influiscono in modo significativo sulla resistenza del cuscinetto. La resistenza massima della trazione (Fu) del materiale della piastra è un parametro primario nei calcoli di resistenza del cuscinetto. Per i collegamenti realizzati con diversi tipi di acciaio, la capacità del cuscinetto deve essere calcolata per ogni elemento, in base alle proprie proprietà di spessore e materiale, con la capacità più piccola che governa la progettazione di connessione per il cuscinetto.

Gli ingegneri limitano tipicamente le sollecitazioni del cuscinetto al 50-70% della resistenza del cuscinetto finale del materiale per tenere conto delle incertezze nel carico, della variabilità dei materiali e dei fattori ambientali, e questo approccio garantisce un margine sufficiente contro la deformazione localizzata.

I fattori di sicurezza per la resistenza dei cuscinetti variano per applicazione: 2.0-2.5 per applicazioni strutturali generali, 3.0-4.0 per connessioni critiche soggette a carico dinamico, e 1.5-2.0 per strutture temporanee con carichi ben definiti.

Distanza bordo e distanza di fine

Gli esperimenti e l'analisi numerica sono stati effettuati per indagare le connessioni a bullone di tipo cuscinetto con distanze finali e distanze di bordo che vanno da una volta il diametro del foro del bullone a due volte il diametro del foro del bullone, e i risultati hanno mostrato che la distanza finale e la distanza del bordo erano due parametri controllati che determinavano le modalità di guasto.

I codici di progettazione specificano distanze minime per prevenire questa modalità di guasto, ma le distanze ottimali spesso superano questi minimi per garantire il comportamento duttile e lo sviluppo della capacità di cuscinetto completo.

Spazzatura a bullone

La spaziatura tra bulloni influisce sulla distribuzione dello stress e sui potenziali percorsi di guasto nelle connessioni.La guasto della piastra può essere evitata fornendo un centro sufficiente per centrare le distanze tra i bulloni, come indicato nella sezione 10 dell'IS 800: 2007. La spaziatura dell'adeguato impedisce l'interazione tra i fori a bullone adiacenti e assicura che ogni bullone possa sviluppare la sua capacità di cuscinetto.

I requisiti minimi di spaziatura variano tipicamente da 2,67 a 3 volte il diametro del bullone, con una distanza preferibile di 3 volte il diametro che fornisce una distribuzione ottimale del carico e una tolleranza di fabbricazione.

Spessore del piatto

Lo spessore del piatto influisce direttamente sulla capacità del cuscinetto, poiché la resistenza del cuscinetto è proporzionale all'area del cuscinetto progettata (spessore del diametro del punto di forza della piastra). Le piastre dello spessore forniscono una maggiore area del cuscinetto e una capacità generalmente maggiore del cuscinetto, anche se altri modi di guasto possono governare in piastre molto spesse.

Per la riduzione della resistenza dei cuscinetti, è necessario modificare le disposizioni del coefficiente di cuscinetto per gli acciai sottili G550 e G300, e questa riduzione della resistenza dei cuscinetti è più legata allo spessore dell'acciaio rispetto al grado di acciaio (G550 vs. G300).

Tipo e dimensione del foro

Questi fori sono classificati come: i) Fori standard – 1/16 in. più grandi del diametro nominale del bullone ii) Fori sovradimensionati – non consentiti nelle connessioni a tipo cuscinetto iii) Fori a corto raggio – consentiti sia in tipo scivolo-critico che in tipo di cuscinetto. Il tipo di foro influisce sull'area del cuscinetto e sul potenziale di deformazione prima che venga stabilito il contatto completo.

I fori standard sono generalmente di 1/16 pollici più grandi del diametro nominale del bullone per i bulloni fino a 1 pollice di diametro, fornendo una adeguata tolleranza di fabbricazione, riducendo al minimo la riduzione dell'area della sezione netta.

Procedura di progettazione per la resistenza del cuscinetto

Un approccio sistematico alla progettazione della forza del cuscinetto assicura che tutti gli stati limite pertinenti siano considerati e che il collegamento esegue come previsto durante la sua vita di servizio.

Passo 1: Determinare le Forze di Design

Il primo passo nella progettazione di connessione è determinare le forze di progettazione fattorie che la connessione deve resistere, che devono tener conto di tutte le combinazioni di carico applicabili e dei fattori di carico specificati dal codice di progettazione di regolazione.

Passo 2: Selezionare dimensione del bullone e grado

La scelta del bullone comporta la scelta di un diametro appropriato e di un grado materiale che può resistere alle forze di taglio e di tensione applicate. Il diametro del bullone colpisce sia la capacità di taglio che l'area del cuscinetto, mentre il grado del bullone determina le proprietà di resistenza del materiale.

Passo 3: Calcola la capacità di taglio del bullone

La capacità di taglio dei bulloni deve essere calcolata considerando se i fili sono inclusi o esclusi dal piano di taglio.

Passo 4: Calcola la capacità di cuscinetto

Resistenza di cuscinetto di fori standard di bullone: Ω = 2.0 (cognorando la deformazione del foro del bullone a livello di carico di servizio) distanza del bordo, le = 0,84 in (chiaro) distanza a foro adiacente, lc = 2.19 in, e poiché la distanza del bordo è inferiore alla distanza adiacente al foro del bullone successivo, la distanza del bordo controllerà.

Il valore del bullone è il minimo della resistenza del cuscinetto di progettazione (Vdpb) e della resistenza del taglio del design (Vdsb) del bullone.

Passo 5: Controllare gli Stati limite della piastra

Gli stati limite di piastra multipli devono essere verificati, tra cui:

  • Le caratteristiche del parapetto: L'area lorda lungo il piano di taglio deve essere adeguata per evitare la resa
  • La rottura del orecchio: L'area netta (contando i fori del bullone) deve resistere alla frattura
  • Tensione che produce:[ L'area lorda perpendicolare al carico non deve cedere
  • rottura della tensione:[ L'area netta deve resistere alla frattura nella tensione
  • Bloccare la cinghia: Il percorso combinato di taglio e di guasto della tensione deve essere controllato

La forza di una connessione a bullone è il minimo del valore del bullone (progettazione della forza del bullone) e la resistenza alla trazione del disegno della piastra.

Passo 6: Verificare i requisiti geometrici

Tutti i requisiti geometrici specificati dal codice di progettazione devono essere verificati, comprese le distanze minime e massime dei bordi, le distanze finali e la spaziatura dei bulloni.

I punti di forza del design sono dati per distanze di bordo diverse (1,25 pollici e 2 pollici), Fu diverso (58 e 65 ksi), e diversi diametri del bullone (5/8 – 1-1/2 in.) Le tabelle di progettazione in manuali d'acciaio forniscono valori tabulati per configurazioni comuni, razionalizzando il processo di progettazione.

Considerazioni speciali nel disegno del cuscinetto

Alcune condizioni e applicazioni richiedono ulteriori considerazioni oltre i calcoli standard di resistenza dei cuscinetti.

Limiti di deformazione

In alcune applicazioni, la deformazione a carico di servizio può essere una considerazione di progettazione anche se la forza finale è adeguata. La deformazione di cuscinetti può portare ad un'allungamento eccessivo del foro, che interessa la facilità di manutenzione della struttura. I codici di progettazione possono specificare i limiti di deformazione, tipicamente intorno 1/4 pollici di allungamento del foro, che richiedono l'utilizzo di equazioni di forza cuscinetto più conservanti.

La resistenza dei cuscinetti dei collegamenti a bullone è stata determinata negli studi precedenti sia sulla base di un criterio di resistenza o di deformazione, che sulla base di una progettazione basata sulla forza e sulla deformazione dipende dalle specifiche esigenze di applicazione e di prestazione.

Collegamenti in acciaio ad alta resistenza

I collegamenti a bullone a forma di cuscinetto sono spesso utilizzati per i collegamenti della struttura in acciaio e sono tipicamente piccoli quando utilizzati per collegare gli acciai ad alta resistenza, tuttavia, gli studi sulla modalità di guasto e la capacità di cuscinetto finale di connessioni a bullone ad alta resistenza sono, per la nostra migliore conoscenza, limitata.

La resistenza del cuscinetto spesso contrasta con i requisiti di duttilità, e gli acciai ad alta resistenza offrono generalmente una resistenza superiore del cuscinetto, ma possono presentare una ridotta capacità di deformazione della plastica prima del fallimento, potenzialmente portando a modalità di guasto più improvvisi.

Connessione d'acciaio del foglio sottile

Gli acciai per lamiere miti (G300) hanno una maggiore capacità di deformazione rispetto agli acciai per lamiere G550 per la loro elevata duttilità, e un aumento della capacità di deformazione esterna può portare a lacrime che hanno origine non vicino al bordo del materiale accatastato di fronte al cuscinetto del bullone, ma più vicino al centro del foro del bullone originariamente posizionato.

Gli standard non possono essere utilizzati per prevedere con precisione la modalità di guasto delle connessioni a bullone in lamiera sottile caricate in shear, e in genere, la frattura della sezione netta viene predetto quando i risultati di prova rivelano che la distress del cuscinetto nell'acciaio del foglio è il modo di controllo del guasto.

Collegamenti in acciaio inossidabile

L'indagine ha dimostrato che il comportamento di deformazione dei collegamenti in acciaio inossidabile è un po' diverso da quello dei collegamenti in acciaio al carbonio, con l'acciaio inossidabile che presenta un forte indurimento, tuttavia, le posizioni di iniziazione frattura ottenuta dai modelli numerici corrispondono a quelle osservate durante gli studi sperimentali sia in acciaio al carbonio che in acciaio inox connessioni.

Il comportamento non lineare dello stress-strain dell'acciaio inossidabile, in particolare dei gradi austenitici, provoca un significativo indurimento dello sforzo che può aumentare la capacità del cuscinetto oltre la resa iniziale.

Errori di progettazione comune e come evitare di loro

Comprendere le trappole comuni nel design della forza del cuscinetto aiuta gli ingegneri ad evitare errori costosi e garantire connessioni sicure ed efficienti.

Distanza bordo insufficiente

Uno degli errori più comuni è fornire una distanza di bordo insufficiente, che può portare a guasto di rottura prematuro. Mentre le distanze minime di bordo sono specificate nei codici, utilizzando distanze vicino al minimo può causare una ridotta capacità di cuscinetto e modalità di guasto fragili.

Trascurare la compatibilità dei materiali

L'utilizzo di bulloni di grado superiore rispetto al necessario può essere spreco e può causare il fallimento delle piastre prima dei bulloni (mancanza di avanzamento). La connessione deve essere progettata in modo che tutti i componenti funzionino in modo efficiente, con rapporti di utilizzo simili per diversi stati di limite.

Numero eccessivo di elementi di fissaggio

I componenti di connessione dovrebbero fallire in modo duttile e prevedibile, e l'aggiunta di troppi elementi di fissaggio può indebolire le piastre a causa di una ridotta area di sezione netta, quindi c'è un numero ottimale basato sulla distribuzione e sulla geometria del carico.

Ignorando la distribuzione del carico

Assumendo la distribuzione di carico uguale tra tutti i bulloni non può essere accurata in tutti i casi, in particolare nelle connessioni lunghe o connessioni con carico eccentrico.

Argomenti avanzati nell'analisi della resistenza del cuscinetto

Per connessioni complesse o applicazioni speciali, i metodi di analisi avanzate possono essere necessari per prevedere con precisione il comportamento dei cuscinetti e le prestazioni di connessione.

Analisi degli elementi finiti delle connessioni cuscinetto

Questo documento presenta uno studio sperimentale e numerico per indagare la resistenza del cuscinetto e i modi di guasto delle connessioni a singolo bullone, e poi un metodo di modellazione FE considerando le proprietà materiali traslicio e taglio sulle regioni corrispondenti è proposto per esplorare il comportamento del cuscinetto delle connessioni a singolo-bolt.

La resistenza del cuscinetto superiore al 12% e la modalità di guasto errata si otterrebbe utilizzando il metodo di modellazione FE convenzionale per i collegamenti imbutiti sotto la copertura stress dominato a causa del comportamento della guaina in acciaio.

Effetti di indurimento dello strain

L'indurimento dei ceppi materiali può influenzare significativamente la capacità del cuscinetto, in particolare nei materiali duttili che subiscono una sostanziale deformazione plastica prima del fallimento. I metodi di analisi avanzati possono tenere conto dell'indurimento delle tensioni utilizzando modelli di materiale non lineare che rappresentano la curva di sforzo-strain completa, compresa la regione di indurimento dello sforzo.

Nella simulazione numerica dei modelli, il comportamento materiale non lineare dello stress-strain dell'acciaio inossidabile è stato considerato utilizzando espressioni che rappresentano la gamma completa di ceppi fino alla tensione massima trazione.

Meccanica di frattura Approcci

Il criterio di frattura è incorporato nei modelli FE per indagare il rapporto tra la resistenza del cuscinetto e la modalità di guasto delle connessioni bullonate. Gli approcci basati sulla meccanica di frattura possono prevedere l'avvio e la propagazione delle crepe nei collegamenti dei cuscinetti, fornendo informazioni sui meccanismi di guasto e la capacità finale.

La tensione di plastica del picco nel materiale della piastra di fronte al bullone raggiunge la frattura localizzata del materiale, si verifica la frattura e si dice che il carico massimo sia stato raggiunto.

Esempi di progettazione pratici

Lavorare attraverso esempi pratici aiuta a consolidare la comprensione dei calcoli di resistenza dei cuscinetti e delle procedure di progettazione.

Esempio: Semplice connessione alla cinghia

I collegamenti tra le sezioni a forma di I sono alcuni dei collegamenti più comuni nella progettazione dell'acciaio, e per aiutare a capire i controlli di progettazione richiesti in conformità con AISC 360, questo articolo utilizzerà un esempio di progettazione per spiegarli.

Il processo di progettazione prevede la selezione di un numero e dimensioni appropriati di bulloni, la determinazione dello spessore della piastra richiesta e la verifica di tutti gli stati di limite. Prova quattro file di bulloni, 1/4-in. spessore della piastra e 3/16-in. dimensione della saldatura del filetto.

Esempio: Connessione di giunzione di tensione

I collegamenti a giunzione a tensione richiedono un'attenta considerazione della capacità della sezione netta oltre al cuscinetto e alla cesoia. La connessione deve sviluppare la piena capacità del membro della tensione mantenendo adeguati margini di sicurezza per tutti gli stati di limite.

Calcola il valore del bullone di un bullone di diametro di 20mm del grado 4.6 per unire le piastre principali di 12mm di spessore sotto i seguenti casi. Assume Fe410 per tutte le piastre. Il calcolo del valore del bullone considera sia la tosaia che il cuscinetto, con il minimo che regola il disegno.

Controllo e ispezione della qualità

Il corretto controllo della qualità durante la fabbricazione e l'erezione è essenziale per garantire che le connessioni eseguono come progettato.

Preparazione del foro

I fori di foratura devono essere forati o perforati alle dimensioni specificate con bordi puliti e lisci. I fori perforati possono richiedere il riaming se lo spessore del materiale supera determinati limiti o se la qualità del foro è insufficiente. I fori danneggiati o sovradimensionati possono ridurre la capacità del cuscinetto e devono essere riparati o la connessione ridisegnata.

Installazione del bullone

L'installazione corretta dei bulloni è fondamentale per le prestazioni di connessione. I bulloni ad alta resistenza devono essere serrati alla pretensione specificata utilizzando chiavi calibrate o altri metodi approvati. I bulloni a tenuta stagna non possono sviluppare un attrito adeguato nelle connessioni a scorrimento critico, mentre i bulloni sovradimensionati possono essere sovraffollati o danneggiare il materiale collegato.

Requisiti di ispezione

Per connessioni critiche, un'ispezione più dettagliata, tra cui test ultrasonici o altri metodi non distruttivi, può essere specificata per la documentazione dell'installazione dei bulloni, inclusa la verifica della pretensione, dovrebbe essere mantenuta per l'assicurazione qualità.

Tendenze e direzioni di ricerca

La ricerca continua a perfezionare la nostra comprensione del comportamento dei cuscinetti e migliorare i metodi di progettazione per le connessioni in acciaio.

Materiali avanzati

Lo sviluppo di nuovi acciai ad alta resistenza e ad alte prestazioni richiede disposizioni di resistenza dei cuscinetti aggiornate. Le decisioni di selezione dei materiali spesso bilanciano la resistenza dei cuscinetti contro la fabbricazione e i costi, e mentre gli acciai ad alta resistenza offrono una migliore resistenza ai cuscinetti, possono presentare sfide nella formazione dei fori e possono essere più sensibili.

Design basato sulle prestazioni

Gli approcci di progettazione basati sulle prestazioni che considerano la gamma completa di comportamenti di connessione, dal caricamento iniziale alla capacità finale e alla risposta post-peak, stanno diventando più comuni, contribuendo a progetti più efficienti che soddisfano meglio i requisiti reali di prestazione della struttura.

Strumenti e automazione digitali

Lo strumento di connessione in acciaio di Structural Central è un software di ingegneria strutturale che consente di generare rapidamente i calcoli necessari per determinare la forza di una connessione in acciaio, e i calcoli valutano ciascuno dei possibili stati limite per il fascio copto, bulloni, saldature, angoli, piastre, traverse e/o colonna al fine di determinare quale modalità di guasto controllerà la capacità di carico del progetto.

L'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale sono stati esplorati per l'ottimizzazione della progettazione di connessione e la previsione di guasto, potenzialmente portando a connessioni più efficienti e affidabili in futuro.

Conclusioni

La resistenza al cuscinetto è una considerazione critica nel design della connessione in acciaio che influisce direttamente sulla sicurezza, le prestazioni e l'economia delle strutture in acciaio.

La corretta progettazione dei cuscinetti richiede la considerazione di molteplici fattori, tra cui proprietà materiali, parametri geometrici, condizioni di carico e standard di progettazione applicabili.

Poiché i materiali e i metodi di costruzione continuano ad evolversi, la ricerca e lo sviluppo in corso delle disposizioni di progettazione garantiscono che i calcoli di resistenza dei cuscinetti rimangano accurati e applicabili alle moderne pratiche costruttive. L'integrazione di metodi di analisi avanzati e strumenti digitali migliora ulteriormente la nostra capacità di progettare connessioni ottimizzate che soddisfino le esigenze esigenti delle strutture contemporanee.

Per ulteriori risorse sul progetto di connessione in acciaio, gli ingegneri possono fare riferimento al [American Institute of Steel Construction (AISC)] per guide e specifiche di progettazione complete, il Steel Construction Institute] per le pubblicazioni di orientamento tecnico e di ricerca, e BG Structural Engineering per le risorse di progettazione pratiche e le informazioni pratiche.