Как заклепка способствует структурной целостности исторических стальных каркасов

Ривтинг выступает как один из наиболее значительных методов механического соединения в истории гражданского и структурного проектирования.В течение конца 19-го и начала 20-го веков клепаные соединения были стандартом для сборки стальных рам в мостах, небоскребах, башнях и промышленных зданиях.Техника обеспечивала уровень надежности и долговечности, что позволило инженерам возводить некоторые из самых знаковых конструкций, все еще стоящих сегодня.В то время как современная сварка и высокопрочный болт в значительной степени заменили клепку в новом строительстве, понимание того, как клепка способствует структурной целостности, имеет важное значение для инженеров, защитников и историков, работающих с историческими стальными рамами.

Роль клепки выходит далеко за рамки простого удержания кусков стали вместе. При правильном выполнении клепательный сустав распределяет нагрузки, приспосабливается к тепловым движениям и сопротивляется усталости способами, отличными от сварных или болтовых соединений. В этой статье рассматриваются металлургические и механические принципы, лежащие в основе клепаных соединений, исследуется их поведение под нагрузкой и выделяются ключевые исторические структуры, которые демонстрируют их прочную прочность.

Процесс заклепки: инструменты и методы

Клепка в конструкцию из конструкционной стали была трудоемкой, высококвалифицированной операцией. Процесс обычно включал три различных этапа: нагрев, вставку и формирование головки. Каждый этап был критическим для конечного качества сустава.

Отопление и обработка

Стальные заклепки нагревались в портативной кузнице или печи до температуры от 900°C до 1000°C (1650°F-1830°F), при которой металл становился ярко-оранжево-красным и высокопластичным. Тепло служило двум целям: оно смягчало заклепку, чтобы она могла деформироваться без трещин, и это позволило заклепке сжиматься при охлаждении, зажимая соединенные пластины с огромной силой. Горячая заклепка быстро переносилась в отверстие с помощью щипцов с длинными ручками - задача, выполняемая «подогревателем» или «прохожим заклепки» в скоординированной команде.

Вставка и выскакивание

После того, как горячая заклепка была помещена в выровненные отверстия стальных элементов, «держатель» использовал тяжелый кувалда или пневматический инструмент (в более поздних эпохах), чтобы поддержать голову заклепки, в то время как «заклеп» на противоположной стороне сформировал вторую голову, забивая выступающий шанк. Давление создало плотную посадку помех, которая при охлаждении и сжатии генерировала мощную силу зажима по всему суставу. Это зажимное действие дало заклепанным соединениям их замечательное сопротивление сдвига и скольжения.

Охлаждение и усыхание

По мере охлаждения заклепки от раскаленной до температуры окружающей среды она уменьшалась в длину. Поскольку стальные пластины не позволяли заклепке свободно сжиматься, заклепка подвергалась растягивающему напряжению, фактически становясь высокопрочным натяжным крепежом. Эта предударная нагрузка сжимала пластины вместе, создавая трение между подкладывающимися поверхностями. Получающаяся сила трения была ключевым фактором в способности соединения противостоять скольжению и перегрузке. Напротив, болт с рыхлой подгонкой или сварной шов без предварительной нагрузки полагается исключительно на подшипник или прочность сварного металла для переноса сдвига, что делает тепловое сжатие заклепки уникальным преимуществом.

Металлургия из клепки

Сталь, используемая для конструкционных заклепок, была тщательно указана. Типичные материалы включали низкоуглеродистые стали (например, ASTM A502 класса 1 или аналогичные), которые обеспечивали хорошую пластичность и формуемость при нагревании. Нагретый, забитый и охлажденный цикл также изменил микроструктуру заклепки. Быстрое закалывание избегалось; заклепке разрешалось охлаждать в воздухе, производя относительно мелкозернистую феррит-жемчужную структуру с достаточной прочностью и прочностью.

Одним из важных металлургических соображений было то, что ковка, кованая при высокой температуре, испытывала перекристаллизацию и рафинирование зерна в голове и шанке. Это улучшало механические свойства шанка по сравнению с исходным стержневым запасом. Молот (пластическая деформация) также устраняла любую сегрегацию литья или пористость, которые могли присутствовать, что приводило к более однородному материалу. Инженеры сегодня признают, что исторические заклепки часто имеют более высокую прочность и пластичность, чем современные низкоуглеродистые стальные крепежи из-за этого процесса ковки.

Однако процесс нагрева также должен был тщательно контролироваться. Перегрев может вызвать сжигание - окисление вдоль границ зерна - которое охрупчило заклепку. Подогревание оставило заклепку слишком жесткой, чтобы сформировать правильную голову без трещин. Команды опытных заклепок были необходимы для последовательного создания звуковых соединений. Умение является одной из причин, почему заклепочные конструкции с начала 20-го века часто считаются шедеврами ручного мастерства.

Типы заклепок и совместных конфигураций

Конструкционные заклепки имели несколько форм, хотя наиболее распространенными для стальных зданий и мостов были закнопочная головка (круглая головка) и заклепка с кнопочным головкой, которые использовались на поверхностях, где было приемлемо выпячивание; заклепки смывались поверхностью пластины, часто требуемой в палубах мостов или местах, подверженных аэродинамическому перетаскиванию.

Сами стыки были спроектированы в двух основных категориях: стыки коленей и стыки прикладов. В стыке коленей пластины перекрываются и соединяются одним рядом (или несколькими рядами) заклепок. В стыковом стыке пластины выровнены сквозными и покрыты сплайс-пластинками (одной или двумя), приклепленными к обеим сторонам. Количество рядов и шаг (от центра к центру расстояния) определялись требуемой прочностью и жесткостью соединения. Риветные узоры в исторических мостах ферм часто показывают ряды, разнесенные на 3-6 диаметров друг от друга, с расстояниями кромок, тщательно рассчитанными для предотвращения разрыва.

Еще одной важной конструктивной особенностью была «длина заклепки» - общая толщина соединяемых пластин. Диаметры заклепки обычно выбирались таким образом, чтобы длина захвата не превышала 4-5 раз диаметра, обеспечивая полное расхождение заклепки во время установки. Для более толстых упаковок использовались настраиваемые «полевые заклепки» или специальные высокопрочные заклепки, иногда требующие нескольких нагревателей и более длительного времени нагрева.

Как заклепка способствует структурной целостности

Распределение нагрузки и поток стресса

Заклепанные стыки передают нагрузку через комбинацию сдвига в заклепке и подшипника между заклепкой и пластиной. В хорошо спроектированном стыке заклепки расположены так, чтобы путь нагрузки через стык был максимально прямым, минимизируя эксцентриситет и вторичное изгибание. Поскольку заклепки относительно близко расположены, поток напряжения через заклепанную сплитку более однороден, чем в заклепленном соединении с меньшим количеством более крупных крепежных элементов. Это снижает пиковые напряжения в отверстиях и снижает коэффициент концентрации напряжения, что полезно для жизни усталости.

Сопротивление трениям и скольжениям

Как отмечалось ранее, тепловое сокращение охлаждающей клепки создает силу зажима, которая сжимает пластины вместе. Для типичной структурной клепки диаметром 7⁄8 дюйма сила зажима может превышать 50-60 кН. Это зажимает липкие поверхности настолько плотно, что трение само по себе может противостоять значительной части приложенной нагрузки на сдвига - часто до 30-50% от конечной нагрузки на сдвига клепки. Этот механизм трения означает, что при эксплуатационных нагрузках заклепанный сустав испытывает практически полное отсутствие скольжения, что помогает поддерживать выравнивание и сводит к минимуму износ на клепочных отверстиях. За время службы моста это сопротивление скольжения уменьшает накопление повреждений, которые могут привести к ослаблению или усталостному растрескиванию.

Гибкость и энергетическая диссипация

Одним из наиболее похвальных атрибутов исторических клепаных рам является их способность поглощать энергию во время динамических событий, таких как землетрясения, ветровые бури или изменения температуры. В отличие от жесткого сварного соединения, которое может развить высокие концентрации напряжения и хрупкий отказ, если не правильно детализировано, клепаный сустав позволяет небольшое количество вращения или скольжения - обычно часть градуса - до того, как установлено полное подшипник. Это "давать" помогает рассеивать энергию и уменьшает пиковые силы, передаваемые через рамку. В ранних небоскребах комбинация клепаных соединений и пластичность стали позволила структурам вести себя несколько как "стальная ткань", способная перераспределять нагрузки после местного выхода. Это свойство часто цитируется в структурной инженерной литературе как ключевая причина, почему многие здания в начале 20-го века со стальной рамой пережили землетрясение 1906 года в Сан-Франциско с минимальным структурным повреждением.

Усталость сопротивление

Усталость в стальных стыках возникает, когда повторная загрузка вызывает микротрещины, чтобы инициировать и расти. Клепаные стыки проявляют отличную усталостную стойкость по сравнению с болтовыми или сварными стыками, потому что зажим трения препятствует чрезмерной работе заклепок в отверстии. В болтовых стыках без предварительной нагрузки крепеж может качаться в отверстии при циклической загрузке, растяжение пластины и инициирование трещин. Сварные стыки имеют резкие геометрические переходы на сварном пальце, известный подъемник напряжения. Клепаные стыки имеют более постепенный переход и, поскольку заклепка расширяется, чтобы полностью заполнить отверстие, нет зазоров или острых углов, чтобы сконцентрировать напряжение. Многие исторические клепаные мосты пережили десятилетия тяжелого железнодорожного движения без обнаруживаемого усталостного растрескивания в самих заклепках - неисправности, когда они происходят, часто происходят в пластине на секции сетки, что является признаком хорошо продуманного соединения, где

Исторические примеры стальных конструкций

Бруклинский мост (1883)

В то время как в основном подвесной мост, Бруклинский мост широко использует клепаную сталь в своих жестких фермах, башнях и креплениях. Стальные кабели моста закреплены в массивных каменных опорах, но надстройка включает в себя тысячи горячекатаных полевых заклепок, соединяющих многие настроенные балки и решетки. Мост перевозил все возрастающие транспортные нагрузки и подвергался коррозионному соленому воздуху более 140 лет. Записи технического обслуживания показывают, что клепаные соединения требовали относительно небольшого ремонта по сравнению со сварными модернизациями, добавленными позже. Заклепки хорошо удерживали свою силу зажима, и многие остаются в отличном состоянии.

Эйфелева башня (1889)

Шедевр Гюстава Эйфеля в Париже представляет собой решетчатую башню, построенную в основном из облитого железом материала (материала, похожего на низкоуглеродистую сталь), к которой присоединились более 2,5 миллионов заклепок. Эйфелева башня является учебным примером того, как клепка позволяет эффективно передавать ветровые нагрузки через очень избыточную открытую структуру. Соединения спроектированы так, что заклепки работают в основном в сдвигах, и изящная кривизна башни была достигнута путем изменения угла клепаных совместных линий. Инженеры сегодня отмечают, что исключительная долговечность башни, которая существует более 130 лет с минимальным коррозионным повреждением, частично связана с плотным прилеганием клепаных соединений, что предотвратило просачивание влаги в щели. Официальная страница истории Эйфелевой башни .

Здание Вулворта (1913)

Один из самых ранних небоскребов, использующих полностью треугольную стальную раму, Woolworth Building на Манхэттене в значительной степени полагался на клепку полей. Его высота 792 фута требовала инновационных конструкций соединения для передачи нагрузок от стройных колонн наверху к более тяжелым колоннам в основе. Заклепанные соединения на гусеницах в системе ветрового крепления здания отлично себя зарекомендовали; даже во время ураганов боковое покачивание здания остается в приемлемых пределах. Стальная рама Woolworth по-прежнему считается звуком, и недавние структурные оценки подтверждают, что оригинальные заклепки сохраняют почти полную проектную мощность. Служба национальных парков листинг для Woolworth Building .

Форт-Бридж (1890)

В Шотландии Форт-Бридж представляет собой консольный железнодорожный мост, состоящий полностью из стальных труб и решеток, соединенных заклепками, управляемыми полем. Он остается чудом инженерии 19-го века. Мост использует миллионы заклепок для формирования своих отличительных алмазообразных ферм. Несмотря на перевозку тяжелых угольных и грузовых поездов в течение более века, проверки усталости обнаружили очень мало трещинных заклепок. Конструкция намеренно использовала заклепанные соединения для их пластичности и избыточности, что позволило мосту пережить динамическую загрузку от проходящих поездов, не требуя замены основных участников. Сайт Форт-Бриджей .

Проблемы сохранения и подходы к восстановлению

В то время как клепаные стальные рамы оказались удивительно прочными, они не застрахованы от ухудшения. Коррозия на подделывающихся поверхностях (область, где встречаются две стальные пластины) является общей проблемой, особенно в мостах, подверженных воздействию солей обледенения или прибрежных сред. Коррозия в этих расщелинах может привести к тому, что головки клепки будут «ржаветь» или терять силу зажима. В некоторых исторических структурах отдельные заклепки сломались в шанке из-за перенапряжения или циклов теплового расширения. Задача для защитников окружающей среды заключается в поддержании исторической подлинности при обеспечении структурной безопасности.

Один из методов восстановления заключается в замене поврежденных заклепок новыми заклепками с горячим приводом из аналогичного материала и геометрии. Для этого требуется обучение нового поколения заклепок и поддержание кузнечного оборудования - навык, который был почти потерян к концу 20-го века. Однако несколько исторических проектов моста в Соединенных Штатах и Европе успешно использовали горячую заклепку для восстановления оригинальных соединений. Для менее критических участников могут быть заменены высокопрочные болты (часто ASTM A325 или A490), но они изменяют путь нагрузки и распределение напряжения, что может повлиять на поведение рамы. Замена Bolt также изменяет исторический внешний вид, который часто вызывает беспокойство о статусе ориентира.

Еще один инновационный подход - "холодное вождение" заклепок с использованием гидравлических инструментов, но этот метод не обеспечивает ту же силу зажима усадки, что и горячее заклепывание. Следовательно, холодные заклепки обычно используются только для повторного крепления архитектурных деталей, где не имеет решающего значения несущая способность. Для капитального структурного ремонта горячее заклепывание остается золотым стандартом, когда требуется и историческая точность, и структурная целостность.

Понимание оригинальных узоров заклепки, шага и расстояния кромки имеет решающее значение для любой оценки. Инженеры должны оценить оставшуюся силу зажима заклепок, часто посредством ультразвукового тестирования или путем измерения крутящего момента, необходимого для поворота головки заклепки - указание на сопротивление скольжению. Если несколько заклепок в суставе потеряли предустановку, всему соединению может потребоваться усиление с помощью дополнительных крепежных элементов или стальных пластин, тщательно разработанных, чтобы избежать перенапряжения соседних элементов.

Переход к сварке и варке

К 1950-м годам структурная сварка созрела до такой степени, что могла конкурировать с клепкой с точки зрения скорости и экономии. Сварные соединения не требовали предварительно просверленных отверстий, кузнечных кузниц и больших экипажей. Кроме того, сварные соединения были более эффективными в передаче нагрузки, поскольку они не требовали сплайс-пластин или гусениц, уменьшая количество используемой стали. Однако ранние сварные конструкции страдали от хрупких трещин в некоторых случаях из-за концентраций напряжения и плохой выемки в зоне, пораженной сваркой. Уроки, извлеченные из этих отказов, информировали современные коды сварки и спецификации наполнителя металла, но клепаные соединения никогда не имели этой проблемы.

Болт также приобрел популярность, поскольку высокопрочные болты (закрученные до контролируемого напряжения) могли обеспечить зажимную силу, аналогичную горячим заклепкам, без необходимости нагрева. Затвор A325, введенный в 1940-х годах, стал стандартом для стального строительства. Закрученные соединения легче проверять, устанавливать и обслуживать, и их можно ослаблять для разборки, если это необходимо. Для нового строительства сейчас доминируют болты и сварка, но для исторической сохранности старая заклепочная технология незаменима.

Современные исследования и наследие закостенелых связей

В последние десятилетия исследователи структурной инженерии пересмотрели заклепочные соединения, чтобы понять их долгосрочные характеристики и разработать руководящие принципы для оценки существующих конструкций. Испытания нагрузки на полномасштабные заклепные фермы показали, что способность трения клепаных соединений часто выше, чем первоначально предполагалось, и что коэффициент скольжения (коэффициент трения) для ржавых, но все еще звуковых пластин может достигать 0,5. Это позволило инженерам оценивать исторические мосты для более тяжелых современных нагрузок без обширного усиления.

Конечные модели клепаных суставов также показали, что остаточные напряжения от процесса охлаждения не являются вредными; на самом деле, сжимающие напряжения вокруг отверстия могут фактически увеличить срок службы усталости пластины, повышая порог для инициирования трещины. Это противоречит более ранним убеждениям, что процесс молотка ввел вредные концентрации напряжения. Такие результаты подчеркивают изобретательность инженерии начала 20-го века, которая опиралась на эмпирические знания и тщательное изготовление, а не на теоретические модели.

Наследие клепки распространяется и на современный дизайн: некоторые архитекторы и инженеры теперь используют открытые заклепочные узоры в новых структурах как эстетический дань индустриальному наследию. Кроме того, принципы преднагрузки, трения и избыточности, которые сделали заклепные соединения настолько успешными, применяются в современных высокопрочных болтовых соединениях с болтами управления напряжением. Заклепка остается иконой эпохи машин, символом человеческих усилий, которые построили современный городской пейзаж.

Заключение

Заклепка была гораздо более чем удобным методом соединения для ранних стальных рам; это была сложная технология, которая использовала физические свойства металла для создания соединений с исключительной прочностью, пластичностью и долговечностью.Зажимная сила, создаваемая тепловым сокращением, равномерное распределение напряжений, сопротивление скольжению и способность поглощения энергии, способствовала структурной целостности, которая позволила историческим зданиям и мостам пережить более века использования.

Для профессионалов, занимающихся уходом за этими историческими сооружениями, необходимо глубокое понимание того, как работает клепка и как она продолжает работать. Усилия по сохранению, которые уважают оригинальную совместную механику, с большей вероятностью будут успешными как структурно, так и эстетически. Поскольку мы продолжаем изучать и восхищаться шедеврами, такими как Эйфелева башня, Бруклинский мост и здание Вулворта, мы признаем, что скромный клепок является скрытым героем структурной инженерии, держащим кости нашего промышленного наследия.