Introdução
Atualmente, as ligações aparafusadas são as mais versáteis e convenientes para a instalação de estruturas metálicas em edifícios. A sua utilização permite uma precisão de instalação excepcionalmente elevada e elimina o “fator humano”. Das conexões aparafusadas, as conexões flangeadas são as mais eficazes. Seu uso em diversos projetos aumenta significativamente a produtividade do trabalho durante a instalação e, consequentemente, sua velocidade. Além disso, as conexões de flange são extremamente convenientes ao reparar estruturas de edifícios, pois permitem isolar rapidamente um elemento e substituí-lo por outro.
Até agora, um número bastante grande de cientistas estudou conexões de flange e as características de sua aplicação. Entre eles podemos destacar o trabalho de V.V. Kalenova, V.M. Gorpinchenko, A.G. Soskina, O.I. Ganiza, Glauberman VB et al.
Basicamente, os cientistas acima realizaram trabalhos para estudar as características de resistência das conexões flangeadas. Como resultado da pesquisa, foram desenvolvidas recomendações para o cálculo, projeto, fabricação e instalação de conexões flangeadas de estruturas metálicas de construção e Capítulo 27 do manual de projeto estruturas de aço(para SNiP II-23-81*). O manual e as recomendações não se aplicam a conexões flangeadas:
Receber cargas alternadas, bem como atuar repetidamente em movimento, vibração ou outros tipos de cargas com número de ciclos superior a 10 5 com coeficiente de assimetria de tensões nos elementos conectados r = s min /s max ³ 0,8;
Operado em ambientes altamente agressivos. Essas conexões incluem conexões de flange de vigas de guindaste. As vigas do guindaste podem ser classificadas como elementos de perfil aberto.
Capítulo 1. Resistência das conexões flangeadas de elementos de perfil aberto
A questão da resistência das conexões flangeadas de elementos de perfil aberto foi estudada pelo Professor I. D. Grudev.
Ele desenvolveu um método semi-empírico para calcular a resistência das conexões de flange de elementos de perfil aberto: vigas I, vigas T, ângulos. As suposições que formaram a base do problema a ser resolvido são claramente formuladas. Um sistema fechado de equações foi compilado, incluindo vários parâmetros ajustáveis. A solução foi obtida numericamente e os parâmetros de ajuste foram determinados a partir de dados experimentais. Para facilitar o uso da técnica, é proposta uma fórmula de aproximação.
Determinar a resistência e durabilidade das conexões de flange de elementos de perfil aberto: vigas I, vigas T e ângulos é a principal questão não desenvolvida. Nestas ligações, as deformações dos diferentes parafusos são significativamente diferentes, porque o flange é deformado de forma complexa e, além disso, a resistência dos próprios parafusos tem dispersão estatística e é determinada pela função de densidade de probabilidade de destruição.
O estudo é baseado nas seguintes disposições:
- Todos os parafusos têm a mesma pretensão.
- Os parafusos na ligação funcionam de forma desigual, e de acordo com a natureza do seu trabalho são divididos em dois grupos: parafusos da zona interna, localizados nos cantos da seção e mais carregados, marcados abaixo com o índice B, e parafusos da zona externa com o índice H.
- A zona externa é dividida em conexões elementares em forma de T.
- Estes últimos são descritos por um modelo de viga que leva em consideração apenas a não linearidade geométrica.
- A relação entre as forças nos parafusos das zonas interna e externa é descrita por uma função linear por partes obtida pela aproximação de dados experimentais.
- Se a destruição ocorrer ao longo dos parafusos, é de natureza probabilística e é determinada pela capacidade de carga do conjunto de parafusos na zona interna.
- Dobramento dos parafusos, presença de furos nos parafusos, irregularidades pré-tensionamento, a presença de momentos fletores externos leva à necessidade de introdução de parâmetros ajustáveis.
As forças que surgem numa ligação de flange de acordo com o modelo de viga são descritas pelas seguintes relações:
k é a rigidez à tração do parafuso levando em consideração os movimentos de contato e é o valor da pré-tensão. Outras designações são mostradas na Fig. 1.
Quantidades adimensionais dependendo de um parâmetro são mostradas na Fig. A rigidez adimensional de um parafuso também pode ser representada como
(2)
Além disso, é aconselhável deixar o parâmetro ajustável, pois É teoricamente impossível determiná-lo.
A relação entre as forças nos parafusos das zonas externa e interna depende da força adimensional aplicada ao banzo e, dentro das estruturas existentes, depende fracamente de outros parâmetros. É determinado de acordo com dados experimentais.
A destruição das juntas de flange operando em tensão por parafusos ocorre, como mostram os experimentos, quase instantaneamente, o que indica a natureza avalanche da destruição dos parafusos, e a avalanche geralmente começa após a destruição do primeiro parafuso, ou seja, A conexão funciona segundo o princípio do elemento mais fraco.
A análise dos dados experimentais mostra que no momento da destruição a diferença entre as forças nos parafusos das zonas interna e externa é de aproximadamente 20-30%, porque as forças nos parafusos da zona externa não excedem 37t. No entanto, eles não podem contribuir significativamente para a probabilidade total de destruição, de modo que esta é determinada apenas pela resistência dos parafusos mais carregados da zona interna, e os parafusos da zona externa quebram no estágio final da destruição da avalanche. Para uma seção I, bem como para uma seção T com nervura, quatro parafusos pertencem à zona interna.
Capítulo 2. Estado tensão-deformação das conexões flangeadas
O engenheiro A. G. Soskin conduziu um estudo do estado tensão-deformação das conexões de flange de elementos de perfil aberto que percebem forças de tração estática, a fim de obter a relação entre a espessura dos flanges e a relação das forças percebidas pelos parafusos do interno e zonas externas da ação de uma carga externa.
As conexões de flange com parafusos de alta resistência são as mais eficazes em comparação com outros tipos de conexões de instalação para elementos de estruturas metálicas de construção. O efeito é alcançado principalmente devido a praticamente uso completo capacidade de suporte à tração dos parafusos, o que garante sua quantidade mínima nas ligações e, como resultado, reduz significativamente os custos de mão de obra durante a instalação das estruturas. Neste sentido, o cálculo dos parafusos, baseado em pressupostos que refletem o seu comportamento real, assume especial importância.
Do ponto de vista do comportamento dos parafusos, entre as formas estruturais das ligações flangeadas dos elementos tensionados, deve-se distinguir aquelas em que os parafusos estão nas mesmas condições ligações “elementares” em forma de T, FS de redondo e quadrado tubos) e ligações nas quais as condições de funcionamento dos parafusos não são iguais (ligações flangeadas de elementos de perfil aberto: ângulos emparelhados e não emparelhados, vigas T, vigas I, etc.). A pesquisa mostrou que o comportamento deste último é muito complexo e caracterizado pela não linearidade geométrica e física.
Para estudar os padrões do estado tensão-deformação dessas ligações, foram realizados testes em protótipos de ligações flangeadas em escala real (Tabela 1):
- treliças padrão com vão de 24 metros com corda inferior de ângulos de flange iguais emparelhados 110x12, 125x8 e 140x12mm;
— marcas de flange larga 15pcs4;
O material dos ângulos, tês, armações, reforços e flanges é aço com uma resistência à tração calculada com limite de escoamento de 225 a 400 MPa. Os flanges dos protótipos com espessura de 20, 25 e 30 mm foram soldados aos elementos unidos sem cortar as bordas, manualmente usando eletrodos do tipo E50A de acordo com GOST 9467-75. Parafusos de alta resistência M24 de aço 40X “Select” com resistência à tração padrão de 1100 MPa. Os protótipos foram testados em uma bancada especial, o que possibilitou desenvolver forças de tração nos elementos conectados de até 4.000 kN. As deformações relativas foram medidas por extensômetros utilizando sensores com base de 5, 10 e 20 mm. Todas as amostras foram destruídas, cuja natureza foi registrada.
A análise dos dados experimentais mostrou que a distribuição das tensões normais nas seções dos elementos conectados localizados nas imediações dos banzos é quase uniforme. Ao mesmo tempo, as forças nos parafusos e as tensões de flexão nas áreas características dos flanges das conexões testadas desenvolvem-se de forma desigual.
Na Fig. A Figura 3 mostra o diagrama médio das forças nos parafusos da amostra T-4, típico para FS experimental com número de parafusos 6 ou mais. De O diagrama mostra que ocorre um aumento de forças muito mais intenso nos parafusos nºs 1,2,3,4, localizados nas seções do flange da zona interna - VZ (ver diagrama de ligação - área sombreada). A carga de abertura externa da zona interna dos flanges é T R in = 1236 kN, a zona externa (NZ) é T R N = 1688 kN. O aumento correspondente nas forças nos parafusos VZ em relação à força de pré-tensionamento В о в = 216 kN foi ΔВ в = 29 kN. No momento da falha da conexão em T vezes = 1962 kN, a força nos parafusos é V vezes = 392kN. Para parafusos NC estes valores são iguais: B 0 = 216 kN, ΔB n = 15 kN, B vezes = 260 kN. As forças obtidas experimentalmente nos parafusos, os valores correspondentes da carga externa e os dados sobre a natureza da destruição do FS experimental são apresentados na Tabela. 2. Segue-se da tabela que o padrão identificado de desenvolvimento de força nos parafusos T-4 pode ser rastreado em outras conexões experimentais.
Fig.3 Diagrama de forças nos parafusos da conexão experimental T-4
A abertura dos flanges VZ ocorre antes do NZ (T R em< Т Р Н), а усилия в болтах ВЗ — В в (после раскрытия фланцев) всегда больше В н. Причина этого заключается в различной жесткости внутренней и наружной зоны фланцев. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что изгибные напряжения во ВЗ фланцев развиваются заметно слабее, чем в НЗ, более жесткая на изгиб внутренняя зона фланцев передает на болты большую часть внешней нагрузки — Т в по сравнению с наружной, передающей на болты нагрузку Т н (Т = Т в + Т н). Но этой же причине рычажные усилия — R, действующие на болты ВЗ и НЗ также неодинаковы.
Observe que os valores experimentais de tensões em seções perigosas de flanges com espessura t ≥ 20 mm e as forças de projeto atingidas nos parafusos - B p, não ultrapassaram os valores da resistência calculada dos flanges de aço a flexão na resistência ao escoamento.
Tabela 1. Parâmetros geométricos das juntas experimentais
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Designação de conexão |
Diagrama de conexão |
Seção (marca) do perfil mmxmm |
Espessura flange |
Perna de solda |
Espessura do reforço (costelas) |
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Capítulo 3. Resistência à fadiga de conexões flangeadas de elementos tensionados
Kalenov VV, Soskin AG e Evdokimov VV estudaram a resistência à fadiga de conexões de flange de elementos estruturais tensionados. Eles apresentaram os resultados de estudos experimentais sobre a durabilidade cíclica de conexões de flange de montagem de elementos estruturais que percebem cargas de tração que mudam ciclicamente. Foram obtidas curvas de fadiga calculadas para parafusos de alta resistência e juntas soldadas de flanges com perfis. É mostrado que a durabilidade cíclica das ligações deve ser determinada pela amplitude das tensões nominais. Neste caso, o menor valor de durabilidade obtido para parafusos ou juntas soldadas com Vários tipos defeitos de desempenho e costura.
Durante a operação, as conexões flangeadas sofrem influências estáticas e cíclicas.
Em um dos primeiros trabalhos dedicados ao estudo das características de resistência à fadiga do FS, são apresentados os resultados do teste de 12 conexões em forma de T de duplo byte. Foram obtidas as curvas de fadiga dos parafusos A325 e A490 instalados com força de pré-tensionamento To - (0,7 + 0,8) Tu., onde Ti é a força de ruptura dos parafusos em tração. Concluiu-se que a alta durabilidade dos parafusos pode ser garantida alto nível O que ceteris paribus, leva a uma redução significativa na amplitude das tensões alternadas nos parafusos. Estudos de vida sobre fadiga também são fornecidos. parafusos de alta resistência M22 tipo F9T e FIIT, funcionando como parte do FS. Conexões experimentais foram testadas em séries de 6+13 amostras com as mesmas características geométricas. Foi demonstrado que a durabilidade de um grupo de parafusos depende em grande parte da quantidade de pré-tensão dos parafusos. Deve-se notar que os parafusos testados quanto às propriedades mecânicas e composição química diferem significativamente dos nacionais.
É característico destes e de outros estudos que a durabilidade cíclica do FS como um todo é determinada principalmente pela resistência à fadiga dos parafusos. Ao mesmo tempo, é óbvio que as juntas soldadas de flanges com perfil não são menos perigosas do ponto de vista da falha por fadiga do FS.
Neste sentido, os autores do estudo realizaram um conjunto de estudos cujo objetivo foi estudar os padrões de resistência à fadiga de elementos estruturais FS que percebem cargas de tração cíclicas e desenvolver uma metodologia de engenharia para cálculo de FS para fadiga. Os estudos incluíram, por um lado, a construção de uma curva de fadiga de projeto para parafusos instalados com alto nível de pré-tensão B 0 = 0,9 V p, por outro lado, a construção de curvas de fadiga de projeto para juntas soldadas FS com diferentes tipos de execução (sem defeitos e com defeitos) de costuras, feitas de acordo com GOST 5264-69, GOST 14771-76, GOST 8713-70 e SNiP 3.03.01-87 (com e sem arestas de corte, com rebaixo, com processamento mecânico , etc.).
Na Fig. A Figura 4 mostra modelos e amostras em escala real de FS experimentais preparados para testes de fadiga (6 séries no total). 1ª série - 12 FS de parafuso único, segunda - 13 FS de parafuso duplo em forma de T. A ligação soldada da parede com o flange foi feita manualmente, com corte das arestas (ângulo de chanfro - 50°, embotamento - 2 mm) com eletrodos UONI - 13/55 conforme GOST 9467-75, terceira série - 7 amostras de juntas de solda T sem cortar as bordas, a quarta - então o mesmo com as bordas cortantes. Quinta série - 4 ligações de tubos redondos 168x8 mm, reforçados com nervuras de 10 mm de espessura. Flanges de 22 e 25 mm de espessura. Sexta série - 6 marcas FS de flange largo 150x96x13x10 mm com flanges de 25 mm de espessura. O material dos flanges e elementos conectados dos protótipos é aço com resistência calculada à tração, compressão e flexão para um limite de escoamento de 225 a 400 MPa (09G2S, 10G2S1, 16G2AF) de acordo com GOST 19282-73,
Figura 4. Esquemas de modelos e protótipos de FS.
GOST 19281-73. Parafusos M24 de alta resistência feitos de aço 40X Select com resistência à tração temporária de pelo menos 1100 MPa. Soldagem manual. A resistência ao cisalhamento calculada das soldas de ângulo ao longo do metal de solda é de 215 MPa. A medição das deformações relativas (tensões) em parafusos com um número de ciclos de carregamento N = 1,5, 1000, 10000 foi realizada por extensômetro.
Na Fig. A Figura 5 mostra a relação entre a amplitude das tensões elásticas nominais em parafusos de diversas séries de ligações experimentais e sua durabilidade cíclica N. Para expressar analiticamente a curva de fadiga calculada para o parâmetro de tensão média de ciclo = 727 MPa, foi utilizada a equação de Weller . A equação para o envelope inferior da faixa de durabilidade de três padrões dos parafusos FS, obtida pelos métodos de estatística matemática, tem a forma
O desvio padrão para log N é 0,256; coeficiente de correlação - 0,91. Como segue no gráfico, a falha por fadiga de parafusos protendidos pela força B 0 = (0,8 + 1,0) V p ocorre na região de ciclo baixo e fadiga limitada na faixa de 10 4 a ciclos de carregamento. Ao mesmo tempo, as cargas externas máximas causam forças nos parafusos aproximadamente iguais a BP.
Figura 5. Curvas de vida cíclica e fadiga de parafusos de junta piloto de alta resistência.
A Figura 6 mostra pontos experimentais que refletem a dependência da durabilidade cíclica de juntas soldadas de protótipos de diversas séries com e sem arestas de corte da amplitude equivalente das tensões nominais nos elementos conectados. A dependência de SV Sørensen foi usada para determinar
(2)
Onde está a tensão média do ciclo nos elementos conectados;
— coeficiente de sensibilidade do material à assimetria do ciclo de carregamento. Para aços de baixa liga é considerado igual a 0,25.
Figura 6. Durabilidade cíclica e curvas de fadiga de juntas soldadas de flanges com perfil de protótipos de diversas séries;
a - conexões com bordas ranhuradas, b - sem ranhura.
No mesmo gráfico, as linhas pontilhadas indicam curvas de fadiga experimentais e as linhas sólidas indicam os limites da faixa de dispersão de três padrões de possíveis valores de durabilidade das juntas soldadas FS. Os envelopes inferiores das faixas são considerados como curvas de fadiga calculadas (Fig. 7, curvas 2,4). Da mesma forma, com base em estudos experimentais, foram obtidas as curvas de fadiga calculadas nº 1, 3, 5, cuja expressão matemática tem a forma
Com base nos resultados da pesquisa, foi desenvolvida uma metodologia de engenharia para cálculo da fadiga de elementos estruturais FS que percebem cargas de tração cíclicas. A durabilidade cíclica das ligações das formas estruturais estudadas deve ser determinada como o menor dos valores calculados para parafusos e ligações soldadas de flanges com perfil. Recomenda-se realizar o cálculo com base na amplitude das tensões nominais do ciclo utilizando as curvas de fadiga calculadas acima e as equações (1)-(7).
Figura 7. Curvas de fadiga calculadas
conexões soldadas de flanges com perfis;
1- com arestas de corte e subsequentes
processamento mecânico da solda;
2 - com corte e sem beneficiamento;
3 – o mesmo com recorte de costura;
4 – sem arestas cortantes com costura crua.
5 – o mesmo com recorte de costura.
Doutor em Ciências Técnicas V. V. Biryulev examinou a questão do projeto e cálculo de vigas com juntas de flange.
As juntas de montagem em vigas convencionais e leves têm três soluções de projeto - soldadas (sem sobreposições e com sobreposições), resistentes ao cisalhamento (com sobreposições em parafusos de alta resistência resistentes ao cisalhamento), flangeadas (em parafusos de alta resistência).
As juntas soldadas sem sobreposições são as que exigem menos metal, mas requerem mão-de-obra significativa de soldadores altamente qualificados. Além disso, ao soldar juntas na estação fria, medidas adicionais devem ser tomadas para garantir a qualidade e confiabilidade das juntas.
As conexões resistentes ao cisalhamento exigem menos mão-de-obra para serem fabricadas, não requerem instaladores altamente qualificados e são mais fáceis de executar com Baixas temperaturas, são mais confiáveis em operação sob cargas dinâmicas e cíclicas, pois não criam concentrações de tensões e tensões residuais de temperatura, como as soldas.
As conexões flangeadas, por sua vez, apresentam uma série de vantagens sobre as resistentes ao cisalhamento. Nas juntas flangeadas, o consumo de metal por ligação é reduzido, o número de parafusos é reduzido em 3 ... 3,5 vezes (nas juntas resistentes ao cisalhamento, os parafusos são colocados em ambos os lados e são carregados igualmente nas zonas comprimidas e de tração, o a capacidade de suporte ao cisalhamento é menor que a capacidade de suporte à tração.O número de parafusos na zona comprimida nas conexões de flange pode ser reduzido, pois não transmitem forças normais, mas apenas garantem a transmissão de forças transversais devido ao atrito das superfícies do flange. A maior parte dos parafusos concentra-se na zona da correia esticada, e os parafusos trabalham com maior impacto do que no cisalhamento. Segue-se que a complexidade da instalação de conexões de flange é reduzida em 3,5 ... 4 vezes. Além disso, a complexidade O tempo de fabricação de vigas é reduzido, principalmente devido à redução acentuada do número de furos na parede e nas cordas.
Os parafusos nas juntas de flange são instalados na mesma distância ou concentrados em uma área esticada na cintura. A espessura e a largura do flange neste local às vezes aumentam, e parte do flange na zona de tração é feita de aço mais resistente, e nas zonas de tração leves comprimidas é feita de aço de baixo carbono. Com correias potentes, o número de parafusos consecutivos em cada lado da parede aumenta para 3 ... 4 peças.
Ao calcular uma conexão de flange, deve-se verificar a resistência em quatro zonas - em parafusos de alta resistência, em flanges, em soldas de fixação de flanges, na seção principal das vigas nas soldas. A resistência dos flanges é testada durante a flexão, bem como contra uma possível separação da superfície na zona afetada pelo calor.
Um cálculo muito aproximado de uma ligação de flange em vigas é realizado partindo do pressuposto de que as forças nos parafusos são distribuídas proporcionalmente à distância do ponto de aplicação da força resultante na zona comprimida, por exemplo, do centro do correia comprimida ao parafuso. Então a força no parafuso da extremidade mais tensionada será
onde é a distância até a linha i-ro e até a linha mais externa de parafusos; - número de parafusos na i-ésima linha e na linha externa; eu- numero de linhas.
Esta distribuição de forças só pode ocorrer com flanges muito grossos.
A operação real dos flanges é complexa. Se uma tira for cortada de um banzo, ela pode ser imaginada como uma espécie de viga sob a ação de um sistema de forças Pf, Nb, V. A força Pf é transferida da viga (parede ou correia) para o banzo, Nb é a força que surge no parafuso após a aplicação de cargas externas. A Força V é geralmente chamada de alavancagem. Esta é a força resultante que surge da pressão conjunta de dois flanges um contra o outro; a posição da resultante depende de vários fatores, principalmente da espessura dos flanges.
Se imaginarmos que o banzo não se deforma, então sob carga surge um momento fletor (na parede ou banzo) igual a Nbc. A presença de alavancagem reduz a magnitude deste momento, daí a espessura necessária do flange. A influência da força de alavancagem é levada em consideração no cálculo das conexões flangeadas.
Existe uma proposta de utilização das reservas de capacidade resistente de uma ligação de banzo se permitirmos o desenvolvimento de deformações plásticas na seção da viga e nos banzos e aplicarmos o método do equilíbrio limite para avaliá-las.
A espessura determinada do flange neste caso será mínima. Além disso, o desenvolvimento de deformações plásticas nos banzos causará um aumento na deflexão da viga, como mostram os experimentos, em 5...15%. Portanto, até que dados experimentais adicionais sejam acumulados, este método pode ser usado para calcular conexões de flange apenas em estruturas de baixa criticidade.
Supõe-se que da superfície deformável do banzo para a seção da viga adjacente a ele são transmitidas forças reativas, limitadas na zona comprimida pela resistência do metal da viga Ru, e na zona de tração pelo limite força necessária para a formação de um mecanismo plástico na faixa de desenho do flange. Supõe-se que a tira seja fixada rigidamente ao longo da linha de colocação dos parafusos e que essas tiras na parede e no flange da viga funcionem de forma independente.
Antes de iniciar o cálculo são estabelecidos: as dimensões dos banzos tendo em conta as dimensões das vigas, o diâmetro dos parafusos de alta resistência, o número mínimo de parafusos necessários para absorver a força de tração da correia da viga I. Os parafusos são colocados nas distâncias mínimas possíveis das prateleiras e paredes.
O algoritmo de cálculo é apresentado na Fig. 8. Além das designações da Fig. 8: - coeficiente de carregamento da viga I por momento fletor;
Literatura
- Recomendações para cálculo, projeto, fabricação e instalação de conexões flangeadas de estruturas metálicas de construção. M., CBNTI Minmontazhspetsstroy URSS, 1989, p. 53.
- Grudev I. D. Resistência de conexões flangeadas de elementos de perfil aberto. Aparafusado e especial conexões de instalação em aço estruturas de construção. Colóquio Internacional. – 1989. – Processo. T.2 – pp. 7-13.
- Conexões de flange. Cálculo e projeto. Bugov A.U. – L. Engenharia Mecânica, 1975. – p. 191.
- Soskin A.G. Características de comportamento e cálculo de parafusos de conexões flangeadas. Conexões aparafusadas e especiais de instalação em estruturas metálicas de edifícios. Colóquio Internacional. – 1989. – Processo. T.2 – pp. 24-31.
- Kalenov V. V., Soskin A. G., Evdokimov V. V. Pesquisa e cálculo da resistência à fadiga de conexões de flange de elementos estruturais tensionados. Conexões aparafusadas e especiais de instalação em estruturas metálicas de edifícios. Colóquio Internacional. – 1989. – Processo. T.2 – pp. 41-17.
- Projeto estruturas metálicas: Curso especial. Tutorial para universidades / V. V. Biryulev, I. I. Koshin, I. I. Krylov, A. V. Silvestrov. – L.: Stroyizdat, 1990 – 432 p.
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A confiabilidade de qualquer sistema depende da confiabilidade do elo mais fraco do sistema. As juntas soldadas de tubos de aço são confiáveis e são utilizadas na maioria dos casos. Mas surgem situações em que o uso de junta soldada é impossível. Conexão de vários acessórios, proporcionando uma conexão dobrável, a possibilidade de manutenção preventiva e reparo de acessórios de tubos, bem como unidades de trabalho de unidades, conectando tubos diferentes: ferro fundido-plástico, ferro fundido-aço, aço-plástico, aço-amianto-cimento , plástico-amianto-cimento e resolvendo muitos outros problemas tecnológicos. A conexão flangeada deve garantir a confiabilidade e durabilidade de tais conexões. Em geral, o projeto do flange envolve um par de flanges e uma junta e anéis conectados por parafusos ou pinos.
Para unificar os produtos e permitir que estes produtos sejam utilizados em diferentes países do mundo sem processamento adicional, foi introduzida uma classificação clara de conexões de flange. Às vezes, o mesmo flange terá designações diferentes em classificações diferentes.
Principais classificações utilizadas no mundo:
GOST é um padrão adotado na URSS e válido no espaço pós-soviético;
DIN – norma alemã válida na Europa;
ANSI/ASME é um padrão americano válido nos EUA, Japão e Austrália.
Existem tabelas de conversão de padrões que indicam qual padrão um determinado flange atende.
Vários materiais são usados para fazer flanges:
ferro fundido;
ferro maleável;
aços carbono;
aços inoxidáveis;
aços-liga;
polipropileno.
Os flanges de polipropileno se espalharam na última década. Eles são usados principalmente para instalar sistemas sem pressão, conectar tubos PE a tubos de metal, conectar acessórios de tubos nos quais um suporte de flange está instalado. Esses flanges, assim como os flanges de metal, são feitos por fundição ou estampagem.
Os flanges também são divididos em tipos:
plano (GOST 12820-81);
colarinho (GOST 12821-81);
flanges soltas em um anel soldado (GOST 12822-80);
flanges para vasos e aparelhos (GOST 28759.2-90);
plugue de anel (GOST 12836-80).
É permitida a fabricação de flanges quadrados que possuam no mínimo 4 furos para parafusos ou pinos. Esses flanges podem ser usados em sistemas com pressão máxima não superior a 4,0 MPa.
De acordo com a nomenclatura e, consequentemente, GOST 12815-80, os flanges de conexões e peças de conexão de tubulações possuem nove versões principais da superfície de vedação:
Espanhol 1 - com lábio de conexão, desenho mais comum de flanges, possui um lábio de conexão especial em forma de chanfro em ângulo de 45°
Espanhol 2 - semelhante em design ao modelo anterior, apenas a saliência de conexão forma um ângulo de 90°;
Espanhol 3 - com depressão na parte interna e saliência na parte externa em ângulo de 45°;
Espanhol 4 - com espigão;
Espanhol 5 - com ranhura em forma de reentrância anular;
Espanhol 6 - sob a junta da lente, é selecionado um chanfro na parte interna;
Espanhol 7 - para gaxeta de seção oval, reentrância anular no molde na extremidade;
Espanhol 8 - com espigão para junta fluoroplástica;
Espanhol 9 - com ranhura para junta fluoroplástica.
Para flanges de vasos e aparelhos, existem requisitos específicos de execução, especificados em GOST 28759.2-90, e para flanges soldados planos - em GOST 28759.390
Características de design de flanges
Os flanges, como qualquer tubo ou válvula de corte, possuem vários características de design. Ao escolher e decifrar as designações dos flanges, você deve conhecer esses recursos.
Passe condicional
O diâmetro nominal do flange é o diâmetro interno do tubo, conexão ou válvula de corte ao qual o flange é soldado. É aceito apenas com base no diâmetro nominal do tubo.
Para flanges soldados planos com diâmetro nominal de 100, 125, 150, dependendo do projeto, é indicada a letra (A, B, C) - o diâmetro externo do tubo depende disso; se a letra não for especificada, o a letra A é considerada por padrão.
Todas as dimensões geométricas do flange dependerão do diâmetro nominal. O mesmo flange com o mesmo furo nominal pode ser fabricado de duas maneiras - linha 1 e linha 2. Eles diferem nas diferentes distâncias de centro a centro entre os orifícios de conexão e também, em alguns casos, nos diferentes diâmetros dos orifícios de conexão. Por padrão, os flanges são fabricados na linha 2.
Pressão
Uma propriedade importante de uma conexão flangeada é a capacidade de manter a pressão do sistema sem vazamentos ou destruição do sistema. Este indicador é designado como pressão condicional. O indicador de pressão condicional depende de dimensões geométricas flange, material de fabricação, design, junta de vedação.
Importante: Ao solicitar flanges, lembre-se que existem diferentes dimensões de pressão: em kgf/cm2, Pa (MPa), atm., bar. Portanto, é necessário indicar exatamente para qual pressão um determinado produto deve ser projetado.
Temperatura
A temperatura operacional do líquido se tornará a temperatura do flange; deve-se notar que os parâmetros de pressão e temperatura são interdependentes. À medida que a temperatura aumenta, a pressão máxima na qual a conexão do flange opera cairá. A dependência pode ser expressa por interpolação linear. Dependências entre Temperatura de operação e a pressão para cada flange são fornecidas em tabelas especiais e GOSTs.
Designação do flange
Cada tipo de flange tem sua designação específica; vejamos cada um deles.
Flanges de solda plana
Vejamos um exemplo da designação de flanges planos soldados:
Flange 1-65-25 09G2S GOST 12821-80
Flange plano soldado versão 1 com furo nominal (DN) - 65 mm, projetado para pressão nominal de 25 kgf/cm2, fabricado em aço 09G2S conforme GOST 12821-80.
Ao escolher um flange para junta fluoroplástica, após o número DN, indique a letra F.
Flanges de colar
Flange 1-1000-100 colheres de sopa. 12x18n10t GOST 12821-80
Designa um flange da versão 1, com diâmetro nominal 1000, projetado para pressão de 100 kgf/cm2, fabricado em aço 12x18n10t, que é aço inoxidável estrutural.
Para flanges quadrados, indicar adicionalmente no nome – flange quadrado.
Assim como nos flanges planos, ao utilizar junta fluoroplástica é indicada a letra F.
Flanges soltas no anel de solda
A designação para flanges soltos e flanges planos é ligeiramente diferente. Como este produto utiliza um anel soldado, a designação do flange também é acompanhada pela designação do anel, por exemplo:
Flange 50-6 ST20 GOST 12822-80
Anel 1-50-6 ST 35 GOST 12822-80
Aqui: 50 – diâmetro nominal, pressão nominal 6 kgf/cm2, flange em aço st20, anel em aço st35.
Para passagem condicional 100, 125, 150, você também deve especificar a letra (A, B, C), por padrão - A.
Juntas para conexões de flange
Vedar uma unidade ou conexão localizada sob sobrepressão, muitas vezes em ambientes agressivos, desempenha um papel importante no cálculo de uma conexão de flange.
Dependendo do tipo de flange ou agulha utilizada projeto, pressão, temperatura, propriedades quimicas ambientes, os seguintes são usados como juntas de vedação:
KShch (7338-77) – borracha técnica à base de ácido;
MB(7338-77) – borracha resistente a óleo e gasolina;
T(7338-77) – borracha técnica resistente ao calor;
PON(481-80) – paronita de uso geral;
PMB(481-80) – paronita resistente a óleo e gasolina;
Cartão de amianto;
Fluoroplástico-4.
Apertando conexões de flange
O aperto das conexões do flange é um ponto chave na instalação do flange. Para obter a vedação máxima, todas as peças devem ser precisas.
Preparando elementos
Limpe e desengraxe as superfícies do flange, verifique se há arranhões, depressões e amassados. Inspecione o próprio flange e os elementos de fixação - parafusos e porcas - quanto a corrosão. Remova rebarbas das roscas; primeiro, você também pode “conduzir” cada parafuso e porca ao longo das roscas. Lubrifique as roscas do parafuso ou pino. Prepare e instale a junta. Certifique-se de que esteja instalado corretamente, deve ficar no centro.
Importante: Não utilize juntas antigas; caso não seja possível substituir a junta, podem ser instaladas várias juntas antigas.
Sequência de aperto
A fixação confiável e correta do flange garantirá ordem correta aperto do parafuso. Para fazer isso, aperte levemente o primeiro parafuso, selecione o próximo parafuso do lado oposto e aperte-o levemente. O terceiro parafuso que você aperta fica um quarto de volta (90°) atrás do primeiro ou próximo a esse ângulo. O quarto é oposto ao terceiro. Continue a sequência até que todos os parafusos estejam apertados. Ao apertar flanges de 4 parafusos, use a técnica cruzada.
Torque
Para obter a conexão mais hermética, os parafusos devem ter o torque de aperto necessário. A tensão do aperto deve ser distribuída uniformemente pelo flange. Durante o aperto, o parafuso é submetido a uma força de tração oposta à força de aperto da conexão. Se você apertar demais, poderá arrancar as roscas do parafuso ou quebrar o próprio parafuso.
Para ajustar a força de aperto, são utilizadas diferentes técnicas de aperto:
mecanismo de tensionamento hidráulico;
chave de torque hidráulica;
chave de impacto pneumática;
chave de torque manual.
Como último recurso, você pode usar o aperto manual, mas esse método é melhor executado por um profissional.
Independentemente do método de aperto escolhido, a força com que as porcas são apertadas deve atender às especificações do produto.
Após a instalação do flange e a partida do sistema, é possível uma perda de torque de até 10% nas primeiras 24 horas de operação. Isto é inerente a qualquer conexão aparafusada devido à vibração, encolhimento da junta e mudanças de temperatura.
Depois de um ou dois dias, aperte ainda mais conexões rosqueadas até o tempo especificado, de acordo com a especificação.
__________________________________________________Para aumentar a confiabilidade de roscas e conexões de flangeé necessário aplicar métodos modernos de projeto de engenharia. Este artigo examina a possibilidade de simplificar o problema bastante complexo de cálculo de uma conexão flangeada aparafusada.
Simplificação do modelo e problema de cálculo de uma ligação flangeada aparafusada
Arroz. 1. Conexões aparafusadas e
sua aproximação esquemática (b)
para cálculos
No cálculo de engenharia mais simples, uma conexão de grupo (multiparafusos) (Fig. 1, a) é aproximada por um conjunto (em número) de buchas cônicas (Fig. 1, b), conectadas entre si por um absolutamente rígido, diafragma indeformável, que tem o formato de uma peça em planta. Cargas externas são transferidas para as buchas a partir do diafragma.
O modelo de cálculo descrito baseia-se no seguinte fato: ao apertar as tensões normais máximas (deformações) atuam nos pontos das peças conectadas localizadas próximas ao furo de montagem no flange (Fig. 2, a), formando os chamados cone de pressão(mostrado na figura com linhas tracejadas em azul). As peças conectadas ou suas peças - flanges - sofrem principalmente deformações de compressão, funcionando como hastes de seção transversal variável sob carga axial (Fig. 2, b). O contato das peças ocorre ao longo da área anular - base do cone de pressão.
Supõe-se que sob a influência de uma carga externa, a deformação principal também ocorre dentro do cone de pressão descrito, e a área de contato (base do cone) não depende da carga. Isso nos permite generalizar o modelo de cálculo de uma conexão apertada para o caso de influência simultânea de 1) aperto e 2) cargas externas.
O modelo de haste unidimensional de uma conexão real, disponível nas obras de Retscher, Bach, etc., ainda é suficientemente preciso para , quando as deformações de flexão das peças de flange conectadas são pequenas, por exemplo, ligações de corpos de máquinas, placas e quadros com bases rígidas. Os resultados de numerosos estudos mostram que a aproximação descrita também é aceitável para ligações com materiais finos e flexíveis. flanges. Neste caso, o cálculo corresponde satisfatoriamente ao experimento: 1) com tensões de aperto suficientemente altas σ 0 = (0,5…0,7)× σ t, onde σ t é a resistência ao escoamento do material parafuso, e 2) uma carga externa sob a qual a junta abre ligeiramente.
As tarefas para calcular a conexão consistem em determinação de forças no parafuso e nas peças apertadas sob a ação combinada da força de aperto e da força axial externa.
Cálculo de uma conexão com um fixador (parafuso ou pino)
Arroz. 3. Esquema das forças em
conexões roscadas apertadas.
Considere uma conexão com um fixador(Fig. 3, a), apertado com força F 0 e então carregado por força externa F= FΣ/z( FΣ é a força total que atua em uma conexão de grupo com o número de parafusos (ou ), igual a z), e determine a carga atuante no parafuso (perno), utilizando a esquematização acima descrita das peças conectadas em forma de buchas fixadas com diafragma.
Para solucionar o problema, substituímos as peças atraídas por buchas equivalentes em conformidade, e aplicamos uma carga externa nas extremidades superior e inferior das buchas simetricamente em relação ao eixo do parafuso (Fig. 4). Força F 0 é mostrado condicionalmente; ocorre devido à deformação preliminar do parafuso (perno) durante o aperto.
Arroz. 4. Esquemas para calcular forças em rosca
conexões de flange com parafusos ou pinos
A equação de equilíbrio para uma das buchas terá a forma
Onde F b - força adicional no parafuso que surge sob a influência de uma força externa F. Força na junta após aplicação de força externa F designada F c.
A equação (1) contém duas forças desconhecidas F banda F c. Para determiná-los, deve-se levar em consideração a equação de compatibilidade de deslocamento flanges e parafuso.
Se aceitarmos isso δ - alongamento adicional do parafuso sob a ação de uma carga externa, então a força total no parafuso
Onde λ b - complacência axial de um parafuso ou pino, correspondente ao seu alongamento sob a influência de uma força de magnitude unitária; Δ b - alongamento do parafuso ao apertar:
O encurtamento das buchas devido à compatibilidade de movimentos diminuirá em δ . A força na junta após a aplicação de uma carga externa:
Onde λ d - complacência axial das buchas conectadas, é igual à aproximação mútua das extremidades de apoio sob a ação de uma força compressiva de magnitude unitária.
Encurtamento inicial de peças intermediárias durante o aperto
Das equações (1) - (5) obtemos
Força adicional no parafuso devido à carga externa
Arroz. 5. Dependência de força em
parafuso F n de carga externa F.
Assim, numa ligação aparafusada apertada, apenas parte da carga externa é proporcional ao coeficiente χ , é percebido pelo parafuso. Outra parte da carga externa igual a 1 - χ , reduz a compressão inicial das peças, ou seja,
A dependência da força total no parafuso (perno) da carga externa é mostrada na Fig. 5. Para a conexão, cujo esboço é mostrado na Fig. 6, dependências semelhantes foram obtidas experimentalmente. As linhas sólidas mostram curvas correspondentes à altura das irregularidades do perfil R z = 0,4...0,8 µm na junção das buchas, tracejado - o mesmo para R z = 80...160 µm.
Arroz. 6. Dependência da força em um parafuso F suor
força e esforço externos pré-aperto.
A igualdade (11) é válida antes do início da abertura da junta. Força na junta após aplicação de força externa
| F c = F 0 - F d = F 0 - (1 - χ )F | (12) |
No F c = 0 a junta abrirá (ponto B c na fig. 5); enquanto a carga externa
F p = F 0 / (1 - χ )
e força total do parafuso
F n = F 0 + χ F p = F pág.
Para evitar que a junta se abra, um parafuso (ou outro flange fixador) deve ser apertado firmemente
F 0 min ≥ (1 - χ )F.
Assim, a força mínima de aperto conexão de flange determinado pela carga externa e seu design.
Após a abertura da junta, a carga externa é totalmente transferida para o parafuso, o que, sob carga variável, leva à ocorrência de tensões de impacto adicionais. Portanto, a força de aperto deve ser atribuída de modo que, para uma determinada carga externa F a junta permaneceu firme.
Onde α b, t banda eu b - coeficiente de dilatação linear, temperatura e comprimento do parafuso ou pino de fixação; α b, t banda eu b - o mesmo para conectado .
A força total que atua no parafuso neste caso é
tensão média do ciclo neste caso
Bibliografia
- Iosilevich G. B., Stroganov G. B., Sharlovsky Yu. V. Aperto e travamento de conexões roscadas.. - M.: Mashinostroenie, 1985. - 224 p.
- Gould D., Mikic M. Áreas de contato e distribuição de pressão em conexões aparafusadas// Design e tecnologia de engenharia mecânica. 1972. Nº 3... - P. 99.
- Retscher F. Peças de máquinas: em 2 volumes.. - M.: Gosmashmetizdat. 1933-1934..
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