CAPITOLUL VI

FORFECAREA

6.1. Generalităţi

Îmbinările dintre diferitele elemente ale unei structuri de rezistenţă, pot fi: demontabile, din care fac parte îmbinările cu şuruburi, cuie, buloane, chertări, etc nedemontabile, ca cele realizate prin nituire, sudare, încleiere, etc.

Elementele componente ale unei structuri, sunt solicitate în general la forfecare, întindere, compresiune sau uneori la strivire (care este tot o compresiune locală).

O secţiune transversală a unei bare este supusă la forfecare dacă, la reducerea forţelor interioare ce acţionează pe secţiune în centrul ei de greutate, torsorul se reduce doar la o forţă cuprinsă în planul secţiunii, adică la o forţă tăietoare.

În general forfecarea apare însoţită şi de alte solicitări. În cazul îmbinărilor barelor solicitate la eforturi axiale de exemplu, forfecarea este solicitarea preponderentă. Solicitarea de forfecare pură este greu de realizat. În studiul care se va efectua în continuare, efectul încovoierii se neglijează.

Pentru a o pune în evidenţă se consideră o bară de secţiune dreptunghiulară şi având grosimea mică, tăiată cu o foarfecă ale cărei cuţite alunecă apropiat unul faţă de celălalt (fig. 6.1 - a). solicitată de două forţe exterioare egale, paralele şi de sens opus T.

Fig. 6.1 – Forfecarea unei piese

După ce cuţitele au pătruns în material, prin producerea unei compresiuni foarte mari care distruge materialul, între cele două forţe de tăiere sau de forfecare, apare o excentricitate (fig. 6.1 - b). Distanţa dintre cele doua forţe T fiind foarte mică, are un caracter practic localizat, însă, în general, forţele tăietoare nu apar izolat ci însoţesc întotdeauna momentele încovoietoare.

La piesele cu secţiune mică (nituri, şuruburi, cordoane de sudură) în comparaţie cu dimensiunea elementelor de îmbinat se consideră cu suficientă aproximaţie o distribuţie uniformă a tensiunilor tangenţiale în secţiunea transversală.

Astfel, formula cu care se determină valoarea tensiunii t este de forma:

(6.1)

formulă pentru calculul simplificat la forfecare al pieselor de dimensiuni mici.6.2. Calculul îmbinărilor

77

a. Îmbinări nituiteNituirea este o metodă de îmbinare a două sau mai multe bare metalice. Obişnuit

nitul are o tijă uşor tronconică şi un cap de aşezare, se introduce în golul din piese la circa 1000 oC, iar cel de-al doilea cap se formează prin batere la cald. Între tija nitului şi gaura din piese este un joc de 1 mm aproximativ, care se umple la baterea celui de-al doilea cap. Prin răcire, tija nitului se contractă transversal şi între peretele găurii şi tija nitului rămâne un spaţiu liber de ordinul 0,1 mm, iar nitul presează puternic piesele din îmbinare. Se studiază o îmbinare teoretică a două piese cu un singur nit, care are rolul de transmitere a forţei axiale de la piesa 1 la piesa 2 (fig. 6.2 - a).

Fig. 6.2 – Asamblare nituită

Sub acţiunea forţei axiale N, care solicită îmbinarea, piesele au tendinţa de a luneca una faţă de alta, prin urmare nitul se poate distruge prin forfecarea tijei nitului în zona de separaţie dintre piese sau/şi prin strivirea suprafeţei semicilindrice a tijei nitului în zona de contact cu peretele găurii din piesă (fig. 6.2 - b).

Problemele care se pun la calculul unei îmbinări nituite sunt: calculul numărului de nituri necesar îmbinării verificarea îmbinării, cunoscând numărul de nituri.

Nitul poate ceda prin forfecare sau prin strivire.

Forfecarea niturilor

Cu referire la îmbinarea a (doar) două piese, distrugerea niturilor prin acest mecanism se poate datora forfecării secţiunii transversale a tijei nitului (şurubului), aria secţiunii de forfecare fiind:

(6.2)

O îmbinare de felul celei din figura de mai jos (fig. 6.3) nu este recomandabilă, aceasta prezentând dezavantajul introducerii unei excentricităţi „t”, la transmiterea forţei axiale N de la o piesă la cealaltă.

Fig. 6.3 – Asamblare nituită-introducerea unei excentricităţi

78

Daca îmbinarea are trei piese (de exemplu, o platbandă şi două eclise ca în figura 6.4) distrugerea niturilor se poate face prin forfecarea concomitenta în doua secţiuni aşa cum se vede în detaliu. Deci:

(6.3)

Fig. 6.4 – Asamblare nituită-două secţiuni de forfecare

Forţa capabilă la forfecare, numită şi rezistenţă la forfecare a nitului, pentru un nit cu o singură secţiune de forfecare este:

(6.4)

unde: d - diametrul nitului - tensiunea admisibilă la forfecare.

Pentru un nit cu 2 secţiuni de forfecare, ca în fig. 6.4, rezultă:

(6.5)

Experimental s-a constatat că

(6.6)

Strivirea niturilorPe suprafeţele de strivire distribuţia tensiunilor este neuniformă atât pe suprafaţa

semicilindrică a tijei, cât şi pe grosimea pieselor din îmbinare (fig. 6.5).

Fig. 6.5 – Distribuţia tensiunilor normale în realitate

79

În calcule însă, se admite o distribuţie uniformă a tensiunii de strivire ( ) pe grosimea pieselor şi pe suprafaţa diametrală a nitului (fig. 6.6).

Fig. 6.6 – Distribuţia uniformă a tensiunilor de strivire

Rezistenţa la strivire a nitului, ţinând cont de suprafaţa de strivire este:

(6.7)

unde:

- suma minimă a grosimilor pieselor "trase" în aceeaşi parte;

d – diametrul nitului; - tensiunea admisibilă la strivire.

Rezistenţa admisibilă la strivire , determinată experimental, este:

(6.8)

Numărul de nituri este:

(6.9)

unde:N - forţa de întindere ce solicită îmbinarea;

(6.10)

Verificarea se scrie sub forma:

(6.11)

Din punct de vedere constructiv o îmbinare nituită se realizează dispunând nituri după figuri geometrice care să conducă la îmbinări centrate, se respectă distanţele

80

minime şi maxime între nituri şi se caută ca slăbirile secţiunilor barelor să fie cât mai mici şi de asemenea lungimea îmbinării.

b. Îmbinări sudate

La îmbinarea diferitelor elemente ale structurilor de rezistenţă se utilizează pe scară mare sudura. Îmbinarea prin sudare prezintă o serie de avantaje faţă de îmbinarea nituită: manoperă scăzută, elementele nu sunt slăbite prin efectuarea găurilor de nit, preţ de cost redus, consum redus de metal etc.

Sudura este mijlocul de îmbinare a două piese metalice cu ajutorul căldurii realizate de obicei de arcul electric stabilit prin intermediul unui electrod care prin topire formează material de adaos.

Sub efectul temperaturii foarte ridicate materialul de bază al piesei se topeşte şi formează cu materialul de adaos cordonul de sudură.

Calculul îmbinărilor sudate ca şi al celor nituite de altfel, se face convenţional, considerându-se că tensiunile sunt distribuite uniform în secţiunile respective.

Sudurile se clasifică după poziţia cordoanelor în raport cu piesele pe care le îmbină, astfel: suduri cap la cap (în adâncime) si suduri de colţ (în relief).

Calculul sudurilor de colţ

Sudura de colţ se execută în cazul pieselor suprapuse sau care fac un unghi oarecare între ele.

Să observăm pentru exemplificare figura 6.7 unde este reprezentată o îmbinare realizată cu sudură de colţ, între două platbande solicitate axial, la întindere. După dispunerea cordoanelor de sudură, ele pot fi cordoane laterale sau frontale, în funcţie de poziţia lor faţă de forţă (în direcţia acesteia sau perpendiculară pe ea).

Fig. 6.7 – Poziţionarea cordoanelor de sudură

Elementele de calcul ale unui cordon sunt (fig. 6.8):- grosimea notată "a", care de obicei se alege;- lungimea de calcul a cordonului care rezultă din lungimea reală minus aşa

numitele cratere finale de început şi sfârşit al sudurii pe care nu se contează că ar lucra, cratere ce se consideră a avea lungimea egală cu „a”.

(6.12)

81

Experimental, se constată că sudurile de colţ se rup prin forfecare în planul bisector (plan la 45°) al cordonului de sudură, prin depăşirea valorilor tensiunilor tangenţiale de rupere ale materialului sudurii.

Fig. 6.8 – Elementele de calcul ale unui cordon de sudură

Sub acţiunea forţelor N, cordoanele de sudură laterale (CL) sunt solicitate la forfecare. Convenţional pentru calcul se admite că şi cordoanele frontale (CF) sunt solicitate tot la forfecare.

Grosimea de calcul a cordonului de sudură „a”, se consideră a fi egală cu înălţimea triunghiului isoscel înscris în secţiunea transversală a cordonului de sudură; grosimea recomandabilă va fi:

(6.13)

cu tmin – grosimea piesei celei mai subţiri care se sudează.În cazul profilelor tip cornier, relaţia de calcul va fi a = 0,85 t . Pentru sudurile de

rezistenţă, grosimea minimă a cordonului de sudură este min a = 3…4 mm.Aria suprafeţei de forfecare este:

(6.14)

unde:a - grosimea cordonului de sudură; ls - lungimea cordonului de sudură.

Problemele care se pun sunt: dimensionarea sudurii - pentru un număr „i” de cordoane de sudură,

avem:

(6.15)

unde: N - forţa ce solicită sudura;

- tensiunea admisibila de forfecare a sudurii;

82

- suma ariilor secţiunilor tuturor cordoanelor de sudură ce participă la

transmiterea forţei N.Experimental s-a demonstrat:

(6.16)

Din expresia (6.15) se alege a astfel: 3 mm a 0,7 t min şi rezultă ls.Observaţie: corespunde materialului pieselor care se îmbină.

verificarea sudurii

(6.17)

Calculul îmbinărilor sudate cap la cap

Cea mai simplă şi sigură în acelaşi timp, este îmbinarea cap la cap. Acest tip de îmbinare constă în umplerea cu metal topit a spaţiului (rostului) dintre extremităţile elementelor care se îmbină (fig. 6.9).

Fig. 6.9 – Sudura cap la cap

Într-o astfel de îmbinare cordonul de sudură este supus la acelaşi tip de solicitare ca cel la care sunt supuse elementele care se îmbină, (solicitare axială de întindere sau compresiune).

La îmbinările cap la cap grosimea cordonului de sudură este egală cu grosimea pieselor, dacă acestea au grosimi egale. Marginile pieselor se prelucrează cel mai des in V şi X (fig. 6.9) pentru a permite o pătrundere adecvată a materialului de adaos.

Secţiunea de calcul a cordonului de sudură este:

(6.18)

iar a = tmin.

Verificarea:

(6.19)

Dimensionarea:

(6.20)

Se alege a = tmin şi rezultă .

- tensiunea admisibilă a sudurii în funcţie de tipul solicitării (întindere, compresiune).

83