מכניקה וכשל של בולטים
מאמר זה עוסק בהיבטים הנדסיים של בולטים ומנסה להסביר את המנגנון, התכונות שמשפיעות והמקרים השונים שמובילים לכשל של בולטים. מתוך המנגנון הזה נגזרים מספר כללי אצבע לבילוט, שמשפרים באופן משמעותי את החוזק והבטיחות של בולטים. המאמר הזה לא מתיימר להיות ריגורוזי, מדוייק או מדעי אלא להסביר את העקרונות ההנדסיים.
הנושא הזה גם מכוסה, מכיוון אחר, כאן.
נבדיל בין שלשה מקרים:
- כשל של הסלע
- כשל של הבולט עצמו
- כשל של ממשק סלע-בולט
תוכן עניינים
כשל של הסלע
הדינמיקה של כשל של הסלע היא מסובכת, מכיוון שסלע, מטבעו, בד״כ אינו הומוגני. יש לו איזורי חולשה (איזורים רכים, סדקים, כיסים וכו׳) והחוזק שלו שונה בכיוונים שונים.
מקרים ברורים הם:
- שיכוב אופקי בסלעי משקע.
- מינרלים שמתגבשים עם כיווניות ברורה.
לכן, נוח לנו לנתח מנגנוני כשל של סלע בתווך הומוגני כמו בטון (או גוש סלע גדול והומוגני, אבל בטון יותר זמין...).
מכיוון שסלע אינו הומוגני, נבחן התנהגות של עיגונים בבטון. ניסויים מראים שחוזק העיגון לשליפה (משיכה בניצב לפני השטח) תלוי בעיקר בעומק העיגון. ההסבר האינטואיטיבי הוא שכל אלמנט נפח (כמו קובייה קטנה) של סלע מפעילה כוח על השכנים הקרובים אליה. כדי להתנתק מהם - צריך לשבור את ה״הדבקה״ הפנימית שבין הקוביות. זה תלוי בסוג החומר, כמובן, אבל מקובל שבסלע (וגם בבטון) כל אלמנט נפח כזה דוחף יותר מקוביה אחת. באיור שלנו (שהוא דו-מימדי), פישטנו את אלמנטי הנפח לכדורים קטנים, וניתן לראות שכל כדור ״דוחף״ שני כדורים שכנים. מקבלים שהאיזור המושפע מהמשיכה הוא מעין משולש. אם נדמיין מבנה תלת מימדי - נקבל חרוט שמושפע מהמשיכה הזו, ובמקרה של כשל - יישבר חרוט של חומר ויישלף החוצה מהחומר. זווית הראש של החרוט תלוייה בתכונה של החומר, שיש לה שם מוזר. ניתן לכנות אותה ״מקדם חוזק ההדבקה העצמית״ או ״מקדם ההחלקה הפנימית״ או משהו כזה. אני מקווה שאתם מבינים את הרעיון.
זה אומר שהחוזק של הבולט, בהקשר של כשל של הסלע, תלוי באופן ישיר בשטח המעטפת של החרוט הזה. ככל שהחרוט גדול יותר - יש יותר שטח מעטפת - יש יותר שטח הדבקה ונדרש כוח גדול יותר לשבור אותו. שטח המעטפת הזה תלוי בשני דברים:
- בזווית הראש של החרוט.
- בגובה של החרוט.
זווית הראש של החרוט היא שונה מחומר לחומר, כאמור, אבל בבטון (ובסלעים מסוגים שונים) היא דומה ל-45°. אנחנו ניקח 45° כמספר כללי, שגם נוח לעבוד איתו (נראה בהמשך למה).
הגובה של החרוט הוא העומק של נקודת האחיזה של הבולט, כלומר - בערך האורך של הבולט.
יוצא, שככל שהבולט יותר ארוך - הסיכוי לכשל של הסלע יורד.
מכאן מובן גם שכאשר חלק משטח המעטפת של החרוט חסר, שטח ההדבקה קטן יותר והכוח הדרוש לשבירת ההדבקה קטן גם הוא. זה קורה כאשר יש הפרעה בקרבת הבולט למשל:
- כיס אוויר
- חריץ או סדק
- פינה של סלע
- חור שקדחנו והתחרטנו
על כיסי אוויר וסדקים פנימיים קשה לנו לדעת, אבל על פינות סלע, סדקים שמגיעים לפני השטח וחורים/פוקטים ופגמים אחרים - אנחנו יודעים. יש להתחשב בכל אלו כשבאים למקם את החור לבולט. כאן שוב חוזרת הזווית של 45° שנזכרה קודם. הזווית הזו, יחד עם אורך הבולט מגדירים את שטח הבסיס של החרוט. שטח זה הוא בצורת עיגול (בסיס של חרוט) שהרדיוס שלו, עם זווית של 45° יהיה זהה לגובה החרוט - ולאורך הבולט.
כלומר - הדרך לקבל חוזק מקסימאלי מבולט קיים היא להקפיד שלא תהיה שום הפרעה על פני השטח, במרחק הקטן מאורך הבולט.
וגם... בולט אחר:
מאותה סיבה, יש להקפיד על מרחק מינימאלי בין בולטים:
סביר לחשוב ששני בולטים יוצרים עגינה חזקה פי שניים מבולט אחד. אבל זה נכון רק אם שני הבולטים הם בלתי תלויים, כלומר - אם אף אחד מהבולטים לא משפיע על החוזק של הבולט השני. אבל אם שני הבולטים קרובים במידה כזו שחרוטי המאמץ שלהם ״עולים״ זה על זה - התחנה כבר לא תהיה חזקה פי שניים מבולט אחד...
כשל של הסלע יכול להתרחש במספר צורות:
שליפה של הבולט יחד עם חלק מהסלע
אם הסלע מאסיבי, הוא יתנהג כמו בבטון, וזה אומר - שליפה של קונוס סלע מתוך הסלע. ממש כמו שהוסבר בסעיף הקודם.
שבירה של הסלע בסמוך לחלל אויר/כיס המסה/חריצים או סדקים
זה יקרה במקרים שהבולט קרוב לכיס אויר או סדק בסלע. למעשה - בגלל ששטח ההדבקה של הסלע לעצמו מופחת באופן משמעותי - העיגון חלש בהרבה.
כשל של הבולט עצמו
ברגים של 8מ״מ ומעלה הם בעיקרון חזקים מספיק לשימושים של טיפוס וגלישה. הבעייה היא שיש להם גם אורך חיים קצר יותר:
- מכיוון שקורוזיה מתפתחת על פני השטח. ככל שהבורג דק - כך השכבה החיצונית שלו מהווה חלק גדול יותר משטח החתך שלו. זה אומר שהבולט ״מזדקן״ יותר מהר.
- בורג דק יותר קל למתוח. זה אומר שהידוק יתר של הבורג עלול להפחית את העמידות שלו בגזירה ולקרב אותו לכשל.
על הבורג של הבולט פועלים שני מאמצים עיקריים:
- מאמץ גזירה - בהעמסה במקביל לפני הסלע.
- מאמץ קריעה - בהעמסה בניצב לפני הסלע (בכיוון שליפה).
גזירה של הבורג 1
מאמץ גזירה על הבורג קיים כאשר פועלים עליו שני כוחות במקביל לפני השטח של הסלע. זה קורה כאשר מעמיסים את הבולט במקביל לפני הסלע. מקרים כאלו הם נדירים בברגים עבים (10מ״מ ומעלה) אבל כשהבולט עובר תהליכי קורוזיה באופן קיצוני - זה עלול לקרות.
גזירה של הבורג 2
מאמץ גזירה נוסף עלול להתרחש בפיתול: אם מנסים להדק את הבורג, אבל הוא מודבק למקומו על ידי דבק או קורוזיה - הבורג עשוי להיגזר בנקודה שבה הוא נכנס לדבק. זוהי הנקודה שבמעבר בין חלק הבורג שיכול להסתובב וחלקו שאינו יכול להסתובב. גם אם הבורג לא יישבר - הוא עלול להיחלש מאד ובפעם הבאה שיעמיסו אותו - הוא יישבר בסיכוי גבוה.
קריעה של הבורג
כשל כזה נובע ממאמץ המתיחה שקיים במשיכה של הבולט בכיוון ניצב לפני הסלע - בכיוון שליפה. למעשה - בבולטים מכאניים קיים מאמץ מתיחה גם ללא עומס על הבולט. האום שמהדק את האוזן לפני הסלע למעשה מותח קצת את הבורג של הבולט. מהחוזק למתיחה תלוי בחומר (כמובן) ובשטח החתך של הבורג.
למעשה - בבולטים מכאניים (לא ברגים היוצרים הברגה) הקוטר האפקטיבי לקריעה קטן מקוטר הבורג והוא החלק הצר ביותר של הקונוס של הבורג. בבולטים כימיים ובבולטים נקדחים ביד הקוטר האפקטיבי לקריעה הוא קוטר הבורג.
בבולטים כימייים של one-piece אין מאמץ מתיחה קבוע על הבולט. אבל אין זה אומר שהם לא נחלשים כתוצאה מקורוזיה.
כשל של האוזן
תחת עומס גדול - גם אוזן תקינה תתעוות ותיקרע. אוזן לא תקינה עשוייה להיחלש מקורוזיה רגילה (חלודה עמוקה) או קורוזיה של מאמץ. לכן חשוב להדק את האום במידה...
כשל של ממשק סלע-בולט
בולטים מכאניים - זחילה של הבולט החוצה
בבולטים מכאניים, הממשק של הסלע עם הבולט הוא הנקודות בהן הבולט ״אוחז״ בסלע. בסלע רך, הנקודות האלו ישברו בסלע, והבולט יוכל להימשך מעט החוצה. עם הזמן הבולט יזחל עוד ועוד, עד לשליפה או שבירה של חרוט קטן.
בבולטים כימיים - שבירה של ההדבקה
העמסה של הבולט לפני התקשות סופית של הדבק תגרום לשבירה של ההדבקה, והחלשה משמעותית של הבולט.
גורמים נוספים להדבקה לא טובה הם חור לא נקי מאבק הקידוח או ממים. במקרים כאלו הריאקציה הכימית עם הסלע היא נחותה ומגיעה להחלשה של כ-30% מחוזק העיגון!
