POŁĄCZENIA I STYKI

STALOWYCH

KONSTRUKCJI

PRĘTOWYCH

Opracował: Mateusz Słota

1. Rodzaje połączeń stalowych konstrukcji

prętowych

• połączenia typu sworzniowego (nity, śruby

zwykłe, śruby średniodokładne, sworznie),

• połączenia cierne (sprężone śrubami wysokiej

wytrzymałości),

•połączenia termiczne (spawane, zgrzewane)
• połączenia niekonstrukcyjne (kołki

wstrzeliwane, śruby samogwintujące, nity

jednostronne, klejenie)

1. Rodzaje połączeń stalowych

konstrukcji prętowych

Podział połączeń ze względu na wymiarowanie i

pracę złączy:

•

połączenia odkształcalne (śrubowe zwykłe oraz nitowe - pod

wpływem działania sił mogą wystąpić odkształcenia trzpieni i

przemieszczenia łączników
• połączenia nieodkształcalne (spawane, zgrzewane, klejone,

śrubowe cierne – nie występują poślizgi)

Podział połączeń ze względu na rozbieralność:

• połączenia rozbieralne
• połączenia nierozbieralne

2. Połączenia spawane

POŁĄCZENIA SPAWANE

– nierozbieralne, typu

strukturalnego, czyli obciążenia z jednego łączonego elementy
na drugi jest przekazywane za pomocą sił wiązań
międzyatomowych

SPAWANIE

- łączenie metali, polegające na doprowadzeniu

ciepła do łączonych krawędzi, powodującego przejście do
stanu ciekłego i wzajemnego połączenia w tym stanie; po
wystygnięciu tworzy sie jednolite złącze zwane spoiną.

a - spoina
b- strefa częściowego przetopu
c - strefa przegrzania o strukturze
gruboziarnistej
d - strefa normalizacji o strukturze
drobnoziarnistej
e - strefa rekrystalizacji
f - strefa największej twardości i kruchości

2.1. Rodzaje spoin i złączy spawanych

SPOINY

PACHWINOWE

układane w

naturalnych rowkach,

powstających miedzy

powierzchniami

łączonych elementów

Podział spoin ze względu na konstrukcję

:

CZOŁOWE

układane w specjalnych

rowkach utworzonych

wskutek zukosowania

brzegów elementów

łączonych

OTWOROWE

powstające w wyniku

wypełnienia otworów lub

szczelin wykonanych w

jednym z elementów

łączonych

SPOINY

SZCZEP

NE

NOŚNE

SZCZELN

E

Podział spoin ze względu na charakter pracy:

2.1. Rodzaje spoin i złączy spawanych

Podział spoin ze względu na sposób wykonania:

SPOINY

CIĄGŁE

PRZERYW

ANE

2.1. Rodzaje spoin i złączy spawanych

Rodzaje złączy spawanych:

ZŁĄCZA

DOCZOŁO

WE

TEOWE

KRZYŻO

WE

ZAKŁADKO

WE

NAKŁADKO

WE

2.2. Grubości obliczeniowe spoin

• Obliczeniowa grubość spoiny czołowej z pełnym przetopem

t

1

≤ t

2

a

w

= t

1

(grubość cieńszego elementu)

a

w

= t

1

(grubość elementu ze spoiną)

• Obliczeniowa grubość spoiny czołowej z niepełnym
przetopem

a

nom1

+ a

nom2

≥ t

c

nom

≤ min (t/5; 3 mm)

W przypadku niespełnienia tego wymagania nośność
takiego złącza wyznacza się zależnie od głębokości
przetopu jak w przypadku spoin pachwinowych zwykłych

lub

z głębokim przetopem.

2.2. Grubości obliczeniowe spoin

• Obliczeniowa grubość spoiny pachwinowej

a

w

– wysokość największego trójkąta wpisanego w

spoinę

Grubość spoiny nie powinna być mniejsza niż 3mm

Naprężenia w przekroju spoiny pachwinowej

Warunki nośności spoiny
pachwinowej

Metoda kierunkowa

2.3. Wytrzymałość połączeń spawanych

Połączenia spawane powinny spełniać warunki nośności i sztywności, a w
przypadku konstrukcji projektowanych z uwzględnieniem rezerwy plastycznej
– w miejscach styków lub węzłów spoiny powinny być „przewymiarowane”
tak, aby odkształcenia plastyczne występowały tylko w łączonych
elementach a nie w spoinach.

Styki powinny być lokalizowane, w miarę możliwości, poza miejscami
największego wytężenia elementów;

Środek ciężkości grupy spoin w połączeniu powinien leżeć, w miarę możliwości,
na osi ciężkości łączonych elementów;

2.4. Naprężenia spawalnicze

Naprężenia spawalnicze

Są to naprężenia własne, powstające w procesie spawania
wskutek nierównomiernego nagrzewania i stygnięcia
elementu łączonego oraz wskutek przemian strukturalnych
związanych ze zmianą objętości niektórych składników
struktury.

Zabiegi zmniejszające naprężenia własne

• konstrukcyjne (stosowanie materiałów o dobrych własnościach plastycznych,
ograniczenie grubości i ilości spoin, unikanie spoin krzyżujących sie oraz blisko
położonych)

•

technologiczne (odkształcenia wstępne przeciwne niż odkształcenia

skurczowe, podział
na podzespoły, wstępne podgrzewanie wyżarzenie odprężające)

2.5. Wady i zalety połączeń spawanych

Zalety połączeń spawanych:

•

łatwość i szybkość wykonania (brak trasowania,

wiercenia)

• możliwość pełnej automatyzacji, uniwersalność
zastosowania

•

mniejszy ciężar łączników w porównaniu do nitów i śrub

•

zmniejszenie liczby nakładek i blach węzłowych

Wady połączeń spawanych:

• trudności związane ze spawaniem stali o dużej
zawartości węgla oraz niektórych stali stopowych
• powstawanie dodatkowych naprężeń i odkształceń
spawalniczych

• konieczność wykonywania spoin przez
wykwalifikowanych spawaczy

• wysoki koszt materiałów i urządzeń stosowanych przy
spawaniu

Podział

połączeń

trzpieniowych

:

ROZBIERALNE - łączone elementy można
rozdzielić bez
konieczności zniszczenia łączników:
- śrubowe
- sworzniowe
- na wkręty samowiercące
- na wkręty samogwintujące.

NIEROZBIERALNE - łączone elementy
można rozdzielić po wcześniejszym
zniszczeniu łączników:
- nitowe
- na kołki wstrzeliwane
- na gwoździe (kołki) wstrzeliwane
- na nity jednostronne

3. Połączenia trzpieniowe

Podział połączeń trzpieniowych z uwagi na sposób obciążenia:

ZAKŁADKOWE - obciążenie działa prostopadle do osi łącznika
(śrubowe, nitowe, sworzniowe).

DOCZOŁOWE - obciążenie działa równolegle do osi łącznika
(śrubowe).

3.1. Rodzaje połączeń trzpieniowych

3.2. Łączniki trzpieniowe, schematy obciążeń

ŚRUBY

geometria

oznaczenia

klasy dokładności

śrub

zgrubna (C),
średniodokładna
(B),
dokładna (A);

luzy w otworach

połączenie zwykłe
Δ = d

0

- d = 2,0÷3,0

mm

połączenie pasowane
Δ= d

0

- d = 0,2÷0,3 mm

3.2. Łączniki trzpieniowe, schematy obciążeń

Klasy wytrzymałości śrub wg PN-EN 1993-1-
8

Schemat obciążenia łącznika trzpieniowego
- śruba:

siła P – docisk
siła N – rozciąganie

Nośność obliczeniowa na ścinanie dla pojedynczej śruby

Nośność obliczeniowa na docisk dla pojedynczej śruby

Nośność obliczeniowa na rozciąganie dla pojedynczej
śruby

3.2. Łączniki trzpieniowe, schematy obciążeń

NITY

rozgrzanie nita

do temperatury tzw.

„pomarańczowego

żaru”

(900 – 1100

o

C )

Proces nitowania

wprowadzenie

gorącego nita

do otworu

uformowanie (zakucie)

drugiego

łba (młot lub niciarka)

Geometria

kształty łbów:

• kuliste

• soczewkowe

• płaskie

3.2. Łączniki trzpieniowe, schematy obciążeń

Schemat obciążenia łącznika trzpieniowego
- nit:

siła P – docisk
siła N – rozciąganie
(nie
zalecane)

3.2. Łączniki trzpieniowe, schematy obciążeń

SWORZNIE

Rzadko występujące w praktyce sworznie znajdują zastosowanie w przypadku
konstrukcji budowlanych wielokrotnie i szybko montowanych i demontowanych
(mosty przenośne, urządzenia dźwigowe, maszty).

Sworzeń nie może być rozciągany, a obciążenie musi odznaczać się płaszczyzną
symetrii prostopadłą do osi trzpienia.

Sworznie mają z jednej strony łeb, albo też z obu stron zabezpieczone są
zawleczką albo pierścieniem z kółkiem.

3.2. Łączniki trzpieniowe, schematy obciążeń

Schemat obciążenia łącznika trzpieniowego -
sworzeń:

siła P – docisk

3.2. Łączniki trzpieniowe, schematy obciążeń

INNE ŁĄCZNIKI TRZPIENIOWE

a) nit jednostronny
b) blachowkręt
c) wkręt samogwintujący
d) wkręt samowiercący
e) kołek wstrzeliwany

Przekroje z otworami na łączniki należy

sprawdzać na rozerwanie blokowe

Symetryczna grupa śrub obciążona
osiowo

Grupa śrub obciążona mimośrodowo

3.2. Łączniki trzpieniowe, schematy obciążeń

PODKŁADKI

45

o

8%

14%

podkładka dla śrub

zwykłych

podkładka dla

śrub 8.8 i 10.9

podkładka klinowa

dla ceowników

podkładka klinowa dla

dwuteowników

Funkcja podkładek:

•

Podkładki klinowe stosuje się przy połączeniach śrubowych kształtowników z

nachyloną stopką,

• ochrona powłoki antykorozyjnej przed jej zdarciem podczas ruchu obrotowego
nakrętki,

• zmniejszenie oporów tarcia obracającej się nakrętki (podkładka jest bardziej
gładka niż element łączony),

• rozłożenie nacisku nakrętki na większą powierzchnię

3.3. Formy zniszczenia połączeń trzpieniowych

Formy zniszczenia połączenia z jedną
śrubą

• ścięcie trzpienia

połączenie dwucięte

połączenie jednocięte

3.3. Formy zniszczenia połączeń trzpieniowych

• zerwanie trzpienia

• przeciągnięcie

przez ściankę

3.3. Formy zniszczenia połączeń trzpieniowych

• docisk do ścianki otworu

owalizacja otworu

wyparcie materiału

3.4. Wady i zalety połączeń trzpieniowych

Zalety połączeń trzpieniowych

:

•

mogą być wykonane w każdych warunkach atmosferycznych,

• mogą być wykonane przez pracowników nie mających wysokich kwalifikacji,

•

mogą łączyć elementy z różnych gatunków stali, a nawet różnych metali

Wady połączeń trzpieniowych:

•

większe zużycie stali (osłabienie przekroju otworami, dodatkowe blachy

węzłowe)

•

brak możliwości odnowy powłok antykorozyjnych między elementami połączonym

•

Obecnie powszechnie stosuje się połączenia spawane jako złącza

warsztatowe i połączenia śrubowe jako montażowe

4. Styki stalowych konstrukcji prętowych

Rodzaje styków

styk pręta rozciąganego osiowo

styk prosty

styk złożony

styki elementów zginanych i połączenia w
węzłach

4. Styki stalowych konstrukcji prętowych

1-1

2

13.5

8

8

20

20

64

0

60

60

180

300

10

0

40

10

0

40

10

0

x

10

0

48

0

y

A

480

40

80

80

40

950

80

2-2

320

2

1

1

2xbl.8x320

bl.20x300

HEA 650

50

50

5x75=375

75 75

75

75

950

50

50 75

40

40

Przykład konstrukcji

styku uniwersalnego

dwuteownika HEA 650

4. Styki stalowych konstrukcji prętowych

Styk uniwersalny

1. Nośność obliczeniowa przyjętych śrub
F

S.Rd

= k

s

nμF

pc

/

M3

(gdzie siła sprężająca F

pc

= 0,7f

ub

A

s

)

2. Podział momentu zginającego przekrój styku
M

Ed

= M

pEd

+ M

nEd

M

pEd

= M

Ed

[J

p

/(J

p

+ J

n

)]

M

nEd

= M

Ed

[J

n

/(J

p

+ J

n

)]

3. Siła działająca na śruby pionowe (nakładki)
F

ni

= M

nEd

/h  m F

S.Rd

(h – osiowy rozstaw nakładek)

4. Siła i moment działające na śruby poziome (w
przykładkach)
F

imax

 F

S.Rd

4. Styki stalowych konstrukcji prętowych

Rozmieszczenie śrub

(e

1

, e

2

) ≥ 1,2 d

0

p

1

≥ 2,2d

0

i p

2

≥ 2,4d

0

BIBLIOGRAFIA:

[1] PN-EN 1993-1-8, Eurokod 3: Projektowanie
konstrukcji stalowych, Część 1-8: Projektowanie
węzłów;

[2] Konstrukcje Stalowe, SKRYPT, Dr inż. Stefan
Dominikowski, mgr inż. Piotr Bogacz, Olsztyn 2005;

[3] Projektowanie konstrukcji stalowych według Eurokodu
3, Część 4-połączenia śrubowe, Antoni Biegus, Wrocław
2010;

Dziękuję za uwagę.