POŁĄCZENIA I STYKI
STALOWYCH
KONSTRUKCJI
PRĘTOWYCH
Opracował: Mateusz Słota
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.