POŁĄCZENIA

POŁĄCZENIA NA ŚRUBY, NITY I SWORZNIE

Połączenia typu sworzniowego, czy trzpieniowego (na nity, śruby, sworznie) należą do najstarszych

sposobów łączenia elementów konstrukcyjnych ze stali. Wieloletnie doświadczenia z eksploatacji tych

połączeń wykazały, że stosowanie nitów i śrub w konstrukcjach budowlanych jest korzystne z uwagi na

pewność konstrukcji, jak i ze względu na łatwość wykonania połączeń.

Montaż konstrukcji, w których zaprojektowano styki śrubowe, jest prosty i nie wymaga instalowania

kosztownych urządzeń, a ponadto może być realizowany przez robotników o niewysokich kwalifikacjach.

We współczesnych konstrukcjach stalowych zastosowanie nitów znacznie ograniczono; nitowanie w ogromnej

większości przypadków zastąpiono spawaniem. Jednak wiele odpowiedzialnych konstrukcji, zwłaszcza

narażonych na obciążenia o charakterze dynamicznym, jest w dalszym ciągu wykonywanych jako nitowe. Nity

stosuje się na przykład w połączeniach montażowych głównych dźwigarów mostowych, w przypadku

niektórych typów belek podsuwnicowych itp. Natomiast znaczenie połączeń śrubowych stale wzrasta. Śruby

uważane są obecnie za najkorzystniejsze łączniki w połączeniach montażowych.

Praca nitów oraz śrub w połączeniach jest w zasadzie identyczna i polega na przenoszeniu sił przez docisk do

ścianek otworu, dlatego też sposób obliczania i kształtowania tych połączeń przeprowadza się według tych

samych zasad.

Śruby zwykłe i pasowane – o łbach i nakrętkach sześciokątnych wykonuje się ze stali



niskowęglowej. Śruby te występują w trzech klasach

dokładności i oznaczone są symbolami:

C – zgrubna,

B – średnio dokładna,

A – dokładna.

Różnią się one sposobem obróbki
i dokładnością wykonania
powierzchni chropowatości trzpienia

Śruby dokładne pracują w połączeniach z luzem

=(0,21,0) mm.

=> d

=d+



Śruby zgrubne pracują w połączeniach z luzem

=(1,03,0) mm.

Jeżeli chodzi o połączenia na śruby pasowane, to otwory do nich są wstępnie wiercone o średnicy mniejszej

od nominalnej średnicy trzpienia. Zachodzi tu konieczność montażu próbnego w warsztacie. Stosowanie tego

typu łączenia jest pracochłonne i kosztowne, dlatego projektuje się je w wyjątkowych przypadkach.

Śruby i nakrętki stalowe podzielono na klasy w zależności od wymaganej wytrzymałości na rozciąganie f

i wymaganej granicy plastyczności f

. Klasy te oznacza się symbolem składającym się z dwóch liczb

przedzielonych kropką:

- pierwsza liczba stanowi 0,01 minimalnej wymaganej wytrzymałości na rozciąganie f

- druga liczba, to 0,1 procentowego stosunku granicy plastyczności do wytrzymałości

na rozciąganie f

Przykładowo: symbol 5.6 oznacza śrubę o wytrzymałości na rozciąganie f

=500 N/mm

i stosunku f

=0,6.

Wartości nominalne granicy plastyczności f

i wytrzymałości na rozciąganie f

dla odpowiednich klas śrub

przedstawiono w tablicy poniżej:

Klasa śrub 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9

f [N/mm

]

240 320 300 400 480 640 900

f [N/mm

]

400 400 500 500 600 800 1000

Połączenia zakładkowe, w których siła obciążająca jest skierowana prostopadle do osi
łączników, dzielą się na 3 kategorie: A, B i C.

1) Kategoria A – połączenia typu dociskowego, w których obliczeniowe obciążenie ścinające nie powinno

przekraczać nośności na ścinanie i nośności na docisk (tablica 3.2 w PN-EN 1993-1-8),



gdzie:

obliczeniowa siła ścinająca przypadająca na śrubę w stanie granicznym nośności,



obliczeniowa nośność śruby na ścinanie,



obliczeniowa nośność śruby na docisk do ścianki otworu.



W przypadku stosowania w połączeniu śrub klasy 8.8 lub 10.9, dla zwiększenia sztywności i szczelności

złącza, można stosować częściowe sprężenie siłą





w którym:



wytrzymałość na rozciąganie śrub,

pole przekroju czynnego śruby.



 1



współczynnik częściowy dla siły w śrubach o wysokiej wytrzymałości.

2) Kategoria B – połączenia cierne w stanie granicznym użytkowalności, w których siła przenoszona jest przez

tarcie pomiędzy elementami łączonymi. Tarcie wywołane jest sprężeniem zastosowanych śrub klasy 8.8 i 10.9.

Charakterystyczne obciążenie ścinające nie powinno przekroczyć nośności obliczeniowej na poślizg obliczonej

zgodnie z pkt. 3.9 w PN-EN 1993-1-8.

ser



gdzie:

siła ścinająca przypadająca na śrubę w stanie granicznym użytkowalności,



ser

obliczeniowa nośność śruby na poślizg w stanie granicznym użytkowalności.



ser

Obliczeniowe obciążenie ścinające nie powinno przekroczyć nośności na ścinanie i nośności na docisk:



gdzie:

obliczeniowa siła ścinająca przypadająca na śrubę w stanie granicznym nośności,



obliczeniowa nośność śruby na ścinanie,



obliczeniowa nośność śruby na docisk do ścianki otworu.



3) Kategoria C – połączenia cierne w stanie granicznym nośności, w których siła przenoszona jest również

przez tarcie pomiędzy elementami łączonymi. W tych połączeniach także stosuje się śruby klasy 8.8 i 10.9.

Obliczeniowe obciążenie ścinające nie powinno przekroczyć nośności obliczeniowej na poślizg określonej wg
pkt. 3.9 w PN-EN 1993-1-8 , ani nośności na docisk,



gdzie:

obliczeniowa siła ścinająca przypadająca na śrubę w stanie granicznym nośności,



nośność obliczeniowa śruby na poślizg w stanie granicznym nośności.



W przypadku połączeń rozciąganych należy ponadto sprawdzić warunek nieprzekroczenia nośności plastycznej

przekroju netto z otworami na śruby

dla obliczeniowych wartości oddziaływań.

net





net

gdzie:

suma obliczeniowych sił w połączeniu w stanie granicznym nośności oraz





net







przekrój netto przez otwory,



net

granica plastyczności,



 1



współczynnik częściowy.

Połączenia doczołowe, w których siła obciążająca jest skierowana równolegle do osi
łączników, dzielą się na 2 kategorie: D i E.

4) Kategoria D – połączenia niesprzężone obliczanie na zerwanie trzpienia śruby oraz ze względu na

przeciągnięcie łba śruby przez blachę – stosuje się śruby od klasy 4.6 do klasy 10.9,



gdzie:

obliczeniowa siła rozciągająca śrubę w stanie granicznym nośności,

obliczana z uwzględnieniem efektu dźwigni.



nośność na rozciąganie,

nośność na przeciąganie,



5) Kategoria E – połączenia sprężane z zastosowaniem śrub klasy 8.8 i 10.9 i kontrolowanym dokręceniem.

Kryteria obliczeniowe są takie same jak dla połączeń kategorii D.

W obliczeniowej wartości siły rozciągającej

powinien być uwzględniony efekt dźwigni. Śruby obciążone

siłami rozciągającą i ścinającą powinny także spełniać warunek:



– patrz tablica 3.4 normy PN-EN 1993-1-8

Maksimum

1), 2), 3)

Konstrukcje wykonane ze stali wg

EN 10025 z wyjątkiem stali

wg EN 10025-5

Konstrukcje

wykonane ze stali

wg EN 10025-5

Odległości i rozstawy

Minimum

Stal narażona na

wpływy

atmosferyczne lub

korozyjne

Stal nienarażona

na wpływy

atmosferyczne lub

korozyjne

Stal stosowana bez

zabezpieczeń

Odległość czołowa e

1,2·d

4·t + 40 mm

max

8·t
125 mm

Odległość boczna e

1,2·d

4·t + 40 mm

max

8·t
125 mm

Rozstaw p

2,2·d

min

14·t
200 mm

min

14·t
200 mm

min

14·t

min

175 mm

Rozstaw p

1,0

min

14·t

200 mm

Rozstaw p

1,i

min

28·t

200 mm

Rozstaw p

2,4·d

min

14·t

200 mm

min

14·t
200 mm

min

14·t

min

175 mm

Ograniczenia dotyczą elementów ściskanych (aby zapobiec wybrzuszeniu) oraz ściskanych

i rozciąganych elementów eksponowanych (aby zapobiec korozji).

grubość cieńszej zewnętrznej części łączonej.



Nośność na wybrzuszenie miedzy łącznikami blachy ściskanej może być obliczana przy założeniu

długości wyboczeniowej 0,6·p

. Nie wymaga się sprawdzenia

stateczności miejscowej między łącznikami gdy p

/t<9·

. Odległość boczna powinna spełniać

wymagania stateczności miejscowej dla ściskanych części wspornikowych, podane w normie
PN-EN 1993-1-1. Wymaganie to nie ma wpływu na odległość czołową.

Wg normy PN-EN 1993-1-8 należy przyjmować następujące średnice d

otworów w zależności od średnicy

trzpienia śruby d:

- otwory normalne

dla

(

=1 mm)

mm,



mm,



dla

(

=2 mm)

mm,



mm,



 d

dla

(

=3 mm)

mm,



mm,



- otwory powiększone (

=3 mm ÷ 8 mm)

dla śrub M12,

mm,



dla śrub M27.

mm,





ZAŁOŻENIA OBLICZENIOWE DLA POŁĄCZEŃ ZAKŁADKOWYCH

Współczynniki częściowe dotyczące węzłów

Wartości współczynników częściowych dotyczących węzłów podano w tablicy poniżej:

Nośność elementów i przekrojów



- patrz EN1993-1-1

Wg pkt. 6.1. w EN 1993-1-1:



=1,00;



=1,00 ;



=1,25

Wg postanowienia krajowego NA 14
przyjmuje się



=1,00;



=1,00

oraz



=min(1,1; 0,9·f

)

Wartości współczynników wg normy i
załącznika krajowego można traktować
jako alternatywne.

Nośność śrub
Nośność nitów
Nośność sworzni
Nośność spoin
Nośność blach na docisk





Nośność na poślizg:
- w stanie granicznym nośności (kategoria C),
- w stanie granicznym użytkowalności (kategoria B)







ser



Nośność na docisk śrub z iniekcją





Nośność sworzni w stanie granicznym użytkowalności



ser



Siła sprężania w śrubach o wysokiej wytrzymałości





Ustalenia wyjściowe

Metody obliczania nośności połączeń oparte są na odpowiednich założeniach, dotyczących rozkładu sił

wewnętrznych. W projektowaniu węzłów można stosować analizę liniowo-sprężystą lub analizę sprężysto-

plastyczną. W celu określenia rozkładu sił w połączeniu przyjmuje się następujące założenia:

a) siły i momenty wewnętrzne przyjmowane w analizie są w równowadze z siłami i momentami

przyłożonymi do węzła,

b) nośność każdego elementu węzła jest wystarczająca do przeniesienia wewnętrznych sił

i momentów,

c) deformacje odpowiadające przyjętym siłom w węźle nie przekraczają zdolności do odkształceń

łączników, spoin i łączonych części,

d) przyjęty rozkład sił wewnętrznych jest realistyczny ze względu na sztywności względne elementów

węzła,

e) deformacje przyjmowane w sprężysto-plastycznym modelu obliczeniowym wynikają

z fizycznie możliwych obrotów ciała sztywnego i/lub przemieszczeń w płaszczyźnie,

f) każdy model obliczeniowy jest zgodny z wynikami badań.

Zgodnie z pkt. 3.12 w PN-EN 1993-1-8 w węzłach obciążonych momentem można przyjmować liniowy

rozkład sił wewnętrznych (przy wartościach sił proporcjonalnych do odległości od środka obrotu) lub

plastyczny, przy czym akceptowalny jest każdy rozkład będący w równowadze pod warunkiem, że będą

spełnione wymagania dotyczące nośności i ciągliwości części.

W połączeniach obciążonych osiową siłą ścinającą można przyjmować równomierny rozdział obciążenia na

łączniki pod warunkiem, że wymiary i klasa łączników są jednakowe.

NOŚNOŚCI OBLICZENIOWE POJEDYNCZYCH ŁĄCZNIKÓW

Nośność obliczeniowa łączników jest bezpośrednio powiązana z modelem zniszczenia połączenia. Poniżej

wyróżniono 6 modeli zniszczenia:

a) Model I (I

, I

) - (rozerwanie lub ścięcie)

b) Model II - (zniszczenie w strefie docisku)

► Nośność na ścinanie w jednej płaszczyźnie

Obliczeniową nośność śrub na ścinanie osadzonych w otworach z nominalnym luzem nie większym niż

w otworach normalnych wg normy PN-EN 1993-1-8 (pkt. 3 tab. 3.4)) oblicza się ze wzoru







gdzie:

wytrzymałość śrub na rozciąganie (tab. 3.1),



A=A

– dla przypadku gdy płaszczyzna ścinania przechodzi przez gwintowaną część śruby, gdzie A

jest

polem przekroju czynnego śruby oraz:

- dla klas 4.6, 5.6 i 8.8,





- dla klas 4.8, 5.8, 6.8, i 10.9,





A – pole przekroju trzpienia śruby, dla przypadku gdy płaszczyzna ścinania nie przechodzi przez
gwintowaną część śruby oraz α

=0,6.





współczynnik częściowy – pkt. 2.2(2)

Szerzej kryteria nośności śrub na ścinanie przedstawione są w pkt. 3.6 normy PN-EN 1993-1-8.

► Nośność na docisk

Obliczeniową nośność śrub na docisk oblicza – PN-EN 1993-1-8 (pkt. 3 tab. 3.4) – się wg wzoru:









gdzie:

wytrzymałość na rozciąganie blach,



średnica śruby,

minimalna grubość blach dla docisku w jednym kierunku oraz



min

























a ponadto:

- dla śrub skrajnych:

- dla śrub pośrednich:





min































min

























NOŚNOŚĆ GRUPY ŁĄCZNIKÓW

► Nośność grupy łączników przy obciążeniu osiowym względem środka ciężkości

Nośność grupy łączników określa się jako sumę nośności obliczeniowych pojedynczych łączników na

docisk F

b,Rdi

, gdy nośność obliczeniowa na ścinanie F

V,Rdi

każdego łącznika nie jest mniejsza od jego nośności

obliczeniowej na docisk. Gdy warunek ten nie jest spełniony, wówczas obliczeniową nośność grupy łączników

oblicza się jako iloczyn liczby łączników i najmniejszej nośności obliczeniowej łącznika w grupie.

Dla przypadku, gdy nośność na ścinanie
każdej śruby nie jest mniejsza od jej nośności
na docisk:





W przeciwnym przypadku:

min





Gdzie:
n

– liczba śrub przenoszących

obciążenie,
F

Rd,min

– minimalna nośność śruby na

ścinanie lub docisk.

Na podstawie analizy statycznej identyfikuje się łącznik

najbardziej obciążony „i”, a następnie wyznacza się dla tego

łącznika wypadkową oddziaływania:



 



sin

cos













gdzie: r

– ramię działania siły F

i,M



- siła na łącznik

„i” od obciążenia F

– liczba śrub przenoszących obciążenie,

 







- składowa od momentu

na łącznik

„i”,

– kąt między wektorami sił składowych.



 







gdzie:



- składowa pozioma na łącznik

„i” od siły F

Ed,H



- składowa pozioma na łącznik

„i” od siły F

Ed,V













- składowa pozioma od momentu













- składowa pionowa od momentu

– liczba łączników w połączeniu,

, y

– współrzędne łącznika

„i” w układzie prostokątnym z początkiem w środku ciężkości

grupy łączników.

Document Outline