K UTAHOVÁNÍ ŠROUBŮ TŘECÍCH SPOJŮ

Transkript

1 K UTAHOVÁNÍ ŠROUBŮ TŘECÍCH SPOJŮ F. Wald 1, Z. Sokol 1, V. Vrzba 2 a D. Gregor 1 ČVUT, Fakulta stavebí, Katedra ocelových kostrukcí, Thákurova 7, Praha, ČR Wald@fsv.cvut.cz Sokol@fsv.cvut.cz Dalibor.Gregor@fsv.cvut.cz 2 ČVUT, Fakulta stavebí, Thákurova 7, Praha, ČR Vojtech.Vrzba@fsv.cvut.cz TO BOLT TIGTENING IN SLIP RESISTANT CONNECTIONS The work describes preloadig of structural bolts i the slip resistat coectios. The work is based o a set of tests carried out at the Czech Techical Uiversity i Prague for the Czech Steel Fabricators Associatio with ISO bolts 16 ad 24 [1] prepared by the bolt fabricator Šroubáry Kyjov [2]. The hot dip galvaised bolts as well as the black bolts were tested o a test set up accordig to the proposal of the Test method for suitability for the preloadig [3]. The bolt force, torque the ad the elogatio were observed to study the preloadig process, the lubricat importace ad the ifluece the hot dip galvaised bolt surface [4]. The erimets show the limits of the momet cotrol by preloadig [5] ad the relevace of the tables with the recommeded torque [6]. The preloadig reached by a simple had tighteig is discussed [7]. ÚVOD Úosost třecího spoje závisí a třeí mezi spojovaými povrchy, a předpíací síle vyvozeé šroubem a a tvaru a velikosti otvoru pro šroub. Předpíací sílu lze kotrolovat utahovacím mometem, úhlem pootočeí šroubu, kombiovaou metodou (utažeím a daý momet a pootočeím šroubu o daý úhel) a speciálími podložkami, které se při daé síle pružě deformují (uzavřeí spáry ve spoji se pak ověřuje měrkou) [8]. Přímé měřeí síly ve šroubu ultrazvukem je ekoomické pouze ve strojích aplikacích. Ve šroubu se vyvozuje předpíací síla a 7% meze kluzu šroubu [9] (F p,cd = k p f ub A s, kde k p součiitel předpětí, f ub mez pevosti šroubu a A s je výpočtový průřez šroubu; v české/ěmecké praxi [1] se většiou využívá pouze 63% předpětí u šroubů z materiálu 1.9 a 56% předpětí u šroubů 8.8). Při utahováí je svěrá síla redukováa přerozděleím sil ve šroubech ve spoji a relaxací

2 materiálu (redukce kolem 1%). V budoucu lze očekávat rozšířeí techologicky méě áročého, ale a úavu dostatečě účiého předeputí spoje a pouze 35% meze pevosti šroubu (ozačovaé v kocepci DIN předpíáí a 5%) při obvyklé úpravě třecích ploch. Přesost kotroly předpíací síly určuje popis závislosti utahovacího mometu a svěré síly, která je výrazě elieárí. Kromě třeí v závitu a pod otáčeou částí ji ovlivňují rychlost utahováí, výrobí tolerace a úprava povrchu šroubu, matice a podložky, rovost a povrch svíraých plechů, kolmost osy šroubu, tolerace utahovacích prostředků i další faktory. Předpověď chováí se vlivem ahodilosti tolerací a eliearity třeí (počátečí statické třeí je výrazě vyšší ež třeí dyamické) používá pouze a eosé součásti. Hlavím cílem modelů popisujících chováí šroubu při utahováí je podrobý rozbor všech faktorů ovlivňujících jejich chováí. Vychází se z eergetického popisu utahováí a povolováí, který se upravuje a erimetálě ověřeý vztah [11] pro kroutící momet a hlavě matice šroubu = F K + K µ d µ d p b j t t p Fp θsk Kb K j cos β r, (1) kde je F p předpíací síla ve šroubu, θ Sk úhel pootočeí mezi maticí a závitem šroubu, K b = (A s E) / L b tuhost šroubu, L b účiá délka šroubu, E modul pružosti oceli, K j = (A eff E) / t tuhost spojovaých plechů, t tloušťka spojovaých plechů, A eff účiá plocha plechů, µ t součiitel třeí závitu, β sklo závitu, d t středí průměr šroubovice závitu, µ součiitel třeí matice (příp. podložky, hlavy šroubu), d středí průměr kotaktu mezi maticí a spojovaými plechy (příp. podložky) a r momet a překoáí třecích odporů. Rovici (1) lze zjedodušit a Fp µ t dt p Fp + + µ d 2π cos β = Pro metrické šrouby lze vztah (2) upravit, viz [12], do tvaru 9% Stoupáí závitu. (2) = F (,16 F +,58 µ d + d / 2 ). (3) p p p t t µ 1% 43% 52% 51% 62% Třeí 39% 39% 2% pod Třeí 32% hlavou v závitu b) ierálí olej c) Tuhé mazivo s molikou d) Kluzý lak a) Bez maziva pouze a závitu pod hlavou a a závitu pouze a závitu Obr. 1: Poměr složek závislosti přepíací síly a mometu: vliv stoupáí závitu, třeí pod hlavou a třeí a závitu a erimetech s pozikovaými šrouby, pro erimety [4] podle výrazu (3) Výraz (3) dokumetuje tři ejvýrazější složky závislosti přepíací síly a mometu: vliv stoupáí závitu (,16 F p ), třeí pod hlavou (,58 µ t d t ) a třeí a závitu (µ d / 2). Pro erimety, viz [4], je poměr složek zobraze a obr. 1 pro pozikovaé šrouby [1] 25% 18%

3 s třecími plochami pod podložkou a a závitu šroubu odmaštěými (bez maziva), atřeými mierálím olejem, opatřeými tuhým mazivem (ogul olyka) a kluzým lakem pouze a závitu šroubu. Hodoty předpětí dosahovaé při běžém ručím dotažeí šroubů ástroji o stadardí délce shruje závěrečá část této práce. VLIV AZIVA azivo má zásadí vliv a třeí v závitu a pod hlavou matice. Při práci a výzkumém úkolu České asociace ocelových kostrukcí [2] byl erimetálě ověře vliv současé geerace maziv a pozikovaých i a čerých šroubech se zvětšeým šestihraem hlavy a matice 16x65 podle [1] s měrou délkou 48 mm. Na přípravku, viz obr. 2b [3], bylo metodou řízeého utahováí zkoušeo pět kusů šroubů v každé zkušebí sadě: suchý eamazaý povrch; lehký olej (ogul Super 15W-5 viz [13]); kluzý lak (GL 2, viz [11], a dříku šroubu, závit matice lehce aolejová a (pasta ogul olyka, viz [13],), závit šroubu i matice otřey, aby se mazivo edostalo pod matici a podložku. Podrobá dokumetace výsledků zkoušek je v výzkumé zprávě [4]. Na obr. 2a je porováí svěrých sil šroubů ošetřeých tuhým mazivem (pastou ogul olyka v závitu a pod maticí) a lehkým olejem. Obr. 2a ukazuje, že správé mazáí je základí podmíkou pro spolehlivé vyvozeí ávrhové svěré síly ve šroubu. azáí olejem elze a šrouby třecích spojů doporučit pro velký rozptyl dosahovaých hodot. Přípravek a Čeré šrouby zatěžováí a měřeí mometu a pootočeí olej Vyrovávací vložka F p pro k p =,7 1 F p pro k p =,63 ěřící prvek 5 ČSN,63 olej Tezometrický můstek ČSN,63 Podložky pod hlavou i maticí Upevovací přípravek a) Utahovací mom., Nm b) Šroub s maticí Obr. 2: a) Vliv maziva a utahováí šroubu, čerý šroub 16, předpíací síla F p pro součiitel předpětí,7 (,63) a doporučeý předpíací momet podle ČSN [14], povrch šroubu ošetřeý tuhým mazivem a lehce aolejovaý; b) Šroub ve zkušebím zařízeí [3] ŽÁROVĚ ZINKOVANÉ ŠROUBY Ekoomickou ochraou šroubů proti korozi je pokoveí zikem, viz [15]. Pokoveí šroubů je komplikováo tvarem a hraami šroubů. Nejčastěji se využívá žárové pokoveí šroubů a matic. Podle ČSN EN ISO 1461 [16] se pro šrouby o průměru 6 až 2 mm požaduje místí tloušťka 35 µm a průměrá tloušťka 45 µm (pro průměr 2 mm a více 45 µm respektive 55 µm). Zikuje se v lázi o ormálí (asi 45 C) ebo zvýšeé (až 56 C) teplotě [17]. Při ízké teplotě lázě se zvýrazňuje usazováí ziku a hraách, které je přízivé z hlediska protikorozí ochray, při utahováí šroubů ale ekotrolovatelě zvyšuje třeí v závitu. Vyšší teploty lázě mohou epřízivě ovlivit tepelou úpravu materiálu, proto zikovy přizpůsobují teplotí režim požadavkům výrobců šroubů. Žárově se zikují šrouby od 8 do

4 průměru 9 mm o délkách do 8 m. Žárově se zikuje povrch šroubu. Závit se v matici vystružuje až po jejím pozikováí. Pokoveí závitu šroubu zajišťuje dostatečou protikorozí ochrau šroubu. Při výrobě šroubu se počítá s tloušťkou pokoveí. Obr. 3 porovává erimetálě zjištěou závislost síly ve šroubu 24x75 a utahovacího mometu/úhlu pootočeí [4] pro šrouby žárově pozikovaé a čeré a závitu a pod utahovaou maticí ošetřeé tuhým mazivem ogul olyka [13]. 3 F p pro k p =,7 ČSN, F p pro k p =, x 75 žárově pozikovaé šrouby 25 5 Utahovací momet, Nm 2 Úhel pootočeí matice, stupě ČSN,63 podle ČSN F p pro k p =, F p pro k p =, x 75 čeré šrouby 25 5 Utahovací momet, Nm 2 Úhel pootočeí matice, stupě Obr. 3: Experimetálě zjištěá závislost síly ve šroubu a utahovacího mometu/úhlu pootočeí [4] pro šrouby s tuhým mazivem ogul olyka v závitu šroubu a pod maticí šroubu a) 24x75 žárově pozikovaé; b) 24x75 čeré BĚŽNÉ RUČNÍ UTAŽENÍ ŠROUBŮ Při běžém ručím utažeí šroubů se vyvie předpíací síla, jejíž velikost závisí ejvíce a délce klíče, mazivu a velikosti šroubu. Velikost předpíací síly při běžém ručím utažeí byla vyšetřováa a čerých a žárově zikovaých šroubech 12 až 24 v práci [7]. Utahovací momet byl vyvozová a rameech odpovídajících rozměrům otevřeých klíčů (pro 12 a ramei 15 mm, pro 16 a 2 mm, pro 2 a 25 mm a pro 24 a 3 mm). Na obr. 4a je a pracovím diagramu utahováí dvaácti žárově zikovaých šroubu 16, podle [1], s tuhým mazivem ogul olyka porováa charakteristická hodota (pro 5% kvatil spolehlivosti) dosažeá při ručím utahováí se svěrou silou pro součiitel předpětí,7. Poměr dosahovaé síly při ručím utahováí a úososti šroubu v tahu (F /F ub ) je zobraze a obr. 4b (hodoty ad 1, jsou fiktiví). Poměr dosažeé síly F a předpíací síly pro šrouby z materiálu 8.8 a 1.9 (F p pro součiitel předpětí k p =,7) vyjadřuje míru předeputí. Např. šrouby jsou předeputy přibližě a 9% a šrouby a 5%.

5 a) 2 1 Síla ve šroubu, kn Žárově zikovaé 16 x Svěrá síla F p pro k p =,7 Char. hodota pro ručí utažeí Ručí utažeí omet, Nm 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4 íra utažeí F / F p(ub) F / F p šroub 8.8 F / F p šroub 1.9 F / F ub= 4 kn F / F = 5 kn ub F / F ub= 8 kn F / F = 1 kn ub,2 Průměr šroubu b) Obr. 4: a) Hodoty dosahovaé při ručím utahováí, šroubů ( ogul olyka); b) míra ručího utažeí (dosažeé hodoty vztažeé k úososti šroubů při pevosti 4; 5; 8 a 1 Pa a k předpíací síle ve šroubu pro k p =,7) SHRNUTÍ Vrstva ziku a šroubu sižuje při utahováí třeí a přízivě ovlivňuje předpíací sílu. Pozikovaé šrouby, tak jako šrouby čeré, je třeba vždy opatřit správým mazivem. Návrhové hodoty svěré síly F p,7 bylo dosažeo ve všech erimetech shrutých v práci [4]. Potřebý utahovací momet p,7 je u pozikovaých šroubů a matic vyšší ež u čerých spojovacích prostředků (v měřeých souborech o 19 až 24%). Největší erimetálě zjištěá svěrá síla F max je u všech řádě amazaých šroubů 16 i 24 vyšší ež ávrhová svěrá síla F p,7 [9]. Utahovací momet p,7 lze překročit bez rizika porušeí šroubů. Přízivé sížeí rozptylu třeí v závitu přiášejí maziva ové geerace vyšší čistotou jedotlivých složek a optimalizací jejich poměrů [5] při stejém chemickém složeí. Kotrola předpíací síly utahovacím mometem je techologicky ejjedodušší, ale z podstaty mechaiky šroubu ve srováí s kombiovaou metodou ebo s kotrolou úhlem pootočeí šroubu metoda ejméě vhodá. Zjištěé statisticky zaručeé utahovací momety byly v erimetech ižší ež doporučuje ČSN [14] pro vyvozeí svěré síly F p,63. Při utahovacím mometu podle této ormy by se u ěkterých zkoušeých šroubů překročil mez pevosti šroubu. Utahovací momety tabelovaé v [14] zajišťují spolehlivé dosažeí svěré síly. Případé porušeí šroubu při utahováí, daé rozptylem hodot třeí a závitu, lze sado vizuálě kotrolovat i ověřit a předmotáži. Riziko porušeí šroubu při utahováí eí motážě vhodé. Nekotrolovaé plastické deformace vedou ke sížeí životosti spoje. Závěry odpovídají pozatkům ze zkoušek šroubů v předích evropských laboratořích [18]. Pro spolehlivou kotrolu předpíací síly utahovacím mometem, úhlem pootočeí šroubu ebo kombiovaou metodou se daé sestavy (šroub, matice, podložky a mazivo) erimetálě ověřují ormovou zkouškou [3]. V České republice je pro tato měřeí [5] vybavea akreditovaá laboratoř Fakulty stavebí Českého vysokého učeí techického v Praze.

6 OZNÁENÍ Autoři děkují za podporu práce gratem České asociace ocelových kostrukcí a výzkumým záměrem ŠT J1-98:214. Šrouby pro erimety vyviula a darovala Šroubára Kyjov a. s., zikováí provedla zikova Družstvo Loděice, maziva dodali Nacházel s. r. o. a Koramo a. s. LITERATURA [1] Šertler H. - Wald F. - Rozlívka L. - Vegří J.: Pokyy pro avrhováí a prováděí třecích spojů s VP šrouby podle evropských orem, zpráva IOK 2-1, Frýdek-ístek 22, s. 38 [2] pren WI :21 (ISO 7412) High stregth structural boltig for preloadig, Part 1, Geeral requiremets, CEN, Brussels 21, p.24 [3] pren WI 18522:21 (ENV 19-6) High stregth structural boltig for preloadig, Suitability tests for preloadig, Part 2, CEN, Brussels 21, p.12 [4] Wald F. - Sokol Z. - Gregor D.: Zkušebí protokol o zkoušce předpíací síly pro metodu řízeé utahováí matice mometem, pootočeím a kombiovaou metodou, zpráva ČVUT v Praze, Praha 21, s. 198 [5] Wald F. - Rozlívka L. - Sokol Z. - Šertler H.: Vliv maziva a utahováí šroubů třecích spojů, v Kostrukce, č. 4/22, příloha kotvící spojovací a upevňovací materiály, s. 4-7, Ostrava, ISSN [6] Wald F. - Rozlívka L. - Sokol Z. - Šertler H.: Žárově zikovaé šrouby třecích spojů, v Kostrukce, č. 1/23, příloha kotvící spojovací a upevňovací materiály, s. 4-7, Ostrava, ISSN [7] Vrzba V.: Zkouška předpíací síly metodou ručího utahováí matice mometem, pootočeím a kombiovaou metodou, výzkumá zpráva, ČVUT, Praha 23, s.12 [8] ČSN P ENV 199-1, Prováděí ocelových kostrukcí, obecá pravidla a pravidla pro pozemí stavby, ČNI, Praha 1997, s.117 [9] ČSN P ENV , Navrhováí ocelových kostrukcí, ČNI, Praha 1994, s. 37 [1] ČSN , Navrhováí ocelových kostrukcí, ČNI, Praha 1998, s. 134, včetě změy Z1, ČNI, Praha 21, s. 7 [11] Bickford J.H.: A itroductio to the desig ad behavior of bolted joits, Third editio, arcel Decker ic., New York 1995, p. 953, ISBN [12] Gäsheimer J.: Optimalizace šroubových spojů za pomoci tuhých maziv, Nacházel s.r.o., Praha 1999, s.14 [13] Koramo a.s., Tuhá maziva pro šroubové spoje, [14] ČSN , Šroubové třecí spoje ocelových kostrukcí, ČNI, Praha 21, s. 18 [15] Boltig Galvaized Steel v After-Fabricatio Hot Dip Galvaizig, Galvaisers Associatio of Australia, RIBA CDP, Sydey 21, p.29 [16] ČSN EN ISO 1461 (3 8558) Žárové povlaky ziku aášeé poorem a železých a ocelových výrobcích, ČNI, Praha 1999, s. 2 [17] ISO /WD 1684 Fasteers Hot dip galvaized coatigs, proposal, Brussels 1999, p. 9 [18] Valtiat G. - Piraprez E. - Greff E.: Iteratioal tighteig tests with high stregth bolts 2x1 of systems HR ad HV, TU Hamburg - Harburg, Hamburg/Liége 1998, p. 116