Třecí spoje pro žárově zinkované konstrukce?

Třecí spoje pro žárově zinkované konstrukce? Třecí spoje žárově zinkovaných stavebních konstrukcí se ve stavební praxi zatím neužívají. V laboratoři stavební fakulty ČVUT v Praze byly v rámci studentské práce vyzkoušeny třecí spoje se třemi nejpoužívanějšími zinkovými slitinami. Povrch vzorků byl po žárovém zinkování zdrsněn tryskáním. Třecí spoje, které přenáší smykovou sílu třením na styčných plochách spojovaných prvků, se navrhují v konstrukcích, v nichž je třeba zabránit prokluzu. Prokluz lze navrhnout při mezním stavu použitelnosti nebo únosnosti. Po prokluzu spoje přenáší vnitřní síly šroub smykem a plech a šroub otlačením. O únosnosti spoje v prokluzu rozhoduje hlavně předpínací síla a tření mezi spojovanými prvky. Součinitel tření lze nejpřesněji stanovit zkouškou, viz příloha A dokumentu [1]. Konzervativně jej lze odhadnout pomocí tříd drsnosti třecích ploch, hodnoty součinitele jsou tabelovány pro prvky s definovanou povrchovou úpravou, viz tab. 7 v [1]. V praxi se pro třecí spoje povrchy upravené žárovým zinkováním a tryskáním zatím nepoužívají. Pro prověření možnosti jejich využití byla navržena série pilotních zkoušek. Strukturu a konečný vzhled povlaku ovlivňuje složení základního materiálu, teplota zinkování a složení taveniny. Z prvků přítomných v oceli nejvíce ovlivňuje zinkování, tj. rychlost reakce železa a zinku, křemík a fosfor. Závislost rychlosti reakce na koncentraci křemíku má nerovnoměrný průběh, vyjadřuje ho tzv. Sandelinova křivka. Oceli uklidněné křemíkem se obecně nazývají reaktivní oceli. Teplota zinkování se výrazně podílí na reakci mezi železem a zinkem v oblasti mezi 480-520 C, kdy dochází k prudkému nárůstu reakce rychlosti. V rozmezí těchto teplot se nezinkuje, protože by mohlo dojít k poškození ocelové zinkovací vany. Pro potlačení vlivu složení zinkovaného materiálu byly vyvinuty tři základní lázně, které využívají přidávání legujících přísad do zinku. Legující přísady mají vliv na strukturu a tloušťku výsledného povlaku. Běžná lázeň je z technologických důvodů, odstranění tvrdého zinku, legována pouze olovem. S obsahem křemíku roste tloušťka a hrubozrnnost povlaku. Taková lázeň je účinná při koncentraci do 0,03% křemíku. Při koncentraci v rozsahu 0,03% - 0,12% křemíku v základním materiálu se využívá legovaní slitiny niklem, který podporuje vznik jemnozrnné fáze a brání difúzi zinku. Niklem a cínem je legována slitina Galveco, která využívá schopnosti cínu potlačit reaktivitu základního materiálu. Osvědčila se při jakékoliv koncentrací křemíku. Experimenty Součinitel tření se, podle přílohy A normy [1], stanovuje ze zkoušky pěti zkušebních těles normalizovaných rozměrů, viz obr. 1, z nichž čtyři jsou určeny pro zkoušku při krátkodobém zatížení a pátý vzorek se používá na zkoušku dlouhodobé deformace spoje. Na trhacím stroji se prokluz ve spoji se vyhodnotí jako vzájemné posunutí sousedních bodů (a, b, c) na vnitřní a vnější desce. Únosnost při prokluzu spoje se určí jako síla při dosažení prokluzu 0,15 mm. Návrhová hodnota součinitele tření se vypočte jako 5 % kvantil naměřených hodnot. Pro pilotní experimenty se použilo pět vzorků. Vzorky byly pozinkovány ve třech zinkovnách, dále označeny písmeny (jeden vzorek), N a (po dvou vzorcích). Vzhledem k malému počtu vzorků se zkoušelo pouze při krátkodobém zatížení. Deformace byly měřeny indikátorovými hodinkami po obou stranách vzorku, viz obr. 2. Výsledný prokluz byl určen průměrem z obou čtení naměřených deformací. 1

35 50 a b c 35 35 10 50 a b c 25 25 35 40 40 8 16 8 80 Obr. 1 Schéma zkušebního vzorku pro šrouby M16 Obr. 2 Zkušební vzorek a měření deformací Povrch vzorků byl upraven běžnou technologií suchého zinkování s typickou předběžnou úpravou a teplotou zinkování 450 C. Chlazení probíhalo na vzduchu. Vzorek byl zinkován v lázni legované cínem a olovem, vzorek N v lázni legované olovem (běžná lázeň) a vzorek v lázni bez olova se stopami niklu a bismutu. Chemické složení zinkových lázní je v tab. 1. Obr. 3 dokumentuje vzhled vzorků před otryskáním. Chemické složení oceli podle koncentrace křemíku odpovídá oblasti se sníženou reaktivitou. Byl použita běžná konstrukční uhlíková ocel S235. Její chemické složení je shrnuto v tab. 2. Tab. 1 Chemické složení zinkových lázní (hm %) N (hm %) (hm %) Al 0,001 0,0003 0,004 Ni 0,001 0,001 0,008 Fe 0,025 0,038 0,015 Pb 0,71 1,22 0,011 Sn 0,33 0,003 < 0,001 2

Bi < 0,01 < 0,01 0,03 Tab. 2 Chemické složení oceli použité na vzorky Prvek Koncentrace ( hm% ) C 0,16 0,20 Mn max. 1,5 Si 0,17 0,23 P max 0,025 S max. 0,020 Al celk. min. 0,020 Cu max. 0,20 Sn max. 0,020 N ZN Obr. 3 Povrchy vzorků,, N,, po zinkování Tryskání zinkových povlaků umožňuje sjednotit vzhled prvků a využívá se především z estetických důvodů při použití v interiérech. Povrchy vzorků byly opracovány ostrohranným tryskacím prostředkem při tlaku v rozmezí od 0,1 do 0,3 MPa pod úhlem 30 až 45. Vzdálenost tryskací hubice od povrchu materiálu byla 60 až 70 cm. U vzorku, jehož zinkový povlak byl tvořen fázovými slitinami, došlo k místnímu odlupování povlaku. K odlupování docházelo ojediněle také u vzorků. Vzorek N vykazoval velmi dobrou přilnavost zinkové vrstvy a k odlupování povlaku nedocházelo, tryskání pravděpodobně zasahovalo pouze povrch povlaku. Povrch vzorků po tryskání je zachycen na obr. 4. Drsnost po otryskání byla měřena profilometrem Mitutoyo Surf Test 211. Výsledky měření jsou shrnuty v tab. 3. N Obr. 4 Povrchy vzorků,, N,, po tryskání Tab. 3 Drsnosti povrchu vzorků Vzorek Drsnost [µm] a z max 7,89 51,86 68,07 N 7,16 46,41 66,45 5,76 39,57 55,74 Tloušťky povlaků byly měřeny před tryskáním a po zkoušce, viz tab. 4. Byly stanovovány metalograficky na 12 místech každého vzorku pomocí okulárového měřidla mikroskopu Zeiss Neophot 32. 3

Tab. 4 Průměrné tloušťky povlaků na namáhané ploše Vzorek Tloušťka [µm] před tryskáním po tryskání a zkoušce 121,7 44 N 95,6 24 102,4 31 Pro zkoušku byly použity šrouby M16 třídy 8,8 s tuhým mazivem Mogul Molyka Pasta. Předpětí šroubu na požadovanou předpínací sílu 87,9 kn bylo kontrolováno měřením utahovacího momentu podle [2]. Před vlastním sestavováním vzorků byla pomocí kalibrovaného zařízení, podrobněji v [3], určena závislost předpínací síly na utahovacím momentu. Z měření byl stanoven utahovací moment potřebný pro vyvození požadovaného předpětí ve šroubu, viz obr. 5. 180 160 140 120 100 80 60 40 Předpětí šroubu, kn 20 Utahovací moment, Nm 0 0 100 200 300 400 500 Obr. 5 Závislost předpínací síly na utahovacím momentu Naměřené hodnoty Průběh deformací ve spojích je znázorněn na obr. 6. Z pracovního diagramu je patrné, že u vzorku došlo k prokluzu náhle, při dosažení největší síly. U vzorků N a se spoj začal deformovat při dosažení asi poloviny největší síly a deformace se postupně zvětšovala až do prokluzu ve spoji. 120 100 Síla, kn -CD -AB 2-AB 1-CD 1-AB N2-AB 2-CD N1-CD 80 60 40 N1-AB N2-CD 20 Deformace, mm 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 Obr. 6 Pracovní diagram spojů 4

0,35 0,30 Součinitel tření 0,37 0,37 0,37 (5 % kvantil) 0,29 0,28 0,32 0,31 0,33 0,33 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,22 0,23 0,20 0,00 N Obr. 7 Součinitele tření se znázorněním 5 % kvantilu Součinitel tření byl stanoven pro každý zinkový povlak zvlášť, naměřené součinitele tření jsou na obr. 7. Závislost součinitele tření na drsnosti povrchu je zobrazena na obr. 8. Vliv drsnosti povrchu zinkových povlaků na součinitel tření nebyl pro malý počet zkušebních vzorků z výsledku měření jednoznačně prokázán. 0,4 0,3 Součinitel tření 0,2 N 0,1 Drsnost povrchu, µ m 0 5,00 6,00 7,00 8,00 Obr. 8 Vliv drsnosti povrchu na výsledný součinitel tření Větší vliv na součinitel tření byl shledán v chemickém složení zinkové lázně, respektive ve vlivu fázové struktury zinkového povlaku. Při porovnání metalografických výbrusů povlaků vzorku a, viz obr. 9, je patrná jemnější struktura povlaku vzorku než u vzorku. Jemnější struktura přenáší mechanická namáhání lépe než struktura hrubší. Fázové struktury vzorků a N jsou téměř srovnatelné. Nižší výsledný součinitel tření vzorku N proti vzorku je důsledkem zbytků měkké fáze (čistého zinku) na povrchu vzorku. 5

N ZN Obr. 9 Metalografické výbrusy povlaků po zkoušce, vzorky, N, Metalografické výbrusy ze vzorků odebraných z těsné blízkosti šroubů, viz obr. 10, dokumentují poruchy povlaku vlivem mechanického namáhání. Poruchy vznikaly v křehké části povlaku na vzorcích a. Povlak vzorku N nebyl porušen, protože vlivem prokluzu při nízké síle nebyly fázové struktury vystaveny vysokému mechanickému namáhání. 6

N Obr. 10 Poruchy zinkových povlaků po mechanickém namáhání, vzorky, N, Shrnutí Výsledky pilotních experimentů prokázaly možnost využití žárově pozinkovaných prvků pro třecí spoje. Byly změřeny součinitele tření tří různých zinkových povlaků v rozmezí 0,2 0,36. Součinitel tření je ovlivňován strukturou zinkového povlaku. Pro využití v praxi bude třeba výsledky doplnit o zkoušky dlouhodobé deformace spojů. O ekonomice spojů rozhodne volba nejvhodnějšího způsobu tryskání, vliv drsnosti povrchu a chemické složení dané lázně. Oznámení Autoři děkují za odbornou spolupráci Ing. Zdeňce Havránkové. Zkušební vzorky dodala Asociace českých zinkoven a metalografické výbrusy vyrobila společnost Ekozink s.r.o. Práce byla podpořena výzkumným záměrem MSM 6840770001 Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních konstrukcí. Literatura [1] ČSN P ENV 1090-1 Provádění ocelových konstrukcí, Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha 1997, 117 s. [2] ČSN EN 14399-2 Vysokopevnostní předpjaté šroubové spoje Část 2: Zkouška vhodnosti pro předpjaté spoje, ČNI, Praha 2004, 15 s. [3] Wald F., ozlívka L., Sokol Z., Šertler H.: Žárově zinkované šrouby třecích spojů, v Konstrukce, č. 3/2003, příloha Kotvící, spojovací a upevňovací materiály, s. 24-28. Michal Strejček, Zdeněk Sokol, František Wald www.fsv.cvut.cz/~wald 7