7. Šroubované spoje Technologie šroubování, navrhování šroubových spojů. Technologie šroubování Šrouby pro OK Materiál: š. do plechu 4.6 (f ub = 400 MPa, f yb = 0,6 400 = 40 MPa) uhlíkové oceli 4.8 5.6 5.8 6.8 kalené a popouštěné oceli d metrický závit (pro velké ø jemný, např. M 39x3) šestihranná nebo válcová hlava s vnitřním šestihranem L š. závitořezné š. samovrtné d = (1), 16, 0, 4, 7, 30 (značka např. M 0 x L) 8.8 10.9 1.9 (VP vysokopevnostní šrouby) Pozn: šrouby z nerezových ocelí (austenitických) se označují A, A3, A4, A5 (podle složení materiálu). závit ST Provedení šroubů a matic: hrubé, přesné (tolerance dříku h13 0 až - 0,33 mm) Podložky: obyčejné pro OK (t = 8 mm) pojistné pro třecí spoj (kalené 00 HV) NNK ocelové konstrukce (7) 1
Šroubované spoje 1. Obyčejné jakýkoliv materiál: hrubé vrtání d 0 = d + [mm] (3 mm od M30) lícované d 0 = d + 0,11 (tolerance otvoru H11 +0,13 mm až 0) injektované běžné vrtání zainjektováno pryskyřicí (otvorem v hlavě šroubu, podložky oboustranně) Namáhání při smyku: 1. na střih. na otlačení (šroubu i základního materiálu, popř. pryskyřice). Třecí VP materiál (8.8, 10.9) Namáhání při smyku: třením T NNK ocelové konstrukce (7)
Vyvození kroutícího momentu T - momentový klíč (ruční, elektrický, pneumatický) - odhadem: - na úhel otočky - podložky s výstupky pro indikaci napětí hlavice + ráčna Rozteče šroubů min., běžné, max. (normy). Běžné: Pro válcované tyče: v tabulkách!! Značky ve výkresech: dílenské p e e 1 p 1 e 1 p 1, p... 3,5 d 0 e 1...,5 d 0 e... d 0 otvor šroub třecí montážní Ø M0 x 60 NNK ocelové konstrukce (7) 3
Návrh šroubovaných spojů (ČSN EN 1993-1-8) smykové Kategorie spojů tahové 1. Smykové Kategorie A B C Druh Běžné šrouby (4.6 až 10.9) Třecí spoj bez prokluzu při MSP (8.8, 10.9) Třecí spoj bez prokluzu při MSÚ (8.8, 10.9) Posudek -střih v,ed v,rd -otlačení v,ed b,rd -střih v,ed v,rd -otlačení v,ed b,rd -prokluzpři MSP v,ed,ser s,rd,ser při provozu tuhý -otlačení v,ed b,rd -prokluzpři MSÚ v,ed s,rd při kolapsu tuhý (neporuší se střihem) NNK ocelové konstrukce (7) 4
. Tahové Kategorie Druh Posudek D E Běžné šrouby nepředepnuté (4.6 až 10.9) Předpjaté šrouby (8.8, 10.9) -přetržení v tahu t,ed t,rd -protlačení hlavy t,ed B p,rd Ne pro dynamické zatížení! - zcela stejné jako v kategorii D. Význam: bez deformací, ale únosnost je stejná!!! Pozor: Při stanovení únosnosti spojů (šroubových i svarových) se vychází z meze pevnosti materiálu spojovacích prostředků (proto vesměs γ M ): f ub pro šrouby (materiál šroubů), pro svary (= základní materiál). f u Součinitele materiálu podle ČSN EN 1993-1-8: γ M = 1,5 (šrouby, svary) γ M3.ser = 1,1 γ M3 = 1,5 γ M7 = 1,1 pro třecí spoje NNK ocelové konstrukce (7) 5
Únosnost ve střihu: n = 1 n =... počet střihů závit ve střihu: = 0 γ v, Rd,6 fubasn / pro šrouby z materiálů 4.8., 5.8., 10.9. výjimka: pouze 0,5 M π d plocha jádra ( s ) 4 není-li závit ve střihu: místo A s se bere A Únosnost v otlačení: t 1 t 1 t... otlačovaná tloušťka t = min. t t 3 t 1 t t = min. t 1 + t 3 t pro běžné příčné rozteče (e >1,5d 0 a p >3d 0 ): k 1 =,5 otlačovaná plocha = b, Rd k1αb fud t / γ M Min. součinitel α b plyne z experimentů: e 1 /3d 0 pro vytržení okraje, (p 1 /3d 0 ) - 0,5 pro protržení otvoru, f ub /f u pro otlačení šroubu, 1 pro otlačení plechu. NNK ocelové konstrukce (7) 6
Únosnost v tahu: přetržení dříku = Interakce smyk + tah: (nutno splnit navíc) t, Rd kfubas /γ M v,ed v,rd k = 0,9 t,ed + 1,4 t, Rd Třecí spoje (kategorie B, C) - použije se VP materiál (8.8, 10.9) Únosnost v prokluzu: 1 = smyk s, Rd k snμ p.cd / γ M3 Pozn.: Též únosnost v protlačení hlavy : Je neobvyklé, jen u velmi slabých plechů, vzorec v normě. Pozn.: pro šrouby s řezaným závitem (nikoliv válcovaným) jako táhla, kotevní šrouby se únosnosti ve střihu a tahu násobí součinitelem 0,85. 1 počet třecích ploch 1 tah součinitel tření popř. pro kat. B γ M3.ser k s = 1 (pro nadměrné otvory 0,85; oválné 0,7) NNK ocelové konstrukce (7) 7
Součinitel tření μ je dán třídou povrchu v době provedení spoje: tř. A (otryskaný drtí nebo granulátem) μ = 0,5 tř. B (otryskaný + speciální nátěr, metalíza) μ = 0,4 tř. C (očistěný kartáčem, plamenem) μ = 0,3 tř. D (neupravený, bez rzi): nepoužívat! μ = 0, Předpínací síla: Únosnost v otlačení: p, C = 0, 7fubAs t, Rd jako obyčejné šrouby, rozhoduje výjimečně! Únosnost v tahu: jako nepředepnutý spoj (zhruba stejná únosnost!!!) (pro vysvětlení viz doplňující poznámky) Interakce smyk + tah: s, Rd = ksnμ ( p,c 0,8 t,ed) / γ M3 pro běžné vrtání k s = 1 odečteno 80 % vnějšího tahu popř. pro kat. B γ M3.ser Pozn.: Obvykle však tlak vyrovnává tahy, tření tedy zůstává a únosnost v prokluzu se nesnižuje (např. u konzol) viz obrázek: tlak tah NNK ocelové konstrukce (7) 8
Páčení šroubů Q T,Rd +Q T,Rd m t T,Rd e T,Rd T,Rd +Q Q = páčící síla Idealizace pomocí únosnosti T průřezu: Pro dostatečnou tloušťku čelní desky t páčení nevznikne (Q = 0, odtud T,Rd = t,rd ). Např. podle ČSN 731401/1998 páčení šroubu o průměru d nevznikne, pokud: t te = 4, 3 Praktický postup podle EN 1993-1-8: 1. Určí se snížená únosnost šroubu v T přípoji (tj. při páčení) T,Rd t,rd. Vzorce jsou uvedeny v normě, popř. na webu Pomůcky, pro 3 způsoby porušení: -vytvoření 4 plastických kloubů v pásnici, -vytvoření plastických kloubů v pásnici, m e - nebo přetržení šroubů tahem. t,rd t,rd m e t,rd. Pro další výpočty se uvažuje menší z únosností: v tahu t,rd nebo při páčení T,Rd. NNK ocelové konstrukce (7) 9 3 m d e m e
Rozdělení sil na skupinu šroubů Pružné Plastické - lze vždy - nelze u kategorie C - nelze pokud rozhoduje střih ( v,rd < b,rd ) 1. Smykové spoje (přeplátované spoje) - vesměs pružné řešení síla ø d na 1 šroub = V,Ed n zde n = 6 pro dlouhý spoj (L j >15 d) se únosnost redukuje doporučuje se max. 6 šroubů v řadě za sebou! moment L j M 1 r 1 r M 1 = 1 r1 + r +... = ir i r1 1 r1 = =... r r 3 3 i T M r 1 1 = = ri NNK ocelové konstrukce (7) 10...
síla a moment M představuje přípoj (jednou řadou šroubů): nebo polovinu (!!) styku: 5 4 T 3 1 r 1 r h silová podmínka: momentová podmínka: = 1, n zde 5 M r1 M 1,M = = β r h i nejvíce namáhaný je krajní šroub: tab. TP64, literatura V,Ed = 1, + 1,M... střih otlačení příklad pro šrouby: M h 1, = / 1,M, = M/h Pozn.: plastické řešení rozdělení sil ve smykovém spoji je výjimečné!! NNK ocelové konstrukce (7) 11
. Tahové spoje - přípoj na čelní desku (konzola, rámový roh) V 1 řešení pružné 1 r r 1 plastické (obvyklejší, snazší: Posudek M Rd = Σ r i T,Rd,i M Ed ) T,Rd T,Rd střed otáčení = tuhý bod průřezu (střed pásnice) V 1 V M R Pružné posouzení: od síly : V V,Ed = n od momentu M = e: ( r + r + r ) tuhý kout, jinak 1 1 3 3 = M 3 r 3 1 r1 1 r1 = = e r 3 r3 výztuhy!!! (jinak tzv. polotuhý styčník) M r1 odtud: t,ed = 1 = T, Rd ri Interakce obou namáhání (od a M) : pro běžné šrouby ano (viz vztah výše), pro předpjaté šrouby ne (pozn. str.8). NNK ocelové konstrukce (7) 1 ϕ v,rd b,rd s páčením
Rámy s polotuhými styčníky bez výztuh kloubový tuhý polotuhý M M pl tuhý (s plnou únosností) polotuhý kloubový model pro globální pružnou analýzu a polotuhý styčník: φ (natočení) Výhody: - jednoduché (levné), přitom přebírají určitý moment M. Nevýhody: - složitější výpočet přibližný (tabulky), nelineární (nutné znát poddajnost, obvykle z experimentů). NNK ocelové konstrukce (7) 13
Doplňující informace NNK ocelové konstrukce (7) 14
Únosnost předpjatého šroubu v tahu Tah ve šroubu t.rd p.c t.rd p.c Tah na spoj ~1,1 p.c p.c Tlak v třecí ploše Odtud plyne: Při zatěžování spoje dochází k odlehčování v třecí ploše (pro jeden šroub ve velikosti asi 10x plochy šroubu). Únosnost spoje v tahu zůstává přibližně na úrovni únosnosti nepředepnutého šroubu. NNK ocelové konstrukce (7) 15
Přeplátovaný styk ohýbaného nosníku (dříve častý, dnes častěji spoj s čelními deskami a předpjatými šrouby pro omezení deformace spoje) slepý šroub příklad napjatosti σ σ = f y / γ M0 σ w σ f velké rozteče osa y "běžné" rozteče y.. stanovena pro neoslabený průřez σ.. stanoveno s uvažováním W net Postup návrhu styku: 1. Nakreslit styk - stanovit rozteče, počty šroubů v příčném řezu,. Rozhodnout výpočet: a) na dané síly M Ed, V Ed (a napětí σ) b) na únosnost (σ = f y /γ M0 ) NNK ocelové konstrukce (7) 16
Styk pásnice: příložky síla Apříl.net A f,net počet např. obyčejných šroubů: Styk stojiny: příložky moment = A σ (příp. oslabená plocha A net ) f Wpříl.net W w,net M = M M w f Sd f f = f n = M Sd min (na obrázku jsou 4) h' f min = min ( V,Rd ; vzdál. těžišť pásnic b, Rd ) Iw (pro pružné řešení přibližně Mw MSd ) I posouzení navržených šroubů: V n Sd 1, = 1, M = na obrázku je 6 M h w β w = 1, + 1,M min NNK ocelové konstrukce (7) 17