POŁĄCZENIA W KONSTRUKCJACH STALOWYCH

W konstrukcjach stalowych istnieje duża liczba różnych rodzajów połączeń umożliwiających tworzenie

z produkowanego asortymentu wyrobów stalowych, złożonych elementów i całych układów konstrukcyjnych.

Ponadto połączenia mogą mieć na celu usztywnienie całej konstrukcji lub poszczególnych jej elementów oraz

złączenie elementów podzielonych ze względów montażowych. Połączenia odgrywają ważną rolę zarówno

w fazie projektowania i produkcji konstrukcji, jak i w fazie montażu.

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.

ŁĄCZNIKI

Nity – składają się z dna i trzonu, przy czym część długości nita surowego może mieć kształt
stożka ściętego. Nity dzielimy w zależności od kształtów łbów:

Nitowanie polega na tym, że surowy nit, rozgrzany do

temperatury ok. 900

o

C, wprowadza się w otwory łączonych

części i zakuwa. W budownictwie stosuje się nity o średnicach

11 mm. < d < 28 mm. Średnice otworów przejściowych

przyjmowane są o 1 mm. Większe niż średnica trzpienia.

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

o

=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

ub

i wymaganej granicy plastyczności f

yb

. Klasy te oznacza się symbolem składającym się z dwóch liczb

przedzielonych kropką:

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

ub

,

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

na rozciąganie f

yb

/f

ub

.

Przykładowo: symbol 5.6 oznacza śrubę o wytrzymałości na rozciąganie f

ub

=500 N/mm

2

i stosunku f

yb

/f

ub

=0,6.

Wartości nominalne granicy plastyczności f

yb

i wytrzymałości na rozciąganie f

ub

dla odpowiednich klas śrub

przedstawiono w tablicy poniżej:

Klasa śrub 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9

yb

f [N/mm

2

]

240 320 300 400 480 640 900

ub

f [N/mm

2

]

400 400 500 500 600 800 1000

RODZAJE I KATEGORIE POŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH

Połączenia śrubowe projektuje się jako zakładkowe i doczołowe, a połączenia nitowe i na sworznie – tylko

jako zakładkowe.

Przykład połączenia zakładkowego

Przykład połączenia doczołowego

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),

,

,

,

,

,

,

Rd

b

Ed

v

Rd

v

Ed

v

F

F

F

F





gdzie:

obliczeniowa siła ścinająca przypadająca na śrubę w stanie granicznym nośności,



Ed

v

F

,

obliczeniowa nośność śruby na ścinanie,



Rd

v

F

,

obliczeniowa nośność śruby na docisk do ścianki otworu.



Rd

b

F

,

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

złącza, można stosować częściowe sprężenie siłą

,

7

,

0

7

,

M

s

ub

Cd

p

A

f

F





w którym:



wytrzymałość na rozciąganie śrub,

ub

f

pole przekroju czynnego śruby.



s

A



 1

,

1

7

M



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

Rd

s

ser

Ed

v

F

F

,

,

,

,



gdzie:

siła ścinająca przypadająca na śrubę w stanie granicznym użytkowalności,



ser

Ed

v

F

,

,

obliczeniowa nośność śruby na poślizg w stanie granicznym użytkowalności.



ser

Rd

s

F

,

,

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

,

,

,

,

,

,

Rd

b

Ed

v

Rd

v

Ed

v

F

F

F

F





gdzie:

obliczeniowa siła ścinająca przypadająca na śrubę w stanie granicznym nośności,



Ed

v

F

,

obliczeniowa nośność śruby na ścinanie,



Rd

v

F

,

obliczeniowa nośność śruby na docisk do ścianki otworu.



Rd

b

F

,

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,

,

,

,

,

,

,

Rd

b

Ed

v

Rd

s

Ed

v

F

F

F

F





gdzie:

obliczeniowa siła ścinająca przypadająca na śrubę w stanie granicznym nośności,



Ed

v

F

,

nośność obliczeniowa śruby na poślizg w stanie granicznym nośności.



Rd

s

F

,

W przypadku połączeń rozciąganych należy ponadto sprawdzić warunek nieprzekroczenia nośności plastycznej

przekroju netto z otworami na śruby

dla obliczeniowych wartości oddziaływań.

Rd

net

N

,





,

,

,

Rd

net

Ed

v

N

F

gdzie:

suma obliczeniowych sił w połączeniu w stanie granicznym nośności oraz





Ed

v

F

,

,

0

,

,

M

y

net

Rd

net

Rd

t

f

A

N

N









przekrój netto przez otwory,



net

A

granica plastyczności,



y

f



 1

0

M



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,

,

,

,

,

,

,

Rd

p

Ed

t

Rd

t

Ed

t

B

F

F

F





gdzie:

obliczeniowa siła rozciągająca śrubę w stanie granicznym nośności,

obliczana z uwzględnieniem efektu dźwigni.





Ed

t

F

,

nośność na rozciąganie,

Rd

t

F

,

nośność na przeciąganie,



Rd

p

B

,

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:

ED

t

F

,

.

4

,

1

,

,

,

,

Rd

t

Ed

t

Rd

v

Ed

v

F

F

F

F



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

ROZMIESZCZENIA OTWORÓW NA ŁĄCZNIKI W POŁĄCZENIACH ZAKŁADKOWYCH

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

1,2·d

0

4·t + 40 mm

max

8·t
125 mm

Odległość boczna e

2

1,2·d

0

4·t + 40 mm

max

8·t
125 mm

Rozstaw p

1

2,2·d

0

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

2,4·d

0

min

14·t

200 mm

min

14·t
200 mm

min

14·t

min

175 mm

1)

Ograniczenia dotyczą elementów ściskanych (aby zapobiec wybrzuszeniu) oraz ściskanych

i rozciąganych elementów eksponowanych (aby zapobiec korozji).

2)

grubość cieńszej zewnętrznej części łączonej.



t

3)

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

długości wyboczeniowej 0,6·p

1

. Nie wymaga się sprawdzenia

stateczności miejscowej między łącznikami gdy p

1

/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

0

otworów w zależności od średnicy

trzpienia śruby d:

- otwory normalne

d

0

=

dla

(

=1 mm)

mm,

1



d

mm,

12



d

d

0

=

dla

(

=2 mm)

mm,

2



d

mm,

24

mm

16



 d

d

0

=

dla

(

=3 mm)

mm,

3



d

mm,

27



d

- otwory powiększone (

=3 mm ÷ 8 mm)

od

d

0

=

dla śrub M12,

mm,

3



d

do

d

0

=

dla śrub M27.

mm,

8



d



ZAŁOŻENIA OBLICZENIOWE DLA POŁĄCZEŃ ZAKŁADKOWYCH

Współczynniki częściowe dotyczące węzłów

Wartości współczynników częściowych dotyczących węzłów podano w tablicy poniżej:

Nośność elementów i przekrojów



M0

,



M1

,



M2

- patrz EN1993-1-1

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



M0

=1,00;



M1

=1,00 ;



M2

=1,25

Wg postanowienia krajowego NA 14
przyjmuje się



M0

=1,00;



M1

=1,00

oraz



M2

=min(1,1; 0,9·f

u

/f

y

)

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

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

25

,

1

2



M



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

25

,

1

3



M



1

,

1

,

3



ser

M



Nośność na docisk śrub z iniekcją

0

,

1

4



M



Nośność sworzni w stanie granicznym użytkowalności

0

,

1

,

6



ser

M



Siła sprężania w śrubach o wysokiej wytrzymałości

1

,

1

7



M



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

t

, I

s

) - (rozerwanie lub ścięcie)

b) Model II - (zniszczenie w strefie docisku)

c) Model III - (zniszczenie przekroju netto)

d) Model IV - (ścięcie śruby)

e) Model V - (rozerwanie blokowe)

f) Zniszczenie z uwagi na przeciąganie

► 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

,

2

,

M

ub

v

Rd

v

A

f

F







gdzie:

wytrzymałość śrub na rozciąganie (tab. 3.1),



ub

f

A=A

s

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

s

jest

polem przekroju czynnego śruby oraz:

- dla klas 4.6, 5.6 i 8.8,

,

6

,

0



v



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

.

5

,

0



v



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

ν

=0,6.

.

25

,

1

2



M



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:

,

2

1

,

M

u

b

Rd

b

t

d

f

k

F









gdzie:

wytrzymałość na rozciąganie blach,



u

f



d

średnica śruby,

minimalna grubość blach dla docisku w jednym kierunku oraz



t

,

0

,

1

min























u

ub

d

b

f

f





a ponadto:

- dla śrub skrajnych:

- dla śrub pośrednich:

,

3

1

d

d

e





o

,

5

,

2

7

,

1

4

,

1

7

,

1

8

,

2

min

2

2

1











































o

o

d

p

d

e

k

,

4

1

3

1





o

d

d

p



.

5

,

2

7

,

1

4

,

1

min

2

1

























o

d

p

k

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:





b

n

1

i,

Rd

,

b

Rd

,

V

F

F

,

W przeciwnym przypadku:

min

,

Rd

b

Rd

,

V

F

n

F





,

Gdzie:
n

b

– liczba śrub przenoszących

obciążenie,
F

Rd,min

– minimalna nośność śruby na

ścinanie lub docisk.

► Nośność grupy łączników przy obciążeniu mimośrodowym względem środka ciężkości

W przypadku obciążenia grupy łączników momentem M

Ed

i siłą F

Ed

o linii działania przechodzącą przez

środek ciężkości, stosuje się zasady statyki dla płaskiego układu sił.

Na podstawie analizy statycznej identyfikuje się łącznik

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

łącznika wypadkową oddziaływania:



 



2

i

V

,

F

,

i

2

i

V

,

F

,

i

M

,

i

Ed

,

i

sin

F

cos

F

F

F















,

gdzie: r

i

– ramię działania siły F

i,M

,

b

Ed

V

,

F

,

i

n

F

F



- siła na łącznik

„i” od obciążenia F

Ed

n

b

– liczba śrub przenoszących obciążenie,

 







b

n

1

2

i

i

Ed

M

,

i

r

r

M

F

- składowa od momentu

M

Ed

na łącznik

„i”,

φ

i

– kąt między wektorami sił składowych.

W przypadku ogólnym obciążenia grupy łączników momentem i siłami osiowymi, przy przyjęciu

prostokątnego układu współrzędnych, można korzystać z następującego zestawu wzorów:



 



2

V

,

M

,

i

V

,

F

,

i

2

H

,

M

,

i

H

,

F

,

i

Ed

,

i

F

F

F

F

F









,

gdzie:

b

H

,

Ed

H

,

F

,

i

n

F

F



- składowa pozioma na łącznik

„i” od siły F

Ed,H

,

b

V

,

Ed

H

,

F

,

i

n

F

F



- składowa pozioma na łącznik

„i” od siły F

Ed,V

,













b

n

1

2

i

2

i

i

Ed

H

,

M

,

i

y

x

y

M

F

- składowa pozioma od momentu

M

Ed

,













b

n

1

2

i

2

i

i

Ed

V

,

M

,

i

y

x

x

M

F

- składowa pionowa od momentu

M

Ed

,

n

b

– liczba łączników w połączeniu,

x

i

, y

i

– współrzędne łącznika

„i” w układzie prostokątnym z początkiem w środku ciężkości

grupy łączników.