Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________49
Połączenia na nity i śruby
Praca nitów i śrub w połączeniach w zasadzie jest identyczna, stąd obliczanie i kształtowanie
tych połączeń przeprowadza się według tych samych zasad. Współczesne konstrukcje stalowe
praktycznie nie są już łączone za pomocą nitów dlatego dokładniej omawiane będą połączenia
śrubowe.
W normie PN-90/B-03200 te połączenia zostały podzielone na 6 kategorii, oznaczonych od A do F.
Podział ten uzależniono od kierunku działania obciążenia w stosunku do osi łączników, rodzaju
połączenia oraz warunków nośności. Wyróżniono dwie podstawowe grupy połączeń:
" zakładkowe (przykładkowe lub nakładkowe), w których kierunek działania sił jest
prostopadły do osi łączników, obejmujące połączenia kategorii A,B i C
" doczołowe, w których kierunek działania sił jest równoległy do osi łączników,
obejmujące połączenia kategorii D,E i F.
Rys. 5.1 Rodzaje połączeń a) nakładkowe b) doczołowe [11]
Tablica 13 PN-90/B-03200
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________50
Asortyment śrub
W budownictwie stosuje się wiele różnych rodzajów śrub. Biorąc pod uwagę kształt,
dokładność wykonania i przeznaczenie rozróżnia się:
" śruby zgrubne (surowe, zwykłe), oznaczone symbolem C, wykonane z łbem sześciokątnym
lub kwadratowym, z trzpieniem cylindrycznym gładkim, gwintowanym na części lub
na całości;
" śruby klasy średnio dokładnej, oznaczone symbolem B lub klasy dokładnej oznaczonej
symbolem A, o kształcie jak śruby zgrubne lecz większej dokładności wykonania
poprzez dodatkowe obrobienie trzpienia za pomocÄ… toczenia;
" śruby pasowane, o odmiennym kształcie trzpienia, charakteryzującym się mniejszą
średnicą na odcinku gwintowanym niż na odcinku gładkim, mocowane w otworach
z małym luzem (0.1 do 0.2 mm) poprzez pobijanie młotkiem (rzadko jeszcze stosowane
w budownictwie obecnie)
" śruby do połączeń sprężonych, wykonane w klasie średniodokładnej ze stali o wysokiej
wytrzymałości, w tradycyjnym kształcie, stosowane w połączeniach ciernych i doczołowych
sprężonych
Rys. 5.2 Śruby z łbem sześciokątnym [2]
a) śruby zwykłe klas A,B,C b) śruby pasowane
c) i d) śruby do połączeń sprężanych
1-łeb śruby, 2- trzpień, 3-gwint, 4-nakrętka, 5-podkładka
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________51
W budownictwie używa się również różnych rodzajów śrub o specjalnym przeznaczeniu:
a) śruby fundamentowe,
b) śruby rzymskie,
c) śruby hakowe i młotkowe,
d) śruby dwustronne (pręty okrągłe nagwintowane),
e) śruby rozporowe (kołki).
Rys. 5.3 Åšruby specjalne [11]
Rys. 5.4 Podkładki pod śruby [2]
a) zwykłe b) do połączeń sprężanych c) sprężyste
d) e) klinowe
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________52
Rys. 5.5 Zastosowanie podkładek klinowych [3]
Śruby podzielono również na klasy w zależności od właściwości mechanicznych stali,
z których są wykonane. W zależności od wymaganej wytrzymałości na rozciąganie i
od wymaganej granicy plastyczności w stalowych konstrukcjach budowlanych stosuje
się 10 klas śrub. Klasy oznacza się symbolem składającym się z dwóch liczb przedzielonych
kropką. Pierwsza liczba stanowi 0,01 minimalnej wymaganej wytrzymałości doraz
nej na
rozciąganie stali gotowych śrub w MPa. Druga liczba stanowi 0,1 stosunku minimalnej
granicy plastyczności do minimalnej wytrzymałości doraz
nej na rozciąganie śrub.
Przykładowo klasa 4.6 oznacza śrubę o charakterystyce
Re
Rm=400MPa =0.6
Rm
Zestawienie parametrów śrub różnych klas podano w tablicy Z2-2 wg PN-90/B-03200:
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________53
Nośność graniczna połączeń zakładkowych
Rys. 5.6 Połączenia zakładkowe [2]
a) jednocięte b) dwucięte c) wielocięte
Rys. 5.7 Wytężenie śrub w połączeniu niesprężanym [2]
1-blachy łączone, 2-nakładki
Rys. 5.8 Wytężenie dociskowe trzpienia śruby [2]
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________54
Rys. 5.9 Modele rozkładu obciążeń na śruby [2]
Rys. 5.10 Wytężenie połączenia sprężonego [2]
Rys. 5.11 Rozkład sił w styku zginanym [11]
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________55
Dla styku obciążonego siłą poprzeczną V oraz momentem M (rys.5.11)
V
- składowa od siły poprzecznej VQ= n-liczba śrub
n
- składowa od momentu zginającego (maksymalna)
rm xm2+ym2
Tm=MÅ" lub Tm=MÅ"
ri2 xi2+yi2)
" "(
i i
gdzie
rm odległość skrajnej śruby od środka ciężkości łączników S
ri odległość i-tej śruby od środka ciężkości łączników S
xm,ym pozioma i pionowa odległość skrajnej śruby od środka ciężkości łączników S
xi,yi pozioma i pionowa odległość i-tej śruby od środka ciężkości łączników S
pozioma składowa od momentu (maksymalna)
ym ym ym
Hm=TmÅ"sinÕ=TmÅ" =TmÅ" =MÅ"
rm
xi2+yi2)
xm2+ym2
"(
i
pionowa składowa od momentu
xm xm xm
Vm=TmÅ"cosÕ=TmÅ" =TmÅ" =MÅ"
rm
xi2+yi2)
xm2+ym2
"(
i
Wypadkowa siła w śrubie
W= Hm2+ Vm+VQ
( )2
Inną postać wzoru podano w normie PN-90/B-03200. Równoważność będzie widoczna
przy założeniu
Tm=SiM Vm+VQ=SiF
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________56
Nośność graniczna połączeń doczołowych
Rys. 5.12 Przykłady połączeń doczołowych [11]
a) styki belki stropowej ze słupami
b) styk rozciÄ…gany osiowo
c) styk belki ciągłej nad podporą
d) e) f) styki rygla hali
" Połączenia doczołowe proste (śruby równomiernie obciążone)
" Połączenia doczołowe złożone (nierównomierny rozkład obciążenia śrub)
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________57
Rys. 13 Wytężenie śrubowych połączeń doczołowych [2]
Rys. 5.14 Schemat powstawania efektu dz
wigni [2]
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________58
Wybrane zagadnienia z PN-90/B-03200
Nośność obliczeniowa łączników
Åšruby
- zerwanie trzpienia SRt=min 0.65Å"RmÅ"As,0.85Å"ReÅ"As
( )
gdzie As - pole przekroju czynnego rdzenia śruby
Rm - wytrzymałość na rozciąganie stali śrub
Re - granica plastyczności stali śrub
- rozwarcie styku sprężonego SRr=0.85Å"SRt przy obciążeniu statycznym
SRr=0.6Å"SRt przy obciążeniu dynamicznym
- Å›ciÄ™cie trzpienia SRv=0.45Å"RmÅ"AvÅ"m
m liczba płaszczyzn ścinania
Ä„Å"d2
Av= przy ścinaniu części niegwintowanej
4
Av=0.8Å"As przy Å›cinaniu części gwintowanej
dla śrub klasy 10.9
Av=As przy ścinaniu części gwintowanej
dla śrub innych klasy
- uplastycznienie wskutek docisku trzpienia do ścianki otworu
SRb=Ä…Å"fdÅ"dÅ" t
"
a1
a 3
Ä…= d"2.5 Ä…= - d"2.5
d d 4
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________59
fd wytrzymałość obliczeniowa stali dla
łączonych elementów
d średnica śruby
a1,a rozstawy śrub
t sumaryczna grubość łączonych części
"
podlegajÄ…cych dociskowi w tym samym
kierunku
Przy docisku do części gwitowanej należy zamiast d przyjmować 0.7 d
- poÅ›lizg styku sprężonego SRs=Ä…sÅ"µÅ" SRt-StÅ"m
( )
ąs=0.7 przy otworach owalnych długich
ąs=0.85 przy otworach powiększonych
lub owalnych krótkich
ąs=1 przy otworach okrągłych
µ współczynnik tarcia
St ewentualna siła rozciągająca śrubę
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________60
- przy jednoczesnym obciążeniu śruby siłami rozciągającymi St i ścinającymi Sv
2 2
ëÅ‚StöÅ‚ ëÅ‚SvöÅ‚
+ d"1 (74)
ìÅ‚S ÷Å‚ ìÅ‚S ÷Å‚
Rt Rv
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
Nośność nitów
- ścinanie i docisk jak w przypadku śrub lub należy wyznaczać eksperymentalnie
- rozciaganie
SRt=0.3Å"RmÅ"A (75)
- w przypadku złożonego obciążenia wg wzoru (74)
Nośność sworzni
- ścinanie
SRv=min 0.4Å"RmÅ"A,0.6Å"ReÅ"AÅ"Ä…vÅ"m (76)
( )
0.5Å"d
ąv= d"1 gdzie d średnica sworznia
tmax
tmax największa grubość
łączonych części
- docisk jak dla śrub lecz ąd"1.4
Wymiarowanie połączeń
Tablica 14 PN-90/B-03200
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________61
Połączenia zakładkowe
- przy obciążeniu osiowym Fd"FRj=nÅ"·Å"SR (77)
n liczba łączników
SR miarodajna nośność obliczeniowa łącznika
· współczynnik redukcyjny
L-15Å"d
·=1- (78) 0.75d"·d"1
200Å"d
- przy obciążeniu siłą i momentem
Si= Si.M+Si.FÅ"cosÅši + Si.FÅ"sin Åši d"SR (79)
( )
( ( ))2 ( )2
Si wypadkowa siła przypadająca na i-ty łącznik
Śi kąt między wektorami sił składowych
MÅ"ri
F
ri ramię działania siły
Si.F= Si.M=
n
n
n liczba łączników
ri2
"
i=1
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________62
Połączenia doczołowe
Grubość blachy czołowej
cÅ"SRt
- w połączeniach niesprężanych te"tmin=1.2 (82)
bsÅ"fd
gdzie SRt nośność obliczeniowa śruby
fd wytrzymałość obliczeniowa stali blachy
c odległość między brzegiem otworu a spoiną lub cd"d
poczÄ…tkiem zaokrÄ…glenia
bs szerokość wpółdziaÅ‚ania blachy przypadajÄ…ca bsd"2Å"(c+d)
na jedną śrubę
- w połączeniach sprężanych
3
Rm
obciążonych statycznie te"tmin=dÅ" (83)
1000
obciążonych dynamicznie te"1.62Å"tmin tmin wg (82)
te"1.25Å"tmin tmin wg (83)
Nośność połączeń rozciąganych Nd"NRj (85)
1
- dla poÅ‚Ä…czeÅ„ prostych NRj= Å"nÅ"SR (86)
²
t
współczynnik efektu dz
wigni ²=2.67- e"1 (84)
tmin
n
- dla poÅ‚Ä…czeÅ„ zÅ‚ożonych NRj=SrÅ" Éi (87)
"
i=1
Éi współczynnik rozdziaÅ‚u obciążenia
1
Éid"
²
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________63
Nośność połączeń zginanych
Md"MRj (88)
MRj nośność obliczeniowa połączenia na zginanie
- ze względu na zerwanie śrub
p+k-1
MRj=SRtÅ" miÅ"ÉtiÅ"yi
(89)
"( )
i=p
- ze względu na rozwarcie styku
p+k-1
ëÅ‚ öÅ‚
yi2
MRj=SRrÅ" (90)
"ìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚miÅ"ÉriÅ" ÷Å‚
ymax
íÅ‚ Å‚Å‚
i=p
- ze względu na rozwarcie styku, gdy blacha czołowa jest usztywniona tylko
wzdłuż jednej krawędzi
k
îÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚Å‚Å‚
yi2
ïÅ‚m1Å"Ér1Å"y1+
MRj=SRtÅ"
"ìÅ‚ ÷łśł
ìÅ‚miÅ"ÉriÅ" ÷łśł (91)
y2
ïÅ‚
íÅ‚ Å‚Å‚ûÅ‚
i=2
ðÅ‚
gdzie p=1 gdy występuje zewnętrzny szereg śrub lub p=2
k liczba szeregów śrub kd"3
SRt,SRr nośność obliczeniowa śrub
mi liczba śrub w i-tym szeregu
Éti,Éri współczynniki rozdziaÅ‚u obciążenia
yi ramię działania sił w śrubach i-tego szeregu względem
potencjalnej osi obrotu
yie"0.6Å"ho
h
yired=yi- dla dwuteowników o wysokości większej niż 400 mm
6
lub smukłości środnika
hw
215
e"140Å"
tw fd
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________64
Współczynniki rodziału obciążenia
______________________________________________________________________________________________
2005-03-31 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha