Politechnika Warszawska wydział BMiP w Płocku
Laboratorium konstrukcji stalowych
Temat: Połączenia śrubowe
Wykonali: Kamil Szewczyk Filip Wojtasik Piotr Panufnik Wojciech Życiński

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie wytrzymałości połączeń śrubowych stosowanych w elementach metalowych, ich zachowania podczas obciążania siłami krytycznymi oraz sposobu ich zniszczenia.

Część teoretyczna

Połączenia śrubowe

W budownictwie stosuje się różne rodzaje śrub. Bierze się tu pod uwagę ich kształt, dokładność wykonania i przeznaczenie.

1; śruby zgrubne (klasy dokładności zgrubnej), oznaczamy symbolem C, zwane także surowymi lub, niezbyt ściśle , zwykłymi. Śruby te wykonane z łbem sześciokątnym lub kwadratowym, z trzpieniem cylindrycznym gładkim, gwintowanym na części lub całości. Śruby zgrubne są przeznaczone do połączeń tzw. Zwykłych, przy czym zaleca się ich stosowanie w połączeniach drugorzędnych , obciążonych jedynie siłami o charakterze statycznym.

2; Śruby klasy średnio dokładnej oznaczone symbolem B lub klasy średnio dokładnej oznaczone symbolem A o kształcie analogicznym do śrub zgrubnych, ale różniące się sposobem obróbki i dokładnością wykonania. W przeciwieństwie do śrub surowych, trzpień śruby średnio dokładnej jest dodatkowo obrabiany(toczony). W zależności od stopnia obrobienia śruby kwalifikuje się ją do klasy średnio dokładnej i dokładnej. Śruby te zaleca się stosować w połączeniach istotnych dla pracy konstrukcji , które powinny być pewne, zwłaszcza przy obciążeniach o charakterze udarowym lub dynamicznym.

3. Śruby pasowane, charakteryzujące się odmiennym kształtem trzpienia i mniejszą średnicą części gwintowanej d w porównaniu ze średnicą gładkiego trzpienia d1, co jest podyktowane małym luzem w otworze (0,1 :0,2mm) uniemożliwiającym założenie śruby o tradycyjnym kształcie. Śruby zakłada się, podbijając je młotkiem .

4. Śruby do połączeń sprężonych, wykonywane w klasie średnio dokładnej ze stali o wysokiej wytrzymałości, stosowane do tzw. Połączeń ciernych i doczołowych sprężonych. Kształt tych śrub jest tradycyjny.

W tego rodzaju połączeniach śruba (1) i nakrętka (2), łączą dwa lub więcej elementów (3). Elementy te w miejscu łączenia są przewiercane, tak by otwór mieścił śrubę z pasowaniem luźnym. Śruba w takim połączeniu może przenosić tylko i wyłącznie obciążenia osiowe, np. jeżeli elementy połączenia są od siebie w sposób naturalny odciągane np. pokrywa kotła połączona z jego korpusem. Nakrętka w takim połączeniu dokręcana jest na tyle mocno by zapewnić integralność połączenia, gdy nie jest ono obciążone.

W przypadku gdy elementy łączone są obciążone siłami wzdłużnymi działającymi w osi prostopadłej do osi śruby, należy zapewnić połączenie cierne pomiędzy tymi elementami. Realizuje się to przez wstępne naprężenie śruby. Nie spełnienie warunku wstępnego naprężenia, doprowadza do przesunięcia się elementów względem siebie, które ostatecznie swymi krawędziami oprą się o śrubę powodując jej ścinanie, a w ekstremalnych sytuacjach zniszczenie.

Oprócz siły osiowej pochodzącej od obciążenia złącza lub naprężenia osiowego, śruba jest obciążona skręcającym momentem siły. Zgodnie z tym, obliczenia wytrzymałościowe połączenia polegają na sprawdzeniu śruby ze względu na kryterium wytrzymałości na rozciąganie i skręcanie.

Rodzaje połączeń śrubowych

Obecnie połączenia śrubowe mają szerokie zastosowanie we wszelkiego rodzaju konstrukcjach stalowych, zwłaszcza jako połączenia montażowe. Jako że połączenia śrubowe można łatwo rozebrać, znajdują zastosowanie w budowlach, które użytkowane są okresowo, lub są przenoszone z miejsca na miejsce (jak na przykład rusztowania). Połączenia śrubowe charakteryzuje łatwość wykonania na miejscu budowy w każdych warunkach atmosferycznych, na każdej wysokości, bez użycia ciężkiego sprzętu i specjalistycznych narzędzi.

Połączenie śrubowe; powstaje w miejscu styku dwóch (lub kilku) blach, ścianek kształtowników, elementów złożonych itp., za pośrednictwem łączników, czyli śrub umieszczonych w wywierconych otworach, z odpowiedni dokręconymi nakrętkami. Przez obrót i silne dokręcenie nakrętki uzyskuje się siłę rozciągającą w trzpieniu śruby, czyli tzw. naciąg trzpienia.

W konstrukcjach budowlanych stosuje się różne rodzaje połączeń śrubowych. Ze względu na kształt złącza i kierunek obciążenia rozróżnia się przede wszystkim połączenia: zakładkowe bądź nakładkowe oraz doczołowe. W tej grupie klasyfikacyjnej można również umieścić połączenia kotwowe podstaw słupów z fundamentami betonowymi oraz połączenia prętów okrągłych (ściągów, stężeń itp.) za pomocą nakrętek rzymskich.

Połączenia zakładkowe i nakładkowe; stosuje się przede wszystkim w stykach pasów i środników belek oraz słupów, w stykach pasów kratownic, w połączeniach prętów stężeń z blachami węzłowymi itp. Połączenia śrubowe są obciążone osiowo, jeśli wypadkowa sił wewnętrznych przechodzi przez środek ciężkości połączenia, a w płaszczyźnie styku łączonych elementów nie występuje moment zginający.

W mimośrodowych połączeniach zakładkowych w płaszczyźnie styku, oprócz siły osiowej, występuje moment zginający.

Połączenia doczołowe; stosuje się przede wszystkim w węzłach i stykach konstrukcji ramowych pełnościennych, w stykach podporowych belek ciągłych, w stykach ściągów, stężeń itp. W połączeniach doczołowych moment jest prostopadły do płaszczyzny styku elementów.

Połączenia zakładkowe i nakładkowe można podzielić na zwykłe, pasowane i cierne.

Połączenia zwykłe; są od dawna znane i stosowane w budownictwie. Siła rozciągająca w zakładkowych (nakładkowym) połączeniu zwykłym jest przenoszona z jednej blachy na drugą przez trzpień śruby, który pracuje na ścinanie w płaszczyznach styku blach oraz na dociska do ścianek otworu.

Połączenia pasowane, rzadko stosowane w budownictwie, wymagają użycia śrub pasowanych, które umieszcza się w otworach o bardzo małych luzach, wynoszących maksymalnie . Śruby w połączeniach pasowanych pracują również na ścinanie trzpienia i docisk do ścianek otworu.

Połączenia cierne należą do nowoczesnych, stosowanych w budownictwie sposobów łączenia elementów konstrukcji stalowych. W połączeniach takich (zakładkowych bądź nakładkowych) konieczne jest zawsze zastosowanie śrub wysokiej wytrzymałości, które sprężają złącze. Istota pracy połączeń ciernych polega na przeniesieniu sił w złączu przez tarcie powierzchni łączonych elementów silnie dociśniętych do siebie za pomocą śrub, ich nakrętek i podkładek. Śruby w takich połączeniach pracują wyłącznie na rozciąganie osiowe.

Połączenia zakładkowe (nakładkowe) i doczołowe można podzielić również na połączenia sprężane i niesprężane, głównie ze względu na rodzaj śrub i wprowadzane ich trzpieni siły rozciągające, kontrolowane w czasie dokręcania nakrętek. W połączeniach sprężanych stosuje się zawsze śruby o wysokiej wytrzymałości oraz określa sposób kontroli naciągu.

W tablicy 13 normy P-90/B-03200 podano klasyfikację połączeń śrubowych, z rozróżnieniem kategorii (A-F) i rodzaju połączenia oraz określeniem stanu granicznego nośności (I) lub użytkowania (II), miarodajnego do wymiarowania.

Oznaczenie wymiarów próbek stalowych

Schematy zniszczeń próbek stalowych

1) Gdy a1 < a1 min

2) Gdy a2 < a2 min

3) Gdy a < a min

Klasy wytrzymałości śrub

Śruby dzielimy na grupy według kryterium ich wytrzymałości na działanie sił zewnętrznych, które mogą na elementy te faktycznie zadziałać. Informacja o klasie danej śruby, lub nakrętki pozwala nam stwierdzić jaka jest nominalna wartość jej wytrzymałości na rozciąganie (Rm) oraz, jaka jest nominalna wartość jej granicy plastyczności (Re). Oba te wskaźniki zapisuje się w postaci dwóch cyfr arabskich oddzielonych przecinkiem lub kropką.

W dynamometrii wyróżnia się dziesięć klas wytrzymałości śrub i są to: 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 6.8, 8.8, 10.9 i 12.9. Klasy szereguje się od śrub najsłabiej wytrzymałych, do najmocniej wytrzymałych. Oprócz tego klasy te, w zestawieniu z danymi takimi jak, szerokość i średnica gwintu, oraz średnica łebka śruby układa się w tzw. „tablice dynamometryczne”, z których odczytać można dane takie jak: wartość naprężenia wstępnego, czy wartość momentu dokręcania. Znajomość tych informacji zapewni niezawodny montaż, zarówno automatyczny, jak i manualny, śrub z każdej klasy.

Przykład: Klasa śruby 5.8 oznacza:

Rm = 500MPa (5*100)

Re = 500*0.8 = 400MPa

Wykonanie ćwiczenia

Do badania przygotowano trzy rodzaje próbek – dwóch blach połączonych ze sobą w sposób zakładkowy, z różnymi rozmieszczeniem śrub.

Wykorzystano śruby klasy 5.8 o średnicy 8mm, średnica otworów – 9mm.
W sześciu próbkach śruby były umieszczone w sposób podłużny względem osi elementów, natomiast w sześciu kolejnych w sposób poprzeczny. Próbki z poprzecznym rozmieszczeniem śrub, wykonano w dwojaki sposób. Trzy z nich były wykonane standardowo, z dosyć dużym zakładem, natomiast trzy kolejne miały bardzo małą odległość między krawędziami elementów, a połączeniem śrubowym (zabieg ten zastosowano w celu zademonstrowania zniszczenia materiału, a nie ścięcia trzpienia śruby). Próbki dokładnie pomierzono, a następnie kolejno umieszczano w maszynie wytrzymałościowej w celu ich zniszczenia.

Wyniki badań

Wyniki pomiarów próbek:

- połączenie poprzeczne:

Próbka nr. 1

Śruby kl. 8.8

t₁=3,02 a₃= 25,01

t₂=3,04 a₂= 18,37 a₂’= 16,82

b= 60,2 a₁= 23,61 a₁’= 23,39

R_m=800 MPa R_e=640 MPa

Próbka nr. 2

Śruby kl. 5.8

t₁= 3,20 a₃= 25,61

t₂= 3,10 a₂=17,4 a₂’= 16,45

b= 59,46 a₁= 13,88 a₁’= 15,54

R_m=520 MPa R_e=420 MPa

Próbka nr. 3

Śruby kl. 8.8

t₁= 3,00 a₃= 22,18

t₂= 3,01 a₂= 18,65 a₂’= 19,25

b= 60,08 a₁= 25,66 a₁’= 23,97

R_m=800 MPa R_e=640 MPa

Wyniki prób wytrzymałościowych:

Próbki poprzeczne:

Próbka nr 1 – 14,5 kN zerwanie

Próbka nr 2 – 17,5 kN zerwanie

Próbka nr 3 – 17,5 kN zerwanie

Obliczenia

Pole przekroju czynnego :

Próbki	Av
1	70,88
2	73,9
3	76,2

Zerwanie trzpienia próbek (tab. 16 PN-90-B-03200)

Próbka	0,65*Rm*As	0,85*Re*As
1	3685,76	3855,87
2	2497,82	2638,23
3	3962,4	4145,28

Uplastycznienie wskutek docisku trzpienia do ścianki otworu:

dla próbek z połączeniem poprzecznym

1. Wyniki badań innych grup

Wyniki pomiarów próbek:

- połączenie poprzeczne:

Próbka nr. 2

Śruby kl. 8.8

t₁=3,48 a₃= 33-10 = 23

t₂=2,98 a₂= 17,29 a₂’= 16,31

b= 60,08 a₁= 23,61 a₁’= 23,39

R_m=800 MPa R_e=640 MPa

Próbka nr. 4

Śruby kl. 5.8

t₁= 3,01 a₃= 32,39-10

t₂= 3,55 a₂=28,57 a₂’= 27,97

b= 60,21 a₁= 13,88 a₁’= 15,54

R_m=520 MPa R_e=420 MPa

Próbka nr. 6

Śruby kl. 8.8

t₁= 3,10 a₃= 33,75-10 = 23,75

t₂= 2,89 a₂= 18,54 a₂’= 18,52

b= 59,76 a₁= 25,66 a₁’= 23,97

R_m=800 MPa R_e=640 MPa

- połączenie podłużne

Próbka nr. 1

Śruby kl. 4.6

t₁=3,47 a= 32,27-8 = 24,27

t₂=2,86 a₂= 37,27-4 =33,27 a₂’= 35,92-4 = 31,92

b=60,12 a₁= 23,4-4 = 19,4 a₁’= 15,72

R_m=400 MPa R_e=240 MPa

Próbka nr. 3

Śruby kl. 5.8

t₁= 2,97 a= 33,7-10

t₂= 3,01 a₂= 16,93 a₂’= 16,11

b= 59,62 a₁= 23,00 a₁’= 23,10

R_m=520 MPa R_e=420 MPa

Próbka nr. 5

Śruby kl. 8.8

t₁= 3,03 a= 31,98-10 =21,98

t₂= 3,55 a₂= 30,87 a₂’= 27,45

b= 60,11 a₁= 14,20 a₁’= 15,13

R_m=800 MPa R_e=640 MPa

Wyniki prób wytrzymałościowych:

Próbki poprzeczne:

Próbka nr 2 – 37 kN zerwanie

Próbka nr 4 – 31,5 kN ścięcie

Próbka nr 6 – 36,5 kN zerwanie w przekroju

Próbki podłużne:

Próbka nr 1 – 20 kN ścięcie

Próbka nr 3 – 31 kN rozerwanie

Próbka nr 5 – 29 kN rozerwanie

Obliczenia

Pole przekroju czynnego przy scinaniu:

Próbki	Av
1	16,6
2	60,79
3	26,4
4	26,4
5	60,79
6	60,79

Ścięcie trzpienia próbki 1 i 4 (tab. 16 PN-90-B-03200)

Zerwanie trzpienia próbki 2 i 6 (tab. 16 PN-90-B-03200)

Próbka	0,65*Rm*As	0,85*Re*As
2	3161,08	3306,976
6	3161,08	3306,976

Uplastycznienie wskutek docisku trzpienia do ścianki otworu:

dla próbek z połączeniem poprzecznym

Poprzeczne:

Podłużne:

Nośność na ścinanie:

1. Wnioski

W dwóch próbach próbka uległa zerwaniu, w wyniku uplastycznienia materiału i zerwania blachy. W następnych dwóch próbach próbki zostały rozerwane i w dwóch ostatnich próbki zostały ścięte. Próbka ze śruba o klasie 4,6 wykazała najmniejszą wytrzymałość na rozciąganie. Pomiędzy klasami 5,6 a 8,8 nie było widać znaczących różnic.