POLITECHNIKA WARSZAWSKA

Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii w Płocku

Konstrukcje Metalowe

Sprawozdanie z laboratorium:

Połączenia śrubowe

Wykonali:

Arkadiusz Plis

Adrian Wichrowski

Michał Stanisławski

Tomasz Stolarczyk

Dawid Lewandowski

Mariusz Rytczak

Emilian Marciniak

Justyna Maćkiewicz

Piotr Fortas

Paweł Melańczuk

1. Cel ćwiczenia

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

1. Część teoretyczna

Połączenia śrubowe

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 0,3 mm. 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*0.9 = 450MPa

1. Wykonanie ćwiczenia

Do badania przygotowano trzy rodzaje próbek – dwóch blach połączonych ze sobą w sposób zakładkowy, podłużny.

Wykorzystano śruby klasy B5.8, i WF8,8(o średnicy 9mm, średnica otworów – 10mm).
W trzech próbkach śruby były umieszczone w sposób podłużny względem osi elementów. Próbki dokładnie pomierzono, a następnie kolejno umieszczano w maszynie wytrzymałościowej w celu ich zniszczenia.

1. Wyniki badań

- połączenie podłużne

Próbka nr 1

t₁ = 5,0 mm

t₂ = 5,0 mm

b = 49,6 mm

a = 25,5 mm

a₁ = 2,2 mm

a₂ = 2,1 mm

Próbka nr 2

t₁ = 5,0 mm

t₂ = 5,0 mm

b = 49,6 mm

a = 31,8 mm

a₁ = 21,7 mm

a₂ = 2,57 mm

Próbka nr 3

t₁ = 5,0 mm

t₂ = 5,0 mm

b = 49,5 mm

a = 37,3 mm

a₁ = 21,0 mm

a₂ = 24,7 mm

Wyniki prób wytrzymałościowych:

Próbka nr 1 32 kN – zerwanie śruby,

Próbka nr 1 55 kN – zerwanie śruby,

Próbka nr 1 56,5 kN – zerwanie śruby,

Obliczenia

Pole przekroju połączonych elementów metalowych, bez otworów na śruby,

Siła, jaką jest w stanie przenieść przekrój przy przyjęciu jego wytrzymałości jako wytrzymałości śrub na rozciąganie.

Stan graniczny ścięcia trzpienia:

Wartości wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności dla śruby M8 5.8.

Nośność obliczeniowa na ścinanie śruby M8 5.8

Uplastycznienie wskutek docisku trzpienia do ścianki otworu:

dla próbek z połączeniem podłużnym

Nośność obliczeniowa śruby w połączeniu ze względu na zerwanie trzpienia:

Według starej normy:

Według eurokodu:

Nośność obliczeniowa połączenia zakładkowego.

1. Wnioski

Tylko w jednej próbie, próbka uległa zniszczeniu w wyniku uplastycznienia materiału i zerwania blachy; w pozostałych przypadkach nastąpiło zerwanie trzpienia.

Próbki wykazywały nośność nieznacznie niższą niż obliczona, co spowodowane mogło być niedokładnością wykonania pomiarów lub połączeń.

Dla dwóch próbek o bardzo krótkiej odległości połączenia od krawędzi blachy zniszczenie nastąpiło przez zerwanie trzpienia, chociaż widoczne było uplastycznienie materiału. W jednym przypadku, można stwierdzić, że zniszczenie nastąpiło przez jednoczesne zerwanie trzpienia i blachy.

1. Literatura

• Norma PN-90/B-03200,

• „Obliczenia konstrukcji stalowych wg PN-90/B-03200”, Jerzy Niewiadomski, Józef Głąbik, Marian Kazek, Jan Zamorowski, Wydawnictwo Naukowe PWN W-wa 2007.

• „Konstrukcje stalowe – 4 konstrukcje budowlane”, Wojciech Włodarczyk, WSiP Warszawa 2000.