7. Šroubované spoje Technologie šroubování, navrhování šroubových spojů

7. Šroubované spoje Technologie šroubování, navrhování šroubových spojů.

Technologie šroubování

metrický závit (pro velké ø „jemný“, např. M 39x3)

Šrouby pro OK šestihranná nebo válcová hlava s vnitřním šestihranem

d = (12), 16, 20, 24, 27, 30

d

š. do plechu

L

š. závitořezné š. samovrtné

závit ST

(značka např. M 20 x L)

(fub = 400 MPa, fyb = 0,6·400 = 240 MPa)

Materiál:

4.6

uhlíkové oceli

4.8

5.6

5.8

6.8

kalené a popouštěné oceli

8.8

10.9

12.9

(VP – vysokopevnostní šrouby)

Pozn: šrouby z nerezových ocelí (austenitických) se označují A2, A3, A4, A5 (podle složení materiálu).

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 200 HV) NNK – ocelové konstrukce (7)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

1

Šroubované spoje 1. Obyčejné

jakýkoliv materiál: hrubé

vrtání d0 = d + 2

lícované

d0 = d + 0,11 (tolerance otvoru H11 ≈ +0,13 mm až 0)

injektované

běžné vrtání zainjektováno pryskyřicí

[mm] (3 mm od M30)

(otvorem v hlavě šroubu, podložky oboustranně)

Namáhání při smyku: 1. na střih 2. na otlačení (šroubu i základního materiálu, popř. pryskyřice)

2. Třecí

VP materiál (8.8, 10.9) Namáhání při smyku: třením NNK – ocelové konstrukce (7)

©


T 2

Vyvození kroutícího momentu T - momentový klíč (ruční, elektrický, pneumatický)

hlavice + ráčna

- odhadem: - na úhel otočky - podložky s výstupky pro indikaci napětí Rozteče šroubů min., běžné, max. (normy).

Běžné:

Pro válcované tyče: v tabulkách !! Značky ve výkresech:

p2 e2 e1 p1 e1

p1, p2 ... 3,5 d0 e1 ... 2,5 d0 e2 ... 2 d0

dílenské otvor

šroub

třecí

montážní

M20 x 60

Ø 22 NNK – ocelové konstrukce (7)

©


3

Návrh šroubovaných spojů (ČSN EN 1993-1-8) Kategorie spojů

smykové tahové

1. Smykové Kategorie

Druh

Posudek

Běžné šrouby (4.6 až 10.9)

- střih - otlačení

B

Třecí spoj bez prokluzu při MSP (8.8, 10.9)

- střih Fv,Ed ≤ Fv,Rd - otlačení Fv,Ed ≤ Fb,Rd - prokluz při MSP Fv,Ed,ser ≤ Fs,Rd,ser → při provozu tuhý

C

Třecí spoj bez prokluzu při MSÚ (8.8, 10.9)

- otlačení Fv,Ed ≤ Fb,Rd - prokluz při MSÚ Fv,Ed ≤ Fs,Rd → při kolapsu tuhý (neporuší se střihem)

A

NNK – ocelové konstrukce (7)

©


Fv,Ed ≤ Fv,Rd Fv,Ed ≤ Fb,Rd

4

2. Tahové Kategorie

Druh

Posudek

D

Běžné šrouby nepředepnuté (4.6 až 10.9)

- přetržení v tahu - protlačení hlavy Ne pro dynamické zatížení !

E

Předpjaté šrouby (8.8, 10.9)

- zcela stejné jako v kategorii D. Význam: bez deformací, ale únosnost je stejná !!!

Ft,Ed ≤ Ft,Rd Ft,Ed ≤ Bp,Rd

Pozor: Při stanovení únosnosti spojů (šroubových i svarových) se vychází z meze pevnosti materiálu spojovacích prostředků (proto vesměs γM2): fub pro šrouby (materiál šroubů), fu pro svary (= základní materiál). Součinitele materiálu podle ČSN EN 1993-1-8:

γM2

= 1,25 (šrouby, svary)

γM3.ser γM3 γM7

= 1,1 = 1,25 = 1,1


©


pro třecí spoje 5

Únosnost ve střihu: n=2

n=1

... počet střihů

závit ve střihu:

není-li závit ve střihu:

Fv,Rd = 0,6 fub As n / γ M2 pro šrouby z materiálů 4.8., 5.8., 10.9. výjimka: pouze 0,5

místo As se bere A

plocha jádra (

π d s2 4

)

Únosnost v otlačení: t1

t1 t2

t = min.

t2 ... otlačovaná tloušťka pro běžné příčné rozteče (e2>1,5d0 a p2>3d0):

t3

t1 t2

t = min.

k1 = 2,5

t1+ t3 t2

Min. součinitel αb plyne z experimentů:

Fb,Rd = k 1 α b fud t / γ M2 e1/3d0 (p1/3d0) - 0,25 fub/fu 1


©


otlačovaná plocha

pro vytržení okraje, pro protržení otvoru, pro otlačení šroubu, pro otlačení plechu. 6

Únosnost v tahu: přetržení dříku

Pozn.: Též únosnost v „protlačení hlavy“: Je neobvyklé, jen u velmi slabých plechů, vzorec v normě.

Ft,Rd = k 2 fub As / γ M2 k2 = 0,9

Interakce smyk + tah:

(nutno splnit navíc)

smyk

Fv,Ed Fv,Rd

+

Ft,Ed 1,4 Ft,Rd

1

≤1 1

tah Pozn.: pro šrouby s řezaným závitem (nikoliv válcovaným) – jako táhla, kotevní šrouby se únosnosti ve střihu a tahu násobí součinitelem 0,85.

Třecí spoje (kategorie B, C) - použije se VP materiál (8.8, 10.9)

Únosnost v prokluzu:

počet třecích ploch

Fs,Rd = k s nμ Fp.Cd / γ M3 popř. pro kat. B

γM3.ser

součinitel tření

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 tř. B tř. C tř. D

(otryskaný drtí nebo granulátem) (otryskaný + speciální nátěr, metalíza) (očistěný kartáčem, plamenem) (neupravený, bez rzi): nepoužívat !

Fp,C = 0,7 fub As

Předpínací síla:

Únosnost v otlačení: Únosnost v tahu:

μ = 0,5

μ = 0,4 μ = 0,3 μ = 0,2

≈ Ft,Rd

jako obyčejné šrouby, rozhoduje výjimečně! jako nepředepnutý spoj (zhruba stejná únosnost !!!) (pro vysvětlení viz doplňující poznámky)

Interakce smyk + tah:

Fs,Rd = k s nμ (Fp,C − 0,8 Ft,Ed ) / γ M3

pro běžné vrtání ks = 1

odečteno 80 % vnějšího tahu

Pozn.: Obvykle však tlak vyrovnává tahy, tření tedy zůstává a únosnost v prokluzu se nesnižuje (např. u konzol) → viz obrázek: NNK – ocelové konstrukce (7)

©


popř. pro kat. B

γM3.ser

tah tlak 8

Páčení šroubů 2FT,Rd m

Idealizace pomocí únosnosti T průřezu:

e

t 2FT,Rd FT,Rd+Q FT,Rd+Q Q Q = páčící síla

Pro dostatečnou tloušťku čelní desky t páčení nevznikne (Q = 0, odtud FT,Rd=Ft,Rd). Např. podle ČSN 731401/1998 páčení šroubu o průměru d nevznikne, pokud:

t ≥ t e = 4 ,3 3 2FT,Rd

md2 e

Praktický postup podle EN 1993-1-8: 1. Určí se snížená únosnost šroubu v T přípoji (tj. při páčení) FT,Rd ≤ Ft,Rd. Vzorce jsou uvedeny v normě, popř. na webu „Pomůcky“, pro 3 způsoby porušení: - vytvoření 4 plastických kloubů v pásnici, - vytvoření 2 plastických kloubů v pásnici, ≤ Ft,Rd m e - nebo přetržení šroubů tahem. ≤F m e t,Rd

≡ Ft,Rd

m e

2. Pro další výpočty se uvažuje menší z únosností: v tahu Ft,Rd nebo při páčení FT,Rd . NNK – ocelové konstrukce (7)

©


9

Rozdělení sil na skupinu šroubů Pružné Plastické

- lze vždy - nelze u kategorie C - nelze pokud rozhoduje střih (Fv,Rd
1. Smykové spoje (přeplátované spoje) síla

ød

na 1 šroub

F

- vesměs pružné řešení

FV,Ed =

F n

zde n = 6

pro dlouhý spoj (Lj >15 d) se únosnost redukuje

→ doporučuje se max. 6 šroubů v řadě za sebou !

FF Lj

moment

M = F1r1 + F2 r2 + ... = ∑ Firi

F1

M r1

F1 r1 = F2 r2

r2 T

F2

F1 r1 = F3 r3 F1 =


©


M r1 2 ∑ ri

i

...

F2 = ... 10

síla a moment

F

představuje přípoj (jednou řadou šroubů):

M

nebo polovinu (!!) styku:

F1 F2 T

r1

↓

r2

F3

silová podmínka:

F1,F =

h

F4 F5

F n

momentová podmínka: F1,M =

FV,Ed = F

+F

2 1,M

≤ ...

střih otlačení

M r1 M = β 2 h ∑ ri tab. TP64, literatura

nejvíce namáhaný je krajní šroub: 2 1,F

zde 5

příklad pro 2 šrouby:

F

M h

F1,F = F/2 F1,M, = M/h

Pozn.: plastické řešení rozdělení sil ve smykovém spoji je výjimečné ! ! NNK – ocelové konstrukce (7)

©


11

2. Tahové spoje - přípoj na čelní desku (konzola, rámový roh) řešení pružné → F1

V

plastické (obvyklejší, snazší: Posudek MRd = Σ ri FT,Rd,i ≥ MEd ) FT,Rd

F1

FT,Rd

MR

V střed otáčení = tuhý bod průřezu (střed pásnice)

Pružné posouzení: od síly F:

F1

V = n

FV,Ed

V

≤ Fv,Rd ≤ Fb,Rd

od momentu M = Fe:

r1

F2 F3

tuhý kout, jinak →

ϕ

2(F1r1 + F2 r2 + F3 r3 ) = M

r2 r3

F1 r1 = F2 r2

e výztuhy !!! (jinak tzv. polotuhý styčník)

F1 r1 = F3 r3

odtud: Ft,Ed = F1 =

s páčením

M r1 ≤ FT,Rd 2 ∑ ri2

Interakce obou namáhání (od F a M) : pro běžné šrouby ano (viz vztah výše), pro předpjaté šrouby ne (pozn. str.8). NNK – ocelové konstrukce (7)

©


12

Rámy s polotuhými styčníky

kloubový

bez výztuh polotuhý

tuhý

model pro globální pružnou analýzu a polotuhý styčník: M Mpl

tuhý (s plnou únosností) polotuhý kloubový

φ (natočení) Výhody:

- jednoduché (levné), přitom přebírají určitý moment M.

Nevýhody:

- složitější výpočet

přibližný (tabulky), nelineární (nutné znát poddajnost, obvykle z experimentů).


©


13

Doplňující informace


©


14

Únosnost předpjatého šroubu v tahu Tah ve šroubu

Ft.Rd Ft.Rd ≈ Fp.C

Fp.C

Tah na spoj ~ 1,1 Fp.C

Fp.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) příklad napjatosti

slepý šroub

σ

velké rozteče

"běžné" rozteče

σ = fy / γM0

σf σw

osa y

y .. stanovena pro neoslabený průřez

σ .. stanoveno s uvažováním Wnet

Postup návrhu styku: 1. Nakreslit styk - stanovit rozteče, počty šroubů v příčném řezu, 2. Rozhodnout výpočet: a) na dané síly MEd, VEd (a napětí σ) b) na únosnost (σ = fy /γM0) NNK – ocelové konstrukce (7)

©


16

Styk pásnice: příložky

Apříl.net ≥ Af,net

síla

Ff = A fσ f

počet např. obyčejných šroubů:

(příp. oslabená plocha Anet)

n=

Ff Fmin

Fmin = min ( FV,Rd ; Fb,Rd )

(na obrázku jsou 4)

Styk stojiny: příložky

Wpříl.net ≥ W w,net

moment

M w = M Sd − M f = M Sd − Ff h '

(pro pružné řešení přibližně M w ≈ M Sd posouzení navržených šroubů:

F 1 ,F =

vzdál. těžišť pásnic

Iw ) I

V Sd n

F 1, M =

Mw β h

na obrázku je 6

Fw =

F12,F + F1,2M ≤ Fmin


©


17

7. Šroubované spoje Technologie šroubování, navrhování šroubových spojů

Recommend Documents