Ocelové konstrukce 1. HUTNÍ VÝROBKY 1.1 Způsoby výroby Hutní výrobky lze získat: - válcováním za tepla, - tvarováním za studena, -odléváním, - kováním, - tažením, - ohýbáním.
a) VÁLCOVÁNÍ ZA TEPLA Válcování za tepla je nejrozšířenější způsob tváření oceli. Materiál ohřátý nad rekrystalizační teplotu (přibližně 600-650 °C), prakticky okolo 1000 °C, přitom prochází mezi dvojicí válců, pod jejichž tlakem se zmenšuje jeho tloušťka a délka se zvětšuje. Hladkými válci se vyrobí plochý průřez, postupným proháněním tvarovanými válci lze vyrobit profily různého obrysu.
Obr.1.1. Válcovací stolice se liší počtem a uspořádáním válců, obr. 1.1. Válce mají rovnoběžné osy a materiál prochází kolmo k těmto osám. Válce s mimoběžnými osami umožňují kosým válcováním proděravět ingot trnem a získat tak předvalek pro výrobu bezešvých trubek, obr. 1.2; dutý předvalek je možno dále kalibrovat na poutnické stolici a případně rozšiřovat či redukovat na požadovaný rozměr. Výrobní délky válcovaných profilů volí výrobce v rozmezí daném normami (pro tyčové profily 6 -14 m). Mechanické vlastnosti materiálu jsou lepší ve směru válcování. Plechy, které jsou válcovány střídavě oběma směry, mají vlastnosti ve všech směrech stejné.
Obr.1.2.
b) TVAROVÁNÍ ZA STUDENA Tvarováním za studena se zpracovávají tenké materiály (plechy, svitky pásové oceli).
Na rozdíl od válcování za tepla se při tvarování nemění tloušťka zpracovávaného materiálu. Technologicky se rozlišuje: - válcování (profilování), - tažení, - lisování. Při válcování se na lince složené z většího počtu tvarovacích válců kontinuálně vyrábí profil, obr. 1.3 vlevo. Tento způsob výroby je vhodný pro velká množství jednoho typu profilu. Při tažení se tenkostěnná trubka protahuje průvlakem, přičemž vnitřní rozměr vymezuje trn. Vzniká uzavřený tenkostěnný profil, jeho délka je ale omezena délkou tažné stolice. Při lisování se plech vytvaruje mezi matricí a raznicí lisu, obr. 1.3 vpravo. Lze takto vyrobit i profil proměnného průřezu po délce, jeho délka je ale omezena rozměrem lisu. Tenkostěnné profily tvarované za studena jsou tradičním výrobkem českého hutního průmyslu. Vyrábí se velké množství tvarů a na objednávku lze vyrobit prakticky jakýkoli průřez. Velké množství výroby tvoří plošné (trapézové) profily vhodné pro Obr.1.3. krytiny a nosné prvky stropů.
c) ODLÉVÁNÍ Složité tvary lze vyrobit odlitím tekutého kovu (litiny, oceli) do formy zhotovené podle dřevěného modelu z formovací hmoty (písek a hlína) zpevněné sušením. Dutiny v odlitku vymezují tzv. jádra. Po odlití se forma rozbije, nebo, je-li to možné, rozebere. Návrh tvaru odlitku i způsob zaformování je záležitost vyžadující zkušenost a pečlivou úvahu, neboť významnou roli hrají nerovnoměrné chladnutí tenkých a tlustých částí odlitku, složitost formy, možnost opracování odlitku atp. Odlitky se používají nejčastěji v konstrukcích kloubů, úložných elementů, ložisek atp. Mnohdy lze odlitky úspěšně nahradit svařenci.
d) KOVÁNÍ Kování je tváření materiálu za tepla na kovadle (volné kování) nebo v zápustce (zápustkové kování). Síla se vyvodí bucharem nebo lisem, příp. i ručním kladivem.
e) TAŽENÍ Tažení je tváření materiálu tahem přes průvlaky různého průřezu. Provádí se za studena i za tepla na tažné stolici a slouží k výrobě drátů a tyčí s vyšší rozměrovou přesností a lepší jakostí povrchu než při válcování.
f) OHÝBÁNÍ Ohýbání je plošné tváření materiálu bez změny jeho tloušťky. Kromě ohýbání tenkých plechů a pásů je možno ohýbat i tlusté plechy ve zkružovacích válcích nebo kalibrech.
1.2. Hutní materiál Pro obchodní účely se všechny druhy hutního materiálu označují číselným znakem. Podle účelu použití, způsobu výroby a tvaru se hutní materiál člení do následujících skupin: - předvalky, - tyče (profily), - dráty, - plechy, - široká ocel, - pásy, - trubky, - tenkostěnné profily.
1.2.1. Předvalky Předvalky slouží jako polotovar k dalšímu tváření, výjimečně se použijí v konstrukcích. Vyrábějí se na předvalkových tratích nebo volným kováním. Podle tvaru příčného průřezu se rozeznávají: - bloky: - čtvercové s mírně vydutými hranami, obr1.4a, - obdélníkové s mírně vydutými hranami, obr. 1.4b, - bramy: obdélníkové s mírně vydutými hranami, obr. 1.4c, - sochory (cágle): - čtvercové se zaoblenými hranami, obr. 1.4d, - obdélníkové se zaoblenými hranami, obr. 1.4e, - kruhové, obr. 3.4f, - ploštiny: obdélníkové s vypuklými bočními hranami, obr. 1.4g, - duté předvalky. čtvercové i kruhové, obr. 1.4h.
Obr.1.4.
1.2.2. Tyče Do této skupiny patří tyče válcované za tepla i tyče tažené za studena. Podle tvaru příčného řezu a určení se rozlišují: a) tyče jednoduchého průřezu - tyče kruhové, čtvercové, ploché, šestihranné, osmihranné, tříhranné, půlkruhové, úsečové a speciální, obr. 1.5a; tyče se dodávají ve svazcích nebo svitcích, b) tyče tvarového průřezu - tyče průřezu L (rovnoramenného a nerovnoramenného), I, U, H, T, tyče korýtkového průřezu a štětovnice, obr. 1.5b; tyče se dodávají ve svazcích, c) tyče pro výztuž do betonu - tyče kruhové, žebírkové, tyče zkrucované za studena; dodávají se ve svazcích, d) kolejnice - železniční, žlábkové, jeřábové, e) tyče tažené za studena - kruhové, čtvercové, ploché, šestihranné, tříhranné, půlkruhové, úsečové a speciální; dodávají se ve svazcích nebo svitcích a oproti stejným tyčím válcovaným za tepla mají lepší povrch a menší výrobní tolerance.
Obr.1.5. Pro konstrukce jsou nejdůležitější úhelníky a profily I, U aH. Úhelníky se vyrábějí v rozměrech daných ČSN, přičemž ramena úhelníků jsou odstupňována po pěti a deseti mm. Úhelníky mají v přechodu ramen zaoblení, rovněž zakončení ramen je zaoblené, obr. 1.6. Největší úhelník má rozměr 200 x 20 mm. I průřezy se válcují podle rozměrových norem ve čtyřech rozměrových řadách, obr. 1.7. Obyčejné průřezy, obr. 3.7a, mají šikmé příruby se sklonem 14 17 %. Vyrábějí se v nezměněné podobě od předválečných let ve výškách 80 - 550 mm. Snaha Obr. 1.6. dosáhnout vyšší ekonomiky profilu při namáhání ohybem, vyjádřené kupř. poměrem W/m (průřezový modul ku hmotnosti), vedla k zavedení řady ekonomických profilů, které při stejné výšce měly tenčí stojinu a širší a tenčí přírubu než profily obyčejné, obr. 1.7b. Sklon příruby byl \2 %. Tyto průřezy se v současnosti v ČR již neválcují.
Obr.1.7. Průřezy s paralelními přírubami je nutno vyrábět na zvláštních válcovacích stolicích, ale výhoda rovnoběžných přírub tento nedostatek vynahrazuje. Při použití šroubových spojů není totiž nutno používat klínových podložek pod hlavy šroubů nasazovaných ze strany zešikmení příruby a i v jiných konstrukčních detailech je paralelní příruba výhodná. V ČR se průřezy IPE, obr. 1.7c vyrábějí v neúplné rozměrové řadě. Širokopřírubové průřezy HEB, obr. 1.7d, se vzhledem k rozložení hmoty výhodně použijí na centricky tlačené sloupy.
Obr.1.8.
U průřezy se vyrábějí ve třech rozměrových řadách. Obyčejné průřezy, obr. 1.8a, mají šikmé příruby se sklonem 8 % a vyrábějí se ve výškách 50 - 300 mm. Ekonomické průřezy s tenčí stojinou a sklonem příruby 10 %, obr. 1.8b, se již nevyrábějí. Průřezy s paralelními přírubami, obr. 1.8c, mají v budoucnu ve výrobě převládnout. T průřezy se válcují ve dvou typech, obr. 3.9. U prvního typu jsou obě ramena stejná, u druhého je základna přibližně dvojnásobné délky než je stojící rameno. Vzhledem k malým rozměrům nemají pro konstrukce přílišný význam. Obr.1.9.
1.2.3 Dráty Dráty se od průměru 5,5 mm válcují za tepla a ještě při doválcovací teplotě se kruhově svinují do svitků. Podle tvaru průřezu se dráty dělí na kruhové, čtvercové, šestihranné, půlkruhové a profilové (např. průřezu Z). Tažené dráty menších průměrů nejsou jako sortiment hutní druhovýroby zahrnovány mezi hutní materiál, ale v konstrukcích jsou často používány jako součásti drátěných lan. Dráty mohou být pro zlepšení mechanických vlastností tzv. patentovány.
1.2.4. Plechy Plechy se válcují v tabulích (střídavě v obou směrech) nebo spojitě ve svitcích (tenké plechy). Podle způsobu výroby se plechy dělí na válcované za tepla a válcované za studena. Podle tloušťky se dělí na tenké (do 3 mm) a tlusté (3 mm a více). Povrch plechů z teplé válcovny je buď okujený nebo je upraven mořením či otryskáním. Povrch plechů ze studené válcovny je lesklý, bez okují. Tenké plechy se mohou dodávat lakované, pocínované, pohliníkované, pozinkované či plátované umělými hmotami. Tlusté plechy mohou být hladké nebo s výstupky na jedné straně. Plechy se válcují v tloušťkách od zlomků mm do 120 mm, v šířkách od 500 do 4000 mm a délkách od 1 do 16 m. V ocelových konstrukcích se zpravidla používají plechy tlouštěk 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 35, 40, 50 mm. Z hutního hlediska se do kategorie plechů zařazují též vlnité plechy, obr. 1.10. Plechy se dodávají pozinkované, nebo pouze s černým okujeným povrchem. Průřezové hodnoty potřebné pro statické výpočty i výrobní rozměry jsou uváděny v Obr.1.10. tabulkách.
1.2.5. Široká a plochá ocel Široká ocel se válcuje za tepla tak, že boční hrany jsou rovné (válcování v uzavřeném kalibru). Rozměry obdélníkového průřezu jsou omezeny šířkou 150 - 900 mm a tloušťkou 5 60 mm. Široká ocel se dodává v přímých pásnicích. Je lacinější než plech a používá se na prvky s výrazně jednosměrným namáháním, které působí ve směru válcování oceli. Vzhledem ke značné šavlovitosti dodávaných širokých ocelí nahrazují v poslední době naše velké mostárny širokou ocel pásy pálenými z plechů. Široká ocel se vyrábí v délkách 3 -14 m.
1.2.6. Pásy Pásy se vyrábějí spojitým válcováním a ihned po vyválcování se navíjejí do svitků. Podle šířky se rozeznávají úzké pásy se šířkou do 500 mm a široké pásy se šířkou přes 500
mm. Pásy za studena válcované se vyrábějí od tloušťky 0,02 do 4,5 mm, pásy za tepla válcované od 1,5 do 10 mm. Boční hrany pásů jsou buď přírodní (zaoblené) nebo oříznuté (rovné). 1.2.7. Trubky Podle způsobu výroby se rozeznávají trubky bezešvé a svařované. Podle tvaru se rozlišují trubky kruhové a čtyřhranné. Bezešvé trubky se vyrábějí za tepla válcováním (způsobem Mannesmann nebo Stiefel). Kruhové trubky je možno redukovat nebo rozšiřovat na potřebné průměry příp. táhnout za tepla na čtyřhranné trubky. V současné době se v ČR vyrábějí: - kruhové trubky 0 22/2,5 - 377/36 mm, - čtvercové trubky 50/50/3 - 250/250/36 mm, - obdélníkové trubky 35/50/3 - 200/250/32 mm. Svařované trubky se vyrábějí zakroužením pásu do tzv. štěrbinové trubky a svařením elektrickým obloukem, odporem nebo induktivně. Svarové převýšení je odstraněno zvenku i uvnitř trubky a tepelným zpracováním je dosaženo stejnoměrné struktury a tak se tyto trubky vyrovnají trubkám bezešvým. V ČR se vyrábějí: - kruhové svařované trubky φ 12/1 -152/3,5, - kruhové trubky bez opracování svaru φ 426/7 - 2020/16, - kruhové trubky se šroubovicovým svarem φ 324/5 -1420/12. Trubky hrdlové, přírubové, závitové, profilové a AK (korozivzdorné a žárupevné) se pro stavební ocelové konstrukce nepoužívají. Trubky jsou dražší než běžný válcovaný materiál.
1.2.8. Tenkostěnné profily O tenkostěnných profilech pojednává odst. 1.1 b).
2 PROJEKTOVÁNÍ OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ 2.1 Projektová dokumentace V praxi se dodržují zpravidla následující fáze projektové přípravy stavby: - příprava zakázky (vyjasnění zadání a podkladů), - návrh stavby (vypracování konceptu nosné konstrukce), - dokumentace k územnímu rozhodnutí (dopracování řešení nosné konstrukce s předběžným statickým výpočtem), zkráceně DUR, - dokumentace pro stavební povolení (dispoziční výkresy a statický výpočet), DSP, - dokumentace pro realizaci stavby (podrobné výkresy ocelové konstrukce, předběžný výkaz hmotnosti ocelové konstrukce), DRS. Podrobné (dílenské, výrobní) výkresy a podrobný výkaz materiálu zpracovává již dodavatel ocelové konstrukce, nepovažují se tedy za součást projektové dokumentace. Dílenské výkresy jsou také započítány do ceny ocelové konstrukce, nevylučuje se ale, aby si je výrobce ocelové konstrukce objednal u cizí organizace za úplatu. Vždy platí, že se na vypracování jednotlivých stupňů projektu uzavírá mezi
investorem (nebo jeho odborným zástupcem) a projektantem smlouva, kde jsou všechny náležitosti podrobně specifikovány. Součástí dokumentace pro realizaci ocelových konstrukcí obvykle jsou: - statický výpočet, - výkresy méně obvyklých detailů, - technická zpráva, - výkresy kotvení, - výkaz materiálu, - cena dodávky. - přehledné výkresy, Statický výpočet stanoví tvar a rozměry všech částí konstrukce tak, aby konstrukce spolehlivě, bezpečně a ekonomicky plnila svůj účel po celou dobu životnosti stavby. Výpočet musí být úplný a přehledný a měl by umožnit snadnou kontrolu nezávislou osobou. Doporučuje se proto zachovávat toto členění výsledného dokumentu: - seznam norem a předpisů užitých při výpočtu, - schéma geometrického tvaru a statického působení konstrukce, uvažované zatížení (buď podle příslušné normy pro zatížení konstrukcí nebo udané technologickým projektem),
- druh a jakost použitých materiálů (ocel, šrouby, elektrody aj.), - seznam použitých pomůcek a literatury, vlastní výpočet, což je posouzení částí konstrukce i celé konstrukce podle příslušných norem. Postupuje se od částí nesených k částem nesoucím (užije-li se počítače, pak je nutné uvést údaje o použitém stroji, programu (software by vždy měl být legálně nabytý) a provozovateli, udat vstupní údaje a zhodnotit, případně zkontrolovat výsledky). V této souvislosti zdůrazněme, že i za výsledky počítačového výpočtu je zodpovědný vždy jen autor statického výpočtu, nikoli např. autor programu. - zatěžovací údaje (síly a momenty působící na patky konstrukce), - obsah, datum, podpis zpracovatele a případně i kontrolující osoby. Při zpracování výpočtu je důležité si uvědomit závažnost tohoto dokumentu pro budoucí konstrukci; v žádném případě to však nesmí znamenat nadřazení výpočtu konstrukci. Cílem vždy musí být dokonale koncepčně a konstrukčně vyřešená konstrukce; statický výpočet je pouze jedním z nástrojů pro dosažení tohoto cíle. Technická zpráva doplňuje informace o ocelové konstrukci obsažené ve výpočtu a výkresech. Ve všeobecné části se popisují: účel stavby, důvody dispozičního řešení a volby statické funkce, zabezpečení stability objektu, členění stavby na výrobní a montážní etapy, dilatace, ochrana konstrukce proti korozi, protipožární ochrana aj. V části věnované zatěžovacím údajům se vyjmou ze statického výpočtu závazné hodnoty pro zpracovatele ostatních částí projektu (údaje o hmotnosti střešních a obvodových plášťů, konstrukce stropů apod.). Popíší se jednotlivé části konstrukce z hlediska skladebnosti, návaznosti na stavební konstrukce, požadavků na Obr.2.1.
výrobu a montáž, druhu přípojů a styků atd. Technická zpráva obvykle obsahuje též údaje statistické povahy jako např. spotřebu oceli v kg na m2 zastřešené plochy či m3 obestavěného prostoru apod. Výkaz materiálu se zpracovává na základě přehledných výkresů a dimenzí průřezů stanovených statickým výpočtem. Výkaz materiálu se vyhotoví na předtištěných formulářích, zpravidla na počítači, a člení se podle ucelených částí objektu. Výkaz musí obsahovat veškerý materiál potřebný k výrobě konstrukce včetně podložek, vložek, styčníkových plechů apod. V přirážce max. 2,5 % lze zahrnout hmotnost spojovacích šroubů a svarového materiálu. Požadavky na přejímky a atesty materiálu je nutné uvést na první straně výkazu. Přehledné výkresy zobrazují ocelové konstrukce potřebnými obrazy (pohledy a řezy) nutnými k jasné představě o skladbě a funkci celé konstrukce. Přehledné výkresy v měřítku 1:50 až 1:500 zobrazují konstrukci v jednoduchých čarách podle zásad pravoúhlého promítání. Základní obraz se umístí v horní části výkresu. Ostatní pohledy a řezy se kreslí tak, aby při pohledu z dolní a pravé strany výkresu byla zobrazovaná konstrukce v poloze, jakou zaujímá ve skutečnosti. Rozmístění ukazuje obr. 2.1. Výkres se začíná vynesením přímek osnov objektů (čerchovaně). Ve vodorovném řezu se ocelové konstrukce v pohledu kreslí plnou čarou, rozměrnější nosníky dvěma čarami. Konstrukce se v řezu kreslí tlustě plně ve zjednodušeném tvaru. Ve svislém řezu se kreslí obrysy konstrukce plnou čarou. Nekovové části se v řezu vyčerňují. Ocelové konstrukce zakryté jinou konstrukcí se kreslí čárkovaně. Střešní a stropní konstrukce se kreslí bez krytiny a nosných desek, podlahové a střešní plechy se naznačují symbolicky v malém rozsahu. Ke všem prvkům ocelové konstrukce se připisují symbolické značky profilů. Kótování musí být jasné a přehledné, umístěné v tom pohledu, kde je nejzřetelnější. Na výkrese je vždy rozhodující kóta; pokud se zřetelně neshoduje s obrazem, podtrhne se. Kóty se nemají zbytečně opakovat. Přímky řad hlavních sloupů se značí velkými písmeny, pořadí sloupů arabskými číslicemi počínaje od 1. U mostů se písmeny značí ložiska na jednom pilíři, opery a pilíře se číslují od 1 ve směru staničení. Podlahy se označují výškami úrovní povrchu podlahy vztaženými k základní rovině. Měřítko výkresu se uvede v Obr. 2.2.
popisovém rámci, případná jiná měřítka se uvedou přímo u odchylně vyobrazené části konstrukce. Pohledy, řezy a detaily se označují velkými písmeny. Místo nad popisovým rámcem je vyhrazeno na poznámky, záznamy o změnách na výkresu apod. Výkresy detailů řeší důležité nebo neběžné uzly konstrukce buď na samostatném výkrese nebo v obrazech doplňujících přehledný výkres. Detaily se zpracovávají v měřítku 1:15 nebo 1:10. Příslušný detail je označen souhlasným popisem v nadpise i zakroužkovaném uzlu přehledného výkresu. Výkresy kotvení určují polohu, uložení a druh kotvení ocelové konstrukce. Na kotevním výkrese jsou schematicky vyznačeny sloupy konstrukce, obvodové stěny a kotevní šrouby (obr. 2.2). Jejich poloha je vztažena k čerchovaně vyneseným přímkám půdorysné osnovy. Číslování sloupů je shodné s přehledným výkresem. Přehledné schéma je doplněno detaily kotvení, které slouží jako výrobní výkresy pro výrobu osazovacích šablon, závlačí, kotevních roštů a předem zabetonovaných kotevních šroubů. Výškově se kótuje povrch betonového základu. Působení ocelových konstrukcí na základy se vyznačí ve schématu silami (jejich působištěm a směrem) a momenty. Zatěžovací hodnoty se sestaví do tabulky. Cena ocelové konstrukce se stanoví dohodou mezi dodavatelem a odběratelem. Rozhoduje hmotnost konstrukce, kvalita materiálu, pracnost výroby a použitá povrchová úprava, rychlost dodávky a samozřejmě a zejména nabídka a poptávka.
3 SPOLEHLIVOST OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ Spolehlivostí se rozumí schopnost konstrukce plnit požadavky uživatele při běžném provozu a být přiměřeně bezpečná i v případě extrémního souběhu nepříznivých okolností (zatížení, kvalita materiálu). Dostatečnou spolehlivost přitom musí konstrukce mít nejen ihned po vybudování, ale po celou dobu plánované životnosti. V současnosti se uplatňuje tzv. pravděpodobnostní pojetí spolehlivosti, při němž se na veličiny ovlivňující spolehlivost díváme jako na veličiny náhodně proměnné a splnění podmínek spolehlivosti požadujeme s určitou (velmi vysokou) pravděpodobností.
3.1. Zatížení Zatížení lze dělit podle doby trvání (stálé, nahodilé), četnosti výskytu (jednorázové, opakované), proměny s časem (statické, dynamické), ale při výpočtech konstrukcí rozhoduje hlavně jeho velikost. Protože každé zatížení je náhodně proměnnou veličinou, lze jej obecně popsat pomocí statistických charakteristik, jak je naznačeno na obr. 3.1. Na tomto obrázku se na vodorovnou osu vynáší velikost zatížení a na svislou osu četnost výskytu určitého zatížení Obr.3.1.
(může jít např. o zatížení technologií v určitých místech podlahy budovy). Histogram, vynesený plnou čarou, lze po statistickém rozboru dostatečně velkého souboru dat nahradit teoretickou křivkou (přerušovaná čára) a určit střední hodnotu, rozptyl a další statistické veličiny. Ukazuje se, že většina zatížení staveb odpovídá Gaussovu normálnímu rozdělení pravděpodobnosti. Vztah mezi největší (nejmenší) hodnotou zatížení Zmax (Zmin) a reprezentativní tzv. charakteristickou hodno-tou zatížení Zk lze zapsat jako Z max = γ F Z k (3.1a) event. Z min = γ F Z k (3.1b) Součinitel γ F , který tedy může být větší i menší než jedna, se nazývá součinitel zatížení. Přitom ještě poznamenejme, že Zmax (Zmin) nejsou absolutně největší (nejmenší) hodnoty zatížení, ale že jde o extrémní hodnoty, jež mohou nastat s určitou známou pravděpodobností p (p+). V praxi se tato pravděpodobnost volí v rozmezí 0,001 až 0,1, podle druhu zatížení. Z pravděpodobnostní terminologie se v této souvislosti často používá ještě výraz kvantil. Tzv. κ-kvantil proměnné x je taková hodnota xκ, která není překročena s pravděpodobností κ . Takže např. 95 % kvantil zatížení je hodnota, jež není překročena v 95 % případů, obr. 3.2. Protože stavební konstrukce jsou zřídkakdy zatíženy jen jedním zatížením, je nutno uvážit i spolehlivost konstrukce při působení kombinace zatížení. Přitom je zřejmé, že je málo pravděpodobné, aby se větší počet kombinovaných zatížení vyskytl současně v extrémních hodnotách. Proto se zavádí zmírňující součinitel kombinace zatížení ψ, jímž se redukují jednotlivá extrémní, současně působící nahodilá zatížení. Dynamické účinky zatížení se projeví dynamickou odezvou konstrukce, již lze kvantifikovat jen dynamickým výpočtem. Pro běžné konstrukce ale postačuje kvazistatický Obr.3.2. výpočet, jehož výsledky se zvětší přenásobením dynamickým součinitelem δ větším než jedna.
3.2. Únosnost Únosnost (odpor) konstrukce je měřena největším zatížením, jež je konstrukce schopna přenést. Protože hovoříme o skutečné konstrukci vyrobené z materiálu proměnné kvality, s rozměry pohybujícími se v povolených tolerancích, je zřejmé, že i únosnost je nahodile proměnnou veličinou. Lze to ukázat na příkladě taženého prutu plochy A zhotoveného z oceli s mezí kluzu fy . Teoretická únosnost je R = A fy, ale protože různé pruty mohou mít různou mez kluzu a díky tolerancím i různou plochu, bude skutečná únosnost celé řady prutů rozdílná. Po statistickém vyhodnocení, obr. 3.3, obdržíme opět Gaussovu křivku četnosti výskytu, na níž lze vymezit nejmenší únosnost Af y Rmin = (3.2)
γM
kterou bude prut mít s určitou (velmi velkou) pravděpodobností. Pro zjednodušení praktických výpočtů se zavede nová veličina, návrhová pevnost 1y(S, vztahem fy f yd = (3.3)
γM
kde γ M je součinitel materiálu, jenž, jak už bylo řečeno, v sobě skrývá potřebnou redukci teoretické únosnosti
Obr.3.3.
konstrukce vzhledem ke kolísání meze kluzu fy a možným záporným tolerancím válcovaných výrobků. Poznamenejme ještě, že jsme pro jednoduchost vybrali pro příklad stanovení mezní únosnosti tažený prut. Úvaha ovšem platí i pro prut tlačený s projevy stability, pro prut namáhaný ohybem, na únavu atp.
3.3. Navrhování podle mezních stavů Ocelové konstrukce se navrhují podle metody mezních stavů. Zásady metody jsou uvedeny v příslušných normách. Samotný výraz mezní stav popisuje takový stav konstrukce, při jehož překročení přestanou být splněna kritéria tohoto stavu. Rozlišují se mezní stavy: únosnosti: tj. pevnost, vzpěrná pevnost, pevnost na únavu, křehký lom, stabilita polohy, použitelnosti: tj. deformace pružné, trvalé a celkové, kmitání, estetika. Při mezních stavech únosnosti je nutno prokázat, že největší možný (extrémní) návrhový účinek zatížení Sd je menší než nejmenší možná únosnost konstrukce Rd. Schematicky lze tuto definici vyjádřit obr. 3.4, nebo zápisem S d ≤ Rd (3.4.) V souladu s pravděpodobnostním přístupem postačí, je-li předchozí nerovnost splněna s určitou (velmi velkou) pravděpodobností. Je to možné vyjádřit i tak, že stavební konstrukce z ekonomických důvodů nejsou absolutně bezpečné a spolehlivé. Přitom ovšem nebezpečí plynoucí z této skutečnosti nejde nad běžná životní rizika každého jednotlivce (lze porovnávat např. s bezpečností v silničním Obr.3.4. provozu, s požární bezpečností atp.). Společenský význam objektů, resp. závažnost havárie u různých objektů, vedly k odstupňování míry pravděpodobnosti možného nesplnění základní podmínky mezního stavu únosnosti (3.4). Prakticky je to provedeno zavedením součinitele účelu konstrukce γ n , kterým se přenásobí levá strana nerovnosti. Velmi důležité konstrukce mohou mít tento součinitel i větší než jedna, u staveb s malými hmotnými škodami při selhání a neohrožující lidské životy může být γ n až 0,8. Součinitel podmínek působení γ u umožňuje vyjádřit vliv dalších činitelů (např. zjednodušení výpočetního modelu atp.) na spolehlivost konstrukce. Má hodnotu menší než jedna a násobí se jím pravá strana nerovnosti (3.4). Uvážíme-li jako příklad konstrukce tažený prut z předchozího odstavce, na nějž působí síly: Fg - od stálého zatížení, Fiot - od dlouhodobých nahodilých zatížení,
Fsht - od krátkodobých nahodilých zatížení, lze nerovnost (3.4) přepsat do tvaru
γ n [γ F , g Fg + ∑ γ F ,iot Fiot + ψ ∑ γ F , sht Fsht ] ≤ γ u Kde
Af y
γM
(3.4a)
γ jsou součinitele již definované v této kapitole, ψ je součinitel kombinace (v závislosti na počtu krátkodobých zatížení je ψ = 0,8 až
1,0) Posuzuje-li se stav napjatosti, lze tutéž podmínku vyjádřit zápisem σ = γ n γ F , gσ g + ∑ γ F ,iotσ iot + ψ ∑ γ F , shtσ sht ≤ γ u f yd
[
]
(3.4b)
kde σ = F / A je normálové napětí v prutu. Číselné hodnoty součinitelů jsou v příslušných normách.
4 TAŽENÉ PRUTY Pruty namáhané centrickým tahem se posoudí podle vztahu N sd ≤ N t ,Rd
Nsd je působící síla, Nt,Rd návrhová únosnost prutu, což je menší z hodnot Npl,Rd a Nu,Rd. Návrhová únosnost neoslabeného průřezu je dána vztahem N pl ,Rd = Af y / γ M 0 kdežto návrhová únosnost oslabeného průřezu se rovná N u ,Rd = 0,9 Ant f u / γ M 2 kde A je plná plocha, Ant účinná plocha, fy charakteristická mez kluzu, fu mez pevnosti, γ M 0 , γ M 2 součinitele materiálu ( γ M 0 = 1,15 ; γ M 2 = 1,30 ). Za účinnou plochu se považuje plocha průřezu po odečtení všech oslabení např. otvory pro šrouby a nýty. Účinná plocha průřezu se vyšetřuje pro řez šikmý nebo lomený, dává-li takový řez plochu menší než řez kolmý nebo přímý, obr. 4.1. Těžiště průřezu se (vzhledem k lokálnímu charakteru oslabení) stanoví vždy pro neoslabeny průřez. Posouzení podle vztahu (4.1) předpokládá, že namáhání je po průřezu rozloženo rovnoměrně. Tento předpoklad nemusí být splněn poblíž přípojů nebo jiných míst, kde je síla vnášena do průřezu. Zde může Obr.4.1. dojít k lokálnímu přemáhání a záleží na okolnostech, vyrovnají-li se napětí plastickým přetvořením, či je-li nutno konstrukčními úpravami tato napětí snížit. Obvykle ovšem lze při statickém namáhání s vyrovnáním počítat. kde
5 TLAČENÉ PRUTY 5.1
Prostý tlak
Tlačené pruty, jejichž štíhlost je malá, lze posuzovat na prostý tlak. Musí být splněna podmínka N Sd ≤ N c ,Rd (5.1) kde
N Sd N c ,Rd
je působící síla, návrhová únosnost prutu.
Návrhová únosnost je dána vztahem N c ,Rd = Af y / γ M 0 Za účinnou plochu se v tomto případě považuje plocha průřezu po odečtení nevyplněných oslabení, přičemž díry nýtů a šroubů ve spojích se považují za vyplněné.
5.2 Vzpěrný tlak celistvých prutů Vzhledem k vysoké pevnosti materiálu jsou ocelové pruty zpravidla velmi štíhlé. Jestliže jsou tyto pruty namáhány tlakem, ohybem nebo kombinací těchto namáhání, dochází před dosažením jejich mezní únosnosti k vzrůstu napětí a deformací mnohem rychlejšímu než je přírůstek zatížení, takže pruty se náhle hroutí (vybočí). Přetížení nebo chybné dimenzování prutu není tedy předem signalizováno soustavným a nápadným vzrůstem deformací jako u prutů tažených nebo proti ztrátě stability zabezpečených prutů ohýbaných, kde lze od počátku zatěžování až do dosažení mezního stavu předpokládat závislost napětí a deformací na zatížení lineární. Proto je selhání štíhlých prutů nejčastější příčinou havárií ocelových konstrukcí a jejich návrhu je z těchto důvodů nutno věnovat mimořádnou pozornost. Stabilita ideálního prutu Pro každý prut, příp. soustavu prutů, lze nalézt sílu, při níž prut (soustava) přestává být stabilní. Síle říkáme kritická a při vybočení prizmatického prutu ohybem v rovině má hodnotu π 2 EI N cr = 2 (5.2) L při vybočení prutu zkroucením 1 π 2 EIW + GI t N cr = 2 (5.3) 2 ip L Ve vzorcích značí E, G Youngův modul pružnosti a modul pružnosti ve smyku, I,IW,It moment setrvačnosti, výsečový moment setrvačnosti a moment setrvačnosti v prostém kroucení, L vzpěrná délka prutu, ip polární poloměr setrvačnosti. Z kritické síly vyplyne kritické napětí N σ cr = cr (5.4) A a pro praktické použití definujeme jako další veličinu štíhlost λ vztahem E (5.5) λ =π
σ cr
a pro rovinný vzpěr bude
EL2 A L2 L (5.6) = = 2 2 π EI i i Rovinným vzpěrem nebo vybočením zkroucením může ztratit stabilitu pouze prut se dvěma osami symetrie, obr. 5.1a. Prut s jednou osou symetrie, obr. 9.1b, vybočí buď rovinným vzpěrem (ve směru osy symetrie z), nebo prostorovým vzpěrem, který je kombinací rovinného vzpěru kolmo k ose z a vzpěru zkroucením. Prut bez osy symetrie, obr. 5.1c, vybočí prostorovým vzpěrem, jenž je kombinací obou rovinných vzpěrů a vzpěru kroucením. Postupy pro posouzení jednotlivých případů jsou dány výpočtovou normou.
λ =π
Obr.5.2.
Vzpěrná pevnost Skutečné průmyslově vyráběné pruty se od prutu ideálního liší tím, že vykazují řadu počátečních odchylek a nedokonalostí, ovlivňujících jejich únosnost. Obecně lze počáteční imperfekce rozdělit do tří kategorií: - geometrické odchylky: počáteční zakřivení osy prutu, excentricita působiště zatížení, nedodržení teoretického tvaru průřezu v důsledku výrobních tolerancí apod., - strukturální vady: rozptyl mechanických vlastností materiálu (mez kluzu, modul pružnosti), vlastní pnutí v prutu (v důsledku svařování, pálení, rovnání, válcování aj.), - konstrukční imperfekce: nedokonalosti v provedení uložení, styků, přípojů a jiných konstrukčních detailů, projevující se v odchylkách působení skutečného prutu ve srovnání s teoretickými předpoklady u ideálního prutu. Odchylky od ideálních předpokladů mají u štíhlých tlačených prutů značný vliv. Jejich působením dochází ke zhroucení prutů zpravidla dříve, než je dosaženo kritického napětí. Průměrné napětí σ b , při němž je dosaženo mezní únosnosti prutu, se označuje jako vzpěrná pevnost. Nahodilost počátečních odchylek způsobuje nezanedbatelný rozptyl vzpěrné pevnosti. Tlačené pruty mají vzpěrnou únosnost Af N b ,Rd = χβ A y (5.26)
γ M1
kde součinitele χ a β A jsou dány typem průřezů a jsou zpracovány ve výpočtové normě.
5.3 Členěné pruty Vedle celistvých průřezů, tj. prutů z jednoho průřezu nebo více průřezů souvisle spojených tak, že působí jako jeden celek, se v ocelových konstrukcích často používá tzv. prutů členěných, kde jednotlivé dílčí pruty jsou spojovány do jednoho celku jen místo od místa. K navržení členěného prutu mohou vést důvody konstrukční (obr. 9.4a - mezi průřezy je mezera v tloušťce styčníkového plechu, vyplňovaná místo od místa vložkami) nebo statické (obr. 9.4b - zvětšením vzdálenosti mezi průřezy zvětšíme tuhost prutu). Na vybočení kolmo k ose, která prochází těžišti dílčích prutů a protíná průřezy („hmotná osa"), nemá spojení dílčích prutů vliv a prut se při vybočení kolmo k této ose proto chová jako celistvý.
Obr.5.3. Při vybočení kolmo k ose neprotínající průřezy („nehmotná osa"), je únosnost prutu menší, než kdyby dílčí pruty byly spojeny průběžně, a to z následujících důvodů: a) kritické napětí je snižováno v důsledku působení posouvající síly vznikající při deformaci prutu, b) vedle vybočení prutu jako celku může dojít i k vybočení dílčího prutu mezi místy spojení.
6. PRUTY NAMÁHANÉ OHYBEM Příčně zatížené pruty podepřené na dvou nebo více podporách se nazývají nosníky. Z ekonomických důvodů se používají zpravidla válcované nosníky I nebo U průřezu. Ve starých konstrukcích se ještě vyskytují nosníky nýtované. Vysoké nosníky se vyrábějí jako svařované, obr. 6.1. Obr.6.1.
10.1 Klasifikace průřezu Návrh nosníků namáhaných ohybem závisí na schopnosti průřezu nosníku postupně se plastizovat. V normách se používá následující klasifikace průřezů: - třída 1: průřezy schopné vytvářet plastické klouby s dostačující rotační kapacitou pro
plastickou redistribuci vnitřních sil, - třída 2: průřezy schopné plné plastifikace, avšak s omezenou rotační kapacitou, nedostačující pro plastickou redistribuci vnitřních sil, - třída 3: průřezy, v jejichž krajních vláknech lze dosáhnout nejvýše meze kluzu, lokální boulení ale nedovolí další zvyšování využití průřezu, - třída 4: průřezy tak štíhlé, že při tlakovém napěti bouli dříve než je dosaženo meze kluzu. Využití průřezů jednotlivých tříd při ohybu ukazuje schématicky obr. 10.2. Z definic tříd plyne, že nosník s průřezem třídy 1 lze využít pro plasticko-plastický výpočet, nosník s průřezem třídy 2 pro elasticko-plastický výpočet a nosník s průřezem třídy 3 pro elasticko-elastický výpočet. Nosník s velmi štíhlým průřezem třídy 4 bude lokálně boulit ještě před dosažením meze kluzu v krajních vláknech a jeho únosnost bude menší než se, určí běžným pružným výpočtem. Redukci lze vystihnout zavedením tzv. efektivních šířek místo skutečných rozměrů štíhlých tlačených částí průřezů. Pro různé typy průřezů jsou tyto parametry uvedeny ve výpočtové normě.
Tab.6.1.
6.2 Únosnost při ohybu Výpočet ohybové únosnosti průřezu se liší podle třídy průřezu. Návrhová momentová únosnost průřezu, na nějž nepůsobí smyk nebo je jeho vliv zanedbatelný a bez oslabení otvory: W f M c ,Rd = pl y - U průřezů třídy 1 a 2:
γM0
- U průřezů třídy 3:
M c ,Rd =
-U průřezů třídy 4:
M c ,Rd =
Wel f y
γM0 Weff f y
γ M1
Ve vzorcích značí: Wpl, Wel, Weff průřezový modul plastický, elastický a elastický pro účinný průřez, fy mez kluzu, γ M 0 ,γ M1 součinitele materiálu ( γ M 0 = γ M 1 = 1,15 ) V místě, kde se posuzuje únosnost nosníku, může (a nemusí) působit posouvající síla. O tom, lze-li její vliv na momentovou únosnost zanedbat, rozhoduje její velikost ve vztahu ke smykové únosnosti. Podrobnosti jsou uvedeny v normách.
6.3 Ohyb ve dvou rovinách V prakticky používaných konstrukcích se často vyskytne ohyb v šikmé rovině (vzhledem k hlavním osám průřezu). V tom případě lze namáhání rozložit do směru hlavních os a jsme před úlohou určit únosnost průřezu při ohybu ve dvou rovinách. α
β
M y ,Sd M z ,Sd + ≤1 M M c , y ,Rd c , z ,Rd kde My,Sd a Mz,Sd jsou působící momenty Mc,y,Sd a Mc,z,Sd vypočítané momenty únosnosti Nepočítá-li se přesněji, lze uvažovat α=β= 1.
6.4 Stabilita při ohybu Je-li nosník konstantního průřezu zabezpečen po celé své délce proti posunu z roviny ohybu, je únosností průřezu dána také únosnost celého nosníku. Takové příklady jsou v praxi velmi časté. Nosník je zajištěn např. hustě rozmístěnými příčnými nosníky nebo stropní deskou a při zatížení ve svislém směru se také prohýbá jen tímto směrem. Uvážíme-li však nosník spočívající jen na koncových podporách nebo konzolu na jednom konci vetknutou, konstrukce se v určitém okamžiku vychýlí z roviny ohybu a ztratí stabilitu. Nosník se jakoby sklopí, odtud dřívější název pro tento jev, „klopení" nosníku.
Obr.6.2.
Obr.6.3.
Dá se prokázat při jaké hodnotě momentu (označíme ho Mcr, kritický moment) dojde k rozdvojení rovnováhy, kdy se při krátkodobém bočním impulzu nosník vysune ze své polohy, a zhroutí se. Na velikost kritického momentu obecně uloženého a zatíženého nosníku má vliv celá řada okolností: a) Způsob uložení konců nosníků: konce nosníku mohou být uloženy kloubově, vetknuty , nebo může být vetknutí poddajné. Do chování nosníku se promítne uložení v ohybu i uložení působící při kroucení nosníku. Obecně platí, že čím jsou oba konce více omezovány v pohybu, tím více Mcr vzrůstá. b) Způsob a umístění zatížení na nosníku: tvar momentového obrazce hraje jistě svoji roli. Nejnepříznivější je případ s konstantním momentem po celé délce nosníku. Příznivější je jakýkoli jiný momentový obrazec, např. parabola, který ponechává části nosníku méně využité. Ještě příznivější je momentový obrazec se změnou znaménka. Roli hraje i poloha břemene na nosníku. Břemeno umístěné nad středem smyku průřezu (přesněji na tlačené straně nosníku) zhoršuje při vybočení tendenci k překlopení nosníku. Břemeno umístěné pod středem smyku se při ztrátě stability snaží nosník vrátit do původní polohy, obrázek vpravo. Kritický moment odpovídající prvnímu případu je tedy vždy menší než kritický moment pro druhý případ. c) Tvar průřezu: jinak se chovají průřezy souměrné a nesouměrné. Z hlediska ztráty stability je vhodnější, je-li tlačená pásnice širší než tažená. Roli hrají i vzájemné poměry ohybových a kroutivých charakteristik průřezu. Nalezení kritického momentu je z uvedených důvodů velmi složité a v projekční praxi se proto používají přibližné vzorce, obsažené v normách. V praxi nejčastější je ovšem případ, kdy jsou přes nosník vedeny příčníky, které kromě toho, že do nosníku vnášejí zatížení, ho také stabilizují. Vzdálenosti označené na obrázku Lf lze potom považovat za rozpětí nosníku. Jsou případy, kdy nosník stabilitu neztratí. Je to tehdy, je-li: - nosník ohýbán ve směru své menší tuhosti, Obr.6.4. - krutová tuhost nosníku vysoká (např. u uzavřených průřezů), - vzdálenost příčných nosníků je malá - nosník je souvisle podepřen do strany tak, že se tlačená pásnice nemůže posunout kolmo k rovině ohybu nebo natočit. Nepříznivý vliv na klopení nosníku mají imperfekce. Skutečný nosník (s vlastním pnutím, geometrickými odchylkami atp.) se zhroutí dříve než bude dosaženo Mcr. Stanovit únosnost skutečného prutu při namáhání ohybem je velmi složitá záležitost. Zohlednění vlivu imperfekcí při posouzení je obsaženo v návrhových normách.,
7. KROUCENÍ Namáhání kroucením není pro stavební ocelové konstrukce typické. Vyskytuje se nejčastěji v důsledku excentricit zatížení jako doprovodné namáhání k ohybu.
7.1 Pruty s otevřenými průřezy Napětí od kroucení se v prutech s otevřenými průřezy skládá jednak z napětí od
kroucení prostého (St. Venantova), jednak od kroucení vázaného. Smyková napětí u běžných konstrukčních prvků se vyšetřují zpravidla pouze pro prosté kroucení podle vzorce T τ = t t ≤ 0,6 f yd It kde Tt kroutící moment ve vyšetřovaném průřezu, t tloušťka vyšetřované části průřezu, It =
α
∑b t 3
3 i i
moment tuhosti vyšetřovaného průřezu,
α součinitel závislý na tvaru průřezu (zaoblení popř. zkosení přírub válcovaných průřezů, α = 1,2 ~ 1,3 pro I průřez). Normálová napětí vznikají od vázaného kroucení a jsou dána vztahem Bw σ= (7.2) IW B je bimoment (Nmm2), Iw výsečový moment setrvačnosti (mm6 ), w výsečová pořadnice (mm2). Bimoment lze stanovit přesně metodami stavební mechaniky.
kde
7.2 Pruty s uzavřenými průřezy Pruty s uzavřenými průřezy odolávají kroucení smykovým tokem okolo celého průřezu a přenášejí tedy kroucení lépe než průřezy otevřené. Normálová napětí jsou u obvyklých konstrukčních prvků zanedbatelně malá. Proto je použití uzavřených průřezů při namáhání krutem všestranně výhodné.
8 SPOJE 8.1. Svařování Svařování je spojování kovů za působení tepla, nebo tepla a tlaku, s případným použitím přídavného kovu stejného nebo podobného složení jako má spojovaný materiál. Pro rozlišení druhu svařování je rozhodující zdroj tepla, způsob svařování, přídavný materiál, ochrana roztaveného kovu před vzduchem a hlavní obor využití v praxi.
8.1.1 Druhy svařování Rozeznávají se dvě hlavní skupiny: - svařování tavné, kdy spojované materiály jsou v místě svaru ve stavu tekutém, - svařování tlakem, kdy spojované materiály jsou v místě svaru ve stavu těstovitém a ke spojení dojde stlačením obou částí k sobě. Ve výrobě stavebních ocelových konstrukcí má rozhodující význam svařování elektrickým obloukem, které se řadí do skupiny tavného svařování. Ze způsobů svařování tlakem se ve výrobě ocelových konstrukcí uplatňuje svařování elektrickým odporem a přivařování trnů poloautomatickou pistolí.
8.1.2 Svařováni elektrickým obloukem Zdrojem tepla při svařování je elektrický oblouk hořící mezi základním materiálem a elektrodou při zapojení do stejnosměrného obvodu vyznačeného na obr. 8.1. Svařování elektrickým obloukem se masově používá v praxi ocelových konstrukcí od poloviny minulého století, předtím se nýtovalo. Svařování Obr..8.1. obloukem má několik modifikací. 8.1.2.1 Ruční svařování Při ručním svařování elektrickým obloukem je svařovaný předmět (základní materiál) připojen najeden pól a svařovací elektroda držákem elektrod na druhý pól zdroje svařovacího proudu. Dotkne-li se konec elektrody základního materiálu, uzavře se elektrický obvod a proud začne procházet. Nepřeruší se ani po oddálení elektrody a vytvoří elektrický oblouk s teplotou 3 000 °C. Oblouk natavuje základní materiál a současně se taví kovová elektroda. Kovy se promísí a vzniká svarová housenka. Svářečské umění spočívá v udržení správné délky oblouku při odhořívání elektrody. Při zvětšení délky nad určitou mez oblouk zhasne, při dotyku elektrody se naopak elektroda přivaří k základnímu materiálu a oblouk zhasne též. Svařovací proud nemusí být pouze stejnosměrný, svařovat lze i proudem střídavým. Intenzita proudu se řídí podle průměru elektrody a druhu jejího obalu. Přibližně lze počítat s proudem 50 A/mm2 elektrody. Napětí svařovacího proudu je 15 až 35 V. Zdroj svařovacího proudu se obecně nazývá oblouková svářečka a uplatňují se zde nejrůznější modifikace. Elektrodami pro ruční svařování jsou ocelové dráty průměru 1 až 8 mm, délky 450 mm. Používají se elektrody obalené, které mají ocelové jádro pokryto obalem struskotvorné hmoty. Složky obalu při hoření ionizují oblouk a tak zlepšují jeho hoření a současně vytvářejí ochrannou clonu zabraňující přístupu vzduchu ke svaru (a tak vzniku nepříznivých oxidů a nitridů), zvyšují rychlost odtavení elektrody a tím zvyšují navařovací výkon a případně i čistí a legují svarový kov. Struska vzniklá shořením obalu pokrývá svarovou housenku, zpomaluje její chladnutí a napomáhá tak vytvoření jemné struktury svaru. Hloubka závaru, tj. hloubka natavení základního materiálu, je u obyčejných elektrod 1 až 3 mm. Zvláštní složky obalu tzv. hlubokozávarových elektrod zvětšuje hloubku závaru. Vysokovýkonné a vysokovýtěžkové elektrody dávají větší množství vytaveného svarového kovu než obyčejné obalené elektrody, neboť obsahují v obalu železný prášek. Tzv. trubičkové dráty jsou tímto práškem plněny uvnitř. Všechny tyto elektrody se používají ke zvyšování návarového výkonu a zvýšení produktivity svařování. Elektrody pro ruční svařování se označují podle norem. Ze značky lze vyčíst mj. i pevnost materiálu elektrody. Pro volbu elektrody je rozhodující mez kluzu, která má být přibližně stejná jako je mez kluzu spojovaných materiálů. Obal elektrod musí být před svařováním dokonale suchý. K sušení elektrod slouží elektrické pícky, kde se déle skladované elektrody přesušují při teplotě 150-300 °C. Bezpečnost práce a ochrana zdraví musí být při svařování elektrickým obloukem zajištěny bezvadným stavem svářečky a elektrické instalace, dokonalým větráním pracoviště a osobními ochrannými pomůckami svářeče (oblek s ohnivzdornou impregnací nebo kožená zástěra, svářečské kožené rukavice s dlouhou manžetou, kožené rukávy, kamaše a boty, svářečská kukla nebo štít s ochranným sklem proti ultrafialové složce záření oblouku, ochranné brýle z netříštivého skla používané při odstraňování strusky). Staticky a dynamicky namáhané konstrukce může svařovat pouze svářeč s úřední zkouškou doloženou svářečským průkazem.
Při ručním svařování obalenou elektrodou je nutné po spotřebování elektrody práci přerušit, nedopalek elektrody nahradit novou elektrodou, znovu zapálit oblouk a pokračovat v práci. To svářeče zdržuje a kromě toho místa přerušeného svařování mají někdy sníženou kvalitu. Svařování také nelze automatizovat. Tyto nevýhody odstraňuje svařování v ochranné atmosféře inertního nebo aktivního plynu holou kovovou elektrodou. Plyn proudí měděnou hubicí kolem elektrody a chrání tavnou lázeň před vzduchem, obr. 8.2. Podávací automat vysunuje svařovací drát navinutý v zásobníku a svářeč pouze udržuje oblouk. Jako aktivní plyn se používá Obr.8.2. nejběžněji oxid uhličitý (CO2), při svařování nerezavějící oceli, hliníku a jeho slitin se používá netečný argon (Ar). V prvním případě (MAG) se užívá odtavující se elektrody z ocelového drátu. V druhém případě (MIG) se používá pomalu ubývající wolframové elektrody a přídavný drát zocelí stejné kvality jako jsou spojované materiály. Svařování v ochranné atmosféře se vyznačuje velkým navařovacím výkonem, menším přívodem tepla do svaru a snadným prováděním i svislých svarů. Při svařování pod širým nebem je však nutné se postarat o krytí pracoviště proti větru. Svařuje se také ve směsných plynech (C02 a Ar), kde má převahu aktivní C02 a používají se i hybridní techniky, např. kombinace MIG + laser.
8.1.2.3 Svařování pod tavidlem Výhody svařování holou elektrodou navinutou v zásobníku vedly k vyvinutí dalšího způsobu svařování elektrickým obloukem, svařování pod tavidlem (MMA). Ochranu oblouku před atmosférou zde zastává tavidlo, což je zrnitá látka zvláštního chemického složení, která se zúčastňuje metalurgického pochodu a podporuje hoření oblouku. Tavidlo je ze zásobníku rovnoměrně dávkováno do místa svařování a elektroda je vněm ponořena, obr. 8.3. Automat podává elektrodu, udržuje oblouk a pohyb ve směru svaru. Oblouk hoří pod tavidlem a tavidlo se zároveň taví. Vzniklá struska chrání svar. Odsávač tavidla odstraňuje zbytky neroztaveného tavidla. Obr.8.3. Výkon navařování je při svařování pod tavidlem vyšší než při ručním svařování a kvalita svaru není ovlivněna lidským faktorem. Svařování pod tavidlem ovšem lze použít pouze pro vodorovné svary, neboť na šikmých a svislých plochách se tavidlo neudrží. Proto se tento způsob svařování používá
Obr. 8.5. Obr. 8.4.
převážně pro dílenské svary, kde polohovadla umožňují natáčet konstrukce do potřebné polohy.
8.1.2.4 Svařování plazmou Schéma svařování plazmou je naznačeno na obr. 8.4. Plazma vzniká mezi wolframovou elektrodou a základním materiálem. Ve srovnání s procesem MIG je přívod energie koncentrovanější. Plazmový oblouk lze použít na termické řezání nebo na svařování materiálu tlouštěk 0,5-2,5 mm. Lze použít i kombinaci laser + plazma.
8.1.2.5 Technologie svařování elektrickým obloukem Při svařování se v ocelových konstrukcích nejčastěji používají koutové a tupé svary. Koutové svary mají přibližně trojúhelníkový průřez se závarem na dvou plochách k sobě kolmých a pro svar zvlášť nepřipravovaných. Rozměrnější svar se vytvoří položením většího počtu vrstev (housenek), obr. 8.5a. Po provedení každé vrstvy je nutno svar zbavit strusky sekáčem a před kladením další housenky očistit drátěným kartáčem. Zásadou je, že první housenka v tzv. kořeni svaru se provede tenčí elektrodou než další vrstvy. Tupé svary vzniknou svařením materiálů (obvykle stejné tloušťky) přisazených k sobě. Materiály musí mít pro vytvoření tupého svaru připraveny úkosy, aby bylo možno dobře provést zejména svar v kořeni. Pokud jsou úkosy pouze z jedné strany (V svar), je vždy nutno vysekat nebo vydrážkovat kořen z druhé strany a podložit kořen další housenkou, obr. 8.5b. Tupý svar s větší mezerou u kořene lze provést na keramickou podložku, která zabrání protékání svarového kovu. Podložka se po svařování rozbije a odstraní. Lze použít i podložky ocelové, které ve styku zůstanou (např. u svarového spoje trubek je podložka uvnitř trubky). Úpravu úkosů při různých tloušťkách spojovaných materiálů ukazuje obr.8.6. Tvar je uzpůsoben k tomu, aby se omezila spotřeba svarového kovu na nezbytně nutnou míru. Vzhledem ke vzniku vlastních pnutí a deformací od svařování se dává přednost souměrným svarům.
8.1.3 Svařování plamenem Při svařování plamenem se k tavení kovu využívá tepla plamene kyslíkoacetylénového hořáku. Acetylén (C2H2) se odebírá zpravidla z ocelové láhve, kde je pod tlakem 2 MPa. Kyslík je v podobné láhvi pod tlakem 15 MPa. Pro rozlišení se kyslíkové láhve označují modrým pruhem na hrdle; acetylénové láhve mají pruh bílý. Plyny se z láhví odebírají přes redukční ventily, kterými se tlaky snižují a udržují na výši potřebné pro dobré hoření plamene v hořáku. Hořák je s láhvemi spojen gumovými hadicemi, láhve jsou umístěny a zajištěny na dvoukolovém vozíku. Hořák se skládá ze směšovací komory, na kterou se napojují nástavce s hubicí, volené podle tloušťky svařovaného materiálu. Teplota kyslíkoacetylénového plamene je 3000 °C. Tavná lázeň je proti účinkům vzduchu chráněna koncem plamene, ve kterém spalováním plynů vzniká oxid uhličitý. Při svařování se přidává svarový kov z drátu, který svářeč drží v levé ruce. Při výrobě ocelových konstrukcí se svařování plamenem používá zřídka (na drobné detaily nebo na tenké plechy). Svařovací souprava se však, po záměně hořáku, použije na Obr. 8.6.
řezání kyslíkem. Často se kyslíkoacetylénový plamen použije též při rovnání nebo při předehřívání před svařováním elektrickým obloukem.
8.1.4 Svařování elektrickým odporem Při svařování elektrickým odporem se využívá teplo vyvinuté průchodem vysokého proudu a působením odporu mezi svařovanými elektrodami, příp. přímo svařovanými materiály. Aby se vyvinulo teplo dostačující k uvedení spojovaných materiálů do těstovitého stavu, musí svařovací proud dosahovat až několika stovek kA. V praxi ocelových konstrukcí se pro svařování tenkých materiálů používá zejména tzv. bodovka, založená na principu odporového svařování.
8.1.5 Přivařování trnů Pro přivařování trnů používaných ve spřažených ocelobetonových kon-strukcích (kap. 12) byla vyvinuta metoda poloautomatického přiva-řování pistolí. Válcový trn s hlavou, obr. 3.10a, se vloží do pistole, obr. 3.10c, zapojené do elektrického obvodu, jehož druhým pólem je nosník, k němuž má být trn přivařen. Po zapojení proudu spouští pistole se Obr. 8.7. zažehne elektrický oblouk mezi koncem trnu a nosníkem. Po natavení dosedací plochy i paty trnu je trn automaticky zatlačen perem pistole do tavné lázně a tak přivařen. K lepšímu hoření oblouku a rafinaci svarového kovu slouží hliníkový nýtek zalisovaný do otvoru v patě tmu. Keramický kroužek, obr. 3.10b, nasazený před započetím svařování na patu trnu, chrání svar před přímým vlivem vnější atmosféry a částečně zpomaluje chladnutí svaru. Po přivaření trnu se kroužek rozbije a odstraní. Nejsložitější částí svařovací soupravy je ovládací skříň, řídící intenzitu svařovacího proudu a časování pohybu pera pistole. Nezbytnou podmínkou pro úspěšné svařování je dostatečně dimenzovaný („tvrdý") zdroj proudu, neboť oblouk, hořící vlastně na celém průřezu trnu, vyžaduje značný proudový výkon. Kvalitu provedeného svaru lze zjistit ohnutím trnu trubkou nasunutou na trn. Svar musí bez popraskání snést ohnutí o úhel 15°, obr. 3.11. Svařování je možno použít i pro přivaření trnu průvarem skrz pozinkovaný plech na pásnici nosníku. 8.1.6. Navrhování a posuzování svarových spojů Svarový spoj představuje vzhledem ke své struktuře i vlastním pnutím velmi nehomogenní část konstrukce. Při některých tvarech a druzích svarů vznikají při zatížení značná lokální napětí, která se mohou více nebo méně vyrovnat plastifikací svaru a jeho okolí. Rozvoj plastických deformací závisí kromě materiálových vlastností zejména na charakteru zatížení (statické, dynamické) a konfiguraci svarů. Průběh napětí je nejplynulejší v tupých svarech, kde narušení plynulého toku způsobují pouze neprůvary kořene, chyby ve svaru či jeho převýšení. U koutových svarů naproti tomu vznikají špičky napětí zejména u kořene svaru. Vznikají ale i u začátků svarů při namáhání působícím ve směru svarové housenky. Velmi nerovnoměrné rozdělení napětí je též ve skupině bodových svarů namáhaných silou. Uvedené souvislosti se obrážejí ve výpočetních postupech, jimiž se prokazuje
bezpečnost a spolehlivost svarových přípojů. Tupé svary Tupé svary v přípoji nebo styku obvykle svou hmotou plně nahrazují stykovaný průřez, takže se napětí v nich stanoví obdobně jako v nestykovaném průřezu. Obecně může svar být namáhán napětími: σ || normálové napětí rovnoběžné se směrem svaru,
σ⊥ normálové napětí kolmé ke směru svaru, τ smykové napětí v podélném řezu svarem. Pevnostní podmínka při působení všech složek napětí je obdobná podmínce pro rovinnou napjatost plného průřezu, takže se posuzuje srovnávací napětí 2
kde
σ⊥ σ + σ || 2 − ⊥ σ || + 3τ 2 ≤ f yd γr γr fyd je návrhová pevnost základního materiálu, γr převodní součinitel, jehož hodnota je 0,7 ≤ γ r ≤ 0,85 (zjištěno zpravidla experimentálně)
Koutové svary Koutové svary je vzhledem ke složitosti jejich namáhání nutné posuzovat podle podmínky || fu σ ⊥ 2 + 3τ ⊥ 2 + 3τ || 2 ≤
β wγ Mw
kde
σ⊥ τ ||
normálové napětí v nebezpečném průřezu, působící kolmo k ose svaru, smykové napětí v nebezpečném průřezu, působící rovnoběžně s osou
svaru, τ⊥ smykové napětí v nebezpečném průřezu, působící kolmo k ose svaru, fu pevnost základního materiálu, βw korelační faktor β w = 0,8 ÷ 0,9 (viz příslušná norma) γMW = 1 -50.
Obr. 8.8.
Doporučené tloušťky svaru
Tab. 8.1. Příklady připojení pásů
Obr.8.9.
Obr.8.10.
V případu a) je pás připojen dvěma koutovými svary stejné délky l rovnoběžnými se směrem zatěžovací síly. Síla je přenášena smykovým napětím rovnoběžným se směrem délky svaru τ || ve dvou svarech. V případu b) je pás připojen dvěma koutovými svary stejné délky l rovnoběžnými se směrem zatěžovací síly a čelním svarem délky b. Síla je přenášena smykovým napětím rovnoběžným se směrem délky svaru τ || ve dvou svarech a jedním svarem čelním napětím kolmým na směr zatížení na délku svaru b. Ostatní svary Pevnost ostatních svarů (bodové, průvarové aj.) se vzhledem k velké závislosti kvality spoje na použitém svařovacím zařízení či technologii posuzuje podle výsledků zkoušek. Za návrhovou pevnost lze brát 50 % nejnižší hodnoty pevnosti, zmenšené o 5 % rozptylu (rozdílu největší a nejmenší hodnoty) ze souboru aspoň šesti zkušebních těles, jež materiálem, provedením a způsobem namáhání odpovídají použití svarů v konstrukci.
8.1.7. Výroba svařovaných konstrukcí 8.1.7.1 Svarová pnutí a deformace, ovlivnění svarového okolí Při všech teoretických výpočtech se předpokládá, že v konstrukci působí jen napětí vyvolané působením vnějšího zatížení. Všechny způsoby výroby však zanechávají v materiálu určitá namáhání nazývaná vlastní nebo reziduální, která navíc následně způsobují i deformace vyrobeného prvku.
Zdrojem svarových vlastních pnutí je smršťování svarového kovu a oblasti v okolí svaru při chladnutí materiálu. Při svařování totiž okolní materiál zabraňuje volnému roztahování svaru a zahřátý materiál se v důsledku toho spěchuje. Po vychladnutí je spěchovaná část kratší než před svařováním; tzn. že svar namáhá konstrukční prvek jako guma napjatá v místě svaru. V místě svaru a ovlivněné zóny (viz dále) vzniká výrazné tahové Obr. 8.11. napětí, které je v rovnováze s tlaky v okolních částech. Deformace od svařování jsou vyznačeny na obrázcích. K omezení svarových pnutí vede zejména vhodný postup svařování jednotlivých částí konstrukce. Pnutí lze rovněž snížit předehřevem konstrukce, kdy se zmenší teplotní spády v okolí svaru. Menší pnutí vznikají obecně při těch způsobech svařování, které vnášejí méně tepla do konstrukce. Vlastní pnutí lze z konstrukce odstranit žíháním, což je nákladné a někdy, vzhledem k rozměrům skutečných konstrukcí, neproveditelné. Vlastní pnutí se ovšem ve staticky zatěžovaných konstrukcích již při prvním zatížení vyrovnají v důsledku plasticity oceli a lze je tudíž téměř vždy zanedbat U konstrukcí namáhaných na únavu však může být vliv vlastních pnutí významný. Kromě vlastních pnutí vzniká v okolí svaru tzv. tepelně ovlivněná oblast (TOO, nebo anglicky HAZ, heat affected zone), v níž dochází ke změnám ve struktuře oceli. Hranice ovlivnění je dána teplotou, viz obr. 3.13. Obecně má materiál v této zóně tendenci ke zkřehnutí a snížené odolnosti proti korozi. Materiál s vyšším uhlíkovým ekvivalentem je citlivější, předehřev pomáhá i v tomto případě. Při souhře nepříznivých okolností mohou v ovlivněné zóně vzniknout po svařování i nebezpečné trhlinky.
8.1.7.2 Kontrola svarů, defektoskopie
Obr.8.12.
Prvotní kontrola svarů spočívá ve vizuálním hodnocení jejich vzhledu. Zkušený pozorovatel může podle povrchu svaru, kresby housenky a zejména přechodu svaru do základního materiálu soudit na odbornost provedení. Zjišťují se póry, trhliny, vruby, neprovařený kořen svaru, krápníky atd. Vady uvnitř svarů však vizuální kontrola neodhalí. Ty lze zjistit např. navrtáním svaru. Nevýhodou je, že zkouška je lokální a nemusí tedy vystihnout stav v celém svaru. Otvor je navíc nutno po prohlídce zavařit. Mnohem vhodnější jsou proto nedestruktivní defektoskopické metody, používané obecně ke zjišťování vad uvnitř materiálu a výrobků a upravené pro zkoušení svarů. Vady a necelistvosti, které pronikají až k povrchu materiálu, lze zjistit některou z kapilárních nebo magnetických metod. Podstatou kapilárních metod je použití vhodné kapilárně aktivní kapaliny, která pronikne do trhlinek. Po otřeni povrchu zkoušeného svaru kapalina vlivem kapilárních sil vzlíná a tak trhlinku zviditelní. Magnetické zkoušky využívají skutečnosti, že vady dosahující k povrchu svaru nebo umístěné v blízkosti povrchu porušují na zmagnetizovaném kusu konstrukce tok magnetických siločar, které je možno zviditelnit. Ke zmagnetování se používá trvalých magnetů nebo elektromagnetů, průchodu proudu zkoušeným kusem nebo průchodu proudu pomocným vodičem ovinutým okolo výrobku. Ke zviditelnění silokřivek se použije buď feromagnetický prášek suchý (metoda prášková) nebo rozptýlený ve vhodné kapalině (metoda polévací), nebo se výrobek ponoří do lázně s detekční
tekutinou obdobného složení. Vady uvnitř materiálu či svaru lze zjišťovat ultrazvukem nebo prozařováním. Zkouška ultrazvukem je založena na tom, že ultrazvukové vlnění se v homogenní látce šíří stejnoměrně a přímočaře, kdežto na rozhraní dvou prostředí se zčásti odráží, zčásti lomí a prochází do druhého prostředí. Odraz a lom v uvedeném smyslu však nastane jen tehdy, když má rozhraní
(překážka) větší rozměr než je vlnová délka použitého vlnění. Proto se v defektoskopii používá vlnění s velmi krátkou délkou vlny 1-25 mm, čemuž při šíření v oceli odpovídá frekvence 0,25-6 MHz (ultrazvuk). Zdrojem ultrazvuku jsou v používaných aparaturách nejčastěji piezoelektrické měniče s křemennými destičkami. Z většího počtu modifikací zkoušky ultrazvukem se nejčastěji používá metoda odrazová, při níž se do kontrolovaného předmětu vysílají krátké ultrazvukové impulsy, které se odrážejí na protilehlém rozhraní prostředí. Je-li v cestě vlnění vada, odrazí se impuls od jejího rozhraní a vrátí se dříve než koncový impuls z protilehlé strany, obr. 3.14. Časový průběh signálu je zobrazován na obrazovce. Vzdálenost mezi počátečním (A) a koncovým echem (B) je úměrná tloušťce zkoušeného předmětu, což lze využít např. také k měření tlouštěk stěn trubek a materiálů, kde je přístupná pouze jedna strana. Vzhledem k jednoduchosti a nenáročnosti zkoušek ultrazvukem se této metody využívá hlavně k předběžnému vyšetření svaru nebo materiálu. Podezřelá místa se potom prozařují. Pouze ultrazvukem ale lze objevit tzv. zdvojení materiálu, které může nastat u nedokonale proválcovaného plechu, jenž se potom při namáhání kolmo k povrchu může vrstevnatě porušit. Zkoušky prozařováním (radiologické) využívají ke zkoušení materiálu lokální změny intensity záření prošlého zkoušeným předmětem. Změna se registruje obvykle fotografickou cestou a snímek se odborně vyhodnotí: - Nejrozšířenější jsou zkoušky rentgenovým zářením vysílaným rentgenkou (zvláštní elektronka). Vlnová délka rentgenového záření leží v rozsahu 10“9 až 10“10m. Pro zkoušení se používají aparatury stabilní i přenosné, použitelné v terénu. - Použije-li se k prozáření radioaktivního záření vysílaného buď přirozenými zářiči nebo umělými radioizotopy, jedná se o zkoušku gama zářením. Gama záření je elektromagnetické vlnění s vlnovou délkou 10"11 až 10"I3m, které se odfiltruje od dalších složek radioaktivního záření (alfa a beta). Zdroje záření se umísťují do speciálních krytů, které musí zajistit stínění radioaktivního materiálu.
8.2. Nýtované a šroubové spoje Původním způsobem spojování ocelových konstrukcí bylo nýtování. V dnešní době se až na výjimky nepoužívá, nýtované konstrukce jsou však i nadále v provozu. Šroubové spoje, které spolu se svařováním nýtování vytlačily, jsou jednodušší na provedení a kromě toho jsou rozebíratelné. 8.2.1 Nýtování Při nýtování se vsazoval ohřátý nýt do společné díry ve spojovaných částech a za tepla se tzv. hlavičkářem vykovala závěrná hlava. Nýt se ohříval do bílého žáru v kovářské výhni nebo elektrickém či plynovém ohřívači nýtů. Nýtovalo se kladivy, později pneumatickými kladivy a práce v hlučném prostředí výrazně poškozovala zdraví. Hotový nýt ale po zchladnutí
Obr. 8.13.
Obr. 8.14.
dokonale vyplnil díru, sevřel spojované součásti velkou silou a představoval tak velmi účinné spojení, používané kupř. i při stavbě lodí. Nýty se vyráběly z oceli odpovídající spojovaným materiálům tak, aby nýt byl vždy z méně pevné oceli a bylo jej tak možno případně při výměně odsekat. Běžně se používalo nýtů s půlkulovou hlavou, pouze tam, kde by hlava nýtu překážela, se použily nýty zápustné. Průměr dříku surového nýtu (di) se měří 5 mm pod dosedací hlavou a je o 1 mm menší než průměr otvoru a tedy i průměr zataženého nýtu (d). Průměr hlavy nýtu (Di) je přibližně 1,5 d. Svěrná délka nýtu (s) je omezena možností dobrého nýtování. Pro nýt s půlkulovou hlavou to při nýtování kladivem bylo max s = 4,5 d. 8.2.2. Šroubování V ocelových konstrukcích se používají šrouby s šestihrannou hlavou a válcovým dříkem s metrickým závitem, který zpravidla nedosahuje až k hlavě šroubu. Šrouby se vyrábějí tvářením za studena nebo za tepla, obráběním z tyčí nebo z výlisků. Podle provedení, tj.drsnosti povrchu a přesnosti rozměrů, se rozlišují šrouby hrubé a přesné. Mechanické vlastnosti přesných i hrubých šroubů a matic se značí celosvětově Obr. 8.15. sjednocenými značkami, vyjadřujícími pevnost materiálu, z něhož jsou vyrobeny (nejhorší 4.6, nejlepší 12.9). Průměry šroubů používaných v ocelových konstrukcích jsou d = 12, 16, 20, 24, 27, 30 mm. Délky šroubů jsou odstupňovány podle potřeby. Šrouby do plechu a závitořezné šrouby, se vyrábějí z taženého drátu tvářením za studena. Šrouby do plechu mají zvláštní závit. Závitořezné šrouby mají metrický závit přerušovaný řeznými drážkami. Oba typy šroubů se používají ke spojování a přípojům Obr. 8.16. tenkostěnných konstrukcí vyrobených z tenkých plechů tlouštěk 1-2 mm. Matice šroubuje v souladu s hlavou šroubu šestihranná. Vyrábějí se tzv. normální matice s výškou rovnou přibližně 0,8 d, matice vysoké pro šrouby namáhané velkým tahem a matice nízké pro šrouby bez tahového namáhání nebo používané jako pojistné proti uvolňování šroubů. Podle provedení se matice dělí na přesné a hrubé. Podložky se vkládají pod matice a někdy i pod hlavy šroubů. Úkolem podložek je: • rozdělit dosedací tlak matice na větší plochu, • zamezit odírání součástí při utahování šroubu, • zabránit pěchování okrajů díry, • zajistit šroub proti uvolňování (pojistné podložky).
Obr.8.17.
Obr.8.18.
Obr.8.19.
Pro ocelové konstrukce se používají podložky pro šrouby se šestihrannou hlavou a šestihranné matice, které mají čistý povrch, průměr díry (d+1) mm a vnější průměr přibližně
2d. Pro třecí spoje je nutno používat přesných zakalených podložek pro třecí spoje. Pro vyrovnání sklonu přírub válcovaných tyčí se používají speciální čtvercové klínové podložky pro nosníky I a U. Pružné podložky mají zajistit matice před povolením, resp. mají umožnit natáčení spojovaných částí v případě, kdy je to vyžadováno. Identifikační podložky s výčnělky se používají u spojů s předpjatými šrouby ke kontrole utažení spoje. Závlačky provlečené dříkem šroubu zajistí matici proti uvolnění. Vyrábějí se z drátu taženého za studena. 8.2.3 Provádění šroubových spojů Podle funkce se rozlišují spoje nosné, spínací a těsnicí. Nosné spoje přenášejí síly, zatímco spoje spínací mají zabránit korozi mezi spojovanými částmi a spoje těsnicí mají dokonce spoj utěsnit proti pronikání kapaliny nebo plynu. Vzdálenosti (rozteče) mezi šrouby se řídí účelem spoje. U spojů nosných jde především o to, aby síly na jednotlivé šrouby byly pokud možno rozděleny stejnoměrně a některý šroub tak nebyl přemáhán. Rozteče (maximální, minimální a obvyklé) se udávají v normách. Pro polohu otvorů ve válcovaných průřezech platí tzv. roztečné čáry, jejichž umístění je pro všechny vyráběné průřezy rovněž normalizováno. Současně se uvádí maximální přípustný průměr otvoru (tzv. vrtání), který lze do průřezu vyvrtat, aniž by došlo k vytržení spojovacího prostředku nebo nadměrnému oslabení průřezu. Polohy roztečných čar pro úhelníky a válcované I a U průřezy jsou naznačeny na obr. 8.20. a podrobně se uvádějí v normách či příručkách. Při rozmísťování šroubů a nýtů je nutno pamatovat také na proveditelnost navrženého spoje. U nýtu je nutno ponechat Obr. 8.20. místo na hlavičkář, u šroubů na manipulaci s klíčem. Geometrie přípojů by, pokud možno, měla vycházet z těžišťových os průřezů. Osy se u důležitých konstrukcí protínají v jednom bodě a případná excentricita se musí při výpočtech zohlednit. U spojů úhelníků a T profilů s nejméně dvěma šrouby za sebou lze těžišťové osy přibližně nahradit roztečnými čarami. 8.2.3.1 Šroubové spoje namáhané na střih a otlačení (spoje kategorie A) Šroubové spoje, které jsou dotahovány pouze klidným tahem (lidskou silou) normalizovanými klíči, nebo strojními utahováky vyvíjejícími obdobný účinek, se nazývají spoje obyčejnými šrouby
nebo spoje bez předpětí. Spoj nese střihem a tzv. otlačením. Ve spoji se použije šroub, jehož hladký dřík prochází spojovanými částmi a závit končí v místě podložky. V minulosti se striktně žádalo, aby délka šroubu byla taková, aby po utažení šroub z matice přesahoval nejméně dvěma závity a závit zasahoval do spojovaného materiálu nejvýše polovinou svého výběhu. Při variabilitě spojů to vedlo k velkému množství objednávaných šroubů a zásada se v praxi často porušovala tím, že závit do spojovaných částí zasahoval. Únosnost takového spoje v otlačení se sice o něco zmenšuje, ale výhody jsou takové, že se použití spoje se závitem v Obr. 8.21. díře nyní i podle norem již považuje za legální. Zjednodušily se tak podstatně objednávky šroubů. Podložky se vkládají pod matice vždy, pod hlavy šroubů jen tehdy, není-li dosedací
plocha kolmá k ose šroubu (klínové podložky). Ovšem i toto ustanovení se přestává dodržovat a podložky často z konstrukcí úplně mizí, neboť to evropské normy už nevyžadují. Otvory pro šrouby se vrtají o 1 až 3 mm větší než je průměr šroubu d (1 mm pro M 12, 2 mm pro M 16 až M 24 a 3 mm pro M 27 a větší). Při těchto vůlích je nutné počítat s určitým prokluzem spoje než při prvním zatížení dosedne. Proto se tyto šroubové spoje nemají použít pro konstrukce, kde by takový prokluz vedl k nedovolené změně tvaru nebo pro konstrukce namáhané opakovaně tahem a tlakem, kde by mohlo docházet k uvolňování šroubů a otlačování otvorů. 8.2.3.2 Třecí spoje (spoje kategorie BaC) Přesné šrouby dobrých mechanických vlastností lze utáhnout takovou silou (předepnout), že k přenášení smykových sil ve spoji dochází třením spojovaných součástí a nikoliv střihem a otlačením dříku šroubu jako u spojů provedených obyčejnými nepředepnutými šrouby. Pro utahování předpjatých šroubů platí zvláštní předpisy. Díry pro šrouby se v třecím spoji vrtají o 1 až 3 mm větší než je průměr šroubu, přičemž je třeba věnovat zvláštní pozornost kolmosti vrtaných děr k dosedacím plochám. 8.2.3.3 Spoje namáhané tahem (spoje kategorie DaE) U spojů, v nichž jsou šrouby namáhané pouze tahem ve směru dříku, se rozlišují: • nepředepnuté šroubové spoje • spoje s předepnutými šrouby V ani jedné kategorií není nutné upravovat třecí plochy spoje a rovněž nehraje roli, zasahuje-li závit do spojovaných prvků ěi nikoli.
8.2.4. Navrhování a posuzování šroubových spojů Rozlišujeme: Spoje namáhané smykem Kategorie A - namáhané na střih a na otlačení se šrouby všech pevnostních tříd, Kategorie B - třecí spoje s kontrolovaným utažením. Smykové zatížení nesmí v mezním stavu použitelnosti způsobit prokluz spoje. V mezním stavu únosnosti se spoj posuzuje na střih a na otlačení, tzn. že k prokluzu může dojít. Kategorie C - třecí spoje se speciálně upravenými stykovými plochami a s kontrolovaným utažením šroubů. Jsou posuzovány na prokluz a na otlačení v mezním stavu únosnosti. Současně se musí posoudit únosnost oslabeného spojovaného průřezu v tahu. Spoje namáhané tahem Kategorie D - spoje se šrouby obvyklých pevnostních tříd bez kontrolovaného utažení. Nemají se používat pro spoje vystavené proměnlivému tahovému zatížení, kromě zatížení větrem, Kategorie E - spoje se speciálně upravenými stykovými plochami a s kontrolovaným utažením šroubů. Jsou vhodné pro detaily namáhané na únavu.
Při posuzování únosnosti šroubových spojů na střih a otlačení se postupuje podle teorie pružnosti a pevnosti a podle výpočtových norem.
9. KONSTRUKČNÍ PRVKY HAL Halové stavby jsou využívány pro technologické objekty. Navrhují se jako jednonebo vícelodní stavby, případně se kombinují lodi podélné a lodi příčné. Haly mohou ale nemusí být vybaveny mostovými jeřáby. Velmi důležité pro ocelové konstrukce je zajištění prostorové tuhosti konstrukce.
9.1. Dispozice Dispoziční uspořádáni jednolodní haly s dráhou pro mostový jeřáb je vyznačeno na obrázku. Hlavní konstrukční celky nosného systému tvoří: - konstrukce střechy (vazníky, průvlaky, vaznice, popř. krokve), - hlavní sloupy budovy s kotvením, - jeřábové dráhy, - konstrukce obvodových stěn, - ztužidla (střešní a stěnová ztužidla, brzdný portál), - doplňkové konstrukce (plošiny, schody, světlíky, větráky aj.).
Obr. 9.1. Základní příčný nosný systém budovy tvoří v uvedeném příkladě příčné vazby, sestávající z hlavních nosných sloupů se stupňovitě proměnným průřezem a z příhradových střešních vazníků. Patka sloupu je ukotvena pomocí nosných kotevních šroubů do železobetonového základu. Sloupy mohou být navrženy plnostěnné nebo příhradové. Ze statického hlediska se příčná vazba navrhuje obvykle jako systém s vetknutými sloupy a kloubově připojenou příhradovou příčlí (vazníkem). Vazník je hlavním střešním nosníkem, na kterém jsou uloženy vaznice tvořící podporu střešního pláště. Tuhost budovy jako celku je v podélném směru zabezpečena příčným neboli větrovým ztužidlem, jehož střešní část a stěnová část tvoří svislý příhradový nosník, probíhající po celém obvodu napříč budovou. Pás ztužidla ve střešní části je prutem vloženým
do střešního systému, druhý pás příhradového ztužidla vytváří horní pás vazníku. Pásy stěnové části příčného větrového ztužidla tvoří jednak předsazený sloupek při hlavním sloupu příčné vazby, jednak mezisloup podélné stěny. Konstrukci střechy doplňují svislá podélná příhradová ztužidla uprostřed rozpětí vazníku a při okapu, tvořící současně příhradové vaznice, a dále okapová příhradová ztužidla v rovině střešní (mezi okapovou a sousední vnitřní vaznicí), jež umožňují opření horních konců mezisloupů podélné stěny. Konstrukci větve jeřábové dráhy tvoří hlavní nosník a vodorovný výztužný nosník umožňující převzetí příčných silových účinků mostového jeřábu. Přenos podélných brzdných sil jeřábu zabezpečuje brzdný portál. Nosnou kostru obvodových stěn vytvářejí hlavní nosné sloupy budovy, zpravidla s předsazenými sloupky, dále mezisloupky podélných stěn, sloupky čelních a štítových stěn a rohové sloupy. Podružné sloupy stěn jsou uloženy na železobetonových patkách zpravidla prostřednictvím lehkého kotvení . Konstrukci stěny doplňují vodorovné nosníky - paždíky a popř. vodorovný výztužný nosník čelní stěny. Tuhost čelní stěny zabezpečuje příčné střešní ztužidlo a stěnové ztužidlo. Příklad zajištění prostorové tuhosti ocelové haly a detaily uložení vazníků, jeřábové dráhy a kotvení sloupů je na následujících obrázcích.
