Połączenia

Łączenie lub sposób łączenia elementów

 

W połączeniach stalowych najczęściej wykorzystywane są połączenia: spawane i śrubowe. Rzadko połączenia nitowe, zgrzewane, klejone, zatrzaskowe, mieszane i specjalne.

Wyróżnia się: połączenia warsztatowe, połączenia montażowe, stałe, rozbieralne. Połączenia dzielą się na: punktowe, liniowe, powierzchniowe. Inny podział, to połączenia odszktałcalne (śrubowe, nitowe) i nieodkształcalne (spawane, zgrzewane, klejone).

Łącznikami są: śruby, nity, sworznie, wkręty, kołki, spoiny, zgrzeiny i skleiny.  

Węzły są: sztywne, podatne i przegubowe.

Połączenia śrubowe dzielą się na: zakładkowe, nakładkowe, doczołowe.

Połączenia zakładkowe i nakładkowe mogą być: zwykłe, pasowane, cierne.

Połączenia zakładkowe, nakładkowe i doczołowe dzielą się na połączenia: sprężane i niesprężane.

Połączenia mogą być również mieszane (kombinowane) np. nitowo-śrubowe, śrubowo-klejone.

Dla konstrukcji o dużych rozpiętościach są stosowane węzły kratownic przestrzennych.

Dla połączeń cienkich blach używa się m. in.: wkrętów samogwintujących, blachwkrętów, wstrzeliwanych kołków.

Połączeniem są również zakotwienia np. słupów, ciengien, odciągów linowych.

 

Połączenia belek z podciągami i słupami:

- połączenia przegubowe,

- połączenia sztywne

 

Połączenia śrubowo-kołnierzowe (półki, stopki)

Siła naciągu śrub połączenia montażowego, jest równa większej z dwóch sił, wyrażonych wzorami:

gdzie:

- D_u- średnia średnica uszczelki [mm],

- u_cz- czynna szerokość uszczelki,

- σ'_s- naprężenie dociskowe,

- C- współczynnik zabezpieczający (C=1,2 połączenia o średnicy D_u≤500 mm; C=1,4 połączenia o średnicy D_u>500 mm),

- N_r- naciąg ruchowy śrub.

 

Wzór na naciąg ruchowy śrub:

gdzie:

- P- siła parcia czynnika,

- S₁- siła zapewniająca szczelność połączenia,

- p- ciśnienie obliczeniowe czynnika [MPa],

- D_u- średnia średnica uszczelki [mm],

- b- współczynnik zabezpieczający, by siła S nie spadła poniżej wartości wymaganej (na skutek pełzania materiału uszczelki),

- σ'_s- naprężenie dociskowe,

- σ''_s- naprężenie dociskowe,

- u_cz- czynna szerokość uszczelki.

 

Średnica rdzenia śruby, jest równa większej z dwóch średnicy, wyrażonych wzorami:

gdzie:

- N_m- naciąg montażowy równy większej z dwóch sił N'_m i N''_m,

- i- liczba śrub danego połączenia śrubowo-kołnierzowego (zalecana to wielokrotność liczy 4),

- ψ- wspólczynnik jakości wykonania nakrętek, śrub i ich powierzchni (ψ=0,5- wykonanie zgrubne; Ψ=0,75- zwykła obróbka; ψ=1- dokładna obróbka),

- k₁- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie śrub wykonanych z danego materiału (obliczenia dla 20C),

          - x'₁=1,1 stal stopowa,

          - x'₁=1,2 stal węglowa,

- k₂- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie śrub wykonanych z danego materiału (w temperaturze pracy śruby),

          - x'₂=1,5 stal stopowa,

          - x'₂=1,65 stal węglowa.

 

Projektowanie śrubowych połączeń ciernych

Wartość siły sprężającej:

 

gdzie:

- R_m- wytrzymałość na rozciąganie materiału śruby,

- A_s- pole przekroju czynnego rdzenia śruby.

gdzie:

- d₁- średnica podziałowa gwintu,

- d_r- średnica rdzenia śruby.

 

Nośność obliczeniowa śruby na rozciąganie (niższa wartość z obliczonych poniżej):

gdzie:

- R_e- granica plastyczności śruby,

- R_m- wytrzymałość na rozciąganie materiału śruby,

- A_s- pole przekroju czynnego rdzenia śruby.

 

Nośność obliczeniowa śruby w stanie granicznym poślizgu:

gdzie:

- S_Rt- nośność obliczeniowa śruby na rozciąganie,

- m- liczba powierzchni tarcia w złączu,

- μ- współczynnik tarcia,

- α_s- współczynnik kształtu otworu:

                   - α_s=1,0 - zwykły okrągły otwór,

                   - α_s=0,85 - powiększony lub krótki owalny otwór,

                   - α_s=0,7 - otwór długi owalny.

 

Projektowanie śrubowych połączeń doczołowych

Nośność obliczeniowa śruby na zerwanie trzpienia (niższa wartość z obliczonych poniżej):

 

gdzie:

- R_e- granica plastyczności śruby,

- R_m- wytrzymałość na rozciąganie materiału śruby,

- A_s- pole przekroju czynnego rdzenia śruby.

 

Nośność obliczeniowa śruby przy rozwarciu styku:

- obciążenia statyczne:

- obciążenia dynamiczne:

 

Nośność doczołowych połączeń:

gdzie:

- P- siła,

- β- współczynnik efektu dźwigni

- n- liczba śrub,

- S_R- nośność obliczeniowa śruby (S_R=S_Rt lub S_R=S_Rr).

 

Współczynnik efektu dźwigni:

gdzie:

- g- grubość,

- g_min- grubość minimalna blachy czołowej.

 

Grubość minimalna blachy czołowej:

gdzie:

- c- odległość krawędzi spoiny od brzegu otworu na śrubę (c≤d; gdzie d- średnica trzpienia śruby),

- b_s- szerokość współdziałania blachy przypadająca na jedną śrubę (b_s=2c+d),

- S_Rt- obliczona nośność śruby na rozciąganie,

- f_d- wytrzymałość obliczeniowa stali dla blachy czołowej.

 

Połączenia spawane

Łączenie elementów przez miejscowe doprowadzenie do nich ciepła i ich stopienie, w wyniku czego powstaje połączenie przez spoinę.

 

Wzór na obliczenie długości spoin:

gdzie:

- F- pole przekroju poprzecznego kątownika,

- l₁- długość pierwszej spoiny,

- l₂- długość drugiej spoiny,

- a₁- grubość pierwszej spoiny,

- a₂- grubość drugiej spoiny,

- k_t- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie dla materiału kątownika,

- k_r- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie dla materiału kątownika.

 

Podstawiamy za k_t':

gdzie:

- k_r- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie dla materiału kątownika.

 

Otrzymujemy:

gdzie:

- F- pole przekroju poprzecznego kątownika,

- l₁- długość pierwszej spoiny,

- l₂- długość drugiej spoiny,

- a₁- grubość pierwszej spoiny,

- a₂- grubość drugiej spoiny.

 

Warunek, który powinien być spełniony dla połączeń zginanych momentem M_g i ścinanych siłą poprzeczną Q:

gdzie:

- l- długość spoin,

- a- grubość spoiny,

- Q- siła poprzena,

- M_g- moment gnący,

- z₁- połowa wewnętrzej długości kątownika,

- J_x- moment bezwładności figury utworzonej przez kład przekroju podłużnego spoin,

- k_r- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie dla materiału kątownika.

 

Musi być spełniony warunek:

gdzie:

- M_g- moment gnący,

- z- połowa wewnętrzej długości kątownika,

- J_x- moment bezwładności figury utworzonej przez kład przekroju podłużnego spoin,

- k_r- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie dla materiału kątownika.

 

Naprężenia zredukowane w spoinie czołowej, gdy jest przenoszony moment gnący oraz siła poprzeczna muszą spełniać warunek:

gdzie:

- J_x- moment bezwładności figury utworzonej przez kład przekroju podłużnego spoin,

- M_g- moment gnący,

- z- połowa wewnętrzej szerokości kątownika,

- g- szerokość blachy kątownika,

- Q- siła poprzena,

- k_r- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie dla materiału kątownika,

- s- wspołczynnik wytrzymałościowy spoin:

          - dla spoin czołowych:

               s=1 - przy osiowym ściskaniu i przy zginaniu,

               s=0,8 - przy osiowym rozciąganiu i przy zginaniu,

               s=0,6 - przy ścinaniu,

          - dla spoin pachwinowych, przy ścinaniu s=0,65.

 

W belkach zginanych naprężenia w spoinach łączyących półkę (pas) ze środnikiem, powinny spełniać warunki:

gdzie:

- M_g- moment gnący,

- z- połowa wewnętrzej szerokości kątownika,

- Q- siła poprzena,

- a- grubość spoiny,

- S- moment statyczny względem osi obojętnej tej części przekroju poprzcznego belki, która jest położona ponad spoiną,

- J_x- moment bezwładności całego przekroju,

- k_r- naprężenie dopuszczalne na rozciąganie materiału belki,

- s- wspołczynnik wytrzymałościowy spoin:

          - dla spoin czołowych:

               s=1 - przy osiowym ściskaniu i przy zginaniu,

               s=0,8 - przy osiowym rozciąganiu i przy zginaniu,

               s=0,6 - przy ścinaniu,

          - dla spoin pachwinowych, przy ścinaniu s=0,65.