Spojem se nazývají spoje, které slouží k prodloužení nebo zvětšení. Spoje jsou např. potřebné, protože dostupné válcované délky nebo šířky plechů nejsou dostatečné, při montáži jsou nutné kvůli omezení rozměrů a hmotnosti jednotlivých přepravovaných prvků. Podložkami se nazývají plechy, které překrývají přerušení ve spoji. Všechny ostatní spoje, zejména ty mezi pruty příhradoviny různých směrů a nosníky v různých rovinách, se označují jako připojení.
U běžných spojů se podložky a nýty spojů dimenzují na plnou sílu. Proto se u normálního spoje nepožaduje, aby se plochy spojů dotýkaly.
Hlavní oblast použití tažených a tlačených prutů (to jsou přímé pruty, které jsou zatíženy převážně normálovými silami) představují příhradové konstrukce. Úvahy této kapitoly pomíjejí nebezpečí vzpěru tlačených prutů. Nejprve se bude uvažovat statická pevnost.
Odečet otvorů v tažených prutech
Únosnost: Napjatost v taženém prutu je v důsledku otvorů výrazně lokálně změněna. V oblasti proporcionality odpovídá rozložení napětí v oslabeném průřezu (obr. 1). Největší podélné napětí v pravoúhlém prutu je podle A. Henninga:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Obr. 1 - Podélná a příčná napětí v vrtaném prutu a) podle A. Henninga; b) podle M. Rudeloffa
V mezním případě d/b = 0 velmi širokých lamel vychází odtud maxσ = 3σm a pro případ zobrazený na obr. 1a d/b = 1/3 je maxσ = 2,42 σm. Kromě podélného napětí existují i napětí příčná a smyková. Největší namáhání je na povrchu otvoru. Tam se objevují první trvalé deformace, tj. vrcholy napětí se rozkládají a vzniká vyrovnání napětí v průřezu. Znatelné trvalé deformace v oblasti otvorů se objeví teprve tehdy, když střední napětí σm v oslabeném průřezu překročí mez kluzu σFO. Celkové prodloužení tyče je při SF = Fm * σF jen nepatrně větší než u tyče bez otvorů. (Fm je plocha nejslabšího průřezu)
Při zkouškách v tahu s nýtovanými tyčemi dochází k lomu vždy v oslabených průřezech. Zatížení při lomu je za obvyklých podmínek dostatečně přesně SB = Fn * σB. Zkoušky trháním na tažených tyčích s otevřenými otvory ukázaly obrazy lomů jako na obr. 2.
Obr. 2 - Obrázky lomu tažených tyčí
V pokusech s nýtovanými spoji bylo prokázáno, že napojení s jednou řadou nýtů mají menší odolnost než napojení s více řadami nýtů za sebou. Podle toho činilo průměrné napětí při porušení σB v užitečném průřezu:
Postup dimenzování pro tažené pruty: Podle obvyklého způsobu výpočtu musí pro průměrné tahové napětí platit σm = S/Fm ≤ dovσ, a to ve všech rozhodných průřezech Fm. Odbitek otvorů se určuje pro normálový průřez s největším počtem otvorů, přičemž se může stát, že lomený průřez s větším počtem otvorů dává menší hodnotu Fm (obr. 2). V tomto smyslu se u válcovaných profilů Fm počítá rozvinutím. U složitých průřezů se postupuje ve stejném smyslu.
Poměr Fm/F zpravidla leží mezi 0,8 a 0,9, tj. odečet otvorů ΔF = F – Fm činí 10% až 20% celého průřezu F prutu. U velkých objektů ΔF výrazně ovlivňuje hmotnost, takže stojí za to najít průřezy s menším odečtem otvorů.
Deformace: Elastické prodloužení tažených prutů s otvory je sotva větší než u srovnatelných neperforovaných prutů. Celkové prodloužení napojení je téměř stejné jako u napojovaných lamel. Proto postačí, aby se pro výpočet deformace ocelových konstrukcí určila elastická prodloužení s hodnotami E a F neoslabených prutů. Bezpečnost proti kluzu je u prutů se zeslabením větší než např. u tlačených prutů.
Rozdělení sil v nýtech
Obr. 3
Rozdělení síly S v prutu na jednotlivé nýty spoje závisí na jeho pružných vlastnostech, je „staticky neurčité“. V případě obr. 3 závisí rozdělení N1, N2, … na deformaci nýtů a spojených plechů, mění se s poměrem Fpodvezice/Fštapa. Při Fpodvezice ≠ Fštapa nejsou koncové síly v nýtech již stejně velké (obr. 50a). Se snižováním poměru Fpodvezice/Fštapa se Nn zmenšuje, N1 se blíží S. Spojování lamel velmi rozdílné tloušťky (obr. 4b) není účelné kvůli přetížení prvního nýtu.
Obr. 4 - Zatížení nýtů pro Fštap > Fpodvezice
Lamely a pásky jsou tuhé, pouze nýty pružné (obr. 5a). Pak všechny nýtové spoje dostávají stejné ohnutí, všechny síly v nýtech musí být stejné.
Nýtové spoje tuhé, pouze lamely a táhla pružná (obr. 5b). Protože prodloužení v prutu a táhlech mezi prvním a posledním nýtem musí být stejná, plyne N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, s výjimkou N1 = S * x1.
Obr. 5
Skutečné rozložení sil leží mezi těmito mezními případy. Pokud se zatížení zvětšuje, objeví se nejprve v krajních nýtech trvalá deformace, nejvíce zatížené nýty se odlehčují a rozložení sil se stává stále rovnoměrnějším. Po vzniku větších deformací se rozložení sil blíží případu, kdy jsou lamely a táhla tuhá, tj. síly v nýtech jsou téměř stejné, v případě, že je rozhodující smyk nýtů.
Zatížení při porušení: Způsob nýtování nýtů má na τBV téměř žádný vliv. Smyková pevnost τBV spoje je prakticky nezávislá na počtu nýtů, jejich rozmístění, tvaru nýtovaného spoje; zatížení při porušení odpovídá v dobré aproximaci rovnoměrnému zatížení všech nýtů. Stejné tvrzení ostatně platí i pro běžné šroubové spoje, z čehož lze usoudit, že odpor proti skluzu nemá podstatný vliv na únosnost.
Dimenzování: U ocelových konstrukcí a centricky zatížených prutů se počítá s rovnoměrným rozdělením, tj. na každý nýt N = S/n. Protože u dlouhých napojení bývají první nýty již brzy přetíženy, více než 6 nýtů za sebou se pokud možno vyhýbá.
Odpor proti kluzu: K uklouznutí ve spojích dochází již při poměrně malém zatížení. Odpor proti kluzu závisí především na svěrné síle, která se mění pod vlivem mnoha faktorů. Při dimenzování spojů s nýty a dosud běžně používanými šrouby se tento vliv zanedbával. Upozorňuje se na spoje s vysokopevnostními šrouby.
Rozdělení sil v nýtech podle šířky: Při stejných vzdálenostech nýtů kolmo na směr síly (obr. 6a) náleží jednotlivým nýtům stejně široké pásy a průřezu, proto jsou v prvním přiblížení síly v nýtech N = a t σ stejně velké. Rozdělení při nestejných rozestupech nýtů je staticky neurčité; pro případ na obr. 6b se řídí zákonem páky.
Obr. 6
Tahový prut
Pokračování: Pokračování se symetrickými podvazky (obr. 3 a 4). Sílu S v tyči v místě pokračování musí nést pouze podvazek. Nýty v pokračování je třeba rovněž dimenzovat podle S, protože musí přenést celou sílu z pokračované tyče do podvazku.
Nástavce s jednostranným páskem jsou spojeny se značnými dodatečnými ohybovými napětími ve spojených pleších, páscích a nýtech. Jednostranné zakrytí nástavců se vzhledem k velkým deformacím používá jen tehdy (obr. 7), když je tyč tuhá na ohyb nebo když je bočně podepřena tak, že se nemůže ohnout.
Obr. 7
Nepřímý spoj – Když pásky nemohou ležet přímo na spojovaných plechách, vznikají u nýtů a plechů podstatně vyšší napětí v ohybu. Proto se podle počtu m mezivrstev volí větší počet n’ nýtů než počet n při přímém překrytí spojů.
Obr. 8
U složitých průřezů se pásnice rozmisťují tak, aby se zabránilo místním zvýšením napětí, proto se jednotlivé plochy pásnic určují podle plochy části průřezu, kterou kryjí, pokud možno při zachování polohy těžiště. Rozdělení ploch pásnic, která se od toho odchylují, souvisí se změnami rozložení napětí. Na obr. 9 je znázorněno napojení jednoplášťového, na obr. 10 dvoudílného prutu s 4 svislými plechy a jednou stojinou mezi úhelníky.
Obr. 9
Obr. 10
Přípojka: Pro přípojky tažených prutů platí v zásadě stejné závislosti jako pro pokračování. Pokusy prokázaly velkou výhodu symetrického zavádění síly. Při jednostranné přípojce vzniká silné ohýbání v podélném i příčném směru (obr. 11). Přes značná dodatečná ohybová napětí mohou být téměř plně využity i jednostranně připojené L a C pruty. Nosnost jedné přípojky může klesnout na polovinu, nejsou-li přijata opatření k vyrovnání dodatečných ohybových momentů.
Obr. 11
Pro zakrytí nástavců není třeba používat uzlové plechy, k tomu je třeba navrhnout zvláštní pásky. Připojení k uzlovému plechu je usnadněno, když větší část průřezu tyče leží v rovině uzlového plechu.
Sl. 12 - Spoje s připojovacím úhelníkem i bez něj
Tlačený prut
Pro pokračování a napojení tlačených prutů platí stejné zásady jako pro tažené pruty, i u nich se celková síla přenáší nýty a pásnicemi, tj. podle plné plochy F prutu se dimenzuje Fpodvezica a Fs, popř. Fl. Zpravidla nejsou plochy spojů přesně přizpůsobeny. U ocelových konstrukcí ve stavebnictví, u sloupů procházejících více podlažími a zatížených pouze tlakem, se používá možnost průchodu se slabším překrytím spojů. Nosnost tlačených prutů je vyčerpána, jestliže předtím nenastanou případy nestability, nejpozději dosažením meze kluzu, protože tehdy vznikají velké deformace a prut se bočně vybočuje. Otvory vyplněné nýty přitom nemají prokazatelný vliv na chování prutu.
Únava pevných nýtovaných spojů
Pro únavovou pevnost nýtovaných spojů jsou rozhodující především napěťové vrcholy, které se objevují u otvorů. Únavová pevnost je již samotnými otvory značně snížena. Pruty s otevřenými otvory se při zkoušce únavou v tahu lámou v oslabených průřezech, přičemž únavový lom začíná trhlinami na okraji otvoru, které se stále dále šíří průřezem. Proto jsou hladké otvory zvlášť důležité. Na obr. 13 je uvedena únavová pevnost plochých prutů při různých třídách (vpravo je vyšší třída oceli). Při vyšších předchozích zatíženích σu snášejí oba materiály únavovou pevnost σDz nad mezí kluzu. Amplituda napětí je pro obě třídy přibližně stejná.
Obr. 13 - Únava pevnosti σDz
Pro střídavé zatížení tahem a tlakem nýtovaných spojů platí v podstatě podobné závislosti jako pro jednostranná zatížení. Stojí za povšimnutí, že amplituda napětí při střídavém zatížení je asi 1,5krát větší (obr. 14), avšak nýty jsou při tomto zatížení podstatně více ohroženy než při jednostranném zatížení.
Obr. 14 - Únavová pevnost nýtovaných spojů v tahu