Jatkoksiksi kutsutaan liitoksia, jotka palvelevat pidentämistä tai suurentamista. Jatkokset ovat esimerkiksi tarpeen, koska käytettävissä olevat valssatut levyjen pituudet tai leveydet eivät riitä, ja asennuksessa niitä tarvitaan kuljetettavien yksittäisten osien mittojen ja painon rajoittamiseksi. Sidelevyiksi kutsutaan levyjä, jotka peittävät jatkoksen katkoksen. Kaikkia muita liitoksia, erityisesti eri suuntaisten ristikon sauvojen ja eri tasoissa olevien kannattimien välisiä, kutsutaan liitoksiksi.
Tavanomaisissa jatkoksissa jatkoksen sidelevyt ja niitit mitoitetaan täyden voiman mukaan. Siksi normaalissa jatkoksessa ei vaadita, että jatkopintojen tulee koskettaa toisiaan.
Veto- ja puristussauvojen (eli varsinaisten sauvojen, joihin kohdistuu pääasiassa normaalivoimia) pääasiallinen sovellusalue ovat ristikot. Tämän jakson tarkasteluissa jätetään huomiotta puristettujen sauvojen nurjahdusvaara. Ensin käsitellään staattista lujuutta.
Rei’ityksen vähennys vedetyissä tangoissa
Kantavuus: Jännitystila vetotangossa muuttuu huomattavasti paikallisesti reikien/aukkojen vuoksi. Suhteellisuusalueella jännitysten jakautuminen vastaa heikentyneen poikkileikkauksen mukaista (kuv. 1). Suurin pituussuuntaisen jännitys suorakulmaisessa tangossa A. Henningin mukaan on:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Kuva 1 - Pituus- ja poikittaisjännitykset poratussa tangossa a) A. Henningin mukaan; b) M. Rudeloffin mukaan
Raja-arvotapauksessa d/b = 0 hyvin leveille lamelleille saadaan tästä maxσ = 3σm, ja kuvan 1a tapauksessa d/b = 1/3 on maxσ = 2,42 σm. Pituusjännityksen lisäksi esiintyy myös poikittaisia ja leikkausjännityksiä. Suurin jännitys on reiän reunalla. Siellä ilmenevät ensimmäiset pysyvät muodonmuutokset, eli jännityshuiput tasoittuvat ja poikkileikkauksessa syntyy jännitysten tasoittuminen. Havaittavia pysyviä muodonmuutoksia reikien alueella ilmenee vasta, kun heikentyneen poikkileikkauksen keskimääräinen jännitys σm ylittää myötörajan σFO. Tangon kokonaisvenymä on kohdassa SF = Fm * σF vain hieman suurempi kuin reiättömän tangon tapauksessa. (Fm on heikoimman poikkileikkauksen pinta-ala)
Vetokokeissa niitatuilla tangoilla murtuma tapahtuu aina heikentyneissä poikkileikkauksissa. Murtokuorma on tavanomaisissa olosuhteissa riittävän tarkasti SB = Fn * σB. Vetokokeet avoimilla rei’illä varustettujen vedettyjen tankojen katkaisemisella osoittivat murtumakuvioita kuten kuvassa 2.
Kuva 2 - Vedettyjen sauvojen murtumakuvat
Niittiliitoksia koskevissa kokeissa on osoitettu, että sidekappaleet, joissa on yksi niittirivi, kestävät vähemmän kuin sidekappaleet, joissa on useita niittirivejä peräkkäin. Tämän mukaan keskimääräinen murtumisjännitys σB hyödyllisessä poikkileikkauksessa oli:
Mitoitusmenettely vetotangoille: Tavanomaisen laskentatavan mukaan keskimääräiselle vetojännitykselle on pädettävä σm = S/Fm ≤ dozσ kaikissa ratkaisevissa poikkileikkauksissa Fm. Reikien vähennys määritetään kohtisuoralle poikkileikkaukselle, jossa on suurin reikämäärä, ja voi käydä niin, että taitettu poikkileikkaus, jossa on useampia reikiä, antaa pienemmän arvon Fm (kuv. 2). Tässä mielessä valssatuilla profiileilla Fm lasketaan kehittämällä. Yhdistelmäpoikkileikkauksissa menetellään samalla tavalla.
Suhde Fm/F on yleensä välillä 0,8 ja 0,9, ts. reikävähennys ΔF = F – Fm on 10%–20% tangon koko poikkileikkauksesta F. Suurissa rakenteissa ΔF vaikuttaa voimakkaasti painoon, joten on syytä löytää poikkileikkauksia, joissa reikävähennys on pienempi.
Muodonmuutokset: Vetotankojen, joissa on reikiä, elastinen venymä on tuskin suurempi kuin vastaavien poraamattomien tankojen. Jatkokappaleiden kokonaisvenymä on lähes sama kuin jatkettujen levyjen. Siksi teräsrakenteiden muodonmuutosten laskentaa varten riittää määrittää ehjien tankojen elastiset venymät käyttäen arvoja E ja F. Myötämistä vastaan varmuus on heikennetyissä tangoissa suurempi kuin esimerkiksi puristetuissa tangoissa.
Voimien jakautuminen niiteissä
Kuv. 3
Voiman S jakautuminen tangossa yksittäisiin liitoksen niitteihin riippuu sen elastisista ominaisuuksista; se on “staattisesti määräämätön”. Kuvan 3 tapauksessa jakautuminen N1, N2, … riippuu niittien ja liitettyjen levyjen muodonmuutoksesta, ja se muuttuu suhteen Fpodvezice/Fštapa mukana. Kun Fpodvezice ≠ Fštapa, niittien äärivoimat eivät enää ole yhtä suuret (kuva 50a). Suhteen Fpodvezice/Fštapa pienentyessä Nn pienenee, N1 lähestyy S:ää. Hyvin eripaksuisten lamellien yhdistäminen (kuva 4b) ei ole tarkoituksenmukaista ensimmäisen niitin ylikuormittumisen vuoksi.
Kuv. 4 - Niittien kuormitus, kun Fštap > Fpodvezice
Lamit ja siteet jäykkiä, vain niitit elastisia (kuv. 5a). Silloin kaikki niitit saavat saman taipuman, kaikkien niittien voimien on oltava yhtä suuret.
Niitit jäykkiä, vain lamellit ja siteet elastisia (kuv. 5b). Koska tangon ja siteiden pitenemien ensimmäisen ja viimeisen niitin välillä on oltava yhtä suuria, seuraa että N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, paitsi N1 = S * x1.
Kuva 5
Todellinen voimajakauma sijoittuu näiden ääritapausten väliin. Kuormituksen kasvaessa päätyniiteissä ilmenee ensin pysyvää muodonmuutosta, voimakkaimmin kuormittuneet niitit kevenevät ja voimien jakautuminen tasaantuu vähitellen. Suurempien muodonmuutosten ilmaannuttua voimajakauma lähestyy tapausta, jossa lamellit ja sidelangat ovat jäykät, eli niittien voimat ovat lähes yhtä suuret, siinä tapauksessa että ratkaiseva on niittien leikkaus.
Murtokuormitus: Niittaustapa vaikuttaa tuskin lainkaan arvoon τBV. Liitoksen leikkauslujuus τBV on käytännössä riippumaton niittien määrästä, niiden sijoittelusta ja niitatun liitoksen muodosta; murtokuormitus vastaa hyvällä approksimaatiolla kaikkien niittien tasaista kuormitusta. Samat väitteet pätevät muuten myös tavallisiin pulttiliitoksiin, mistä voidaan päätellä, että liukumisen vastuksella ei ole olennaista vaikutusta kantokykyyn.
Mitoitus: Teräsrakenteissa ja keskeisesti kuormitetuissa sauvoissa lasketaan tasaisella jakautumisella, eli jokaista niittiä kohti N = S/n. Koska pitkissä jatkoksissa ensimmäiset niitit ylikuormittuvat jo varhain, vältetään mahdollisuuksien mukaan useampaa kuin 6 niittiä peräkkäin.
Liukukestävyys: Liukuminen liitoksissa esiintyy jo suhteellisen pienellä kuormituksella. Liukukestävyys riippuu ensisijaisesti kiristysvoimasta, johon vaikuttavat monet tekijät. Se jää huomiotta niitta-liitosten ja tähän asti tavanomaisten pulttien mitoituksessa. Huomio kiinnitetään lujaa laatua oleviin pulttiliitoksiin.
Voimien jakautuminen niiteissä leveyssuunnassa: Kun niittien etäisyydet ovat yhtä suuret kohtisuorassa voiman suuntaan nähden (kuv. 6a), yksittäisille niiteille kuuluvat yhtä leveät poikkileikkauksen kaistat a, joten ensimmäisessä approksimaatiossa niittien voimat N = a t σ ovat yhtä suuret. Jakautuminen epätasaisten niittivälien tapauksessa on staattisesti määräämätön; kuvassa 6b oleva tapaus toteutuu vipusäännön mukaisesti.
Kuva. 6
Vedetty sauva
Jatko: Jatko symmetrisillä jatkossiteillä (kuva 3 ja 4). Sauvan voiman S jatkokohdassa on kannettava vain jatkositeen. Jatkokohdan niitit on myös mitoitettava S:n mukaan, koska niiden on siirrettävä koko voima jatketusta sauvasta jatkositeisiin.
Yksipuolisella peitelevyllä varustetut jatkokset liittyvät huomattaviin lisätaivutusjännityksiin liitetyissä levyissä, peitelevyissä ja niiteissä. Yksipuolista jatkosten peittämistä käytetään suurten muodonmuutosten vuoksi vain silloin (kuva 7), kun tanko on taivutusta vastaan jäykkä tai kun sitä tuetaan sivulta niin, ettei se voi taipua.
Kuv. 7
Välillinen liitos – Kun liuskat eivät voi sijaita suoraan jatkettujen levyjen päällä, niitteihin ja levyihin kohdistuu huomattavasti suurempia taivutusjännityksiä. Siksi m välikerrosten lukumäärän perusteella valitaan suurempi n’ niittien lukumäärä kuin n suorassa liitosten peittämisessä.
Kuva 8
Yhdistelmäpoikkileikkauksissa siteet sijoitetaan niin, että vältetään paikalliset jännityksen nousut; siksi yksittäisten siteiden pinta-alat määritetään sen poikkileikkauksen osan pinta-alan mukaan, jonka ne peittävät, mahdollisuuksien mukaan painopisteen sijainti säilyttäen. Tästä poikkeavat siteiden pinta-alajakaumat liittyvät jännitysjakauman muutoksiin. Kuvassa 9 on esitetty yksiseinäisen, kuvassa 10 kaksiosaisen tangon jatkos 4 pystylevyn ja yhden kulmarautojen välisen sivun kanssa.
Kuva 9
Kuva. 10
Liitos: Vedettyjen sauvojen liitoksissa pätevät periaatteessa samat riippuvuudet kuin jatkokohdissakin. Kokeet ovat osoittaneet symmetrisen voiman syötön selkeän edun. Yksipuolisessa liitoksessa syntyy voimakasta taivutusta pituus- ja poikittaissuunnassa (kuva 11). Huomattavista lisätaivutusjännityksistä huolimatta L- ja C-sauvat voidaan hyödyntää lähes täysin myös silloin, kun ne on liitetty yksipuolisesti. Yhden liitoksen kantokyky voi pienentyä puoleen, ellei lisätaivutusmomenttien tasaamiseksi ole tehty toimenpiteitä.
Kuva 11
Jatkosten peittämiseen ei pidä käyttää solmulevyjä, vaan sitä varten on varattava erityiset peitelevyt. Solmulevyn liitos helpottuu, kun tangon poikkileikkauksesta suurempi osa osuu solmulevyn tasoon.
Kuva 12 - Liitokset liitoskulmaraudalla ja ilman sitä
Puristettu tanko
Puristettujen sauvojen jatkoksiin ja liitäntöihin pätevät samat periaatteet kuin vedettyihin sauvoihin, ja niissäkin kokonaisvoima siirretään niiteillä ja siteillä, eli sauvan täyden poikkipinta-alan F mukaan mitoitetaan Fsiteen ja Fs, tai Fl. Yleensä jatkosten pinnat eivät ole sovitettuja. Rakennusteräsrakenteissa, useita kerroksia läpäisevissä, pelkästään puristukselle kuormitetuissa pilareissa käytetään mahdollisuutta kulkea heikommin limitetyillä jatoksilla. Puristettujen sauvojen kantokyky on käytännössä käytetty loppuun, jos ennen sitä ei esiinny epävakautta, viimeistään myötörajan saavuttamisella, sillä silloin syntyy suuria muodonmuutoksia ja sauva nurjahtaa sivulle. Niiteillä täytetyillä rei’illä ei ole tässä havaittavaa vaikutusta sauvan käyttäytymiseen.
Niittiliitosten väsymislujuus
Niitatun liitoksen väsymislujuuden kannalta ratkaisevia ovat ennen kaikkea reikien kohdalla esiintyvät jännityshuiput. Väsymislujuus heikkenee huomattavasti jo itse reikien vuoksi. Avoimilla rei’illä varustetut tangot murtuvat veto-väsymiskokeessa heikentyneistä poikkileikkauksista, ja väsymismurtuma alkaa reiän reunan halkeamista, jotka etenevät jatkuvasti yhä pidemmälle poikkileikkauksen läpi. Siksi sileät reiät ovat erityisen tärkeitä. Kuvassa 13 on esitetty litteiden sauvojen väsymislujuus eri luokissa (oikealla on teräksen korkeampi luokka). Suuremmilla esikuormituksilla σu molemmat materiaalit kestävät väsymislujuuden σDz myötörajan yläpuolella. Jännityksen amplitudi on molemmissa luokissa suunnilleen sama.
Kuva 13 - Väsymislujuus σDz
Vaihtuvassa veto- ja puristuskuormituksessa niittiliitoksille pätevät periaatteessa samanlaiset riippuvuudet kuin yksisuuntaisilla kuormituksilla. On syytä huomata, että jännitysamplitudi vaihtuvassa kuormituksessa on noin 1,5 kertaa suurempi (kuva 14), mutta että niitit ovat tämän kuormituksen alaisina huomattavasti enemmän vaarassa kuin yksisuuntaisen kuormituksen alaisina.
Kuva 14 - Niitattujen liitosten vetoväsymislujuus