חיבור נקראות היתוכים המשמשים להארכה או להגדלה. חיבורים נחוצים למשל משום שאורכי הגלילים או רוחביהם הזמינים אינם מספיקים, ובהרכבה הם דרושים כדי להגביל את המידות ואת המשקל של רכיבים בודדים המובלים. רצועות חיבור נקראות פחיות המכסות את ההפסקה בחיבור. כל שאר החיבורים, ובייחוד אלה שבין מוטות הסריג בכיוונים שונים ובין קורות במישורים שונים, מסומנים כ-חיבורים.
בחיבורים רגילים ממדדים את רצועות החיבור ואת המסמרות של החיבור לפי הכוח המלא. לכן בחיבור רגיל אין דרישה שמשטחי החיבור יהיו במגע.
תחום היישום העיקרי של מוטות מתוחים ומוטות לחוצים (אלה הם מוטות ישרים, הנושאים בעיקר כוחות נורמליים) הוא קונסטרוקציות סריג. הדיונים בפרק זה מתעלמים מן הסכנה של הִתְכּוֹפְפוּת מוטות לחוצים. תחילה תידון החוזק הסטטי.
ניכוי חורים במוטות מתוחים
כושר נשיאה: מצב המאמצים במוט מתוח משתנה באופן מקומי במידה רבה עקב חורים/פתחים. בתחום הפרופורציונליות מתאימה התפלגות המאמצים לפי החתך המוחלש (איור 1). המאמצים האורכיים המרביים במוט מלבני לפי A. Henning הם:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
איור 1 - מאמצים אורכיים ורוחביים במוט קדוח a) לפי A. Henning; b) לפי M. Rudeloff
במקרה הגבולי d/b = 0 של למלות רחבות מאוד מתקבל מכאן maxσ = 3σm, ובמקרה המוצג באיור 1a d/b = 1/3 מתקבל maxσ = 2,42 σm. מלבד מאמץ האורך קיימים גם מאמצים רוחביים וגזירה. המאמץ הגדול ביותר הוא בדופן החור. שם מופיעות העיוותים הקבועים הראשונים, כלומר פסגות המאמצים מתפרקות ונוצרת השוואת מאמצים לאורך החתך. עיוותים קבועים ניכרים באזור החורים מופיעים רק כאשר המאמץ הממוצע σm בחתך המוחלש חורג מגבול הזרימה σFO. ההתארכות הכוללת של המוט בעת SF = Fm * σF גדולה רק במעט מזו של מוט ללא חורים. (Fm הוא שטח החתך החלש ביותר)
במבחני מתיחה עם מוטות מסומרים מופיע השבר תמיד בחתכים המוחלשים. העומס בעת השבר הוא, בתנאים רגילים, בדיוק מספק SB = Fn * σB. ניסויי שבירה במוטות מתוחים עם חורים פתוחים הראו דפוסי שבר כמו באיור 2.
איור 2 - תמונות שבירה של מוטות מתוחים
בניסויים עם חיבורים מסומרים הוכח כי חיבורים עם כיסוי-פלטות בשורת מסמרות אחת הם בעלי עמידות נמוכה יותר מחיבורים עם כמה שורות מסמרות זו מאחורי זו. לפיכך, המאמץ הממוצע בעת שבירה σB במקטע היעיל היה:
שיטת הממדים למוטות מתוחים: לפי שיטת החישוב המקובלת, עבור מאמץ המתיחה הממוצע חייב להתקיים σm = S/Fm ≤ dozσ, וזאת בכל החתכים הקובעים Fm. ניכוי החורים נקבע עבור החתך הניצב עם מספר החורים הגדול ביותר, וייתכן שחתך שבור עם יותר חורים ייתן ערך קטן יותר של Fm (איור 2). במובן זה, בפרופילים מגולגלים מחשבים את Fm עם פיתוח. בחתכים מורכבים נוהגים באותו אופן.
היחס Fm/F שוכן בדרך כלל בין 0,8 לבין 0,9, כלומר הניכוי בשל חורים ΔF = F – Fm הוא 10% עד 20% מן החתך הכולל F של המוט. במבנים גדולים ΔF משפיע מאוד על המשקל, ולכן כדאי למצוא חתכים עם ניכוי חורים קטן יותר.
עיוותים: ההתארכות האלסטית של מוטות מתוחים עם חורים כמעט שאינה גדולה מזו של מוטות דומים ללא חורים. ההתארכות הכוללת של החיבורים כמעט זהה לזו של הלמלות המחוברות. מכאן שמספיק, לצורך חישוב העיוות של מבני פלדה, לקבוע התארכויות אלסטיות עם הערכים E ו-F של מוטות שלא נחלשו. הבטיחות מפני זרימה במוטות עם החלשה גדולה יותר מאשר, למשל, במוטות דחוסים.
חלוקת הכוחות במסמרות
איור 3
התפלגות הכוח S במוט על פני הניטים השונים של החיבור תלויה בתכונותיו האלסטיות, והיא “סטטית בלתי-מוגדרת”. במקרה של איור 3 תלויה ההתפלגות של N1, N2, … בעיוות של הניטים ושל הפחים המחוברים, והיא משתנה עם היחס Fpodvezice/Fštapa. עבור Fpodvezice ≠ Fštapa הכוחות הקיצוניים בניטים אינם עוד שווים בגודלם (איור 50a). עם ירידת היחס Fpodvezice/Fštapa נעשה Nn קטן יותר, N1 מתקרב ל-S. חיבור למלות בעוביים שונים מאוד (איור 4b) אינו רצוי בשל העומס-יתר על הניט הראשון.
איור 4 - העמסת המסמרות עבור Fštap > Fpodvezice
הלמלות והקושרות קשיחות, רק המסמרות אלסטיות (איור 5a). אז כל המסמרות מקבלות כיפוף זהה, וכל הכוחות במסמרות חייבים להיות שווים.
המסמרות קשיחות, ורק הלמלים והסנדלים אלסטיים (איור 5b). מאחר שההתארכות במוט ובסנדלים בין המסמרת הראשונה והאחרונה חייבות להיות שוות, נובע N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, למעט N1 = S * x1.
Fig. 5
התפלגות הכוחות בפועל נמצאת בין מקרי הגבול הללו. אם העומס גדל, תחילה מופיע עיוות קבוע בניטים הקיצוניים, הניטים העמוסים ביותר משתחררים, והתפלגות הכוחות נעשית אחידה יותר ויותר. לאחר הופעת עיוותים גדולים יותר, התפלגות הכוחות מתקרבת למקרה שבו הלמלות והקושרות קשיחות, כלומר הכוחות בניטים כמעט שווים לחלוטין, במקרה שבו גזירת הניטים היא הקובעת.
עומס בעת שבירה: אופן מסמרת המסמרות כמעט שאינו משפיע על τBV. חוזק הגזירה τBV של החיבור כמעט שאינו תלוי במספר המסמרות, בסידורן ובצורת החיבור המסומר; עומס השבירה מתאים בקירוב טוב לעומס אחיד של כל המסמרות. אותם הדברים נכונים, אגב, גם לגבי חיבורים רגילים באמצעות ברגים, ומכאן ניתן להסיק שהתנגדות להחלקה אינה משפיעה באופן מהותי על כושר הנשיאה.
תכן: במבני פלדה ובמוטות עמוסים במרכז מחשבים לפי חלוקה שווה, כלומר לכל מסמרת N = S/n. מאחר שבחיבורים ארוכים המסמרות הראשונות כבר נוטות לעומס יתר בשלב מוקדם, יש להימנע ככל האפשר מיותר מ-6 מסמרות בזו אחר זו.
התנגדות להחלקה: החלקה בחיבורים מופיעה כבר בעומס קטן יחסית. ההתנגדות להחלקה תלויה בראש ובראשונה בכוח ההידוק, המשתנה בהשפעת גורמים רבים. היא מוזנחת בתכנון חיבורים במסמרות ובברגים המקובלים עד כה. ניתנת עדיפות לחיבורים בברגים בעלי חוזק גבוה.
חלוקת הכוחות במסמרות לאורך הרוחב: כאשר המרחקים בין המסמרות שווים וניצבים לכיוון הכוח (איור 6a), לכל מסמרת שייכות רצועות בחתך רוחב בעלות רוחב שווה a, ולכן בקירוב הראשון הכוחות במסמרות N = a t σ שווים. החלוקה במקרה של מרווחים לא אחידים בין המסמרות היא סטטית בלתי־מוגדרת; במקרה שבאיור 6b היא מתבצעת לפי חוק המנוף.
איור. 6
מוט מתוח
המשך: המשך עם תומכות סימטריות (איור 3 ו־4). את הכוח S במוט במקום ההמשכה חייב לשאת רק התומך. גם את המסמרות בהמשכה יש לתכנן לפי S, שכן עליהן להעביר את כל הכוח מהמוט המוארך אל התומכות.
חיבורים עם חיזוק חד־צדי קשורים במאמצי כפיפה נלווים ניכרים בפחים המחוברים, בחיזוקים ובמסמרות. כיסוי חד־צדי של חיבורים, בשל העיוותים הגדולים, מיושם רק כאשר (איור 7) המוט קשיח לכפיפה או כאשר הוא מוחזק מן הצד כך שאינו יכול להתכופף.
Fig. 7
חיבור עקיף – כאשר סרטי החיזוק אינם יכולים לשכב ישירות על הלוחות המחוברים, המסמרות והלוחות נתונים למאמצי כיפוף גדולים יותר. לכן, בהתאם למספר m של שכבות הביניים, בוחרים מספר גדול יותר n’ של מסמרות מאשר המספר n שבכיסוי ישיר של החיבורים.
איור 8
בחתכים מורכבים מסדרים את הקושרות כך שיימנעו עליות מאמץ מקומיות, ולכן קובעים את שטחי הקושרות הבודדות לפי שטח חלק החתך שהן מכסות, ככל האפשר תוך שמירה על מיקום מרכז הכובד. התפלגויות של שטחי הקושרות החורגות מכך קשורות לשינויים בהתפלגות המאמצים. באיור 9 מוצג המשך של מוט חד-דופני, ובאיור 10 של מוט דו-חלקי עם 4 פחיות אנכיות ועם לוח אחד בין הזוויתנים.
אי. 9
איור. 10
חיבור: עבור חיבורי מוטות מתוחים תקפים בעיקר אותם יחסים כמו עבור המשך. ניסויים הראו את היתרון הגדול של החדרת כוח סימטרית. בחיבור חד־צדי מתקבל כיפוף חזק בכיוון האורכי והרוחבי (איור 11). למרות מאמצי הכיפוף הנוספים המשמעותיים, ניתן לנצל כמעט במלואם מוטות L ו-C המחוברים חד־צדדית. נשיאת העומס של חיבור אחד יכולה לרדת למחצית אם לא ננקטו אמצעים להשוואת מומנטי הכיפוף הנוספים.
איור 11
לכיסוי חיבורים אין להשתמש בפחי צומת, ולכך יש לתכנן חיזוקים מיוחדים. החיבור אל פח הצומת מוקל כאשר חלק גדול יותר מן החתך של המוט נופל במישור פח הצומת.
איור 12 - חיבורים עם ובלי זוויתן חיבור
מוט דחוס
להארכה ולחיבור של מוטות לחיצה חלים אותם עקרונות כמו לגבי מוטות מתיחה, וגם בהם הכוח הכולל מועבר באמצעות מסמרות ורצועות קשירה, כלומר לפי השטח המלא F של המוט מתמדים את Fpodvezica ו־Fs, בהתאמה Fl. ככלל, שטחי ההארכות אינם מותאמים זה לזה. במבני פלדה בבנייה, בעמודים העוברים דרך כמה קומות, הנתונים רק ללחיצה, משתמשים באפשרות של מעבר עם כיסוי חלש יותר של ההארכות. כושר הנשיאה של מוטות לחיצה מוצָה, אם לפני כן לא מופיעים מקרי אי־יציבות, לכל המאוחר עם הגעה לגבול הכנ屈, משום שאז מופיעים עיוותים גדולים והמוט מתעקל הצידה. לחורים הממולאים במסמרות אין, מבחינה זו, השפעה ניתנת לאבחון על התנהגות המוט.
חוזק לעייפות של חיבורים מרותקים
לעמידות לעייפות של חיבורים מסומררים קובעים בראש ובראשונה שיאי המאמצים המופיעים בחורים. העמידות לעייפות מופחתת במידה ניכרת כבר בשל החורים עצמם. מוטות עם חורים פתוחים נשברים בבדיקות עייפות במתיחה בחתכים המוחלשים, ושבר העייפות מתחיל בסדקים בשפת החור, המתפשטים בהתמדה עוד ועוד דרך החתך. לכן לחורים חלקים יש חשיבות מיוחדת. באיור 13 נתונה העמידות לעייפות של מוטות שטוחים בקטגוריות שונות (מימין דרגת הפלדה הגבוהה יותר). בעומסי קדם גבוהים יותר σu שני החומרים עומדים בעמידות לעייפות σDz מעל גבול הכנ屈. משרעת המאמץ דומה בערך בשתי הדרגות.
איור 13 - חוזק לעייפות σDz
עבור עומס מחזורי של מתיחה ולחיצה על חיבורים מסומרים חלות, בעיקרן, תלות דומות כמו בעומסים חד־כיווניים. ראוי לציין שמשרעת המאמץ בעומס מחזורי גדולה בערך פי 1,5 (איור 14), אך המסמרים בעומס זה נתונים לסכנה רבה יותר מאשר בעומס חד־כיווני.
איור 14 - חוזק עייפות במתיחה של חיבורים מרותקים