Nastavkom se nazivaju veze koje služe za produljenje ili povećanje. Nastavci su npr. potrebni jer nisu dovoljne raspoložive valjane duljine ili širine limova, pri montaži su potrebni radi ograničenja dimenzija i težine pojedinih elemenata koji se transportiraju. Podvezicama se nazivaju limovi koji pokrivaju prekid u nastavku. Sve ostale veze, osobito one između štapova rešetke raznih pravaca i nosača u raznim ravninama, označavaju se kao priključci.
Kod uobičajenih nastavaka dimenzioniraju se podvezice i zakovice nastavaka prema punoj sili. Prema tome se kod normalnog nastavka ne zahtijeva da se površine nastavaka dodiruju.
Glavno područje primjene zategnutih i pritisnutih štapova (to su pravi štapovi, koji su opterećeni pretežno normalnim silama) predstavljaju rešetke. Razmatranja ovoga odjeljka zanemaruju opasnost od izvijanja pritisnutih štapova. Najprije će se razmatrati statička čvrstoća.
Oduzimanje rupa u zategnutim štapovima
Nosivost: Naponsko stanje u zategnutom štapu znatno je lokalno promijenjeno zbog rupa/otvora. U području proporcionalnosti odgovara raspodjela naprezanja po oslabljenom presjeku (sl. 1). Najveće uzdužno naprezanje u pravokutnom štapu prema A. Henningu je:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Sl. 1 - Uzdužni i poprečni naponi u bušenom štapu a) prema A. Henningu; b) prema M. Rudeloffu
U graničnom slučaju d/b = 0 vrlo širokih lamela odatle proizlazi maxσ = 3σm, a za slučaj prikazan na sl. 1a d/b = 1/3 je maxσ = 2,42 σm. Osim uzdužnog napona postoje i poprečni i smični naponi. Najveće naprezanje je na obodu rupe. Tamo se javljaju prve trajne deformacije, tj. vrhovi napona se razgrađuju i nastaje izjednačenje napona po presjeku. Uočljive trajne deformacije u području rupa javljaju se tek kada prosječni napon σm u oslabljenom presjeku prekorači granicu razvlačenja σFO. Ukupno istezanje štapa pri SF = Fm * σF samo je neznatno veće nego kod štapa bez rupa. (Fm je površina najslabijeg presjeka)
Kod ispitivanja na zatezanje sa zakovanim štapovima lom se uvijek javlja u oslabljenim presjecima. Opterećenje pri lomu je, u uobičajenim prilikama, dovoljno točno SB = Fn * σB. Ispitivanja kidanjem na zategnutim štapovima s otvorenim rupama pokazala su oblike lomova kao na sl. 2.
Sl. 2 - Prikazi loma zategnutih štapova
U pokusima sa zakovanim vezama pokazano je da nastavci s podvezicama s jednim redom zakovica imaju manju otpornost od nastavaka s više redova zakovica jedan iza drugoga. Prema tome je prosječno naprezanje pri lomu σB u korisnom presjeku iznosilo:
Postupak dimenzioniranja za zategnute štapove: Prema uobičajenom načinu proračuna, za prosječni napon zatezanja mora vrijediti σm = S/Fm ≤ dozσ i to u svim mjerodavnim presjecima Fm. Odbitak rupa određuje se za okomiti presjek s najvećim brojem rupa, a može se dogoditi da lomljeni presjek s više rupa daje manju vrijednost Fm (sl. 2). U tom smislu se kod valjanih profila Fm računa s razvijanjem. Kod složenih presjeka postupa se u istom smislu.
Omjer Fm/F u pravilu se nalazi između 0,8 i 0,9, tj. odbitak rupa ΔF = F – Fm iznosi 10% do 20% ukupnog presjeka F štapa. Kod velikih objekata ΔF jako utječe na težinu, pa se isplati pronaći presjeke s manjim odbitkom rupa.
Deformacije: Elastično izduženje zategnutih štapova s rupama jedva je veće od usporedivih nebušenih štapova. Ukupno izduženje nastavaka gotovo je isto koliko i nastavljenih lamela. Otuda je dovoljno da se za proračun deformacije čeličnih konstrukcija odrede elastična izduženja s vrijednostima E i F neoslabljenih štapova. Sigurnost protiv tečenja kod štapova sa slabljenjem veća je nego npr. kod tlačenih štapova.
Raspodjela sila u zakovicama
Slika 3
Raspodjela sile S u štapu na pojedine zakovice veze ovisi o njezinim elastičnim svojstvima, ona je “statički neodređena”. U slučaju sl. 3 ovisi raspodjela N1, N2, … od deformacije zakovica i spojenih limova, ona se mijenja s omjerom Fpodvezice/Fštapa. Za Fpodvezice ≠ Fštapa krajnje sile u zakovicama nisu više jednako velike (sl. 50a). Sa smanjenjem omjera Fpodvezice/Fštapa postaje Nn manje, N1 se približava S. Spajanje lamela vrlo različite debljine (sl. 4b) nije svrsishodno zbog preopterećenja prve zakovice.
Sl. 4 - Opterećenje zakovica za Fštap > Fpodvezice
Lamele i podvezice krute, samo zakivci elastični (sl. 5a). Onda svi zakivci dobivaju jednako savijanje, sve sile u zakovicama moraju biti jednake.
Zakivci kruti, samo lamele i podvezice elastične (sl. 5b). Kako izduženja u štapu i podvezicama između prvog i posljednjeg zakivka moraju biti podjednaka, slijedi N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, osim N1 = S * x1.
Slika 5
Stvarna raspodjela sila nalazi se između ovih graničnih slučajeva. Ako se opterećenje povećava, najprije se u krajnjim zakovicama javlja trajna deformacija, najjače opterećene zakovice se rasterećuju i raspodjela sila postaje sve ravnomjernija. Nakon pojave većih deformacija, raspodjela sila približava se slučaju gdje su lamele i podvezice krute, tj. sile u zakovicama su gotovo podjednake, u slučaju ako je mjerodavno smicanje zakovica.
Opterećenje pri slomu: Način zakivanja zakovica gotovo je bez utjecaja na τBV. Čvrstoća na smicanje τBV veze praktično je neovisna o broju zakovica, njihovu rasporedu, obliku zakovane veze; opterećenje pri slomu odgovara u dobroj aproksimaciji ravnomjernom opterećenju svih zakovica. Ista tvrdnja vrijedi, uostalom, i za obične veze s vijcima, odakle se može zaključiti da otpor prema klizanju nema bitan utjecaj na nosivost.
Dimenzioniranje: Kod čeličnih konstrukcija i centrično opterećenih štapova računa se ravnomjernom raspodjelom, tj. po svakom zakovicu N = S/n. Kako su kod dugih nastavaka prvi zakovici već rano preopterećeni, više od 6 zakovica jedan iza drugoga po mogućnosti se izbjegava.
Otpornost na klizanje: Klizanje u spojevima javlja se već pri razmjerno malom opterećenju. Otpornost na klizanje ovisi prvenstveno o sili pritezanja, koja se mijenja pod mnogim utjecajima. Ona ostaje zanemarena pri dimenzioniranju spojeva zakovicama i dosad uobičajenim vijcima. Upućuje se na spojeve vijcima visoke čvrstoće.
Raspodjela sila u zakovicama po širini: Pri jednakim razmacima zakovica okomito na smjer sile (sl. 6a), pojedinim zakovicama pripadaju jednako široke trake a poprečnog presjeka, prema tome su u prvom približenju sile u zakovicama N = a t σ jednake. Raspodjela kod neravnomjernih razmaka zakovica statički je neodređena; za slučaj na sl. 6b ona se vrši prema zakonu poluge.
Slika 6
Zategnuta šipka
Nastavak: Nastavak sa simetričnim podvezicama (sl. 3 i 4). Silu S u štapu na mjestu nastavka mora nositi samo podvezica. Zakivke u nastavku treba isto tako dimenzionirati prema S, jer oni moraju prenijeti cijelu silu sa nastavljenog štapa u podvezice.
Nastavci s jednostranom podvezicom povezani su sa znatnim dodatnim naponima savijanja u spojenim limovima, podvezicama i zakovicama. Jednostrano pokrivanje nastavaka zbog velikih deformacija primjenjuje se samo onda (sl. 7) kad je štap krut na savijanje ili kad je bočno pridržan tako da se ne može saviti.
Slika 7
Neizravni spoj – Kad podvezice ne mogu ležati neposredno na spojenim limovima, zakovice i limovi dobivaju znatno veća naprezanja savijanja. Stoga se prema broju m međuslojeva bira veći broj n’ zakovica od broja n kod neposrednog pokrivanja spojeva.
Sl. 8
Kod složenih presjeka raspoređuju se podvezice tako da se izbjegnu lokalna povišenja naprezanja, stoga se pojedine površine podvezica određuju prema površini dijela presjeka koji one pokrivaju, po mogućnosti uz održavanje položaja težišta. Raspodjele površina podvezica koje od toga odstupaju povezane su s promjenama raspodjele naprezanja. Na sl. 9 prikazan je nastavak jednozidnog, na sl. 10 dvodijelnog štapa sa 4 vertikalna lima i jednim obrazom između kutnika.
Slika 9
Slika 10
Priključak: Za priključke zategnutih štapova u osnovi vrijede iste ovisnosti kao i za nastavak. Pokusi su pokazali veliku prednost simetričnog uvođenja sile. Kod jednostranog priključka dolazi do jakog savijanja u uzdužnom i poprečnom smjeru (sl. 11). Unatoč znatnim dodatnim naponima savijanja mogu se gotovo potpuno iskoristiti i jednostrano priključeni L i C štapovi. Nosivost jednog priključka može pasti na polovicu ako nisu poduzete mjere za izjednačenje dodatnih momenata savijanja.
Slika 11
Za pokrivanje nastavaka ne treba uzimati čvorne limove, za to treba predvidjeti posebne podvezice. Priključak za čvorni lim olakšan je kad veći dio presjeka štapa pada u ravninu čvornog lima.
Sl. 12 - Priključci sa i bez priključnog kutnika
Pritisnuti štap
Za nastavak i priključak pritisnutih štapova vrijede isti principi kao i za zategnute štapove, i kod njih se ukupna sila prenosi zakovicama i podvezicama, tj. prema punoj površini F štapa dimenzionira se Fpodvezica i Fs, odnosno Fl. Po pravilu površine nastavaka nisu upasovane. U čeličnim konstrukcijama građevinarstva, kod stupova koji prolaze kroz više katova, opterećenih samo na pritisak, upotrebljava se mogućnost prolaska sa slabijim pokrivanjem nastavaka. Nosivost pritisnutih štapova iscrpljena je, ako prije toga ne nastupe slučajevi nestabilnosti, najkasnije s dostizanjem granice tečenja jer se tada javljaju velike deformacije i štap se bočno izvija. Rupe ispunjene zakovicama nemaju pri tome neki uočljiv utjecaj na ponašanje štapa.
Čvrstoća na zamor zakovanih veza
Za zamornu čvrstoću zakovanih spojeva prije svega su mjerodavni naponski vrhovi koji se javljaju na rupama. Zamorna čvrstoća znatno je smanjena već samim rupama. Šipke s otvorenim rupama lome se pri ogledu na zamor pri zatezanju u oslabljenim presjecima i to lom od zamora počinje pukotinama na rubu rupe, koje se stalno sve dalje protežu kroz presjek. Stoga su glatke rupe od osobite važnosti. Na sl. 13 dana je zamorna čvrstoća plosnatih šipki pri različitim klasama (desno je viša klasa čelika). Pri većim prethodnim opterećenjima σu oba materijala podnose zamornu čvrstoću σDz iznad granice tečenja. Amplituda napona je za obje klase približno jednaka.
Sl. 13 - Čvrstoća na zamor σDz
Za izmjenično opterećenje na zatezanje i pritisak zakovanih spojeva u osnovi vrijede slične ovisnosti kao i za jednoosmjerne opterećenja. Vrijedi primijetiti da je amplituda napona pri izmjeničnom opterećenju oko 1,5 puta veća (sl. 14), ali da su zakovice pod tim opterećenjem očigledno više ugrožene nego pod jednoosmjernim opterećenjem.
Sl. 14 - Otpornost na zamor pri vlačnom opterećenju zakovanih veza