Toldásnak azokat a kapcsolatok nevezzük, amelyek meghosszabbításra vagy növelésre szolgálnak. Toldásokra például azért van szükség, mert a rendelkezésre álló hengerelt lemez-hosszak vagy -szélességek nem elegendőek, a szerelésnél pedig a szállított egyes elemek méretének és tömegének korlátozása miatt szükségesek. Kötőlemeznek nevezzük azokat a lemezeket, amelyek a toldás megszakadását áthidalják. Minden egyéb kapcsolatot, különösen a különböző irányú rácsrudak és a különböző síkokban fekvő tartók közötti kapcsolatokat csatlakozásnak nevezzük.
A szokásos toldásoknál a kötőlemezeket és a toldás szegecseit a teljes erőre méretezik. Ennek megfelelően normál toldásnál nem követelmény, hogy a toldási felületek érintkezzenek.
A húzott és nyomott rudak (ezek valódi rudak, amelyek főként normál erők terhelése alatt állnak) fő alkalmazási területét a rácsok képezik. E szakasz tárgyalásai figyelmen kívül hagyják a nyomott rudak kihajlásának veszélyét. Először a statikai szilárdságot tárgyaljuk.
Furatlevonás húzott rudakban
Teherbírás: A húzott rúd feszültségi állapota a lyukak/nyílások miatt helyileg jelentősen megváltozik. Az arányossági tartományban a feszültségeloszlás a gyengített keresztmetszetnek felel meg (ld. 1). A téglalap keresztmetszetű rúdban a legnagyobb hosszirányú feszültség A. Henning szerint:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Ábra 1 - Hosszirányú és keresztirányú feszültségek fúrt rúdban a) A. Henning szerint; b) M. Rudeloff szerint
A határesetben, d/b = 0, nagyon széles lamellák esetén ebből maxσ = 3σm adódik, és a 1a ábrán bemutatott esetben d/b = 1/3 esetén maxσ = 2,42 σm. A hosszirányú feszültségen kívül vannak keresztirányú és nyírófeszültségek is. A legnagyobb feszültség a furat palástján jelentkezik. Ott jelennek meg az első maradó alakváltozások, azaz a feszültségcsúcsok leépülnek, és létrejön a keresztmetszeten belüli feszültségkiegyenlítődés. A furatok környezetében észlelhető maradó alakváltozások csak akkor jelennek meg, amikor a gyengített keresztmetszetben az átlagos σm feszültség meghaladja az σFO folyáshatárt. A rúd teljes megnyúlása SF = Fm * σF esetén csak csekély mértékben nagyobb, mint a furat nélküli rúdé. (Fm a leggyengébb keresztmetszet területe)
A szegecselt rudakkal végzett húzópróbák során a törés mindig a gyengített keresztmetszetekben következik be. A törési terhelés a szokásos körülmények között kellően pontosan SB = Fn * σB. A nyitott lyukakkal ellátott, feszített rudakon végzett szakítóvizsgálatok a törésképeket a 2. ábrán látható módon mutatták.
Sl. 2 - A húzott rudak törésképei
A szegecselt kötéseken végzett kísérletek kimutatták, hogy az egy sor szegeccsel készült átlapolások kisebb ellenállásúak, mint a több egymás mögötti szegecssorral készült átlapolások. Ennek alapján a hasznos keresztmetszetben mért törési átlagfeszültség σB a következő volt:
A méretezési eljárás húzott rudakhoz: A szokásos számítási mód szerint az átlagos húzófeszültségre teljesülnie kell a σm = S/Fm ≤ megσ feltételnek minden mértékadó Fm keresztmetszetben. A lyukak levonását arra a merőleges keresztmetszetre kell meghatározni, amelyben a legtöbb lyuk van, és előfordulhat, hogy egy törött keresztmetszet több lyukkal kisebb Fm értéket ad (ld. 2). Ebből a szempontból a hengerelt profiloknál az Fm értékét kifejtéssel számítják. Összetett keresztmetszeteknél ugyanígy járnak el.
Az Fm/F arány rendszerint 0,8 és 0,9 között van, vagyis a lyukakból adódó csökkentés ΔF = F – Fm 10%–20%-át teszi ki a rúd teljes F keresztmetszetének. Nagy létesítményeknél a ΔF erősen befolyásolja a tömeget, ezért érdemes kisebb lyukkivonású keresztmetszeteket találni.
Deformációk: A lyukas, húzott rudak rugalmas megnyúlása alig nagyobb az azonos, furat nélküli rudakénál. A toldások teljes megnyúlása csaknem ugyanakkora, mint az összekapcsolt lemezeké. Ezért a acélszerkezetek deformációszámításához elegendő a sértetlen rudak E és F értékeivel meghatározni a rugalmas megnyúlásokat. A folyással szembeni biztonság a gyengített rudaknál nagyobb, mint például a nyomott rudaknál.
Az erők eloszlása a szegecsekben
Ábra 3
Az S erő megoszlása a rúd egyes szegecselt kapcsolataira annak rugalmas tulajdonságaitól függ, vagyis „statikailag határozatlan”. A 3. ábra esetében az N1, N2, … megoszlás a szegecsek és az összekapcsolt lemezek alakváltozásától függ, és változik az Fkötőelem/Frúd arányával. Fkötőelem ≠ Frúd esetén a szegecsek véghatárerői már nem egyformán nagyok (lásd 50a. ábra). Az Fkötőelem/Frúd arány csökkenésével Nn kisebb lesz, N1 közelít az S-hez. A jelentősen eltérő vastagságú lamellák összekapcsolása (lásd 4b. ábra) nem célszerű az első szegecs túlterhelése miatt.
Ábr. 4 - A szegecsek terhelése Fštap > Fpodvezice esetén
A lemezek és a merev kötőszalagok, csak a szegecsek rugalmasak (ld. 5a). Ekkor minden szegecs azonos hajlítást kap, ezért a szegecsekben fellépő összes erőnek egyenlőnek kell lennie.
A szegecsek merevek, csak a lamellák és a merevítőpálcák rugalmasak (ábra 5b). Mivel a rúd és a merevítőpálcák megnyúlásának az első és az utolsó szegecs közötti szakaszon azonosnak kell lennie, ezért következik, hogy N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, kivéve N1 = S * x1.
Ábra 5
A tényleges erőeloszlás e két szélső eset között helyezkedik el. A terhelés növekedésekor először a szélső szegecseknél állandó alakváltozás jelentkezik, a legnagyobb terhelésnek kitett szegecsek tehermentesülnek, és az erőeloszlás egyre egyenletesebbé válik. Nagyobb alakváltozások megjelenése után az erőeloszlás közelít ahhoz az esethez, amikor a lamellák és a kötőelemek merevek, azaz a szegecsekben fellépő erők csaknem egyformák, abban az esetben, ha a mérvadó a szegecsek nyírása.
Törési terhelés: A szegecsek szegecselési módja csaknem nincs hatással a τBV-re. A kötés τBV nyírószilárdsága gyakorlatilag független a szegecsek számától, elrendezésétől, a szegecselt kötés alakjától; a törési terhelés jó közelítéssel az összes szegecs egyenletes terhelésének felel meg. Ugyanezek az állítások egyébként a szokásos csavaros kötésekre is érvényesek, ebből pedig arra lehet következtetni, hogy a csúszással szembeni ellenállás nem befolyásolja lényegesen a teherbírást.
Méretezés: Acélszerkezeteknél és centrikusan terhelt rudaknál az egyenletes megoszlással számolnak, azaz minden szegecsre N = S/n jut. Mivel hosszú toldásoknál az első szegecsek már korán túlterhelődnek, ezért lehetőleg kerülik, hogy egymás után több mint 6 szegecs legyen.
Csúszási ellenállás: A kötésekben a csúszás már viszonylag kis terhelésnél is fellép. A csúszási ellenállás elsősorban az előfeszítő erőtől függ, amelyet számos hatás befolyásol. A szegecselt és az eddig szokásos csavaros kötések méretezésénél ezt elhanyagolják. A nagy szilárdságú csavaros kötésekre mutat rá.
A szegecsekben ébredő erők eloszlása a szélesség mentén: Ha a szegecsek az erő irányára merőlegesen egyenlő távolságra helyezkednek el (l. 6a), az egyes szegecsekhez azonos szélességű a keresztmetszeti sávok tartoznak, ezért első közelítésben a szegecsekben ébredő N = a t σ erők egyformán nagyok. Az egyenlőtlen szegecstávolságok esetén az eloszlás statikailag határozatlan; a 6b. ábrán látható esetben az emelőelv szerint történik.
ábra. 6
Feszített rúd
Folytatás: Folytatás szimmetrikus felfüggesztőkkel (ábr. 3 és 4). Az S erőt a rúd toldásánál kizárólag a felfüggesztésnek kell viselnie. A toldás szegecseit is az S erőre kell méretezni, mert azoknak a toldott rúdból az egész erőt át kell adniuk a felfüggesztéseknek.
Az egyoldali fedőlemezes toldásoknál a kapcsolt lemezekben, fedőlemezekben és szegecsekben jelentős kiegészítő hajlítófeszültségek lépnek fel. Az egyoldali fedés a nagy alakváltozások miatt csak akkor alkalmazható (ábr. 7), ha a rúd hajlításra merev, vagy ha oldalirányban úgy van megtámasztva, hogy ne tudjon meghajolni.
Áb. 7
Közbenső toldás – Ha a szorítólemezek nem fekszenek közvetlenül a toldott lemezeken, a szegecsek és a lemezek lényegesen nagyobb hajlítófeszültségeket kapnak. Ezért az m rétegek száma szerint nagyobb n’ számú szegecset választanak, mint közvetlen átfedéses toldásnál az n számot.
Ábr. 8
Összetett keresztmetszeteknél a kötőszalagokat úgy helyezik el, hogy elkerüljék a helyi feszültségnövekedéseket, ezért az egyes kötőszalag-felületeket annak a keresztmetszetrésznek a felülete alapján határozzák meg, amelyet lefednek, lehetőleg a súlypont helyzetének megtartásával. Az ettől eltérő kötőszalag-felületek eloszlása a feszültségeloszlás változásával függ össze. A 9 ábrán az egyfalú, a 10 ábrán a kétszeres rudak 4 függőleges lemezzel és egy lappal az egyenlő szárú szögek között látható toldása szerepel.
Ábr. 9
ábra. 10
Kapcsolat: A húzott rudak kapcsolataira alapvetően ugyanazok az összefüggések érvényesek, mint a toldásra. A kísérletek a szimmetrikus erőbevezetés nagy előnyét mutatták. Egyoldali kapcsolás esetén erős hajlítás jön létre hosszirányban és keresztirányban (11. ábra 11). A jelentős kiegészítő hajlítófeszültségek ellenére a mindkét oldalon kapcsolt L és C rudak szinte teljes mértékben kihasználhatók. Egy kapcsolat teherbírása a felére is csökkenhet, ha nem tesznek intézkedéseket a kiegészítő hajlítónyomatékok kiegyenlítésére.
Ábr. 11
A toldások fedéséhez nem szabad csomólemezeket használni, ehhez külön fedőlemezeket kell előirányozni. A csomólemezhez való kapcsolódás megkönnyíthető, ha a rúd keresztmetszetének nagyobb része a csomólemez síkjába esik.
Sl. 12 - Csatlakozások csatlakozó sarokvasakkal és azok nélkül
Nyomott rúd
A nyomott rudak toldására és csatlakoztatására ugyanazok az elvek érvényesek, mint a húzott rudaknál, és náluk is az összes erő szegecsek és hevederek közvetítésével adódik át, azaz a rúd teljes F felülete alapján méretezik a Fheveder és Fs, ill. Fl értékeket. A toldások felületei szabályszerűen nincsenek illesztve. Az épületgépészeti acélszerkezetekben, több emeletet átfogó, csak nyomásra igénybevett oszlopoknál alkalmazzák a gyengébb fedésű toldások lehetőségét. A nyomott rudak teherbírása akkor merül ki, ha ezt megelőzően nem lép fel instabilitás, legkésőbb a folyáshatár elérésével, mert ekkor nagy deformációk jelentkeznek, és a rúd oldalirányban kihajlik. A szegecsekkel kitöltött lyukaknak ekkor nincs kimutatható hatásuk a rúd viselkedésére.
A szegecselt kötések kifáradási szilárdsága
A szegecselt kötések fáradási szilárdságánál elsősorban a furatoknál fellépő feszültségcsúcsok mérvadók. A fáradási szilárdságot már maguk a furatok is jelentősen csökkentik. A nyitott furatokkal rendelkező rudak húzófárasztási vizsgálatnál a gyengített keresztmetszetben törnek el, és a fáradási törés a furat szélén keletkező repedésekkel kezdődik, amelyek folyamatosan egyre tovább terjednek a keresztmetszeten át. Ezért a sima furatoknak különös jelentősége van. A 13 ábrán különböző osztályú lapos rudak fáradási szilárdsága látható (jobbra a magasabb acélminőség). Nagyobb előterhelésnél σu mindkét anyag a folyáshatár felett σDz fáradási szilárdságot visel el. A feszültségamplitúdó mindkét osztály esetében közel azonos.
Ábr. 13 - Fáradási szilárdság σDz
A szegecselt kötések húzó és nyomó váltakozó terhelésére alapvetően hasonló összefüggések érvényesek, mint az egyirányú terhelésekre. Érdemes megjegyezni, hogy váltakozó terhelés esetén a feszültség amplitúdója körülbelül 1,5-szer nagyobb (l. 14), ugyanakkor e terhelés alatt a szegecsek nyilvánvalóan jobban veszélyeztetettek, mint egyirányú terhelésnél.
Ábra 14 - A szegecselt kötések húzási kifáradási szilárdsága