Skjøter er forbindelser som tjener til forlengelse eller økning. Skjøter er for eksempel nødvendige fordi tilgjengelige valsede lengder eller bredder av plater ikke er tilstrekkelige, og ved montering er de nødvendige på grunn av begrensninger i dimensjoner og vekt for enkelte elementer som transporteres. Forbindelsesbånd er betegnelsen på plater som dekker bruddet i skjøten. Alle andre forbindelser, særlig de mellom stenger i fagverk i ulike retninger og bærere i ulike plan, betegnes som tilslutninger.
Ved vanlige skjøter dimensjoneres forbindelsesbånd og skjøtenagler etter full kraft. Derfor kreves det ved en normal skjøt ikke at skjøteflatene skal berøre hverandre.
Hovedområdet for bruk av strekk- og trykkstaver (dette er rette staver som hovedsakelig er belastet med normalkrefter) er fagverk. Betraktningene i dette avsnittet ser bort fra faren for knekking av trykkstaver. Først vil den statiske styrken bli behandlet.
Fradrag for hull i strekte stenger
Bæreevne: Spenningstilstanden i en strekkstang er betydelig lokalt endret på grunn av hull/åpninger. I proporsjonalitetsområdet tilsvarer spenningsfordelingen den svekkede tverrsnittet (fig. 1). Den største langsspenningen i en rektangulær stang er ifølge A. Henning:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Fig. 1 - Lengde- og tverrspenninger i en boret stav a) etter A. Henning; b) etter M. Rudeloff
I grensefallet d/b = 0 for svært brede lameller følger det dermed at maxσ = 3σm, og for tilfellet vist på fig. 1a er d/b = 1/3 og maxσ = 2,42 σm. I tillegg til lengdespenningen finnes det også tverr- og skjærspenninger. Den største belastningen er ved randen av hullet. Der oppstår de første permanente deformasjonene, dvs. spenningsspissene brytes ned og det oppstår utjevning av spenningen over tverrsnittet. Merkbare permanente deformasjoner i området rundt hullene oppstår først når middelspenningen σm i det svekkede tverrsnittet overskrider flytegrensen σFO. Den totale tøyningen av stangen er ved SF = Fm * σF bare ubetydelig større enn for en stang uten hull. (Fm er arealet av det svakeste tverrsnittet)
Ved strekkprøver med naglede stenger oppstår brudd alltid i de svekkede tverrsnittene. Bruddlasten er under normale forhold tilstrekkelig nøyaktig SB = Fn * σB. Forsøk med brudd av strekkbelastede stenger med åpne hull viste bruddbilder som på fig. 2.
Fig. 2 - Bruddbilder av strekkstaver
I forsøk med naglede forbindelser er det vist at skjøter med lasker og én rad nagler har lavere motstand enn skjøter med flere rader nagler etter hverandre. Derfor var den gjennomsnittlige bruddspenningen σB i den nyttige tverrsnittet:
Dimensjoneringsprosedyre for strekkstenger: Etter den vanlige beregningsmetoden må den midlere strekkspenningen oppfylle σm = S/Fm ≤ dozσ, og dette i alle dimensjonerende tverrsnitt Fm. Fradrag for hull bestemmes for det rette tverrsnittet med størst antall hull, og det kan hende at et brutt tverrsnitt med flere hull gir en mindre verdi av Fm (fig. 2). I denne sammenheng beregnes Fm for valsede profiler med utvikling. For sammensatte tverrsnitt går man frem på samme måte.
Forholdet Fm/F ligger som regel mellom 0,8 og 0,9, dvs. hullavdraget ΔF = F – Fm utgjør 10% til 20% av hele stangens tverrsnitt F. Ved store konstruksjoner virker ΔF sterkt inn på vekten, slik at det lønner seg å finne tverrsnitt med mindre hullavdrag.
Deformasjoner: Elastisk forlengelse av strekkutsatte stenger med hull er knapt større enn for sammenlignbare, uborede stenger. Den totale forlengelsen av skjøter er omtrent like stor som for videreførte lameller. Derfor er det tilstrekkelig for beregning av deformasjoner i stålkonstruksjoner å fastsette de elastiske forlengelsene med verdiene E og F for uforringede stenger. Sikkerheten mot flyt er større for stenger med svekking enn for eksempel for trykkutsatte stenger.
Fordeling av kreftene i naglene
Fig. 3
Kraftfordelingen S i staven til de enkelte naglene i forbindelsen avhenger av dens elastiske egenskaper, den er “statisk ubestemt”. I tilfellet i fig. 3 avhenger fordelingen N1, N2, … av deformasjonen til naglene og de sammenføydde platene, og den endres med forholdet Fbånd/Fstav. For Fbånd ≠ Fstav er endekreftene i naglene ikke lenger like store (fig. 50a). Når forholdet Fbånd/Fstav avtar, blir Nn mindre, N1 nærmer seg S. Sammenføyning av lameller med svært ulik tykkelse (fig. 4b) er ikke hensiktsmessig på grunn av overbelastning av den første naglen.
Fig. 4 - Belastning av niter for Fstang > Fstrebebånd
Lammer og bånd er stive, bare naglene er elastiske (fig. 5a). Da får alle naglene samme bøy, og alle kreftene i naglene må være like.
Niter stive, bare lameller og strebebånd elastiske (fig. 5b). Ettersom forlengelsene i stangen og strebebåndene mellom den første og den siste nitten må være like store, følger det N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, med unntak av N1 = S * x1.
Fig. 5
Den faktiske kraftfordelingen ligger mellom disse grenseilfellene. Når belastningen øker, oppstår først varig deformasjon i de ytterste naglene, de mest belastede naglene avlastes og kraftfordelingen blir stadig jevnere. Etter at større deformasjoner har oppstått, nærmer kraftfordelingen seg tilfellet der lameller og bånd er stive, dvs. kreftene i naglene er nesten like store, i tilfelle den dimensjonerende skjæringen av naglene er avgjørende.
Bruddlast: Måten naglene er naglet på har nesten ingen innvirkning på τBV. Skjærstyrken τBV for forbindelsen er praktisk talt uavhengig av antall nagler, deres plassering og den naglede forbindelsens form; bruddlasten tilsvarer i god tilnærming jevn belastning av alle naglene. De samme påstandene gjelder for øvrig også for vanlige skrueforbindelser, og det kan derfor konkluderes med at motstanden mot glidning ikke har noen vesentlig innvirkning på bæreevnen.
Dimensjonering: Ved stålkonstruksjoner og sentrisk belastede staver regnes det med jevn fordeling, dvs. per hver nagle N = S/n. Siden de første naglene i lange skjøter allerede blir overbelastet tidlig, unngås det derfor så langt mulig å ha mer enn 6 nagler etter hverandre.
Sklidemotstand: Glidning i skjøter opptrer allerede ved en relativt liten belastning. Sklidemotstanden avhenger først og fremst av forspenningskraften, som varierer med mange påvirkninger. Den neglisjeres ved dimensjonering av forbindelser med nagler og de hittil vanlige boltene. Det vises til forbindelser med høyverdige bolter.
Fordeling av krefter i naglene over bredden: Ved like avstander mellom naglene vinkelrett på kraftretningen (fig. 6a) tilkommer de enkelte naglene like brede striper a av tverrsnittet, og derfor er naglekreftene N = a t σ i første tilnærming like store. Fordelingen ved ujevne nagleavstander er statisk ubestemt; for tilfellet på fig. 6b skjer den etter vektstangloven.
Fig. 6
Strekkstang
Fortsettelse: Fortsettelse med symmetriske strekkbånd (fig. 3 og 4). Kraften S i staven på skjøtestedet må bæres av bare ett strekkbånd. Naglene i skjøten må også dimensjoneres etter S, fordi de må overføre hele kraften fra den skjøtede staven til strekkbåndene.
Skjøter med ensidig dekkplate er forbundet med betydelige ekstra bøyespenninger i de sammenføynte platene, dekkplatene og naglene. Ensidig overdekking av skjøter brukes på grunn av de store deformasjonene bare når (fig. 7) stangen er stiv i bøyning eller når den er sideveis avstivet slik at den ikke kan bøyes.
Fig. 7
Mellomliggende skjøt – Når laskene ikke kan ligge direkte på de sammenføynte platene, oppstår det betydelig større bøyespenninger i naglene og platene. Derfor velges, etter antall m mellomlag, et større antall n’ nagler enn antallet n ved direkte dekning av skjøtene.
Fig. 8
Ved sammensatte tverrsnitt fordeles båndene slik at lokale spenningsøkninger unngås, derfor bestemmes de enkelte båndflatene etter arealet av den delen av tverrsnittet som de dekker, om mulig med opprettholdelse av tyngdepunktets plassering. Fordelinger av båndflater som avviker fra dette, er knyttet til endringer i spenningsfordelingen. På fig. 9 er vist forlengelsen av en enkelvegget stang, på fig. 10 en todelt stang med 4 vertikale plater og én flate mellom vinkeljernene.
Fig. 9
Fig. 10
Tilkopling: For tilkopling av strekkstag gjelder i hovedsak de samme sammenhengene som for skjøting. Forsøk har vist den store fordelen ved symmetrisk kraftinnføring. Ved ensidig tilkopling oppstår sterk bøying i lengde- og tverrretning (fig. 11). Til tross for betydelige tilleggsspenninger i bøyning kan L- og C-stag som er tilkoplet på én side, utnyttes nesten fullt ut. Bæreevnen til en tilkopling kan falle til halvparten dersom det ikke er truffet tiltak for å utjevne de tilleggsmessige bøyemomentene.
Fig. 11
For overdekking av skjøter bør man ikke bruke knutepunktsplater; til dette må det forutses spesielle dekkplater. Tilslutningen til knutepunktsplaten blir lettere når større del av stangens tverrsnitt faller i planet til knutepunktsplaten.
Fig. 12 - Tilkoblinger med og uten tilkoblingsvinkel
Trykket stav
For skjøting og tilkobling av trykksatte staver gjelder de samme prinsippene som for strekkstaver, og også der overføres den samlede kraften via nagler og bånd, dvs. etter hele stagens tverrsnitt dimensjoneres F_bånd og Fs, hhv. Fl. Som regel er skjøteflatene ikke passet inn. I stålkonstruksjoner i bygninger, ved søyler som går gjennom flere etasjer og som bare er belastet i trykk, brukes muligheten for gjennomløp med svakere overdekning av skjøtene. Bæreevnen til trykksatte staver er uttømt, dersom det ikke allerede inntrer ustabilitet, senest når flytegrensen nås, fordi det da oppstår store deformasjoner og staven knekker sideveis. Naglehullene har da ingen påviselig innvirkning på stavens oppførsel.
Utmattingsstyrke i naglede forbindelser
For utmattingsstyrken til naglede forbindelser er det først og fremst spenningstopper som oppstår ved hullene, som er avgjørende. Utmattingsstyrken reduseres betydelig allerede av selve hullene. Stenger med åpne hull brekker i utmattingsprøver under strekk i svekkede tverrsnitt, og utmattingsbruddet starter med sprekker ved hullkanten, som stadig brer seg videre gjennom tverrsnittet. Derfor er glatte hull av særlig betydning. På fig. 13 er utmattingsstyrken for flate stenger vist for ulike klasser (til høyre er den høyere stålkvaliteten). Ved større forutgående belastninger σu tåler begge materialene utmattingsstyrker σDz over flytegrensen. Spenningsamplituden er for begge klasser omtrent lik.
Fig. 13 - Utmattingsstyrke σDz
For vekselvis belastning i strekk og trykk av naglede forbindelser gjelder i prinsippet lignende sammenhenger som for ensidig belastning. Det er verdt å merke seg at spenningsamplituden ved vekselvis belastning er omtrent 1,5 ganger større (fig. 14), men at naglene under denne belastningen naturlig nok er mer utsatt enn under ensidig belastning.
Fig. 14 - Utmattingsstyrke i strekk for naglede forbindelser