Nastawami nazywa się połączenia służące do przedłużenia lub zwiększenia. Nastawy są np. potrzebne, ponieważ dostępne walcowane długości lub szerokości blach są niewystarczające, a przy montażu są konieczne ze względu na ograniczenie wymiarów i ciężaru poszczególnych transportowanych elementów. Nakładkami nazywa się blachy pokrywające przerwę w nastawie. Wszystkie inne połączenia, zwłaszcza te między prętami kratownicy o różnych kierunkach i belkami w różnych płaszczyznach, określa się jako węzły.
W zwykłych połączeniach wymiaruje się nakładki i nity połączeń na pełną siłę. Dlatego przy zwykłym połączeniu nie wymaga się, aby powierzchnie połączeń stykały się ze sobą.
Główny obszar zastosowania prętów rozciąganych i ściskanych (są to pręty proste, obciążone głównie siłami normalnymi) stanowią kratownice. Rozważania w tym rozdziale pomijają niebezpieczeństwo wyboczenia prętów ściskanych. Najpierw zostanie omówiona wytrzymałość statyczna.
Odliczenie otworów w prętach rozciąganych
Nośność: Stan naprężenia w pręcie rozciąganym jest znacznie lokalnie zmieniony wskutek otworów. W zakresie proporcjonalności rozkład naprężeń odpowiada osłabionemu przekrojowi (rys. 1). Największe naprężenie podłużne w pręcie prostokątnym według A. Henninga:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Rys. 1 - Naprężenia podłużne i poprzeczne w pręcie wierconym a) według A. Henninga; b) według M. Rudeloffa
W przypadku granicznym d/b = 0 bardzo szerokich lameli otrzymuje się stąd maxσ = 3σm, a dla przypadku przedstawionego na rys. 1a d/b = 1/3 jest maxσ = 2,42 σm. Oprócz naprężenia podłużnego występują także naprężenia poprzeczne i ścinające. Największe naprężenie występuje na obwodzie otworu. Tam pojawiają się pierwsze trwałe odkształcenia, tzn. wierzchołki naprężeń ulegają rozkładowi i powstaje wyrównanie naprężeń w przekroju. Zauważalne trwałe odkształcenia w obszarze otworów pojawiają się dopiero wtedy, gdy średnie naprężenie σm w osłabionym przekroju przekroczy granicę uplastycznienia σFO. Całkowite wydłużenie pręta przy SF = Fm * σF jest tylko nieznacznie większe niż w przypadku pręta bez otworów. (Fm jest polem najsłabszego przekroju)
Podczas prób rozciągania z nitowanymi prętami zawsze dochodzi do pęknięcia w osłabionych przekrojach. Obciążenie przy zerwaniu jest, w zwykłych warunkach, dostatecznie dokładnie SB = Fn * σB. Próby zrywania na rozciąganych prętach z otwartymi otworami wykazały obrazy pęknięć jak na rys. 2.
Rys. 2 - Obrazy zniszczenia prętów rozciąganych
W próbach ze złączami nitowanymi wykazano, że przedłużenia z obejmami z jednym rzędem nitów mają mniejszą wytrzymałość niż przedłużenia z wieloma rzędami nitów jeden za drugim. Z tego wynika, że średnie naprężenie przy zniszczeniu σB w użytecznym przekroju wynosiło:
Procedura wymiarowania prętów rozciąganych: Zgodnie ze zwykłym sposobem obliczeń, dla średniego naprężenia rozciągającego musi zachodzić σm = S/Fm ≤ dozσ i to we wszystkich miarodajnych przekrojach Fm. Odjęcie otworów określa się dla przekroju prostopadłego z największą liczbą otworów, przy czym może się zdarzyć, że przekrój złamany z większą liczbą otworów daje mniejszą wartość Fm (rys. 2). W tym sensie dla profili walcowanych Fm oblicza się z rozwinięcia. W przypadku przekrojów złożonych postępuje się w tym samym sensie.
Stosunek Fm/F z reguły mieści się między 0,8 a 0,9, tj. odliczenie otworów ΔF = F – Fm wynosi od 10% do 20% całego przekroju F pręta. W przypadku dużych obiektów ΔF silnie wpływa na ciężar, dlatego warto szukać przekrojów z mniejszym odliczeniem otworów.
Odkształcenia: Sprężyste wydłużenie rozciąganych prętów z otworami jest tylko nieznacznie większe od porównywalnych pełnych, nieprzewierconych prętów. Całkowite wydłużenie połączeń jest prawie takie samo jak wydłużenie połączonych blach. Stąd do obliczania odkształceń konstrukcji stalowych wystarcza określenie sprężystych wydłużeń dla wartości E i F prętów nienaruszonych. Bezpieczeństwo przed uplastycznieniem jest w przypadku prętów osłabionych większe niż np. w przypadku prętów ściskanych.
Rozkład sił w nitach
Rys. 3
Rozkład siły S w pręcie na poszczególne nity połączenia zależy od jego właściwości sprężystych; jest on „statycznie niewyznaczalny”. W przypadku rys. 3 rozkład N1, N2, … zależy od odkształcenia nitów i połączonych blach, zmienia się wraz ze stosunkiem Fpodvezice/Fštapa. Dla Fpodvezice ≠ Fštapa siły końcowe w nitach nie są już jednakowo duże (rys. 50a). Wraz ze spadkiem stosunku Fpodvezice/Fštapa staje się Nn mniejsze, N1 zbliża się do S. Łączenie lameli o bardzo różnej grubości (rys. 4b) nie jest celowe ze względu na przeciążenie pierwszego nitu.
Rys. 4 - Obciążenie zakrętek dla Fštap > Fpodvezice
Listwy i podciągi sztywne, tylko nity sprężyste (rys. 5a). Wówczas wszystkie nity ulegają jednakowemu zginaniu, wszystkie siły w nitach muszą być jednakowe.
Zakrętki sztywne, elastyczne tylko lamele i podwiązki (rys. 5b). Ponieważ wydłużenia w pręcie i podwiązkach między pierwszą i ostatnią zakrętką muszą być jednakowe, wynika stąd N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, z wyjątkiem N1 = S * x1.
Rys. 5
Rzeczywisty rozkład sił leży między tymi przypadkami granicznymi. Wraz ze zwiększaniem obciążenia najpierw w skrajnych nitych połączeniach pojawia się trwałe odkształcenie, najmocniej obciążone nity zostają odciążone, a rozkład sił staje się coraz bardziej równomierny. Po wystąpieniu większych odkształceń rozkład sił zbliża się do przypadku, w którym lamele i podwiązki są sztywne, tj. siły w nitach są prawie jednakowe, jeżeli decydujące jest ścinanie nitów.
Obciążenie niszczące: Sposób nitowania nitów ma prawie bez wpływu na τBV. Wytrzymałość na ścinanie τBV połączenia jest praktycznie niezależna od liczby nitów, ich rozmieszczenia, kształtu połączenia nitowanego; obciążenie niszczące odpowiada w dobrym przybliżeniu równomiernemu obciążeniu wszystkich nitów. Te same twierdzenia odnoszą się zresztą także do zwykłych połączeń śrubowych, z czego można wnosić, że opór przeciw poślizgowi nie ma istotnego wpływu na nośność.
Wymiarowanie: W konstrukcjach stalowych i prętach obciążonych centralnie oblicza się przy równomiernym rozkładzie, tj. na każdy nit przypada N = S/n. Ponieważ w długich nakładkach pierwsze nity są już wcześnie przeciążone, dlatego więcej niż 6 nitów po kolei należy w miarę możliwości unikać.
Odporność na poślizg: Poślizg w połączeniach występuje już przy stosunkowo małym obciążeniu. Odporność na poślizg zależy przede wszystkim od siły dokręcenia, która zmienia się pod wpływem wielu czynników. Jest ona pomijana przy wymiarowaniu połączeń na nity oraz dotychczas powszechnie stosowane śruby. Zwraca się uwagę na połączenia ze śrubami wysokiej wytrzymałości.
Rozkład sił w nitach na szerokości: Przy jednakowych odległościach nitów prostopadle do kierunku siły (rys. 6a), poszczególnym nitom przypadają pasma przekroju poprzecznego o jednakowej szerokości a, wobec czego w pierwszym przybliżeniu siły w nitach N = a t σ są jednakowo duże. Rozkład przy nierównych odstępach między nitami jest statycznie niewyznaczalny; w przypadku pokazanym na rys. 6b odbywa się on według prawa dźwigni.
Rys. 6
Naprężony pręt
Kontynuacja: Połączenie z symetrycznymi podwieszkami (rys. 3 i 4). Siłę S w pręcie w miejscu połączenia musi przenosić wyłącznie podwieszka. Nity w połączeniu należy również wymiarować na podstawie S, ponieważ muszą przenieść całą siłę z przedłużonego pręta na podwieszki.
Przedłużenia z jednostronną nakładką są związane ze znacznymi dodatkowymi naprężeniami zginającymi w łączonych blachach, nakładkach i nitach. Jednostronne przykrywanie przedłużeń stosuje się ze względu na duże odkształcenia tylko wtedy (rys. 7), gdy pręt jest sztywny na zginanie albo gdy jest z boku podparty tak, że nie może się wygiąć.
Rys. 7
Połączenie pośrednie – Gdy ściągi nie mogą przylegać bezpośrednio do łączonych blach, nity i blachy są narażone na znacznie większe naprężenia zginające. Dlatego, zależnie od liczby m warstw pośrednich, wybiera się większą liczbę n’ nitów niż liczbę n przy bezpośrednim przykrywaniu połączeń.
Śl. 8
W przypadku przekrojów złożonych rozmieszcza się podciągi tak, aby uniknąć lokalnych wzrostów naprężeń, dlatego poszczególne powierzchnie podciągów określa się według powierzchni części przekroju, które one obejmują, możliwie z zachowaniem położenia środka ciężkości. Rozkłady powierzchni podciągów odbiegające od tego są związane ze zmianami rozkładu naprężeń. Na rys. 9 pokazano przedłużenie pręta jednoskrzydłowego, na rys. 10 dwudzielnego pręta z 4 blachami pionowymi i jednym środnikiem między kątownikami.
Rys. 9
Rys. 10
Połączenie: Dla połączeń prętów rozciąganych obowiązują zasadniczo te same zależności co dla przedłużenia. Próby wykazały dużą przewagę symetrycznego wprowadzania siły. Przy jednostronnym połączeniu występuje silne zginanie w kierunku podłużnym i poprzecznym (rys. 11). Pomimo znacznych dodatkowych naprężeń zginających mogą być niemal całkowicie wykorzystane pręty L i C połączone jednostronnie. Nośność jednego połączenia może spaść do połowy, jeśli nie zostaną podjęte środki mające na celu wyrównanie dodatkowych momentów zginających.
Rys. 11
Do przykrywania przedłużeń nie należy stosować blach węzłowych, w tym celu trzeba przewidzieć specjalne nakładki. Połączenie z blachą węzłową jest ułatwione, gdy większa część przekroju pręta przypada na płaszczyznę blachy węzłowej.
Rys. 12 - Połączenia z kątownikiem przyłączeniowym i bez niego
Ściskany pręt
Dla przedłużania i łączenia prętów ściskanych obowiązują te same zasady co dla prętów rozciąganych; również w ich przypadku całkowita siła przenoszona jest przez nity i obejmy, tj. według pełnego przekroju F pręta wymiaruje się Fpodvezica i Fs, wzgl. Fl. Zasadniczo powierzchnie połączeń nie są dopasowane. W stalowych konstrukcjach budowlanych, w przypadku słupów przechodzących przez kilka kondygnacji i obciążonych wyłącznie ściskaniem, stosuje się możliwość przejścia ze słabszym przykrywaniem połączeń. Nośność prętów ściskanych zostaje wyczerpana, jeśli wcześniej nie wystąpią przypadki utraty stateczności, najpóźniej wraz z osiągnięciem granicy plastyczności, ponieważ wtedy pojawiają się duże odkształcenia i pręt wybocza się bocznie. Otwory wypełnione nitami nie mają przy tym żadnego dającego się stwierdzić wpływu na zachowanie pręta.
Wytrzymałość zmęczeniowa połączeń nitowanych
Dla wytrzymałości zmęczeniowej połączeń nitowanych miarodajne są przede wszystkim maksima naprężeń występujące przy otworach. Wytrzymałość zmęczeniowa jest znacznie obniżona już samymi otworami. Pręty z otwartymi otworami pękają w próbie zmęczeniowej przy rozciąganiu w osłabionych przekrojach, a pęknięcie zmęczeniowe zaczyna się od rys na krawędzi otworu, które stale coraz dalej rozprzestrzeniają się przez przekrój. Dlatego gładkie otwory mają szczególne znaczenie. Na rys. 13 podano wytrzymałość zmęczeniową płaskich prętów przy różnych klasach (po prawej jest wyższa klasa stali). Przy większych wcześniejszych obciążeniach σu oba materiały wytrzymują wytrzymałość zmęczeniową σDz powyżej granicy plastyczności. Amplituda naprężenia jest dla obu klas w przybliżeniu jednakowa.
Rys. 13 - Wytrzymałość zmęczeniowa σDz
Dla obciążenia zmiennego na rozciąganie i ściskanie połączeń nitowanych obowiązują zasadniczo podobne zależności jak dla obciążeń jednokierunkowych. Warto zauważyć, że amplituda naprężeń przy obciążeniu zmiennym jest około 1,5 razy większa (rys. 14), lecz nity przy takim obciążeniu są oczywiście bardziej zagrożone niż przy obciążeniu jednokierunkowym.
Rys. 14 - Wytrzymałość na zmęczenie przy rozciąganiu połączeń nitowanych