Îmbinări se numesc legăturile care servesc la prelungire sau mărire. Îmbinările sunt necesare, de exemplu, deoarece lungimile sau lățimile laminate disponibile ale tablelor nu sunt suficiente; la montaj sunt necesare din cauza limitării dimensiunilor și greutății elementelor individuale transportate. Eclise se numesc tablele care acoperă întreruperea din îmbinare. Toate celelalte legături, în special cele dintre barele grinzilor cu zăbrele în diferite direcții și elementele de rezemare în diferite plane, se denumesc racorduri.
La îmbinările obișnuite se dimensionează eclisele și niturile îmbinărilor după forța integrală. Prin urmare, la o îmbinare normală nu se cere ca suprafețele îmbinărilor să se atingă.
Principala sferă de aplicare a barelor întinse și comprimate (acestea sunt bare adevărate, încărcate preponderent cu forțe normale) o constituie fermele. Considerațiile din acest capitol lasă deoparte pericolul de flambaj al barelor comprimate. Mai întâi va fi analizată rezistența statică.
Scăderea găurilor în barele întinse
Capacitatea portantă: Starea de efort din bara întinsă este modificată local în mod considerabil din cauza găurilor/deschiderilor. În domeniul proporționalității, distribuția tensiunii corespunde secțiunii slăbite (fig. 1). Tensiunea longitudinală maximă într-o bară dreptunghiulară este, după A. Henning:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Fig. 1 - Tensiuni longitudinale și transversale în bara găurită a) după A. Henning; b) după M. Rudeloff
În cazul limită d/b = 0 al lamelor foarte late rezultă astfel maxσ = 3σm, iar pentru cazul prezentat în fig. 1a d/b = 1/3 este maxσ = 2,42 σm. Pe lângă tensiunea longitudinală există și tensiuni transversale și de forfecare. Cea mai mare solicitare apare la conturul găurii. Acolo apar primele deformații permanente, adică vârfurile tensiunilor se reduc și apare egalizarea tensiunilor pe secțiune. Deformațiile permanente vizibile în zona găurilor apar abia atunci când tensiunea medie σm în secțiunea slăbită depășește limita de curgere σFO. Dilatarea totală a barei la SF = Fm * σF este numai puțin mai mare decât la bara fără găuri. (Fm este aria secțiunii celei mai slabe)
La încercările de tracțiune cu bare nituite apare întotdeauna ruperea în secțiunile slăbite. Încărcarea la rupere este, în condiții obișnuite, suficient de exact SB = Fn * σB. Încercările prin rupere la bare întinse cu găuri deschise au arătat forme de rupere ca în fig. 2.
Fig. 2 - Imagini ale ruperii tijelor întinse
În încercările cu îmbinări nituite s-a arătat că îmbinările cu o singură șiră de nituri au o rezistență mai mică decât îmbinările cu mai multe șiruri de nituri dispuse una după alta. Conform acestui fapt, tensiunea medie la rupere σB în secțiunea utilă a fost de:
Procedura de dimensionare pentru bare întinse: Potrivit modului obișnuit de calcul, pentru tensiunea medie de întindere trebuie să fie îndeplinită relația σm = S/Fm ≤ dozσ, și aceasta în toate secțiunile relevante Fm. Scăderea produsă de găuri se determină pentru secțiunea normală cu cel mai mare număr de găuri, iar se poate întâmpla ca secțiunea frântă cu mai multe găuri să dea o valoare mai mică a lui Fm (fig. 2). În acest sens, la profilele laminate Fm se calculează cu desfășurare. La secțiunile compuse se procedează în același sens.
Raportul Fm/F se află, de regulă, între 0,8 și 0,9, adică scăderea prin găuri ΔF = F – Fm este de 10% până la 20% din întreaga secțiune F a barei. La construcții mari, ΔF influențează mult greutatea, astfel că merită să se găsească secțiuni cu o scădere prin găuri mai mică.
Deformații: Alungirea elastică a barelor întinse cu găuri este abia mai mare decât a barelor comparabile fără găuri. Alungirea totală a îmbinărilor este aproape la fel de mare ca aceea a lamelor continuate. De aici rezultă că, pentru calculul deformării construcțiilor din oțel, este suficient să se determine alungirile elastice cu valorile E și F ale barelor neîntărite. Siguranța împotriva curgerii este la barele cu slăbiri mai mare decât, de exemplu, la barele comprimate.
Distribuția forțelor în nituri
Fig. 3
Repartizarea forței S în bară pe niturile individuale ale îmbinării depinde de proprietățile ei elastice; ea este „static nedeterminată”. În cazul fig. 3, repartizarea N1, N2, … depinde de deformarea niturilor și a tablelor îmbinate; ea se modifică odată cu raportul Fpodvezice/Fštapa. Pentru Fpodvezice ≠ Fštapa, forțele finale din nituri nu mai sunt la fel de mari (fig. 50a). Odată cu scăderea raportului Fpodvezice/Fštapa, Nn devine mai mic, N1 se apropie de S. Îmbinarea lamelor de grosimi foarte diferite (fig. 4b) nu este oportună din cauza suprasolicitării primului nit.
Fig. 4 - Încărcarea niturilor pentru Fbară > Fsuspensie
Lamelele și legăturile rigide, numai niturile elastice (fig. 5a). Atunci toate niturile primesc o îndoire egală, toate forțele din nituri trebuie să fie egale.
Niturile rigide, doar platbandele și tiranții sunt elastice (fig. 5b). Deoarece alungirile în bara și în tiranți dintre primul și ultimul nit trebuie să fie egale, rezultă N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, cu excepția N1 = S * x1.
Fig. 5
Repartizarea reală a forțelor se situează între aceste cazuri limită. Dacă încărcarea crește, apare mai întâi o deformare permanentă în niturile de la capăt, niturile cele mai solicitate se descarcă, iar distribuția forțelor devine tot mai uniformă. După apariția unor deformări mai mari, repartizarea forțelor se apropie de cazul în care lamelele și bridele sunt rigide, adică forțele din nituri sunt aproape toate egale, în cazul în care smulgerea niturilor este determinantă.
Încărcarea la rupere: Modul de nituire a niturilor are aproape niciun efect asupra τBV. Rezistența la forfecare τBV a îmbinării este practic independentă de numărul de nituri, de dispunerea lor, de forma îmbinării nituite; încărcarea la rupere corespunde, cu o bună aproximație, încărcării uniforme a tuturor niturilor. Aceleași afirmații sunt valabile, de altfel, și pentru îmbinările obișnuite cu șuruburi, de unde se poate concluziona că rezistența la alunecare nu are o influență esențială asupra capacității portante.
Dimensionare: La construcțiile metalice și barele solicitate central, calculul se face prin repartizare uniformă, adică pe fiecare nitu N = S/n. Deoarece la prelungirile lungi primii nituri sunt deja suprasolicitați devreme, se evită, pe cât posibil, mai mult de 6 nituri alăturate unul după altul.
Rezistența la alunecare: Alunecarea în îmbinări apare deja la o încărcare relativ mică. Rezistența la alunecare depinde în primul rând de forța de strângere, care variază sub acțiunea multor influențe. Ea rămâne neglijată la dimensionarea îmbinărilor cu nituri și a șuruburilor uzuale până acum. Se indică îmbinările cu șuruburi de înaltă rezistență.
Repartizarea forțelor în nituri pe lățime: La distanțe egale între nituri, perpendiculare pe direcția forței (fig. 6a), fiecărui nit îi revin benzi de secțiune transversală cu lățime egală a, prin urmare, în prima aproximare, forțele din nituri N = a t σ sunt egale. Repartizarea la distanțe neuniforme între nituri este static nedeterminată; pentru cazul din fig. 6b ea se face după legea pârghiei.
Fig. 6
Bară întinsă
Continuare: Continuare cu legături simetrice (fig. 3 și 4). Forța S din bară, la locul îmbinării, trebuie preluată numai de legătura de continuitate. Niturile din îmbinare trebuie, de asemenea, dimensionate după S, deoarece ele trebuie să transmită întreaga forță de la bara continuată către legătura de continuitate.
Îmbinările cu acoperire unilaterală sunt asociate cu tensiuni suplimentare considerabile de încovoiere în tablele îmbinate, în acoperirile de legătură și în nituri. Acoperirea unilaterală a îmbinărilor, din cauza deformațiilor mari, se aplică numai atunci (fig. 7) când bara este rigidă la încovoiere sau când este susținută lateral astfel încât să nu se poată îndoi.
Fig. 7
Nastav intermediar – Când bridele nu pot să se așeze direct pe tablele prelungite, niturile și tablele sunt supuse unor tensiuni de încovoiere considerabil mai mari. De aceea, în funcție de numărul m de straturi intermediare, se alege un număr mai mare n’ de nituri decât numărul n la acoperirea directă a îmbinărilor.
Fig. 8
La secțiunile compuse, legăturile se dispun astfel încât să se evite creșterile locale ale tensiunii; de aceea, suprafețele individuale ale legăturilor se stabilesc în funcție de suprafața părții de secțiune pe care o acoperă, pe cât posibil menținând poziția centrului de greutate. Distribuțiile suprafețelor legăturilor care se abat de la acest lucru sunt legate de modificări ale distribuției tensiunilor. În fig. 9 este prezentată prelungirea unei bare cu un singur perete, iar în fig. 10 a unei bare în două părți, cu 4 table verticale și un obraz între corniere.
Fig. 9
Fig. 10
Îmbinarea: Pentru îmbinările barelor solicitate la întindere sunt valabile, în esență, aceleași relații ca și pentru prelungire. Încercările au arătat marele avantaj al introducerii simetrice a forței. La îmbinarea unilaterală se produce o încovoiere puternică în direcția longitudinală și transversală (fig. 11). În pofida tensiunilor suplimentare considerabile de încovoiere, pot fi exploatate aproape complet și barele L și C îmbinate unilateral. Capacitatea portantă a unei îmbinări poate scădea la jumătate dacă nu au fost luate măsuri pentru egalizarea momentelor suplimentare de încovoiere.
Fig. 11
Pentru acoperirea îmbinărilor nu trebuie folosite table nodale, pentru aceasta trebuie prevăzute legături speciale. Racordarea la tabla nodală este ușurată când o parte mai mare din secțiunea barei cade în planul tablei nodale.
Fig. 12 - Îmbinări cu și fără cornier de îmbinare
Bară comprimată
Pentru prelungirea și îmbinarea barelor comprimate se aplică aceleași principii ca și pentru barele întinse, iar și în cazul lor forța totală se transmite prin nituri și bride, adică, în raport cu aria completă F a barei, se dimensionează Fpodvezica și Fs, respectiv Fl. De regulă, suprafețele prelungirilor nu sunt ajustate. În construcțiile metalice din clădiri, la stâlpii care se întind pe mai multe etaje, solicitați numai la compresiune, se folosește posibilitatea trecerii cu acoperire mai redusă a prelungirilor. Capacitatea portantă a barelor comprimate este epuizată, dacă înainte nu apar cazuri de instabilitate, cel târziu odată cu atingerea limitei de curgere, deoarece atunci apar deformări mari și bara se flambază lateral. Găurile umplute cu nituri nu au, în acest caz, o influență care să poată fi determinată asupra comportării barei.
Rezistența la oboseală a îmbinărilor nituite
Pentru rezistența la oboseală a îmbinărilor nituite sunt decisive, în primul rând, vârfurile de tensiune care apar la găuri. Rezistența la oboseală este redusă considerabil chiar prin simpla prezență a găurilor. Barele cu găuri deschise se rup la încercările de oboseală la întindere în secțiunile slăbite, iar ruperea prin oboseală începe cu fisuri la marginea găurii, care se extind mereu mai departe prin secțiune. De aceea, găurile netede sunt deosebit de importante. În fig. 13 este prezentată rezistența la oboseală a barelor plate la diferite clase (în dreapta este clasa superioară de oțel). La încărcări preliminare mai mari σu, ambele materiale suportă rezistențe la oboseală σDz peste limita de curgere. Amplitudinea tensiunii este aproximativ aceeași pentru ambele clase.
Sl. 13 - Rezistența la oboseală σDz
Pentru solicitarea alternativă la întindere și compresiune a îmbinărilor nituite se aplică, în esență, relații similare ca și pentru solicitările unidirecționale. Merită observat că amplitudinea tensiunii la solicitarea alternativă este de aproximativ 1,5 ori mai mare (fig. 14), dar niturile sunt, în mod evident, mai expuse acestui tip de solicitare decât la solicitarea unidirecțională.
Fig. 14 - Rezistența la oboseală la întindere a îmbinărilor nituite