Skarv kallas sådana förbindelser som tjänar till förlängning eller förstoring. Skarvar behövs t.ex. därför att de tillgängliga valsade längderna eller breddarna av plåt inte räcker till; vid montering behövs de för att begränsa dimensionerna och vikten hos de enskilda element som transporteras. Band kallas de plåtar som täcker avbrottet i en skarv. Alla övriga förbindelser, särskilt de mellan fackverksstänger i olika riktningar och balkar i olika plan, betecknas som anslutningar.
Vid vanliga skarvar dimensioneras band och skarvnit enligt full kraft. Därför krävs det vid en normal skarv inte att skarvytorna ligger an mot varandra.
Det huvudsakliga användningsområdet för dragna och tryckta stavar (det vill säga rena stavar, som belastas huvudsakligen av normalkrafter) utgörs av fackverk._ Övervägandena i detta avsnitt bortser från risken för knäckning hos tryckta stavar. Först kommer den statiska hållfastheten att behandlas.
Avdrag för hål i dragna stänger
Bärförmåga: Spänningstillståndet i den dragna stången förändras avsevärt lokalt på grund av hål/öppningar. Inom proportionalitetsområdet motsvarar spänningsfördelningen det försvagade tvärsnittet (fig. 1). Den största längsspänningen i den rektangulära stången är enligt A. Henning:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Fig. 1 - Längs- och tvärspänningar i en borrad stång a) enligt A. Henning; b) enligt M. Rudeloff
I gränsfallet d/b = 0 för mycket breda lameller erhålls därmed maxσ = 3σm och för fallet som visas i fig. 1a är d/b = 1/3 och maxσ = 2,42 σm. Förutom längsspänningen finns även tvär- och skjuvspänningar. Den största spänningen finns vid hålets mantel. Där uppstår de första permanenta deformationerna, dvs. spänningsspetsarna bryts ned och spänningsutjämning uppstår över tvärsnittet. Märkbara permanenta deformationer i området kring hålen uppträder först när medelspänningen σm i det försvagade tvärsnittet överskrider flytgränsen σFO. Stavens totala töjning är vid SF = Fm * σF bara obetydligt större än för en stav utan hål. (Fm är arean för det svagaste tvärsnittet)
Vid dragprov med nitade stänger uppstår brott alltid i de försvagade tvärsnitten. Brottlaster är under normala förhållanden tillräckligt noggrant SB = Fn * σB. Rivprov på dragna stänger med öppna hål visade brottbilder som i fig. 2.
Fig. 2 - Brottbilder av dragna stänger
I försök med nitförband har det visats att skarvar med täckplåtar och en rad nitar har lägre motstånd än skarvar med flera rader nitar bakom varandra. Därav erhölls den genomsnittliga brottspänningen σB i den effektiva tvärsnittsytan:
Dimensioneringsförfarande för dragna stänger: Enligt det vanliga beräkningssättet måste för medelspänningen i drag gälla σm = S/Fm ≤ tillåtenσ och detta i alla dimensionerande tvärsnitt Fm. Avdraget för hål bestäms för det vinkelräta tvärsnittet med störst antal hål, och det kan inträffa att ett brutet tvärsnitt med fler hål ger ett mindre värde på Fm (fig. 2). I detta avseende beräknas Fm för valsade profiler med utveckling. För sammansatta tvärsnitt förfar man på samma sätt.
Förhållandet Fm/F ligger enligt regel mellan 0,8 och 0,9, dvs. hålavdraget ΔF = F – Fm uppgår till 10% till 20% av hela stångtvärsnittet F. Vid stora konstruktioner påverkar ΔF vikten starkt, så det lönar sig att hitta tvärsnitt med mindre hålavdrag.
Deformationer: Den elastiska förlängningen hos dragna stänger med hål är knappt större än hos jämförbara oborrade stänger. Den totala förlängningen hos skarvar är nästan densamma som hos sammanfogade lameller. Därför räcker det för beräkningen av deformationer i stålkonstruktioner att bestämma de elastiska förlängningarna med värdena E och F för oskadade stänger. Säkerheten mot flytning är större hos stänger med försvagning än t.ex. hos tryckta stänger.
Kraftfördelning i nitar
Fig. 3
Kraftfördelningen S i stången till de enskilda nitarna i förbandet beror på dess elastiska egenskaper; den är ”statiskt obestämd”. I fallet i fig. 3 beror fördelningen N1, N2, … av deformationen hos nitarna och de sammanfogade plåtarna, den ändras med förhållandet Fpodvezice/Fštapa. För Fpodvezice ≠ Fštapa är ändkraften i nitarna inte längre lika stor (fig. 50a). När förhållandet Fpodvezice/Fštapa minskar blir Nn mindre, N1 närmar sig S. Sammanfogning av lameller med mycket olika tjocklek (fig. 4b) är inte ändamålsenlig på grund av överbelastning av den första niten.
Fig. 4 - Belastning av nitarna för Fstav > Fstag
Lameller och dragstänger är stela, endast nitarna är elastiska (fig. 5a). Då får alla nitar samma böjning, alla krafter i nitarna måste vara lika stora.
Nitarna stela, endast lamellerna och stagen elastiska (fig. 5b). Eftersom förlängningarna i staven och stagen mellan den första och den sista niten måste vara lika, följer N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, med undantag av N1 = S * x1.
Fig. 5
Den verkliga kraftfördelningen ligger mellan dessa gränsfall. Om belastningen ökar uppstår först en varaktig deformation i de yttersta nitarna, de mest belastade nitarna avlastas och kraftfördelningen blir allt jämnare. Efter uppkomsten av större deformationer närmar sig kraftfördelningen fallet där lameller och förbindelsestag är styva, dvs. krafterna i nitarna är nästan helt lika, i det fall då nitarnas skjuvning är avgörande.
Brottlast: Hur nitarna är fastsatta har praktiskt taget ingen inverkan på τBV. Skjuvhållfastheten τBV för förbandet är i praktiken oberoende av antalet nitar, deras placering och nitförbandets form; brottlasten motsvarar med god approximation en jämnt fördelad belastning på alla nitar. Samma påståenden gäller för övrigt även för vanliga skruvförband, vilket visar att friktionsmotståndet inte har någon väsentlig inverkan på bärförmågan.
Dimensionering: För stålkonstruktioner och centriskt belastade stänger beräknas med jämn fördelning, dvs. per varje nit N = S/n. Eftersom de första nitarna vid långa skarvar redan tidigt blir överbelastade, bör mer än 6 nitar i följd så långt som möjligt undvikas.
Motstånd mot glidning: Glidning i förband förekommer redan vid en relativt liten belastning. Motståndet mot glidning beror i första hand på förspänningskraften, som förändras av många faktorer. Det lämnas obeaktat vid dimensionering av förband med nitar och de hittills vanliga skruvarna. Här hänvisas till förband med höghållfasta skruvar.
Fördelning av krafter i nitar över bredden: Vid lika avstånd mellan nitarna vinkelrätt mot kraftens riktning (fig. 6a), tilldelas de enskilda nitarna lika breda remsor a av tvärsnittet, därför är krafterna i nitarna N = a t σ i första approximation lika stora. Fördelningen vid ojämna nitaravstånd är statiskt obestämd; i fallet på fig. 6b sker den enligt hävstångslagen.
Fig. 6
Dragstång
Fortsättning: Fortsättning med symmetriska hängstag (fig. 3 och 4). Kraften S i stången vid skarven måste bäras endast av hängstaget. Nitarna i skarven bör också dimensioneras för S, eftersom de måste överföra hela kraften från den fortsatta stången till hängstagen.
Skarvar med ensidig täckplåt är förenade med betydande extra böjspänningar i de sammanfogade plåtarna, täckplåtarna och nitarna. Ensidig täckning av skarvar används på grund av de stora deformationerna endast då (sl. 7) när stången är styv i böjning eller när den är sidostödd så att den inte kan böjas.
Fig. 7
Indirekt skarv – När förbandsplåtarna inte kan ligga direkt mot de sammanfogade plåtarna uppstår betydligt större böjspänningar i nitar och plåtar. Därför väljs, beroende på antalet m mellanlager, ett större antal n’ nitar än antalet n vid direkt överlappning av skarvarna.
Fig. 8
Vid sammansatta tvärsnitt fördelas dragstängerna så att lokala spänningshöjningar undviks, därför bestäms de enskilda dragstångsareorna efter arean av den del av tvärsnittet som de täcker, i möjligaste mån med bibehållet tyngdpunktsläge. Fördelningar av dragstångsareor som avviker från detta är förknippade med förändringar i spänningsfördelningen. I fig. 9 visas fortsättningen av den enkelväggiga, i fig. 10 den tvådelade stången med 4 vertikala plåtar och ett liv mellan vinkelprofilerna.
Fig. 9
Fig. 10
Anslutning: För anslutningar av dragstänger gäller i princip samma samband som för skarvning. Försök har visat den stora fördelen med symmetrisk kraftintroduktion. Vid ensidig anslutning uppstår kraftig böjning i längd- och tvärriktningen (fig. 11). Trots betydande extra böjspänningar kan L- och C-stänger som ansluts från en sida nästan utnyttjas fullt ut. En anslutnings bärförmåga kan sjunka till hälften om inga åtgärder vidtas för att utjämna de extra böjmomenten.
Fig. 11
Vid täckning av skarvar ska knutplåtar inte användas, för detta ska särskilda täckplåtar förutses. Anslutningen till knutplåten underlättas när större delen av stångens tvärsnitt faller i knutplåtens plan.
Fig. 12 - Förband med och utan anslutningsvinkel
Tryckt stång
För förlängning och anslutning av tryckta stänger gäller samma principer som för dragna stänger, och även där överförs den totala kraften av nitar och byglar, dvs. utifrån stångens fulla tvärsnittsarea F dimensioneras Fpodvezica och Fs, resp. Fl. Som regel är skarvytorna inte passade. I stålkonstruktioner inom byggnadsindustrin, vid pelare som går genom flera våningar och belastas enbart i tryck, används möjligheten att passera med svagare överlappning av skarvarna. Bärförmågan hos tryckta stänger är uttömd, om inte instabilitet inträffar tidigare, senast när flytgränsen nås, eftersom då stora deformationer uppträder och stången bucklar lateralt. Hål fyllda med nitar har därvid ingen påvisbar inverkan på stångens beteende.
Utmattningshållfasthet hos nitade förband
För utmattningshållfastheten hos nitförband är i första hand de spänningstoppar som uppstår vid hålen avgörande. Utmattningshållfastheten reduceras avsevärt redan av själva hålen. Stavar med öppna hål brister vid utmattningsprov i drag i försvagade tvärsnitt, och utmattningsbrottet börjar med sprickor vid hålkanten som hela tiden fortplantar sig vidare genom tvärsnittet. Därför är släta hål av särskild betydelse. I fig. 13 visas utmattningshållfastheten hos flatstavar vid olika klasser (till höger den högre stålkvaliteten). Vid större förbelastningar σu tål båda materialen utmattningshållfastheter σDz över sträckgränsen. Spänningsamplituden är för båda klasserna ungefär lika.
Fig. 13 - Utmattningshållfasthet σDz
För växlande belastning i drag och tryck på nitförband gäller i grunden liknande samband som för ensidiga belastningar. Det är värt att notera att spänningsamplituden vid växlande belastning är ungefär 1,5 gånger större (fig. 14), men att nitarna under denna belastning uppenbart är mer utsatta än vid ensidig belastning.
Fig. 14 - Utmattningshållfasthet i drag hos nitförband