Стиком називають з’єднання, що служать для подовження або збільшення. Стики потрібні, наприклад, тому що наявні прокатні довжини або ширини листів є недостатніми; під час монтажу вони потрібні через обмеження розмірів і маси окремих елементів, що транспортуються. Підв’язками називають листи, які перекривають перерву в стику. Усі інші з’єднання, особливо ті, що між стержнями решітки різних напрямків і балками в різних площинах, позначаються як приєднання.
У звичайних стиках підв’язки та заклепки стиків розраховують на повне зусилля. Відтак у нормальному стику не вимагається, щоб поверхні стиків торкалися одна одної.
Головною сферою застосування розтягнутих і стиснутих стрижнів (це справжні стрижні, навантажені переважно нормальними силами) є ґратчасті конструкції. Розглянуті в цьому розділі питання не беруть до уваги небезпеку втрати стійкості стиснутих стрижнів. Насамперед буде розглянуто статичну міцність.
Віднімання отворів у розтягнутих стержнях
Несуча здатність: Напружений стан у розтягнутому стрижні значно локально змінюється через отвори. В області пропорційності розподіл напружень відповідає ослабленому перерізу (рис. 1). Найбільше поздовжнє напруження в прямокутному стрижні за А. Геннінгом:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Рис. 1 - Поздовжні та поперечні напруження у просвердленому стрижні а) за А. Henning-ом; b) за M. Rudeloff-ом
У граничному випадку d/b = 0 дуже широких ламелей виходить, отже, maxσ = 3σm і для випадку, показаного на рис. 1a, d/b = 1/3 є maxσ = 2,42 σm. Окрім поздовжнього напруження, існують також поперечні та зсувні напруження. Найбільше напруження — на обвідній отвору. Там виникають перші незворотні деформації, тобто піки напружень розкладаються і відбувається вирівнювання напружень по перерізу. Помітні незворотні деформації в області отворів виникають лише тоді, коли середнє напруження σm у ослабленому перерізі перевищує межу текучості σFO. Загальна дилатація стрижня при SF = Fm * σF лише незначно більша, ніж у стрижня без отворів. (Fm — площа найслабшого перерізу)
Під час випробувань на розтяг із заклепаними стрижнями руйнування завжди відбувається в ослаблених перерізах. Навантаження при руйнуванні за звичайних умов достатньо точно SB = Fn * σB. Випробування на розрив розтягнутих стрижнів із відкритими отворами показали схеми руйнувань як на рис. 2.
Рис. 2 - Схеми руйнування розтягнутих стрижнів
У дослідах із заклепковими з’єднаннями було показано, що накладки з одним рядом заклепок мають меншу міцність, ніж накладки з кількома рядами заклепок один за одним. Відповідно середнє напруження при руйнуванні σB у корисному перерізі становило:
Методика підбору перерізу для розтягнутих стрижнів: За звичайним способом розрахунку для середнього напруження розтягу має виконуватися σm = S/Fm ≤ dozσ і це в усіх визначальних перерізах Fm. Віднімання отворів визначають для прямого перерізу з найбільшою кількістю отворів, і може статися, що ламаний переріз із більшою кількістю отворів дає менше значення Fm (рис. 2). У цьому сенсі для прокатних профілів Fm обчислюють з розгорткою. Для складених перерізів чинять так само.
Співвідношення Fm/F зазвичай лежить між 0,8 і 0,9, тобто втрата на отвори ΔF = F – Fm становить 10% до 20% всього перерізу F стрижня. У великих конструкціях ΔF сильно впливає на вагу, тому варто знаходити перерізи з меншими втратами на отвори.
Деформації: Пружне видовження розтягнутих стрижнів з отворами ледь більше, ніж у порівнюваних неперфорованих стрижнів. Загальне видовження стиків майже таке саме, як і в продовжених ламелях. Тому для розрахунку деформацій сталевих конструкцій достатньо визначати пружні видовження для значень E і F ненаслаблених стрижнів. Безпека проти текучості у стрижнів із ослабленням вища, ніж, наприклад, у стиснутих стрижнів.
Розподіл сил у заклепках
Мал. 3
Розподіл сили S у стержні на окремі заклепки з’єднання залежить від його пружних властивостей, він є “статично невизначеним”. У випадку рис. 3 розподіл N1, N2, … залежить від деформації заклепок і з’єднаних листів, він змінюється зі співвідношенням Fподвязицы/Fстержня. За Fподвязицы ≠ Fстержня крайні сили в заклепках уже не є однаково великими (рис. 50a). Зі зменшенням відношення Fподвязицы/Fстержня стає Nn меншим, N1 наближається до S. З’єднання ламелей дуже різної товщини (рис. 4b) недоцільне через перевантаження першої заклепки.
Рис. 4 - Навантаження заклепок для Fстрижень > Fпідв’язки
Планки й підв’язки жорсткі, лише заклепки пружні (рис. 5a). Тоді всі заклепки отримують однаковий вигин, усі сили в заклепках мають бути однаковими.
Заклепки жорсткі, лише ламіелі та підв’язки еластичні (рис. 5b). Оскільки видовження в стрижні та підв’язках між першою і останньою заклепкою мають бути однаковими, то випливає N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, за винятком N1 = S * x1.
Мал. 5
Справжній розподіл сил лежить між цими граничними випадками. Якщо навантаження збільшується, спочатку у крайніх заклепках виникає постійна деформація, найбільш навантажені заклепки розвантажуються і розподіл сил стає дедалі рівномірнішим. Після появи більших деформацій розподіл сил наближається до випадку, коли ламелі та зв’язки жорсткі, тобто сили в заклепках майже всі однакові, у випадку, якщо визначальним є зсув заклепок.
Навантаження при руйнуванні: Спосіб заклепування заклепок майже не впливає на τBV. Міцність на зсув τBV з’єднання практично не залежить від кількості заклепок, їхнього розташування, форми заклепаного з’єднання; навантаження при руйнуванні у доброму наближенні відповідає рівномірному навантаженню всіх заклепок. Ті самі твердження, між іншим, справедливі й для звичайних болтових з’єднань, звідки можна зробити висновок, що опір ковзанню не має істотного впливу на несучу здатність.
Розрахунок: Для сталевих конструкцій і центрально навантажених стержнів розрахунок ведуть за рівномірним розподілом, тобто на кожне заклепування N = S/n. Оскільки при довгих стиках перші заклепки вже рано перевантажуються, то більше ніж 6 заклепок підряд по можливості уникають.
Опір ковзанню: ковзання в з’єднаннях виникає вже за відносно малого навантаження. Опір ковзанню насамперед залежить від сили затягування, яка змінюється під впливом багатьох чинників. Його не враховують при розрахунку з’єднань на заклепках і досі поширених болтах. Звертається увага на з’єднання на високоміцних болтах.
Розподіл сил у заклепках за шириною: При однакових відстанях між заклепками, перпендикулярно до напряму сили (рис. 6a), окремим заклепкам відповідають смуги перерізу однакової ширини a, отже, у першому наближенні сили в заклепках N = a t σ є однаково великими. Розподіл за нерівномірних відстаней між заклепками є статично невизначеним; для випадку на рис. 6b він здійснюється за законом важеля.
Мал. 6
Натягнутий стрижень
Продовження: Продовження з симетричними підв’язками (рис. 3 і 4). Силу S у стрижні в місці продовження має нести лише підв’язка. Заклепки в продовженні слід так само розраховувати за S, бо вони мають передати всю силу з подовженого стрижня в підв’язки.
Стики з однобічною накладкою пов’язані зі значними додатковими напруженнями згину в з’єднаних листах, накладках і заклепках. Однобічне перекриття стиків через великі деформації застосовують лише тоді (рис. 7) коли стрижень жорсткий на згин або коли він збоку закріплений так, що не може вигнутися.
Мал. 7
Проміжне стикування – Коли стяжки не можуть лежати безпосередньо на з’єднаних листах, заклепки й листи зазнають значно більших напружень згину. Тому залежно від кількості m проміжних шарів вибирають більшу кількість n’ заклепок, ніж число n при безпосередньому перекритті стиків.
Сл. 8
У складених перерізах підв’язки розміщують так, щоб уникнути локальних підвищень напружень, тому окремі площі підв’язок визначають відповідно до площі частини перерізу, яку вони покривають, за можливості з дотриманням положення центра тяжіння. Розподіли площ підв’язок, що відхиляються від цього, пов’язані зі змінами розподілу напружень. На рис. 9 показано продовження одностінного, на рис. 10 двочастинного стрижня з 4 вертикальними листами і однією полицею між кутиками.
Рис. 9
Мал. 10
Приєднання: Для приєднань розтягнутих стрижнів у основному діють ті самі залежності, що й для нарощування. Досліди показали велику перевагу симетричного введення сили. За однобічного приєднання виникає значний згин у поздовжньому та поперечному напрямах (рис. 11). Попри значні додаткові напруження згину, можна майже повністю використовувати й однобічно приєднані L- та C-стрижні. Несуча здатність одного приєднання може знизитися наполовину, якщо не вжито заходів для зрівноваження додаткових моментів згину.
Мал. 11
Для перекриття стиків не слід брати вузлові листи, для цього треба передбачити спеціальні накладки. Приєднання до вузлового листа полегшується, коли більша частина перерізу стрижня потрапляє в площину вузлового листа.
Рис. 12 - З’єднання з приєднувальним кутником і без нього
Стиснутий стрижень
Для подовження і стикування стиснутих стрижнів діють ті самі принципи, що й для розтягнутих стрижнів, і в них загальна сила передається заклепками та накладками, тобто відповідно до повної площі F стрижня розраховують Fнакладки і Fs, або Fl. Як правило, поверхні стиків не прилягають точно. У сталевих конструкціях будівель, у колонах, що проходять через кілька поверхів і навантажені лише стиском, застосовується можливість проходження з меншим перекриттям стиків. Несуча здатність стиснутих стрижнів вичерпана, якщо до того не настануть випадки нестійкості, найпізніше з досягненням межі текучості, бо тоді виникають значні деформації і стрижень втрачає стійкість убік. Отвори, заповнені заклепками, при цьому не мають жодного такого впливу на поведінку стрижня, який можна було б встановити.
Міцність заклепаних з’єднань на втомне руйнування
Для втомної міцності заклепаних з’єднань насамперед визначальними є піки напружень, що виникають на отворах. Втомна міцність уже самим наявністю отворів значно знижується. Стрижні з відкритими отворами ламаються під час випробування на втому при розтягу в ослаблених перерізах, причому втомне руйнування починається з тріщин на краю отвору, які постійно дедалі далі поширюються через переріз. Тому гладкі отвори мають особливе значення. На рис. 13 подано втомну міцність плоских стрижнів за різних класів (праворуч — вищий клас сталі). За більших попередніх навантажень σu обидва матеріали витримують втомну міцність σDz вище межі текучості. Амплітуда напружень для обох класів приблизно однакова.
Рис. 13 - Втомна міцність σDz
Для змінного навантаження на розтяг і стиск заклепкових з’єднань загалом діють подібні залежності, як і для однозначних навантажень. Варто зазначити, що амплітуда напруження під змінним навантаженням приблизно у 1,5 разів більша (рис. 14), але заклепки під цим навантаженням суттєво більше піддаються небезпеці, ніж під однозначним навантаженням.
Рис. 14 - Міцність заклепаних з’єднань на втому при розтягу