Połączenia śrubowe

Wprowadzenie

W istocie połączenia śrubowe przenoszą siły z jednego lub kilku elementów na inne elementy i dalej na fundamenty. Realizują to poprzez docisk, rozciąganie i niekiedy tarcie. Nadają się do niemal każdego rodzaju złącza. Jednak w większości przypadków wynikowa sztywność złącza nie jest ponownie weryfikowana w ramach ogólnego projektu, co czasem nie powinno być pomijane. Śruby są dostępne w różnych rozmiarach (patrz poniżej) i klasach (materiał śruby), w zależności od normy i regionu. W niektórych krajach (niezbyt odległych) stosuje się zarówno wymiary metryczne, jak i calowe – co bywa mieczem obosiecznym! Jak sam odkryłem, istnieją aplikacje na smartfony i filmy na YouTube, które pomagają projektantom i inżynierom...

Wracając do moich zajęć z konstrukcji, jednym z pierwszych połączeń, które analizowaliśmy, było „proste" połączenie śrubowe zaczerpnięte z przykładowej stalowej ramy portalowej. Żeby pokazać, jak dawno to było – używaliśmy ołówka i papieru milimetrowego! Obliczenia, które z tego wynikały, nie zajmowały więcej niż jedną stronę formatu A4.

Jak wiele się zmieniło!

W tamtych wczesnych latach nie mogłem sobie wyobrazić zmian w metodach i podejściu – ale to temat na inny dzień i inny artykuł.

Połączenia śrubowe

Palące pytanie brzmi: czy połączenie śrubowe można kiedykolwiek uznać za „proste", mimo że często jest tak opisywane? Połączenia są skomplikowane (czy nam się to podoba, czy nie) i wymaga inżyniera, który je rozumie i projektuje. Istnieją oczywiście „proste" formy i tak – połączenia nadal można projektować i sprawdzać metodami tradycyjnymi, zdecydowanie tak, i od tego powinien zaczynać każdy inżynier zajmujący się połączeniami, ale czy istnieje lepszy sposób?

Istnieje kilka sposobów realizacji projektów, jednak wiele opcji nadmiernie upraszcza ten proces, dopuszczając wąski zakres stosowalności lub pomijając kluczowe efekty – jednym z największych problemów jest nadal poleganie na siłach obwiedniowych i niejednoczesnych efektach obciążeń.  Czy to uproszczenie, którego naprawdę powinniśmy unikać? Prawdopodobnie tak! Wiele firm przyjęło zestaw arkuszy kalkulacyjnych, ale rodzi to również obawy dotyczące weryfikacji i ich aktualizacji.

Pamiętam też wpisywanie reakcji podporowych na rysunku opartych wyłącznie na ścinaniu i jednej kombinacji obciążeń – zawsze z myślą o tym, że wytwórnia stalowa zaprojektuje połączenie :-). Te czasy zdecydowanie minęły. Jednak zbyt wielu inżynierów próbuje trzymać się starych metod i łączyć stare podejście z nowoczesnymi normami i metodami – co skutkuje słabymi, nieefektywnymi, przewymiarowanymi połączeniami.

Zalety i wady połączeń śrubowych

Połączenia śrubowe są świetne, ponieważ są stosunkowo łatwe do montażu, konserwacji i kontroli. Mogą jednak nie być tak tanie w wykonaniu, jak się wydaje – generują więcej materiału, wymagają otworów na śruby (co kosztuje więcej) i powodują większe koncentracje naprężeń. Mogą też prowadzić do problemów na budowie (mówię z doświadczenia), gdy do belki dostarczane są niewłaściwe śruby (lub brak śrub). W niektórych sytuacjach mogą dawać projektantowi pewien komfort, ponieważ w połączeniu śrubowym (jeśli jest wykonane prawidłowo) zazwyczaj istnieje pewna dodatkowa nośność. Jednak żadne połączenie nie jest niezawodne! Wiele awarii przypisano wadliwym szczegółom śrubowym – śruby wkładane odwrotnie lub nieprawidłowy zestaw śrubowy dla zamierzonego zastosowania. Dlatego bardzo ważne jest uwzględnienie zasad detalizacji, a wszelkie szczególne wymagania powinny być odnotowane na rysunkach/dokumentacji produkcyjnej i montażowej.

Próba uproszczenia procesu poprzez wybór „prostego" połączenia może często skutkować droższym złączem w wykonaniu.  Być może nadszedł czas, aby bardziej niż koszty projektowania uwzględniać koszt materiału i emisję CO₂...

Z drugiej strony, im bardziej skomplikowane stają się połączenia śrubowe – czy to ze względu na geometrię, czy na przyłożone obciążenia, lub jedno i drugie – tym trudniejsze staje się ich projektowanie i sprawdzenie normowe. Proste podejście, polegające ewentualnie na rozkładaniu skomplikowanego połączenia na prostsze części, nie zadziała.

Pułapki projektowe

Przy projektowaniu połączenia może pojawić się wiele potencjalnych problemów, ale zdecydowanie najczęściej zgłaszanym na naszym helpdesku są „zaskakujące" siły rozciągające w śrubach, gdy żadna taka siła nie jest przykładana do śruby.

Skąd pochodzą te siły rozciągające i naprężenia rozciągające? Odsyłam do zapoznania się z siłami podważającymi wynikającymi z podatnych płyt w projektowanym złączu. Mogą one być niekiedy bardziej niekorzystne niż składowe sił ścinających! Na marginesie: jeśli chcesz zobaczyć, jak mogą one wpływać na projekt, spróbuj zwiększyć materiał stalowy o kilka rzędów wielkości, a (jeśli robisz to stopniowo) zobaczysz, że wraz ze zmniejszaniem się podatności siły w śrubach zmierzają ku „oczekiwanemu" wynikowi.

Innym aspektem połączeń śrubowych, który może wystąpić, jest konieczność stosowania połączeń odpornych na poślizg lub śrub sprężonych. Wpływa to nie tylko na podejście projektowe, ale również na roboty budowlane. Badanie i certyfikacja takich śrub na budowie jest problematyczna i kosztowna. Jako młody inżynier byłem uczony, aby unikać ich w miarę możliwości – zastanawiam się dlaczego?

Śruba zazwyczaj przechodzi przez otwór na śrubę.  Otwory te nazywane są otworami z luzem montażowym.  Wraz ze wzrostem średnicy śruby rośnie również średnica otworu z luzem (lub powinna rosnąć).  Ponadto, jeśli stosowane jest wykończenie powierzchni lub przygotowanie powierzchni, luzy powinny być zwiększone – dobrym przykładem jest tu cynkowanie ogniowe.

Na początku tego artykułu wspomniałem o podejściu, od którego zaczynałem – reakcja podporowa z prostej kombinacji obciążeń, zazwyczaj z współczynnikiem i zaokrąglona w górę. Mogło to być nawet zestawione tabelarycznie na podstawie rozmiaru elementu i jego nośności. Podejście to jest nadal stosowane w wielu krajach i może prowadzić do problemów w projektowaniu połączeń. Problem polega na zachowaniu równowagi: między inżynierią a wynikającymi z niej detalami. Projektowanie konstrukcji ewoluowało i podobnie oprogramowanie do tego służące. Można wręcz argumentować, że konstrukcja nie może być (efektywnie) zaprojektowana bez oprogramowania. Jak najlepiej wykorzystać całe to oprogramowanie do modelowania i projektowania połączeń śrubowych?

Podejście CBFEM

Jak w IDEA StatiCa wykorzystujemy technologię stojącą za CBFEM?  Metodologia ta jest wbudowana w IDEA StatiCa Connection. Śruby są traktowane jako zależne nieliniowe sprężyny. Pozwala to na modelowanie, obliczanie i sprawdzenie normowe dowolnej geometrii połączenia przy dowolnym obciążeniu. Dodatkowo można sprawdzać stateczność i inne efekty – w końcu jest mało prawdopodobne, że „proste" podejście będzie wystarczające!

Jednym z często przytaczanych argumentów jest to, że jest to podejście „strzelania z armaty do wróbla". Jednak w ostatnich wersjach ułatwiamy jeszcze bardziej modelowanie i projektowanie prostych połączeń, wykorzystując sztuczną inteligencję, programowanie wizualne i ulepszenia API, używając mocy naszych komputerów do obniżenia kosztów finansowych i emisji CO₂ przy prostych połączeniach.

Do tego dochodzi możliwość wyodrębniania efektów obciążeń/połączeń z kilku wiodących rozwiązań MES/BIM od dostawców takich jak Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek itp., co realnie wpływa na efektywność i dokładność, ponieważ efekty obciążeń lub samo połączenie są przekazywane do IDEA Connection za pośrednictwem Checkbot – swoistego centrum bezproblemowej wymiany informacji między różnymi rozwiązaniami.

IDEA StatiCa Connection to najlepsze z obu światów! Zapewni dokładne, weryfikowalne wyniki, które można poddać sprawdzeniu normowemu.

Jedno jest pewne – nigdy więcej nie będę traktował połączenia śrubowego jako prostego!