Śruby i połączenia śrubowe

Model śruby według CBFEM

IDEA StatiCa posiada unikalną metodę w swoim solverze – Component-based Finite Element Method (CBFEM). Model śruby stosowany w CBFEM jest opisany i zweryfikowany zgodnie z kilkoma normami projektowania konstrukcji stalowych. Nośność i zdolność do odkształceń są również porównywane z głównymi programami badań eksperymentalnych.

W metodzie CBFEM (Component-Based Finite Element Method) śruba wraz ze swoim zachowaniem przy rozciąganiu, ścinaniu i docisku jest komponentem opisanym przez zależne nieliniowe sprężyny. Śruba przy rozciąganiu jest opisana przez sprężynę z jej osiową sztywnością początkową, nośnością obliczeniową, inicjalizacją uplastycznienia i zdolnością do odkształceń. Dla inicjalizacji uplastycznienia i zdolności do odkształceń przyjmuje się, że odkształcenia plastyczne występują wyłącznie w gwintowanej części trzonu śruby.

W naszym tle teoretycznym można znaleźć więcej informacji o tym, jak metoda CBFEM opisuje i weryfikuje śruby. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o CBFEM ogólnie, pełne Ogólne tło teoretyczne jest zdecydowanie najlepszym miejscem do rozpoczęcia.

Śruby według norm projektowych

Przyjrzyjmy się, jak CBFEM podchodzi do śrub z punktu widzenia poszczególnych norm projektowych. Do tej pory IDEA StatiCa obsługuje osiem norm projektowych, w których rozwiązywane jest projektowanie i/lub detale śrub i śrub sprężonych. 

Sprawdzenie normowe śrub i śrub sprężonych według Eurokodu

Sztywność początkowa i nośność obliczeniowa śrub przy ścinaniu są w CBFEM modelowane zgodnie z pkt. 3.6 i 6.3.2 w EN 1993-1-8. Sprężyna reprezentująca docisk i rozciąganie ma dwuliniowe zachowanie siła-odkształcenie z sztywnością początkową i nośnością obliczeniową zgodnie z pkt. 3.6 i 6.3.2 w EN 1993-1-8.

Detale 

Sprawdzenie normowe śrub jest wykonywane, jeśli opcja jest wybrana w ustawieniach normy. Sprawdzane są wymiary od środka śruby do krawędzi blachy oraz między śrubami. Odległość od krawędzi e = 1,2 i rozstaw między śrubami p = 2,2 są zalecane w Tabeli 3.3 w EN 1993-1-8. Użytkownicy mogą modyfikować obie wartości w ustawieniach normy.

Sprawdzenie normowe śrub i śrub sprężonych według AISC

Siły w śrubach są wyznaczane metodą elementów skończonych. Siły rozciągające uwzględniają siły podważające. Nośności śrub są sprawdzane zgodnie z AISC 360 – Rozdział J3.

Detale 

Sprawdzany jest minimalny rozstaw między śrubami oraz odległość od środka śruby do krawędzi łączonego elementu. Minimalny rozstaw 2,66-krotności (edytowalny w ustawieniach normy) nominalnej średnicy śruby między środkami śrub jest sprawdzany zgodnie z AISC 360-16 – J.3.3. Minimalna odległość od środka śruby do krawędzi łączonego elementu jest sprawdzana zgodnie z AISC 360-16 – J.3.4; wartości podane są w Tabelach J3.4 i J3.4M.

Sprawdzenie normowe śrub i śrub sprężonych według innych norm

• Sprawdzenie normowe śrub i śrub sprężonych według CISC (Kanada)
• Sprawdzenie normowe śrub i śrub sprężonych według normy chińskiej (GB)
• Sprawdzenie normowe śrub według normy Hong Kong (HKG)
• Sprawdzenie normowe śrub sprężonych według IS 800 (Indie)
• Sprawdzenie normowe śrub i śrub sprężonych według SP (Rosja)
• Sprawdzenie normowe śrub i śrub sprężonych według AS (Australia)

Detale śrub 

Jak ustawić odległości

Odległości od krawędzi stosowane do obliczania nośności na docisk śrub muszą być odpowiednie dla ogólnych geometrii blach, blach z otworami, wycięciami itp.

Algorytm odczytuje rzeczywisty kierunek wypadkowego wektora siły ścinającej w danej śrubie, a następnie oblicza odległości potrzebne do sprawdzenia docisku.

Odległości końcowe (e₁) i krawędziowe (e₂) są wyznaczane przez podział obrysu blachy na trzy segmenty. Segment końcowy jest wskazany przez zakres 60° w kierunku wektora siły. Segmenty krawędziowe są definiowane przez dwa zakresy 65° prostopadle do wektora siły. Najkrótsza odległość od śruby do odpowiedniego segmentu jest następnie przyjmowana jako odległość końcowa lub krawędziowa.

Odległości między otworami na śruby (p₁; p₂) są wyznaczane przez wirtualne powiększenie otaczających otworów na śruby o połowę ich średnicy, a następnie narysowanie dwóch linii w kierunku i prostopadle do wektora siły ścinającej. Odległości do powiększonych otworów na śruby przeciętych przez te linie są następnie przyjmowane jako p₁ i p₂ w obliczeniach.

Przykłady weryfikacyjne

Przygotowaliśmy kilka przykładów weryfikacyjnych do sprawdzenia wyników w porównaniu z innymi metodami obliczeniowymi.

EN

• Połączenie śrubowe – złącza przy ścinaniu
• Połączenie śrubowe – interakcja ścinania i rozciągania
• Złącze ze skosem – projektowanie na nośność

AISC

• Śrubowe połączenie zakładkowe
• Śrubowe połączenie momentowe z blachą półki – LRFD
• Połączenie momentowe z wydłużoną płytą czołową – ASD

Opatentowana technologia dla inżynierów konstruktorów

Czy wiesz, że nasze rozwiązanie modelu śruby jest częścią patentu USA? Przeczytaj tutaj o naszej historii sukcesu. 

 Złącze z jedną śrubą – nasze rozwiązanie 

Czasami inżynier konstruktor musi wykonać złącze z tylko jedną śrubą, szczególnie gdy np. przewidywany jest przegub, stężenie, pręt lub skratowanie. Aby zamodelować i obliczyć tego rodzaju operację, należy zdefiniować odpowiedni Typ modelu elementu. Więcej na ten temat można przeczytać tutaj. 

Śruby, spoiny i sztywność złącza

Zarówno śruby, jak i spoiny mają swoje zalety i wady. Jednym z ważnych aspektów przy wyborze złącza jest jego planowana sztywność. Ogólnie rzecz biorąc, złącze śrubowe nigdy nie jest tak sztywne jak złącze spawane.  Jeśli wybierasz połączenie śrubowe, zalecamy obliczenie sztywności takiego połączenia i uwzględnienie wynikowej sztywności w całej konstrukcji. Możesz przeczytać, jak wygląda takie obliczenie i co za sobą pociąga tutaj, lub obejrzeć to wideo.