uuzyskiwane w trakcie

Transkrypt

1 nowoczesne hale 6/13 Projektowanie Grzegorz Gremza, Jan Zamorowski Politechnika Śląska Nowoczesne połączenia w konstrukcjach stalowych Część III Wybrane zagadnienia wykonania połączeń na śruby uuzyskiwane w trakcie wznoszenia konstrukcji właściwości połączeń montażowych istotnie wpływają na jej wygląd i późniejsze zachowanie się pod obciążeniem. Prawidłowość pracy połączenia zależy od jakości wykonania elementów wysyłkowych i łączników, dokładności montażu oraz zastosowanych rozwiązań projektowych. W artykule ograniczono się do wybranych zagadnień dotyczących przygotowania elementów, ich scalania, stosowanych łączników oraz klas wykonania konstrukcji według normy PN-EN Pominięto natomiast połączenia cierne, klejone, pasowane i ze stali nierdzewnych oraz zabezpieczanie połączeń. Łączniki Jako podstawowe środki złączne w normie [5] wymieniono zestawy śrubowe do połączeń niesprężanych według [8] (określane jako SB) oraz zestawy do sprężania według [9] do [14] (systemy HR/HRC oraz HV). W kraju stosuje się głównie zestawy z sześciokątem zewnętrznym niesprężane zestawy HV. Aby zapewnić powtarzalność uzyskiwanego napięcia trzpienia śruby sprężanej, wprowadzony został obowiązek stosowania zestawów śrubowych przygotowanych i dostarczonych przez jednego producenta, który jest odpowiedzialny za ich prawidłowe działanie. Nie wyklucza się wykorzystania innych rodzajów łączników niż wcześniej wymienione, jeśli uzyskano dokumenty dopuszczające ich stosowanie w konstrukcjach budowlanych. Połączenia z udziałem tych łączników są określane w normie [5] jako specjalne, wymagające sporządzenia specyfikacji opisującej sposób ich wykonania. Wybrane przykłady mniej znanych w Polsce łączników, zarówno podstawowych do stosowania, jak i specjalnych, omówiono w poprzednich numerach Nowoczesnych Hal [1], [2]. O ile podstawowe wytyczne normy [5] są wspólne dla ogółu połączeń, o tyle wymagania szczegółowe dla połączeń specjalnych mogą się różnić, np. w zakresie wielkości i rozmieszczenia otworów w stosunku do połączeń na standardowo stosowane śruby. Klasy wykonania konstrukcji Zakres wymagań dotyczących jakości wykonania konstrukcji (a zatem i połączeń) oraz wymagań stawianych jej wytwórcy, a także zakres stosowanych w warsztacie i na montażu procedur kontrolnych uzależniono w normie [5] od klasy wykonania konstrukcji. Określono cztery takie klasy: od EXC1 (wymagania najniższe, elementy drugorzędne), przez EXC2 i EXC3 do EXC4 (wymagania najwyższe). Dobór klasy wykonania konstrukcji zależy od (tab. 1): Klasy konsekwencji CC1 CC2 CC3 Kategoria użytkowania SC1 SC2 SC1 SC2 SC1 SC2 Kategoria produkcji PC1 EXC1 EXC2 EXC2 EXC3 EXC3 EXC3 PC2 EXC2 EXC2 EXC2 EXC3 EXC3 EXC4 Klasa EXC4 ma zastosowanie do konstrukcji specjalnych w rozumieniu przepisów krajowych lub takich, których zniszczenie groziłoby ekstremalnymi konsekwencjami Tab. 1. Zalecane zależności przy określaniu klas wykonania wg [5] 18

2 Projektowanie nowoczesne hale 6/13 klasy konsekwencji zniszczenia: CC1, CC2 i CC3, kategorii użytkowania: SC1 i SC2, kategorii wytwarzania (produkcji): PC1 i PC2. Klasę wykonania ustala projektant w porozumieniu ze zleceniodawcą z uwzględnieniem opinii kierownika projektu i w miarę możliwości wykonawcy konstrukcji. Wskazówki ułatwiające przyjęcie klasy wykonania wraz z objaśnieniami dotyczącymi przyjęcia kategorii SC1 i SC2 oraz PC1 i PC2 wymienianych w tab. 1 podano w załączniku B do normy [5], zaś wymagania przypisane poszczególnym klasom w załączniku A3. Przykładowo konstrukcja nośna w hali magazynowej znajdującej się na ogrodzonym terenie, na którą nie działają obciążenia dynamiczne (SC1), z kilkunastoma stale pracującymi osobami (CC2), wykonana ze stali S355 i częściowo spawana (PC2), będzie zaliczona do klasy wykonania EXC2. Jeśli projektant nie określił w projekcie klasy wykonania, to zgodnie z [5] wykonawca powinien przyjąć domyślnie klasę EXC2. Klasy konsekwencji, związane ze zróżnicowaniem niezawodności konstrukcji, podawane są również w normach dotyczących konkretnych typów obiektów, np. wież lub kominów. reklama Wykonanie otworów, odchyłki W połączeniach na śruby i sworznie niepasowane stosuje się otwory o średnicach wymienionych w tab. 2 (patrz tabl. 11 w [5]). Odchyłki średnicy w stosunku do średnicy obliczonej jako wartość średnia ze średnic wejściowej i wyjściowej nie powinny przekraczać ±0,5 mm. Tolerancje położenia otworu i grup otworów oraz owalizacji otworów zestawiono w tab. 3 na podstawie załącznika D do [5]. Jest to wybrany fragment wymagań dotyczących odchyłek kształtu, zdefiniowanych w [5] dla różnych elementów konstrukcyjnych w celu ograniczenia wpływu niedoskonałości kształtu na pracę statyczną konstrukcji i jej właściwości użytkowe. W normie [5] rozróżnia się tolerancje podstawowe i funkcjonalne. Tolerancje podstawowe są istotne ze względu na podstawowe kryteria oceny nośności i stateczności całej konstrukcji, natomiast tolerancje funkcjonalne są istotne ze względu na możliwość dopasowania lub wygląd konstrukcji. Nadmierne odchyłki winny być korygowane. Zgodnie z [5], jeżeli w projekcie nie ustalono klasy tolerancji, to o ile nie podano inaczej, przyjmuje się klasę 1, natomiast w odniesieniu do fragmentów konstrukcji, z którymi łączy się elewację szklaną, przyjmuje się klasę 2. Od klasy tolerancji zależą dopuszczalne wartości odchyłek. Otwory mogą być wykonywane w dowolny sposób, np. przez wiercenie, wykrawanie, wycinanie laserem, plazmą lub inną metodą. Dopasowanie wszystkich otworów powinno umożliwiać swobodne wprowadzenie łącznika pod kątem prostym do płaszczyzny łączonych elementów, a twardość miejscowa i jakość powierzchni otworów powinny odpowiadać takim samym wymaganiom, jakie stawia się powierzchniom po cięciu. Przed złożeniem części należy usunąć grat i zadziory, które mogą uniemożliwić przyleganie elementów. Szczególną uwagę poświęca się w [5] otworom wykrawanym (przebijanym na dziurkarce). Ich stosowanie jest dopusz- 19

3 nowoczesne hale 6/13 Projektowanie Średnica nominalna śruby lub sworznia d (mm) i więcej Otwory okrągłe normalne a) d + 1 b) c) d + 2 d + 3 Otwory okrągłe powiększone d + 3 d + 4 d + 6 d + 8 Otwory owalne krótkie d) d + 4 d + 6 d + 8 d + 10 Otwory owalne długie d) 1,5 d a) W konstrukcjach wież i masztów prześwit w otworach normalnych powinien być zmniejszony o 0,5 mm. b) Dla łączników powlekanych prześwit nominalny 1 mm może być zwiększony o grubość powłok łącznika. c) Śruby o nominalnej średnicy 12 mm i 14 mm oraz śruby ze łbem wpuszczanym mogą być także stosowane w otworach z prześwitem 2 mm, w warunkach określonych w PN-EN [1]. d) Prześwit nominalny na szerokości otworów owalnych powinien być taki sam, jak prześwit zdefiniowany dla otworów okrągłych normalnych. Tab. 2. Średnice otworów (mm) na łączniki niepasowane w konstrukcjach stalowych wg [5] Kryterium/Parametr Rysunek Tolerancja podstawowa Tolerancje funkcjonalne Klasy 1 Klasy 2 Położenie otworu na łącznik/przesunięcie Δ osi pojedynczego otworu względem jego nominalnego położenia w grupie Δ ± 2 mm Δ ± 2 mm Δ ± 1 mm Położenie otworu na łącznik względem brzegu/odchyłka Δ odległości a między osią otworu a brzegiem swobodnym - Δ = 0 (nie określa się odchyłki dodatniej) - Δ = 0 +Δ 3 mm - Δ = 0 +Δ 2 mm Położenie grupy otworów/odchyłka położenia Δ grupy od jej położenia nominalnego Δ ± 2 m m Δ ± 2 mm Δ ± 1 mm Rozstaw grupy otworów/odchyłka Δ osiowego rozstawu c grup otworów Δ ± 5 mm (Δ ± 2 mm)* Δ ± 2 mm (Δ ± 1 mm)* Obrót osi grupy otworów/odchyłka Δ będąca miarą obrotu Nie określa się Δ ± 2 mm (Δ ± 4 mm)** Δ ± 1 mm (Δ ± 2 mm)** Owalność otworów/δ = L 2 - L 1 Δ ± 1 mm Δ ± 0,5 mm *Gdy dwie grupy łączników służą do łączenia jednego elementu, **gdy wysokość elementu h > 1000 mm Tab. 3. Dopuszczalne odchyłki położenia otworów na śruby i ich owalizacji czalne, jeżeli grubość materiału jest nie większa niż nominalna średnica otworu d o lub najmniejszy wymiar otworu owalnego. W elementach klas EXC3 i EXC4 w materiale o grubości powyżej 3 mm należy wykrawać otwory o średnicy minimum 2 mm mniejszej od nominalnej, a następnie rozwiercać je do nominalnej średnicy. Otwory owalne mogą być wykonane w jednej operacji wykrawania bądź przez wiercenie lub wykrawanie dwóch otworów i wykończenie otworu cięciem termicznym, zaś w przypadku elementów cienkościennych za pomocą 20

4 reklama Rys. 1. Dopuszczalne zniekształcenie otworów według PN-EN kolejnego wykrawania albo łączenia wyrzynarką. Otwory części stykających się powinny być wykrawane w tym samym kierunku. Dopuszcza się ograniczone zniekształcenia otworów wykrawanych lub wycinanych plazmowo (rys. 1). Montaż połączeń niesprężanych W trakcie scalania elementów śruba powinna lekko wprowadzać się do otworu, a jej oś powinna pozostawać prostopadła do łączonych elementów. Zestawy śrubowe, w których nakrętka nie obraca się swobodnie na trzpieniu śruby, należy uznać za wybrakowane. W połączeniach z otworami normalnymi podkładka nie jest wymagana. Gdy się ją stosuje (np. w celu ochrony powłoki na łączonych elementach), zakłada się ją po stronie dokręcanej. Dociągania elementów w celu dopasowania otworów można dokonywać pod warunkiem, że ich owalizacja mieścić się będzie w ramach tolerancji funkcjonalnych klasy 1 lub 2, odpowiednio dla klas EXC1 i EXC2 oraz EXC3 i EXC 4 (por. tab. 3). W przypadku przeciwnym otwory należy skorygować przez ich rozwiercanie. W gotowym połączeniu długość wystającej części śruby, mierzona od lica nakrętki do końca trzpienia, a także ta mierzona pomiędzy powierzchnią docisku nakrętki a wybiegiem gwintu, powinna wynosić co najmniej jeden zwój. Długość niegwintowanej części trzpienia śruby pracującej w połączeniu ścinanym powinna być specyfikowana w projekcie. Części łączone należy dociskać aż do uzyskania szczelnego przylegania, przy czym można stosować przekładki wyrównujące o grubości min. 2 mm, w liczbie 3. Przyjmuje się, że niezbędny docisk można uzyskać, dokręcając śrubę siłą jednej ręki zwykłym kluczem (bez przedłużenia) lub momentem, przy którym klucz pneumatyczny zaczyna trzaskać. Gdy nie jest wymagana szczelność połączenia, to w przypadku elementów z blach o grubości powyżej 4 mm i z kształtowników o grubości ścianek powyżej 8 mm dopuszcza się lokalne szczeliny na krawędziach, nawet do 4 mm, o ile uzyskano pełny docisk w środkowej części połączenia. Wszystkie połączenia niesprężane sprawdza się wizualnie po osadzeniu łączników i lokalnym dopasowaniu konstrukcji, zwracając uwagę na: kompletność łączników, przyleganie łba i nakrętek do łączonych elementów, klasę śrub i nakrętek, przyleganie łączonych części. Gdy różnica grubości blach w połączeniu z obustronnymi nakładkami w stosunku do nominalnej jest większa od 2 mm,

5 nowoczesne hale 6/13 Projektowanie to połączenie należy wykonać ponownie. Gdy podczas dokręcania stwierdzono niekompletny zestaw śrub, połączenie sprawdza się ponownie pod względem dopasowania, po osadzeniu śrub brakujących. Sprężanie śrub W normie [5] podano wymagania dotyczące sprężania połączeń następującymi metodami: kontrolowanego momentu, kombinowaną, stanowiącą kombinację metody kontrolowanego obrotu nakrętki i metody kontrolowanego momentu, DTI (bezpośrednich wskaźników napięcia, podkładek sygnalizujących [1]), HRC (przy zastosowaniu śrub ze zrywaną końcówką trzpienia [1]). Z wymienionych metod najpopularniejsza w Polsce jest metoda kontrolowanego momentu. Zgodnie z [5] w metodzie tej moment dokręcenia zestawu sprężanego przez obrót nakrętki powinien być obliczany według wzoru (1), w którym d średnica łącznika, F p,c nominalna wartość minimalnej siły sprężenia: M r = k m df p,c (1) Współczynnik k m we wzorze (1) powinien być określany zgodnie z normami wyrobów i podawany przez producenta. Dla zestawów dokręcanych w inny sposób niż przez obrót nakrętki należy przeprowadzić dodatkowe badania. Sposób określania współczynnika k m omówiono np. w [3]. W praktyce producenci i dystrybutorzy zestawów śrubowych ograniczają się zazwyczaj do podania zalecanych wartości momentu dokręcania dla konkretnego typu zestawu, dlatego współczynnik k m ma na razie ograniczone zastosowanie. Warto zauważyć, że w polskich normach wykonawczych PN-B [6], [7] również podawano wartości momentów dokręcania, z podziałem na zestawy śrubowe smarowane pastą molibdenową, smarem grafitowym i olejone. Obecnie wartości te mają charakter jedynie orientacyjny. Sprężanie rozpoczyna się po wstępnym dokręceniu śrub i lokalnym dopasowaniu konstrukcji oraz wizualnym sprawdzeniu połączenia. Pozostałe przed sprężeniem szczeliny nie powinny przekraczać w żadnym miejscu 2 mm. Podkładki ze ścięciem powinny być ułożone ścięciem od strony nakrętki i łba. W połączeniach sprężanych ze śrubami klasy 8.8 stosuje się jedną podkładkę od strony dokręcanej. W przypadku śrub klasy 10.9 należy stosować dwie podkładki, pod łeb i nakrętkę. Liczba zwojów gwintu pod nakrętką powinna wynosić co najmniej cztery. Gdy różnica grubości blach w połączeniu z obustronnymi nakładkami w stosunku do nominalnej jest większa od 1 mm, to połączenie należy wykonać ponownie. Szczegółowy zakres kontroli procesu dokręcania i samych narzędzi jest zróżnicowany w zależności od metody sprężania i od klasy konstrukcji. Rys. 2. Kolejność dokręcania śrub w połączeniu zakładkowym (1 cykl) Rys. 3. Kolejność sprężania śrub w połączeniu doczołowym według [4] Kolejność dokręcania śrub Stosując właściwą kolejność dokręcania śrub, łatwiej uzyskuje się odpowiedni docisk części i korzystny rozkład napięć poszczególnych śrub. Jest to istotne zwłaszcza w połączeniach sprężanych, gdyż kolejność dokręcania śrub wpływa na uzyskiwany poziom obciążenia w chwili rozwarcia się styku doczołowego lub wystąpienia wzajemnego poślizgu łączonych części w styku zakładkowym. W połączeniach tych oznacza to osiągnięcie stanu granicznego nośności lub użytkowalności. Dokręcanie należy rozpoczynać od najbardziej sztywnej części połączenia [5]. W połączeniach zakładkowych zazwyczaj będą to śruby w środku grupy (rys. 2). W połączeniu doczołowym dokręcanie należy rozpocząć od śrub w najbardziej usztywnionym fragmencie blachy. Jeżeli sztywność dwóch obszarów jest podobna, rozpoczyna się od śrub po tej stronie, która będzie bardziej rozciągana po obciążeniu konstrukcji. Kolejność jak na rys. 3 pozwala na wyrównanie wstępnie wprowadzonych sił wewnętrznych w poszczególnych szeregach śrub zarówno w połącze- 22

6 Projektowanie nowoczesne hale 6/13 niach sprężanych, jak i niesprężanych oraz na zapewnienie szczelności na jego brzegach. Korygowanie połączeń Przy wystąpieniu szczelin większych niż dopuszczalne należy zastosować odpowiednio dopasowane przekładki. Liczba tych przekładek w jednym miejscu nie może być większa niż trzy. W razie potrzeby położenie przekładek można ustabilizować za pomocą spoin. Przy korygowaniu niezgodności otworów zaleca się rozwiercanie lub frezowanie. Otwory, których wydłużenie i korygowanie jest niedopuszczalne, powinny być zidentyfikowane (np. otwory na śruby pasowane). Dopasowywane otwory mogą być akceptowane pod względem powiększenia i owalizacji, pod warunkiem sprawdzenia prawidłowości przekazania obciążeń. Podsumowanie Przedstawiono trzeci artykuł z zakresu połączeń konstrukcji stalowych na łączniki mechaniczne. Obejmuje on wybrane zagadnienia związane z wykonywaniem i kontrolą niesprężanych i sprężanych połączeń na śruby. Szerszy zakres zagadnień dotyczący tej problematyki przedstawiony jest w normie PN-EN [5]. q Piśmiennictwo 1. Gremza G., Zamorowski J.: Nowoczesne połączenia w konstrukcjach stalowych. Część 1. Wybrane połączenia na śruby i śrubonity. Nowoczesne Hale, nr 1/2012, s Gremza G.: Nowoczesne połączenia w konstrukcjach stalowych. Część 2. Łączenie elementów przy jednostronnym dostępie. Nowoczesne Hale, 3/2012, s Łaguna J.: Nowe wymagania dotyczące śrub w konstrukcjach stalowych. Inżynier Budownictwa, wrzesień 2007, s Biegus A.: Połączenia śrubowe. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa PN-EN : Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Część 2. Wymagania dotyczące konstrukcji stalowych. 6. PN-B-06200:1997: Konstrukcje stalowe budowlane. Warunki wykonania i odbioru. Wymagania podstawowe. 7. PN-B-06200:2002/Ap1:2005 Konstrukcje stalowe budowlane. Warunki wykonania i odbioru. Wymagania podstawowe. 8. PN-EN :2008: Zestawy śrubowe do połączeń niesprężanych. Część 1: Wymagania ogólne. 9. PN-EN : Zestawy śrubowe wysokiej Część 3: System HR. Zestawy śruby z łbem sześciokątnym i nakrętki sześciokątnej. 10. PN-EN : Zestawy śrubowe wysokiej Część 4: System HV. Zestaw śruby z łbem sześciokątnym i nakrętki sześciokątnej. 11. PN-EN : Zestawy śrubowe wysokiej Część 7: System HR. Zestaw śruby z łbem stożkowym i nakrętki. 12. PN-EN : Zestawy śrubowe wysokiej Część 8: System HV. Zestaw śruby pasowanej z łbem sześciokątnym i nakrętki sześciokątnej. 13. PN-EN :2009: Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 9: System HR lub HV. Zestawy śruby i nakrętki z bezpośrednim wskaźnikiem napięcia. 14. PN-EN :2009: Zestawy śrubowe wysokiej Część 10: System HRC. Zestawy śruby i nakrętki z kalibrowanym sprężaniem. reklama 23