Šroubované přípoje

Úvod

Šroubované přípoje v podstatě přenášejí síly z jednoho nebo více prvků do jiných prvků a dále do základů. Činí tak prostřednictvím otlačení, tahu a příležitostně tření. Jsou vhodné pro téměř jakýkoli typ styčníku. Výsledná tuhost styčníku však ve většině případů není v celkovém návrhu znovu posuzována, což by někdy nemělo být přehlíženo. Šrouby jsou dostupné v různých velikostech (viz níže) a pevnostních třídách (materiál šroubu), v závislosti na normě a regionu. V některých zemích (ne příliš vzdálených) mají přístup jak k metrickým, tak k imperiálním rozměrům – což může být někdy dvojsečná zbraň! Jak jsem také zjistil, existují aplikace pro chytré telefony a videa na YouTube, které pomáhají projektantům a inženýrům...

Když se vrátím ke svým hodinám stavebních konstrukcí, jedním z prvních přípojů, které jsme řešili, byl „jednoduchý" šroubovaný přípoj převzatý z příkladu ocelového portálového rámu. Abych ukázal, jak dávno to bylo – používali jsme tužku a milimetrový papír! Výpočty, které z toho vzešly, nepřesáhly jednu stranu papíru formátu A4.

Jak se věci změnily!

V těch raných dobách jsem si nikdy nedokázal představit změny v metodách a přístupech – ale to je jiné téma, na jiný den a jiný článek.

Šroubované styčníkové přípoje

Klíčová otázka zní: může být šroubovaný přípoj někdy považován za „jednoduchý", přestože je tak často označován? Přípoje jsou složité (ať se nám to líbí nebo ne) a jejich pochopení a návrh vyžaduje inženýra. „Jednoduché" formy samozřejmě existují a ano – přípoje lze stále navrhovat a posuzovat tradičními metodami, zcela jistě, a zde by měl každý inženýr zabývající se přípoji začít svou cestu, ale existuje lepší způsob?

Existuje několik způsobů, jak provádět návrhy, ale mnoho možností proces nadměrně zjednodušuje tím, že umožňuje pouze úzké okno použitelnosti nebo ignoruje klíčové účinky – jedním z největších problémů je stále spoléhání na obálkové síly a nesoučasné účinky zatížení.  Je to zjednodušení, kterému bychom se skutečně měli vyhýbat? Pravděpodobně ano! Mnoho firem přijalo sadu tabulkových procesorů, ale to také vyvolává obavy ohledně ověřování a jejich aktuálnosti.

Také si pamatuji, jak jsem zapisoval koncové reakce na výkres pouze na základě smyku a jedné kombinace zatížení – vždy pro ocelářského výrobce, aby navrhl přípoj :-). Ty doby jsou rozhodně pryč. Příliš mnoho inženýrů se však stále snaží držet starých způsobů a kombinovat starý přístup s moderními normami a metodami – což vede k nevhodným, neefektivním a předimenzovaným přípojům.

Výhody a nevýhody šroubovaných přípojů

Šroubované styčníkové přípoje jsou skvělé, protože jsou relativně snadno instalovatelné, udržovatelné a kontrolovatelné. Nemusí být tak levné na výrobu, jak si myslíte, protože mohou vyžadovat více materiálu, mají otvory pro šrouby (které jsou dražší) a větší koncentrace napětí. Mohou také způsobovat problémy na stavbě (mluvím ze zkušenosti), kdy jsou s nosníkem dodány nesprávné šrouby (nebo žádné šrouby). V některých situacích mohou projektantovi poskytnout určitou jistotu, protože v šroubovaném přípoji (je-li proveden správně) je zpravidla určitá dodatečná únosnost. Žádný přípoj však není neomylný! Mnoho poruch bylo přičítáno špatným detailům šroubů – vložení obráceně / nesprávná sestava šroubu pro zamýšlené použití. Je proto velmi důležité vzít v úvahu pravidla pro detailování a veškerá zvláštní opatření by měla být zaznamenána na výrobních/montážních výkresech/dokumentaci.

Snaha zjednodušit proces volbou „jednoduchého" přípoje může často vést k dražšímu styčníku na výrobu.  Možná je načase zvažovat náklady na materiál a CO₂ více než náklady na návrh...

Naopak, jak se šroubované přípoje stávají složitějšími – ať už z důvodu geometrie nebo působícího zatížení, nebo obojího – jsou stále obtížnější na návrh a normové posouzení. Jednoduchý přístup, případně rozložením složitého přípoje na jednodušší části, nebude fungovat.

Úskalí návrhu

Při návrhu přípoje může vzniknout mnoho možných problémů, ale zdaleka nejčastěji se na naší helpdesk lince setkáváme s „překvapivými" tahovými silami v šroubech, přestože na šroub není aplikována žádná taková síla.

Odkud pocházejí tyto tahové síly a tahová napětí? Doporučuji prostudovat páčící síly vznikající z ohebných plechů ve vašem návrhu styčníku. Ty mohou být někdy závažnější než složky smykové síly! Jako poznámku na okraj: pokud chcete vidět, jak mohou ovlivnit váš návrh, zkuste zvýšit materiál oceli o několik řádů, a (pokud to děláte postupně), uvidíte, že jak se ohebnost snižuje, síly v šroubech se přibližují „očekávanému" výsledku.

Dalším aspektem šroubovaných přípojů, který se může vyskytnout, je situace, kdy jsou vyžadovány přípoje odolné proti prokluzu nebo předepnuté šrouby. To ovlivňuje nejen přístup k návrhu, ale také práce na stavbě. Zkoušení a certifikace takových šroubů na stavbě je problematické a nákladné. Jako mladý inženýr jsem byl poučen, abych se jim pokud možno vyhýbal – zajímám se proč?

Šroub obvykle prochází otvorem pro šroub.  Tyto otvory se nazývají vůlové otvory.  S rostoucím průměrem šroubu roste i průměr vůlového otvoru (nebo by měl).  Pokud je navíc aplikována povrchová úprava nebo příprava povrchu, měly by být vůle zvětšeny – dobrým příkladem je zde žárové zinkování.

Na začátku tohoto článku jsem zmínil přístup, se kterým jsem začínal – koncová reakce z jednoduché kombinace zatížení, obvykle s násobitelem a zaokrouhlením nahoru. Mohla být dokonce tabelována podle velikosti prvku a jeho únosnosti. Tento přístup se stále používá v mnoha zemích a může vést k problémům při návrhu přípojů. Problémem je rovnováha: vyvážení inženýrského přístupu s výslednými detaily. Konstrukční návrh se vyvinul a stejně tak i používaný software. Lze dokonce tvrdit, že konstrukci nelze (efektivně) navrhnout bez softwaru. Jak nejlépe využít veškerý tento software k modelování a návrhu šroubovaných přípojů?

Přístup CBFEM

Jak v IDEA StatiCa využíváme technologii za CBFEM?  Tato metodologie je zabudována do IDEA StatiCa Connection. Šrouby jsou modelovány jako závislé nelineární pružiny. To umožňuje modelovat, vypočítat a normově posoudit jakoukoli geometrii přípoje s jakýmkoli působícím zatížením. Navíc lze posoudit stabilitu a další účinky – koneckonců je nepravděpodobné, že „jednoduchý" přístup bude dostatečný!

Jedním z často citovaných argumentů je, že jde o přístup „použít kladivo na rozbití ořechu". V posledních verzích však usnadňujeme modelování a návrh jednoduchých přípojů pomocí umělé inteligence, vizuálního programování a vylepšení API, přičemž využíváme výkon našich počítačů ke snížení finančních nákladů a nákladů na CO₂ u jednoduchých přípojů.

K tomu přistupuje možnost extrahovat účinky zatížení/přípoje z několika hlavních řešení MKP/BIM od poskytovatelů jako Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek atd., což skutečně ovlivňuje efektivitu a přesnost, protože účinky zatížení nebo samotný přípoj jsou předávány do IDEA Connection prostřednictvím Checkbot – jakéhosi centra pro bezproblémovou výměnu informací mezi různými řešeními.

IDEA StatiCa Connection je to nejlepší z obou světů! Poskytne vám přesné, ověřitelné výsledky, které lze normově posoudit.

Jedno je jisté – šroubovaný přípoj už nikdy nebudu považovat za jednoduchý!