Průchozí šrouby v dutých profilech: navrhujte je jako čepy, nikoli jako šrouby

Srovnávací příklad v IDEA StatiCa Connection ukazuje důsledek: stejný šroub M16 8.8 vyhoví při standardním posouzení šroubu, ale nevyhoví, je-li modelován jako čep. Následuje vysvětlení, proč tomu tak je, a jak průchozí šrouby správně navrhovat.

IDEA StatiCa Connection dokáže modelovat a analyzovat téměř libovolnou geometrii styčníku. Některé přípoje jsou však nestandardní: obecná posouzení šroubů, která poskytují implementované normy, jejich chování přesně nepopisují. Typickým příkladem je dutý profil, obvykle RHS nebo SHS, připojený průchozími šrouby. Jde o dlouhé šrouby nebo závitové tyče, které procházejí oběma stěnami profilu, přičemž hlava a matice dosedají na vnější plochy.

Průchozí šrouby jsou alternativou ke slepým šroubům, šroubům Hollo-Bolt, šroubům zhotoveným tvářecím vrtáním a dalším speciálním jednostranným spojovacím prvkům. Lze je snadno opatřit: stačí závitová tyč, matice a podložky. Jejich mechanika se však od běžného šroubového spoje liší ve třech ohledech.

Obr. 1 Přípoje ke stěně profilu HSS: šrouby v jedné stěně (vlevo) a průchozí šrouby procházející oběma stěnami (vpravo). Zdroj: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

Hlavní závěry

• Průchozí šroub bez pouzdra je třeba v modelu modelovat jako čep, a nikoli jej klasifikovat jako šroub.
• Nepředepjaté šrouby s těsným vnitřním pouzdrem lze modelovat jako standardní šrouby, pokud pouzdro brání ohybu.
• Pokud pouzdro k šroubům nepřiléhá a je záměrně ponechána vůle, modelujte šrouby jako čepy.
• Je důležité upozornit, že třecí šrouby jsou pro tento typ přípoje v IDEA StatiCa Connection zakázány.

Tři rozdíly mezi průchozím šroubem a šroubem

1. Šroub nelze v nevyztuženém dutém profilu předepnout

Utažením šroubu se obě stěny zatlačí dovnitř bodovým zatížením. Poddajné stěny dutého profilu se místo stažení deformují. Průchozí šrouby jsou proto omezeny na přípoje namáhané otlačením s šrouby dotaženými na pevné dosednutí (snug-tight). I při dotažení na pevné dosednutí, tedy zhruba 10 % minimálního předpětí podle AISC 360-16, tabulka J3.1, je nutné u tenkostěnných profilů postupovat opatrně, aby nedošlo ke stlačení stěn. Vzhledem k dutině uvnitř prvku také dotažení na pevné dosednutí nemůže zajistit pevný kontakt všech spojovaných vrstev.

Obr. 2 Možná deformace stěny HSS při plném předepnutí průchozích šroubů. Zdroj: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. Šroub se chová jako čep, nikoli jako šroub

Spojované vrstvy nejsou staženy a nemusí být v kontaktu. Dřík je proto namáhán smykem a ohybem a samotné standardní posouzení šroubu na smyk jeho chování nezachytí. Průchozí šroub je nutné navrhovat jako čep s posouzením:

• smyku,
• ohybu,
• interakce smyku a ohybu.

3. Únosnost spojovaných plechů v otlačení je snížena

Hlava a matice dosedají pouze na vnější stranu stěny dutého profilu, nikoli na její vnější i vnitřní plochu jako u běžného šroubového spoje. Svěrná délka není zajištěna proti roztažení, plechy proto nejsou kolem otvoru ztuženy a může dojít k jejich místnímu porušení. Únosnost v otlačení odpovídá čepu, nikoli šroubu. To platí jak pro stěnu dutého profilu, tak pro připojený plech.

Normové pozadí

AISC 360-22, §J3.11(b) (§J3.10(c) v AISC 360-16). Šrouby procházející celým nevyztuženým profilem HSS odkazují na posouzení čepu v otlačení podle §J7:

Rn = 1,8·Fy·Apb, φ = 0,75, Apb = d·tdesign (J7-1)

„Nevyztuženou“ se zde rozumí stěna, která není ztužena hlavou a maticí šroubu na obou stranách, ani výplní či vyztužením. Smyk šroubu (rov. J3-1) a ostatní mezní stavy připojeného prvku se posuzují obvyklým způsobem. AISC 360-16 se vytržením u průchozích šroubů nezabývala; v AISC 360-22 stejný článek pokrývá i vytržení šroubu. U šroubů s malým rozestupem nebo šroubů v blízkosti konce prvku je nutný racionální přístup.

EN 1993-1-8. Specifický postup neexistuje. Analogicky k AISC se použijí pravidla pro čepy z tabulky 3.10:

Fb,Rd = 1,5·t·d·fy/γM0 (otlačení)

MRd = 1,5·Wel·fyp/γM0 (ohyb)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (interakce smyku a ohybu)

Průchozí šrouby s pouzdrem jsou případ, kdy šroub uvnitř dutého profilu prochází distanční trubkou s těsným vnitřním průměrem otvoru, který je shodný s průměrem standardních otvorů pro šrouby. Trubka brání deformaci stěn dutého profilu při tahové síle ve šroubu. Jednotlivé vrstvy jsou pak staženy podobně jako u standardního šroubového přípoje. Šroub lze dokonce plně předepnout (CIDECT Design Guide 9, §5.11; Kurobane et al. 2004). V praxi se trubka obvykle přivařuje do profilu jako pouzdro (Dutta et al. 1998; McCormick 2017). Přípoj se pak chová spíše jako běžný šroubový spoj než jako čepový spoj (McCormick 2017).

Obr. 3 Vyztužení profilu HSS pouzdrem v místě průchozích šroubů. Zdroj: M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

Srovnávací příklad

Sestava šroubu: chování standardního šroubu

Svařovaný profil SHS 110×110×10 mm je vyroben z oceli S355 a je přišroubován průchozím šroubem k plechu tloušťky 8 mm standardním šroubem M16 8.8. Šroub je modelován typem šroubu „Otlačení – interakce tah/smyk“ s rovinou smyku v závitu. Model je zatížen pouze osovou silou 40 kN v připojeném plechu. Tato síla zatěžuje šroub smykem (V = 40 kN) a v profilu SHS vyvolává posouvající sílu a kroutící moment.

Obr. 4 Srovnávací model v IDEA StatiCa Connection s průchozím šroubem modelovaným jako standardní šroub: síla 40 kN v plechu, koncové síly profilu SHS a nastavení spojovacího prvku (M16 8.8, rovina smyku v závitu, otlačení – interakce tah/smyk).

Posouzení šroubu podle EN 1993-1-8

Posouvající síla je téměř celá přenášena první smykovou rovinou (40,0 kN). Zbytková posouvající síla ve druhé smykové rovině je zanedbatelná (1,56 kN), druhá stěna se tedy téměř nepodílí na přenosu. Šroub vyhoví s využitím při interakci tahu a smyku 69,4 %, které je určeno využitím ve smyku 66,3 %.

Protokol však obsahuje upozornění: mezi připojenými plechy je mezera, ohyb ve šroubu není v numerickém modelu uvažován a plechy nejsou staženy. Únosnost šroubu ve smyku a únosnost plechů v otlačení proto mohou být nesprávné. To je první signál, který vyžaduje vaši pozornost.

Obr. 5 Posouzení šroubu podle EN 1993-1-8 (M16 8.8): F_t,Ed = 3,91 kN, F_v,Ed = 40,00/1,56 kN ve dvou smykových rovinách, F_b,Rd = 116,15 kN, využití 4,3 % v tahu, 66,3 % ve smyku a 69,4 % při interakci, s upozorněním pro přípoje s průchozími šrouby.

Ekvivalentní nosníkový model šroubu usnadňuje interpretaci výsledků. Zobrazuje vnitřní síly a rozložení napětí po délce šroubu a reprodukuje stejné využití ve smyku, což z něj činí jednoduchou kontrolu věrohodnosti.

Obr. 6 Ekvivalentní nosníkový model šroubu: V = 40 kN v první smykové rovině, smykové napětí 4V/3A = 339,6 MPa a využití ve smyku 0,66 vůči V_Rd = 60,31 kN. Model nezávisle na IDEA StatiCa potvrzuje vnitřní síly i využití.

Sestava šroubu: chování jako čep

Stejný model je nyní vytvořen se spojovacím prvkem „Čep“. Prvek čepu přenáší posouvající sílu a ohybový moment. Osovou sílu nepřenáší.

Obr. 7 Srovnávací model s průchozím šroubem modelovaným jako čep (uživatelsky definovaný čep D16 procházející plechem a oběma stěnami SHS): síla 40 kN v plechu a koncové síly profilu SHS.

Posouzení čepu podle EN 1993-1-8

Ohyb čepu má na chování nejvýznamnější vliv: sám o sobě způsobuje využití 90,9 %. Únosnost v otlačení rovněž klesá přibližně o 41 % oproti přístupu se šroubem (68,2 kN oproti 116,2 kN). Ohyb v kombinaci s posouvající silou způsobí, že čep nevyhoví: interakce smyku a ohybu dosahuje 109,5 % a čep nevyhoví. Ohybový moment dosahuje maxima v místě, kde čep vstupuje do dutého profilu.

Obr. 8 Posouzení čepu (uživatelsky definovaný čep D16, f_yp = 640 MPa): F_v,Ed = 39,99 kN, M_Ed = 0,35 kNm, F_v,Rd = 77,21 kN, F_b,Rd = 68,16 kN, M_Rd = 0,39 kNm; využití ve smyku 58,7 %, v ohybu 90,9 % a při interakci 109,5 %. Únosnost v ohybu se řídí EN 1993-1-8, tabulka 3.10.

Výsledky ekvivalentního nosníkového modelu (čep)

Analytický model lze sestavit podle pravidel uvedených v článku v Knihovně článků IDEA StatiCa Steel pins.

Analytický nosníkový model se s modelem v IDEA StatiCa Connection dobře shoduje. V Connection je zatížení rozloženo rovnoměrně po tloušťce plechu, který čep zatěžuje; ekvivalentní model místo toho používá konzervativní bodovou sílu. To způsobuje drobné rozdíly ve vnitřních silách a využití obou modelů, díky čemuž je nosníkový model užitečnou kontrolou věrohodnosti a reálnosti.

Využití ve smyku 58,7 % je určeno posouzením čepu v otlačení u připojeného plechu, nikoli smykem samotného čepu (51,8 %). Ohyb (0,93) a interakce smyku a ohybu (1,14) jsou v ekvivalentním nosníkovém modelu mírně vyšší kvůli bodové síle. Čep se chová podle očekávání.

Obr. 9 Ekvivalentní nosníkový model průchozího šroubu modelovaného jako čep: V = 40 kN v první smykové rovině, M = 0,36 kNm v místě vstupu čepu do stěny SHS, využití v ohybu 0,93 vůči M_Rd = 0,386 kNm, interakce 1,14. Otlačení čepu: 0,59 na připojeném plechu, 0,52 a 0,05 na obou stěnách SHS.

Model s vyrobenými vnitřními pouzdry

McCormick (2017) popisuje pouzdro jako jeden z nejběžnějších způsobů zlepšení přípoje s průchozími šrouby:

„Jedním z nejběžnějších způsobů zlepšení chování přípojů s průchozími šrouby je zřízení pouzdra (nebo kruhové trubky), kterým průchozí šroub prochází. Pouzdro se zhotoví vyvrtáním otvoru v HSS, vložením pouzdra s vnitřním průměrem rovným průměru standardního otvoru pro průchozí šroub a následným přivařením pouzdra na místě (Dutta et al. 1998). Pouzdro umožňuje předepnutí šroubu a zároveň brání deformaci stěny HSS. Průchozí šroubový přípoj se tak bude chovat spíše jako šroubový spoj než jako čepový spoj.“ (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

Obr. 10 Prvek RHS/SHS vyrobený s vnitřními pouzdry.

Pouzdra v IDEA StatiCa: nepředepjaté šrouby

Je-li uvnitř profilu RHS/SHS modelováno přivařené pouzdro a šroub není předepnut, lze průchozí šroub v IDEA StatiCa modelovat jako standardní šroub podle výše uvedeného článku a odkazů. Aby byl model standardního šroubu platný, musí pouzdro šroub přesně vymezovat. Jakmile mezi pouzdrem a šroubem vznikne vůle, šroub se vrací k chování čepu.

• I když je pouzdro modelováno výrobní operací „Stiffening member“, protokol stále zobrazuje upozornění, že ohyb ve šroubu není uvažován. 
• Posouzení v otlačení se provádí na spojovaných vrstvách

Obr. 11 Přípoj profilu RHS/SHS vyrobený s vnitřním pouzdrem a nepředepjatým šroubem M16 8.8: posouzení únosnosti v otlačení podle EN 1993-1-8, tabulka 3.4 a upozornění na mezeru mezi připojenými plechy.

Pouzdra v IDEA StatiCa: třecí šrouby

IDEA StatiCa Connection v tomto modelu třecí (protiskluzové) šrouby nepovoluje. Analýza se zastaví se zprávou „Friction type bolts cannot be used if there is a gap between the plates“. Má to svůj důvod:

• V modelu se předpětí do pouzdra nepřenáší. Šroub je ve smyku ztužen a tečné síly od šroubu působí na otvor v tahu a tlaku, ale v osovém směru se šroub chová jako standardní šroub a nevzniká žádný předepjatý stav. Pouzdro není předpětím stlačeno, a výsledný stav napětí by proto byl zavádějící.

Obr. 12 Přípoj profilu RHS/SHS vyrobený s vnitřním pouzdrem a předepjatým (třecím) šroubem: analýza hlásí, že třecí šrouby nelze použít, pokud mezi plechy existuje mezera.

Závěr

• Průchozí šroub bez pouzdra je čep, nikoli šroub. Nelze jej předepnout, spojované vrstvy nejsou staženy a dřík je namáhán smykem a ohybem.
• Standardní posouzení šroubu je zde nebezpečné. V srovnávacím příkladu (SHS 110×110×10, plech 8 mm, M16 8.8, 40 kN) šroub při posouzení vyhoví s využitím 69,4 %. Posouzení čepu nevyhoví s 109,5 % při interakci smyku a ohybu, přičemž samotný ohyb dosahuje 90,9 %.
• Čtěte upozornění v protokolu. IDEA StatiCa Connection upozorňuje na mezeru mezi plechy: ohyb ve šroubu není uvažován a únosnost šroubu ve smyku a plechů v otlačení může být nesprávná.
• Únosnost v otlačení klesá přibližně o 41 %. Otlačení čepu na plechu tloušťky 8 mm dává 68,2 kN oproti 116,2 kN při otlačení šroubu.
• Modelujte jej jako čep v IDEA StatiCa Connection a materiálu čepu přiřaďte pevnostní třídu šroubu. Čep nepřenáší osovou sílu, proto je v případě potřeby nutné účinky tahu posoudit samostatně.
• Přivařené pouzdro obnovuje chování šroubu. S těsně přiléhajícím pouzdrem lze průchozí šroub modelovat jako standardní šroub namáhaný otlačením. Třecí (předepjaté) šrouby nelze v IDEA StatiCa Connection analyzovat, pokud mezi vrstvami existuje mezera.

Literatura

• AISC (2022). Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 360-22. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• AISC (n.d.). Design Guide 24: Hollow Structural Section Connections, 2nd edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• CEN (2005). EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. European Committee for Standardization, Brussels.
• Dutta, D., Wardenier, J., Yeomans, N., Sakae, K., Bucak, Ö. and Packer, J.A. (1998). Design Guide 7: For Fabrication, Assembly and Erection of Hollow Section Structures. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Kurobane, Y., Packer, J.A., Wardenier, J. and Yeomans, N. (2004). Design Guide 9: For Structural Hollow Section Column Connections. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Manor, M. (2026). HSS Bolted Connections: Keep It Together With a Bolt of Confidence. Steel Tube Institute. steeltubeinstitute.org
• McCormick, J. (2017). Connecting Hollow Structural Section Members with Through-Bolts. Steel Tube Institute, July 2017. steeltubeinstitute.org

Autoři článku: Lukas Juricek, Pavel Kalab a Martin Vild