Átmenő csavarok zárt szelvényekben: méretezésük csapként, nem csavarként

Egy IDEA StatiCa Connection programban végzett ellenőrző példa megmutatja a következményt: ugyanaz az M16 8.8 csavar megfelel a szokásos csavarellenőrzésen, de csapként modellezve nem felel meg. Az alábbiakban bemutatjuk az okát, és azt, hogyan kell helyesen méretezni az átmenő csavarokat.

Az IDEA StatiCa Connection szinte bármilyen kapcsolati geometriát képes modellezni és analizálni. Egyes kapcsolatok azonban nem szabványosak: a beépített szabványok általános csavarellenőrzései nem írják le pontosan a viselkedésüket. Tipikus példa az átmenő csavarokkal csatlakoztatott zártszelvény, általában RHS vagy SHS. Ezek hosszú csavarok vagy menetes rudak, amelyek a szelvény mindkét falán áthaladnak, a fej és az anya pedig a külső felületeken támaszkodik.

Az átmenő csavarok a vakcsavarok, a Hollo-Boltok, a folyatófúrt csavarok és más különleges, egyoldali kötőelemek alternatívái. Könnyen beszerezhetők: csak menetes rúd, anyák és alátétek szükségesek hozzájuk. A mechanikájuk azonban három szempontból eltér a hagyományos csavarozott kapcsolatokétól.

1. ábra HSS falhoz csatlakozó kapcsolatok: csavarok egyetlen falban (balra) és mindkét falon áthaladó átmenő csavarok (jobbra). Forrás: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

Főbb tanulságok

• A hüvely nélküli átmenő csavart a modellben csapként kell modellezni, nem csavarként kell besorolni.
• A nem feszített, szorosan illeszkedő belső hüvellyel ellátott csavarok szokásos csavarként modellezhetők, ha a hüvely megakadályozza a hajlítást.
• Ha a hüvely nem illeszkedik a csavarhoz, és szándékos a hézag, a csavarokat csapként kell modellezni.
• Fontos megjegyezni, hogy az IDEA StatiCa Connection programban súrlódó csavarok ennél a kapcsolattípusnál nem alkalmazhatók.

Három szempont, amiben az átmenő csavar eltér a csavartól

1. A csavar megerősítetlen zártszelvényben nem előfeszíthető

A csavar meghúzásakor mindkét fal pontszerű teher hatására befelé tolódik. A zártszelvény rugalmas lapjai nem összeszorulnak, hanem eltorzulnak. Az átmenő csavarok ezért a szorosra húzott csavarokkal megvalósított palástnyomásos kapcsolatokra korlátozódnak. Még a szorosra húzást is, amely az AISC 360-16 J3.1 táblázata szerint a minimális előfeszítés körülbelül 10 %-a, vékonyfalú szelvényeken gondosan kell végezni, hogy a falak ne lapuljanak be. A szerkezeti elem belsejében lévő üreg miatt a szorosra húzás sem tudja az összes lemezt szilárd érintkezésbe hozni.

2. ábra A HSS fal lehetséges torzulása teljesen előfeszített átmenő csavarok esetén. Forrás: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. A csavar csapként viselkedik, nem csavarként

A lemezek nincsenek összeszorítva, és lehet, hogy nem is érintkeznek. A csavarszárat ezért nyírás és hajlítás terheli, és a szokásos csavarnyírási ellenőrzés önmagában nem írja le a viselkedését. Az átmenő csavart csapként kell méretezni, a következők ellenőrzésével:

• nyírás,
• hajlítás,
• nyírás–hajlítás kölcsönhatás.

3. A csatlakoztatott lemezek palástnyomási ellenállása csökken

A fej és az anya csak a zártszelvény falának külső oldalán támaszkodik, nem a külső és a belső felületén is, mint a hagyományos csavarozott kapcsolatban. A szorítási hossz tágulása nincs megakadályozva, ezért a lemezek nincsenek körülfogva a furat körül, és behorpadhatnak. A palástnyomási ellenállás a csapé, nem a csavaré. Ez a zártszelvény falára és a csatlakoztatott lemezre egyaránt vonatkozik.

Szabványi háttér

AISC 360-22, §J3.11(b) (§J3.10(c) az AISC 360-16-ban). A merevítetlen HSS-en teljesen áthaladó csavarokra a §J7 szerinti csapos palástnyomási ellenőrzés vonatkozik:

Rn = 1.8·Fy·Apb, φ = 0.75, Apb = d·tdesign (J7-1)

Itt a „merevítetlen” olyan falat jelent, amelyet nem fog körbe csavarfej és anya mindkét oldalon, és amelyet kitöltés vagy megerősítés sem merevít. A csavar nyírását (J3-1 egyenlet) és a csatlakoztatott szerkezeti elem további határállapotait a szokásos módon kell ellenőrizni. Az AISC 360-16 nem foglalkozott az átmenő csavarok kiszakadásával; az AISC 360-22-ben ugyanez a szakasz a csavar kiszakadását is tárgyalja. Sűrűn elhelyezett csavaroknál, illetve a szerkezeti elem végéhez közeli csavaroknál racionális megközelítés szükséges.

EN 1993-1-8. Nincs külön eljárás. Az AISC analógiájára a 3.10 táblázat csapokra vonatkozó szabályait kell alkalmazni:

Fb,Rd = 1.5·t·d·fy/γM0 (palástnyomás)

MRd = 1.5·Wel·fyp/γM0 (hajlítás)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (nyírás–hajlítás kölcsönhatás)

A hüvelyes átmenő csavarok azt az esetet jelentik, amikor a zártszelvény belsejében a csavar egy távtartó csövön halad át, amelynek belső furatátmérője szorosan illeszkedik, és megegyezik a szokásos csavarfuratok átmérőjével. A cső megakadályozza a zártszelvény falainak torzulását, ha a csavarban húzóerő keletkezik. Az egyes lemezek ekkor a szokásos csavarozott kapcsolathoz hasonlóan összeszorulnak, és a csavar akár teljesen elő is feszíthető (CIDECT Design Guide 9, §5.11; Kurobane et al. 2004). A gyakorlatban a csövet általában hüvelyként hegesztik a szelvénybe (Dutta et al. 1998; McCormick 2017). A kapcsolat ekkor inkább a hagyományos csavarozott kapcsolathoz hasonlít, mint a csapos kapcsolathoz (McCormick 2017).

3. ábra HSS csavarhüvely-megerősítés átmenő csavaroknál. Forrás: M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

Ellenőrző példa

Csavarozott kapcsolat: a szokásos csavar viselkedése

A hegesztett, S355 acélból készült SHS 110×110×10 mm szelvényt a szelvényen átmenő, szokásos M16 8.8 csavarral csavarozzák egy 8 mm vastag lemezhez. A csavart a „Palástnyomás – húzás/nyírás interakció” csavartípussal modelleztük, a nyírási sík a menetben van. A modellt kizárólag a csatlakoztatott lemezben ébredő 40 kN nagyságú tengelyirányú erő terheli. Ez az erő nyírással terheli a csavart (V = 40 kN), és nyíróerőt, valamint csavarónyomatékot okoz az SHS szelvényben.

4. ábra Az ellenőrző modell az IDEA StatiCa Connection programban, az átmenő csavar szokásos csavarként modellezve: a lemezben ébredő 40 kN erő, az SHS végerői és a kötőelem beállításai (M16 8.8, nyírási sík a menetben, palástnyomás – húzás/nyírás interakció).

Csavarellenőrzés az EN 1993-1-8 szerint

A nyíróerőt szinte teljes egészében az első nyírási sík viseli (40,0 kN). A második nyírási síkban ébredő maradék nyíróerő elhanyagolható (1,56 kN), így a második fal alig vesz részt a teherviselésben. A csavar megfelel, a húzás–nyírás interakció kihasználtsága 69,4 %, amelyet a 66,3 %-os nyírási kihasználtság határoz meg.

A jelentés azonban figyelmeztetést is tartalmaz: a csatlakoztatott lemezek között hézag van, a csavar hajlítását a numerikus modell nem veszi figyelembe, és a lemezek nincsenek összeszorítva. A csavar nyírási ellenállása és a lemezek palástnyomási ellenállása ezért pontatlan lehet. Ez az első jelzés, amelyre oda kell figyelni.

5. ábra Csavarellenőrzés az EN 1993-1-8 szerint (M16 8.8): F_t,Ed = 3,91 kN, F_v,Ed = 40,00/1,56 kN a két nyírási síkban, F_b,Rd = 116,15 kN, kihasználtság húzásra 4,3 %, nyírásra 66,3 %, interakcióra 69,4 %, az átmenő csavaros kapcsolatokra vonatkozó figyelmeztetéssel.

A csavar egyenértékű gerendamodellje megkönnyíti az eredmények értelmezését. Megmutatja a belső erőket és a feszültségeloszlást a csavar hossza mentén, és ugyanazt a nyírási kihasználtságot adja, így egyszerű pontossági ellenőrzésként szolgál.

6. ábra A csavar egyenértékű gerendamodellje: V = 40 kN az első nyírási síkban, nyírófeszültség 4V/3A = 339,6 MPa, nyírási kihasználtság 0,66 a V_Rd = 60,31 kN értékhez képest. Az IDEA StatiCa-tól függetlenül igazolja a belső erőket és a kihasználtságot.

Csavarozott kapcsolat: csapként való viselkedés

Ugyanezt a modellt most a „Pin” kötőelemmel építjük fel. A csap viseli a nyíróerőt és a hajlítónyomatékot. Tengelyirányú erőt nem ad át.

7. ábra Az ellenőrző modell az átmenő csavarral csapként modellezve (felhasználó által definiált D16 csap a lemezen és az SHS mindkét falán áthaladva): a lemezben ébredő 40 kN erő és az SHS végerői.

Csapellenőrzés az EN 1993-1-8 szerint

A csap hajlítása van a legnagyobb hatással a viselkedésre: önmagában 90,9 %-os kihasználtságot okoz. A palástnyomási ellenállás is körülbelül 41 %-kal csökken a csavaros megközelítéshez képest (68,2 kN a 116,2 kN-nal szemben). A nyíróerővel kombinált hajlítás miatt a csapellenőrzés nem felel meg: a nyírás–hajlítás kölcsönhatás eléri a 109,5 %-ot, és a csap nem felel meg. A hajlítónyomaték a csap zártszelvénybe való belépési helyén éri el a csúcsértékét.

8. ábra Csapellenőrzés (felhasználó által definiált D16 csap, 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; kihasználtság nyírásra 58,7 %, hajlításra 90,9 %, interakcióra 109,5 %. A hajlítási ellenállás az EN 1993-1-8 3.10 táblázata szerint számítható.

Az egyenértékű gerendamodell eredményei (csap)

Az analitikus modell az IDEA StatiCa tudásbázis Steel pins cikkében szereplő szabályok szerint építhető fel.

Az analitikus gerendamodell jól egyezik az IDEA StatiCa Connection modellel. A Connection programban a teher egyenletesen oszlik el a csapot terhelő lemez vastagságán; az egyenértékű modell ehelyett konzervatív koncentrált erőt alkalmaz. Ez kis eltéréseket okoz a két modell belső erői és kihasználtságai között, ezért a gerendamodell hasznos pontossági és hihetőségi ellenőrzésként szolgál.

Az 58,7 %-os nyírási kihasználtságot a csatlakoztatott lemez csapos palástnyomási ellenőrzése határozza meg, nem maga a csap nyírása (51,8 %). A hajlítás (0,93) és a nyírás–hajlítás kölcsönhatás (1,14) az egyenértékű gerendamodellben a koncentrált erő miatt kissé nagyobb. A csap a várakozásoknak megfelelően viselkedik.

9. ábra A csapként modellezett átmenő csavar egyenértékű gerendamodellje: V = 40 kN az első nyírási síkban, M = 0,36 kNm ott, ahol a csap belép az SHS falába, hajlítási kihasználtság 0,93 az M_Rd = 0,386 kNm értékhez képest, interakció 1,14. Csapos palástnyomás: 0,59 a csatlakoztatott lemezen, 0,52 és 0,05 az SHS két falán.

Gyártott belső hüvelyekkel ellátott modell

McCormick (2017) a hüvelyt az átmenő csavaros kapcsolatok javításának egyik leggyakoribb módjaként írja le:

„Az átmenő csavaros kapcsolatok teljesítményének javítására az egyik leggyakoribb módszer az, hogy a csavar számára hüvelyt (vagy kör keresztmetszetű csövet) alkalmaznak, amelyen a csavar áthalad. A hüvelyt úgy alakítják ki, hogy furatot fúrnak a HSS-be, behelyeznek egy olyan hüvelyt, amelynek belső átmérője megegyezik az átmenő csavar szokásos furatának átmérőjével, majd a hüvelyt a helyére hegesztik (Dutta et al. 1998). A hüvely lehetővé teszi a csavar előfeszítését, miközben megakadályozza a HSS fal torzulását. Ennek eredményeként az átmenő csavaros kapcsolat inkább csavarozott kapcsolatként, mint csapos kapcsolatként viselkedik.” (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

10. ábra Belső hüvelyekkel gyártott RHS/SHS szerkezeti elem.

Hüvelyek az IDEA StatiCa programban: nem előfeszített csavarok

Ha a hegesztett hüvelyt az RHS/SHS belsejében modellezzük, és a csavar nincs előfeszítve, az átmenő csavar az IDEA StatiCa programban szokásos csavarként modellezhető, a fenti cikk és hivatkozások szerint. A hüvelynek pontosan körbe kell fognia a csavart ahhoz, hogy a szokásos csavarmodell érvényes legyen. Ha a hüvely és a csavar között hézag van, a csavar ismét csapként viselkedik.

• Még ha a hüvelyt a „Stiffening member” gyártási művelettel modellezzük is, a jelentés továbbra is megjeleníti azt a figyelmeztetést, hogy a csavar hajlítását nem veszi figyelembe. 
• A palástnyomási ellenőrzést a csatlakoztatott lemezeken végzi el a program

11. ábra Belső hüvellyel és nem előfeszített M16 8.8 csavarral gyártott RHS/SHS kapcsolat: palástnyomási ellenállás ellenőrzése az EN 1993-1-8 3.4 táblázata szerint, valamint a csatlakoztatott lemezek közötti hézagra vonatkozó figyelmeztetés.

Hüvelyek az IDEA StatiCa programban: súrlódó csavarok

Az IDEA StatiCa Connection ebben a modellben nem engedélyezi a súrlódó (csúszásmentes) csavarokat. Az analízis a következő üzenettel leáll: „Friction type bolts cannot be used if there is a gap between the plates”. Ennek oka van:

• A modellben az előfeszítés nem adódik át a hüvelyre. A csavar nyírásra merevített, és a csavar érintő irányú erői húzásra és nyomásra terhelik a furatot, de tengelyirányban a csavar szokásos csavarként viselkedik, és nem jön létre előfeszített állapot. A hüvelyt az előfeszítés nem nyomja össze, ezért a kapott feszültségi állapot félrevezető lenne.

12. ábra Belső hüvellyel és előfeszített (súrlódó) csavarral gyártott RHS/SHS kapcsolat: az analízis jelzi, hogy súrlódó típusú csavarok nem alkalmazhatók, ha a lemezek között hézag van.

Következtetés

• A hüvely nélküli átmenő csavar csap, nem csavar. Nem előfeszíthető, a lemezek nincsenek összeszorítva, és a csavarszár nyírásra és hajlításra dolgozik.
• A szokásos csavarellenőrzés itt nem biztonságos. Az ellenőrző példában (SHS 110×110×10, 8 mm-es lemez, M16 8.8, 40 kN) a csavarellenőrzés 69,4 %-nál megfelel. A csapellenőrzés nem felel meg: a nyírás–hajlítás kölcsönhatás 109,5 %, önmagában a hajlítás pedig 90,9 %.
• Olvassa el a jelentésben szereplő figyelmeztetést. Az IDEA StatiCa Connection jelzi a lemezek közötti hézagot: a csavar hajlítását nem veszi figyelembe, és a csavar nyírási ellenállása, illetve a lemezek palástnyomási ellenállása pontatlan lehet.
• A palástnyomási ellenállás körülbelül 41 %-kal csökken. A 8 mm-es lemezen a csapos palástnyomás 68,2 kN, szemben a csavaros palástnyomás 116,2 kN értékével.
• Modellezze csapként az IDEA StatiCa Connection programban, és a csap anyagához rendelje hozzá a csavar szilárdsági osztályát. A csap tengelyirányú erőt nem visel, ezért szükség esetén a húzási hatásokat külön kell ellenőrizni.
• A hegesztett hüvely visszaállítja a csavar viselkedését. Szorosan illeszkedő hüvely esetén az átmenő csavar szokásos palástnyomásos csavarként modellezhető. Súrlódó (előfeszített) csavarok nem analizálhatók az IDEA StatiCa Connection programban, ha a lemezek között hézag van.

Hivatkozások

• 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

A cikk szerzői: Lukas Juricek, Pavel Kalab és Martin Vild