Śruby przelotowe w profilach zamkniętych: projektuj je jako sworznie, a nie jako śruby

Test weryfikacyjny w IDEA StatiCa Connection pokazuje konsekwencje: ta sama śruba M16 8.8 spełnia standardowe sprawdzenie śruby, ale nie spełnia go po zamodelowaniu jako sworzeń. Poniżej wyjaśniamy dlaczego i jak poprawnie projektować śruby przelotowe.

IDEA StatiCa Connection pozwala modelować i analizować niemal każdą geometrię złącza. Niektóre połączenia są jednak nietypowe: ogólne sprawdzenia śrub zawarte we wdrożonych normach nie opisują dokładnie ich zachowania. Typowym przykładem jest profil zamknięty, zazwyczaj RHS lub SHS, połączony śrubami przelotowymi. Są to długie śruby lub pręty gwintowane przechodzące przez obie ścianki profilu, z łbem i nakrętką opartymi na zewnętrznych powierzchniach.

Śruby przelotowe są alternatywą dla śrub jednostronnych, śrub Hollo-Bolt, śrub wiercących przepływowo i innych specjalnych łączników montowanych z jednej strony. Łatwo je pozyskać: wystarczą pręt gwintowany, nakrętki i podkładki. Ich mechanika różni się jednak od klasycznego złącza śrubowego pod trzema względami.

Rys. 1 Połączenia ze ścianką profilu HSS: śruby w pojedynczej ściance (po lewej) i śruby przelotowe przechodzące przez obie ścianki (po prawej). Źródło: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

Najważniejsze wnioski

• Śrubę przelotową bez tulei należy w modelu traktować jako sworzeń, a nie klasyfikować jej jako śrubę.
• Śruby niesprężone z ciasno przylegającą tuleją wewnętrzną można modelować jako śruby standardowe, jeśli tuleja zapobiega zginaniu.
• Jeśli tuleja nie przylega do śruby i zakładany jest luz, należy zamodelować śruby jako sworznie.
• Należy pamiętać, że w IDEA StatiCa Connection śruby cierne są w tego typu połączeniu niedozwolone.

Trzy różnice między śrubą przelotową a zwykłą śrubą

1. Śruby nie można sprężyć w niewzmocnionym profilu zamkniętym

Dokręcanie śruby powoduje wciskanie obu ścianek do wewnątrz siłą skupioną. Podatne ścianki profilu zamkniętego ulegają odkształceniu zamiast się zaciskać. Śruby przelotowe ogranicza się więc do połączeń dociskowych ze śrubami dokręconymi do oporu. Nawet dokręcenie do oporu, czyli około 10 % minimalnej siły sprężającej według tabeli J3.1 w AISC 360-16, należy wykonywać ostrożnie w profilach cienkościennych, aby nie spłaszczyć ścianek. Ze względu na pustą przestrzeń wewnątrz elementu dokręcenie do oporu nie zapewnia też pełnego styku wszystkich łączonych blach.

Rys. 2 Potencjalne odkształcenie ścianki profilu HSS przy pełnym sprężeniu śrub przelotowych. Źródło: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. Śruba zachowuje się jak sworzeń, a nie jak śruba

Łączone blachy nie są zaciśnięte i mogą ze sobą nie stykać się. Trzon jest więc obciążony ścinaniem i zginaniem, a samo standardowe sprawdzenie śruby na ścinanie nie oddaje jego zachowania. Śrubę przelotową należy projektować jako sworzeń, sprawdzając:

• ścinanie,
• zginanie,
• interakcję ścinania i zginania.

3. Nośność docisku łączonych blach jest zmniejszona

Łeb i nakrętka dociskają wyłącznie zewnętrzną stronę ścianki profilu zamkniętego, a nie jej zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnię jak w klasycznym złączu śrubowym. Długość zacisku nie jest zabezpieczona przed rozszerzaniem się, więc blachy nie są skrępowane wokół otworu i mogą ulec miejscowej utracie stateczności. Nośność docisku jest nośnością sworznia, a nie śruby. Dotyczy to zarówno ścianki profilu zamkniętego, jak i łączonej blachy.

Podstawy normowe

AISC 360-22, §J3.11(b) (§J3.10(c) w AISC 360-16). Śruby przechodzące w całości przez nieusztywniony profil HSS odsyła się do sprawdzenia docisku sworznia w §J7:

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

Określenie „nieusztywniona” oznacza ściankę, która nie jest skrępowana łbem i nakrętką śruby po obu stronach oraz nie jest usztywniona wypełnieniem ani wzmocnieniem. Ścinanie śruby (wzór J3-1) i pozostałe stany graniczne elementu łączonego sprawdza się jak zwykle. AISC 360-16 nie uwzględniał wyrwania w przypadku śrub przelotowych; w AISC 360-22 ten sam rozdział obejmuje wyrwanie śruby. Dla śrub rozmieszczonych blisko siebie lub blisko końca elementu wymagane jest podejście racjonalne.

EN 1993-1-8. Norma nie podaje szczegółowej procedury. Przez analogię do AISC stosuje się zasady dla sworzni z tabeli 3.10:

Fb,Rd = 1,5·t·d·fy/γM0 (docisk)

MRd = 1,5·Wel·fyp/γM0 (zginanie)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (interakcja ścinania i zginania)

Śruby przelotowe z tuleją to przypadek, w którym śruba wewnątrz profilu zamkniętego przechodzi przez rurkę dystansową o ciasnej średnicy otworu wewnętrznego, równej średnicy standardowych otworów na śruby. Rurka zapobiega odkształcaniu się ścianek profilu zamkniętego, gdy w śrubie występuje siła rozciągająca. Poszczególne blachy są wówczas zaciśnięte podobnie jak w standardowym połączeniu śrubowym, a śruba może być nawet w pełni sprężona (CIDECT Design Guide 9, §5.11; Kurobane i in. 2004). W praktyce rurkę zwykle wspawa się w profil jako tuleję (Dutta i in. 1998; McCormick 2017). Połączenie zachowuje się wtedy bardziej jak klasyczne złącze śrubowe niż złącze sworzniowe (McCormick 2017).

Rys. 3 Wzmocnienie profilu HSS tuleją w miejscu śrub przelotowych. Źródło: M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

Przykład weryfikacyjny

Zespół śrubowy: zachowanie śruby standardowej

Spawany profil SHS 110×110×10 mm wykonano ze stali S355 i połączono przelotowo z blachą o grubości 8 mm za pomocą standardowej śruby M16 8.8. Śrubę zamodelowano jako typ „Docisk – interakcja rozciągania i ścinania”, z płaszczyzną ścinania w gwincie. Model obciążono wyłącznie siłą osiową 40 kN w łączonej blasze. Siła ta obciąża śrubę na ścinanie (V = 40 kN) i wywołuje w SHS siłę poprzeczną oraz moment skręcający.

Rys. 4 Model weryfikacyjny w IDEA StatiCa Connection ze śrubą przelotową zamodelowaną jako śruba standardowa: siła 40 kN w blasze, siły na końcach SHS oraz ustawienia łącznika (M16 8.8, płaszczyzna ścinania w gwincie, docisk – interakcja rozciągania i ścinania).

Sprawdzenie śruby według EN 1993-1-8

Siła poprzeczna jest przenoszona niemal w całości przez pierwszą płaszczyznę ścinania (40,0 kN). Resztkowa siła poprzeczna w drugiej płaszczyźnie ścinania jest pomijalna (1,56 kN), więc druga ścianka praktycznie nie bierze udziału w przenoszeniu obciążenia. Śruba spełnia warunek nośności, ze stopniem wykorzystania w interakcji rozciągania i ścinania równym 69,4 %, o którym decyduje stopień wykorzystania na ścinanie wynoszący 66,3 %.

Raport zawiera jednak ostrzeżenie: pomiędzy łączonymi blachami występuje szczelina, zginanie śruby nie jest uwzględnione w modelu numerycznym, a blachy nie są zaciśnięte. Nośność śruby na ścinanie oraz nośność blach na docisk mogą być więc nieprawidłowe. To pierwszy sygnał, który wymaga Twojej uwagi.

Rys. 5 Sprawdzenie śruby według EN 1993-1-8 (M16 8.8): F_t,Ed = 3,91 kN, F_v,Ed = 40,00/1,56 kN w dwóch płaszczyznach ścinania, F_b,Rd = 116,15 kN, stopień wykorzystania 4,3 % przy rozciąganiu, 66,3 % przy ścinaniu i 69,4 % w interakcji, z ostrzeżeniem wyświetlanym dla połączeń ze śrubami przelotowymi.

Równoważny model belkowy śruby ułatwia interpretację wyników. Pokazuje siły wewnętrzne i rozkład naprężeń na długości śruby oraz daje ten sam stopień wykorzystania na ścinanie, dzięki czemu stanowi proste sprawdzenie poprawności wyników.

Rys. 6 Równoważny model belkowy śruby: V = 40 kN w pierwszej płaszczyźnie ścinania, naprężenie ścinające 4V/3A = 339,6 MPa i stopień wykorzystania na ścinanie 0,66 względem V_Rd = 60,31 kN. Potwierdza siły wewnętrzne i stopień wykorzystania niezależnie od IDEA StatiCa.

Zespół śrubowy: zachowanie jako sworzeń

Ten sam model zbudowano teraz z użyciem łącznika typu „Sworzeń”. Element sworznia przenosi siłę poprzeczną i moment zginający. Nie przenosi siły osiowej.

Rys. 7 Model weryfikacyjny ze śrubą przelotową zamodelowaną jako sworzeń (sworzeń D16 zdefiniowany przez użytkownika, przechodzący przez blachę i obie ścianki SHS): siła 40 kN w blasze oraz siły na końcach SHS.

Sprawdzenie sworznia według EN 1993-1-8

Zginanie sworznia ma najistotniejszy wpływ na zachowanie połączenia: samo w sobie powoduje stopień wykorzystania wynoszący 90,9 %. Nośność na docisk spada również o około 41 % w porównaniu z podejściem jak dla śruby (68,2 kN wobec 116,2 kN). Zginanie w połączeniu z siłą poprzeczną powoduje, że sprawdzenie sworznia nie jest spełnione: interakcja ścinania i zginania osiąga 109,5 %, a sworzeń nie spełnia warunku nośności. Moment zginający osiąga maksimum w miejscu, w którym sworzeń wchodzi w profil zamknięty.

Rys. 8 Sprawdzenie sworznia (sworzeń D16 zdefiniowany przez użytkownika, 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; stopień wykorzystania na ścinanie 58,7 %, na zginanie 90,9 % i w interakcji 109,5 %. Nośność na zginanie określono według EN 1993-1-8, tabela 3.10.

Wyniki równoważnego modelu belkowego (sworzeń)

Model analityczny można zbudować zgodnie z zasadami opisanymi w artykule bazy wiedzy IDEA StatiCa Steel pins.

Analityczny model belkowy dobrze zgadza się z modelem w IDEA StatiCa Connection. W Connection obciążenie jest rozłożone równomiernie na grubości blachy obciążającej sworzeń, natomiast model równoważny wykorzystuje zachowawczo siłę skupioną. Powoduje to niewielkie różnice między siłami wewnętrznymi i stopniami wykorzystania w obu modelach, dzięki czemu model belkowy stanowi przydatne sprawdzenie poprawności i wiarygodności wyników.

O stopniu wykorzystania na ścinanie wynoszącym 58,7 % decyduje sprawdzenie docisku sworznia do łączonej blachy, a nie ścinanie samego sworznia (51,8 %). Zginanie (0,93) i interakcja ścinania i zginania (1,14) są w równoważnym modelu belkowym nieco wyższe z powodu zastosowania siły skupionej. Sworzeń zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami.

Rys. 9 Równoważny model belkowy śruby przelotowej zamodelowanej jako sworzeń: V = 40 kN w pierwszej płaszczyźnie ścinania, M = 0,36 kNm w miejscu wejścia sworznia w ściankę SHS, stopień wykorzystania na zginanie 0,93 względem M_Rd = 0,386 kNm, interakcja 1,14. Docisk sworznia: 0,59 dla łączonej blachy, 0,52 i 0,05 dla dwóch ścianek SHS.

Model z wewnętrznymi tulejami wykonanymi warsztatowo

McCormick (2017) opisuje tuleję jako jeden z najczęściej stosowanych sposobów poprawy zachowania połączenia ze śrubami przelotowymi:

„Jednym z najczęstszych sposobów poprawy zachowania połączeń ze śrubami przelotowymi jest zastosowanie tulei (lub rury okrągłej), przez którą przechodzi śruba przelotowa. Tuleję uzyskuje się, wiercąc otwór w profilu HSS, wkładając tuleję o średnicy wewnętrznej równej średnicy standardowego otworu na śrubę przelotową, a następnie wspawając ją na miejscu (Dutta i in. 1998). Tuleja umożliwia sprężenie śruby i zapobiega odkształceniu ścianki HSS. W rezultacie połączenie ze śrubą przelotową będzie zachowywać się bardziej jak złącze śrubowe niż złącze sworzniowe.” (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

Rys. 10 Element RHS/SHS wykonany z wewnętrznymi tulejami.

Tuleje w IDEA StatiCa: śruby niesprężone

Jeśli wewnątrz profilu RHS/SHS zamodelowano wspawaną tuleję, a śruba nie jest sprężona, śrubę przelotową można w IDEA StatiCa zamodelować jako śrubę standardową, zgodnie z powyższym artykułem i literaturą. Aby model śruby standardowej był poprawny, tuleja musi dokładnie ograniczać przemieszczenia śruby. Gdy między tuleją a śrubą występuje luz, śruba ponownie zachowuje się jak sworzeń.

• Nawet gdy tuleja jest zamodelowana za pomocą operacji wytwórczej „Stiffening member”, w raporcie nadal wyświetlane jest ostrzeżenie, że zginanie śruby nie jest uwzględniane. 
• Sprawdzenie docisku jest wykonywane dla łączonych blach

Rys. 11 Połączenie RHS/SHS z wewnętrzną tuleją i niesprężoną śrubą M16 8.8: sprawdzenie nośności na docisk według EN 1993-1-8, tabela 3.4, oraz ostrzeżenie o szczelinie między łączonymi blachami.

Tuleje w IDEA StatiCa: śruby cierne

IDEA StatiCa Connection nie dopuszcza w tym modelu śrub ciernych (zapobiegających poślizgowi). Analiza zatrzymuje się z komunikatem „Friction type bolts cannot be used if there is a gap between the plates”. Jest ku temu powód:

• W modelu siła sprężająca nie jest przekazywana na tuleję. Śruba jest usztywniona na ścinanie, a siły styczne od śruby działają na otwór przy rozciąganiu i ściskaniu, ale w kierunku osiowym śruba zachowuje się jak śruba standardowa i nie powstaje stan sprężenia. Tuleja nie jest ściskana siłą sprężającą, więc uzyskany stan naprężeń byłby mylący.

Rys. 12 Połączenie RHS/SHS z wewnętrzną tuleją i sprężoną śrubą (cierną): analiza zgłasza, że śruby cierne nie mogą być stosowane, jeśli między blachami występuje szczelina.

Podsumowanie

• Śruba przelotowa bez tulei jest sworzniem, a nie śrubą. Nie można jej sprężyć, łączone blachy nie są zaciśnięte, a trzon pracuje na ścinanie i zginanie.
• Standardowe sprawdzenie śruby jest w tym przypadku niebezpieczne. W przykładzie weryfikacyjnym (SHS 110×110×10, blacha 8 mm, M16 8.8, 40 kN) sprawdzenie śruby jest spełnione przy 69,4 %. Sprawdzenie sworznia nie jest spełnione: interakcja ścinania i zginania wynosi 109,5 %, a samo zginanie 90,9 %.
• Przeczytaj ostrzeżenie w raporcie. IDEA StatiCa Connection sygnalizuje szczelinę między blachami: zginanie śruby nie jest uwzględnione, a nośność śruby na ścinanie i blach na docisk mogą być nieprawidłowe.
• Nośność na docisk spada o około 41 %. Docisk sworznia do blachy 8 mm daje 68,2 kN wobec 116,2 kN dla docisku śruby.
• Zamodeluj ją jako sworzeń w IDEA StatiCa Connection i przypisz klasę śruby do materiału sworznia. Sworzeń nie przenosi siły osiowej, więc w razie potrzeby należy osobno sprawdzić efekty rozciągania.
• Wspawana tuleja przywraca zachowanie śruby. Przy ciasno dopasowanej tulei śrubę przelotową można zamodelować jako standardową śrubę pracującą na docisk. Śrub ciernych (sprężonych) nie można analizować w IDEA StatiCa Connection, gdy między blachami występuje szczelina.

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

Autorzy artykułu: Lukas Juricek, Pavel Kalab i Martin Vild