Îmbinări cu șuruburi

Introducere

În esență, îmbinările cu șuruburi transferă forțele dintr-unul sau mai multe elemente în alte elemente și mai departe în fundații. Acestea realizează transferul prin presiune pe gaură, întindere și, ocazional, frecare. Sunt potrivite pentru aproape orice tip de rost. Cu toate acestea, de cele mai multe ori, rigiditatea rezultantă a rostului nu este reconsiderată în proiectarea de ansamblu, ceea ce uneori nu ar trebui neglijat. Șuruburile sunt disponibile într-o varietate de dimensiuni (vezi mai jos) și clase (material șurub), în funcție de standard și regiune. În unele țări (nu foarte departe), există acces atât la dimensiuni metrice, cât și imperiale – ceea ce poate fi uneori o sabie cu două tăișuri! Așa cum am descoperit și eu, există aplicații pentru telefoane inteligente și videoclipuri pe YouTube care îi ajută pe proiectanți și ingineri...

Revenind la cursurile mele de structuri, una dintre primele îmbinări pe care le-am studiat a fost o îmbinare cu șuruburi „simplă", preluată dintr-un exemplu de cadru portal metalic. Pentru a arăta cât de demult a fost aceasta, am folosit creion și hârtie milimetrică! Calculele care au urmat nu puteau ocupa mai mult de o față de coală A4.

Cât de mult s-au schimbat lucrurile!

În acele zile de început, nu mi-aș fi putut imagina niciodată schimbările în metode și raționament – dar acesta este un alt subiect, pentru o altă zi și un alt articol.

Îmbinări cu șuruburi

Întrebarea arzătoare este: poate fi vreodată considerată o îmbinare cu șuruburi „simplă", chiar dacă este adesea descrisă astfel? Îmbinările sunt complicate (fie că ne place sau nu) și este nevoie de un inginer pentru a le înțelege și proiecta. Există cu siguranță forme „simple" și da – îmbinările pot fi în continuare proiectate și verificate conform codului folosind metode tradiționale, cu siguranță, și acesta este punctul de plecare pentru orice inginer specializat în îmbinări, dar există o modalitate mai bună?

Există mai multe modalități de a realiza proiectarea, dar multe opțiuni simplifică excesiv procesul, permițând un domeniu restrâns de aplicabilitate sau ignorând efecte esențiale – una dintre cele mai mari probleme rămâne dependența de forțele de anvelopă și efectele de încărcare necoincidente.  Este aceasta o simplificare excesivă pe care ar trebui cu adevărat să o evităm? Probabil! Multe firme au adoptat o serie de foi de calcul, dar aceasta ridică și îngrijorări legate de verificare și actualizarea lor.

Îmi amintesc, de asemenea, că scriam reacțiunile la capete pe un desen bazat exclusiv pe forfecare și o singură combinație de încărcări – întotdeauna pentru ca fabricantul de structuri metalice să proiecteze îmbinarea :-). Acele zile au dispărut cu siguranță. Dar prea mulți ingineri încearcă să rămână cu metodele vechi și să combine abordarea veche cu codurile și metodele moderne – ceea ce duce la îmbinări slabe, ineficiente, supradimensionate.

Avantaje și dezavantaje ale îmbinărilor cu șuruburi

Îmbinările cu șuruburi sunt excelente deoarece sunt relativ ușor de montat, întreținut și inspectat. Este posibil să nu fie la fel de ieftine de fabricat pe cât credeți, deoarece pot genera mai mult material, au găuri pentru șuruburi (care costă mai mult) și concentrări de tensiuni mai mari. Pot genera, de asemenea, probleme pe șantier (vorbind din experiență), unde șuruburile greșite (sau lipsa șuruburilor) sunt livrate împreună cu grinda. În unele situații, pot oferi proiectantului un oarecare confort, deoarece, invariabil, există o capacitate suplimentară într-o îmbinare cu șuruburi (dacă este realizată corect). Cu toate acestea, nicio îmbinare nu este infailibilă! Multe cedări au fost atribuite detaliilor slabe ale șuruburilor – montate invers/asamblare incorectă a șurubului pentru utilizarea prevăzută. Prin urmare, este foarte important să se țină cont de regulile de detaliere, iar orice măsuri speciale trebuie notate pe desenele/informațiile de producție/montaj.

Încercarea de a simplifica procesul prin alegerea unei îmbinări „simple" poate duce adesea la un rost mai costisitor de fabricat.  Este posibil să fie momentul să luăm în considerare costul materialului și CO₂ mai mult decât costurile de proiectare...

În schimb, pe măsură ce îmbinările cu șuruburi devin mai complicate – fie din cauza geometriei, fie a încărcărilor aplicate, sau a ambelor – acestea devin și mai dificil de proiectat și verificat conform codului. O abordare simplă, posibil prin descompunerea unei îmbinări complicate în părți mai simple, nu va funcționa.

Capcane în proiectare

Există multe probleme posibile care pot apărea la proiectarea unei îmbinări, dar de departe cele mai frecvent întâlnite la biroul nostru de asistență sunt forțele de întindere „surprinzătoare" din șuruburi, atunci când nicio astfel de forță nu este aplicată șurubului.

De unde provin aceste forțe de întindere și tensiuni de întindere? V-aș îndruma să analizați efectul de pârghie care apare din plăcile flexibile în proiectarea rostului dumneavoastră. Acestea pot fi uneori mai severe decât componentele de forfecare! Ca notă secundară, dacă doriți să vedeți cum pot afecta acestea proiectarea, încercați să creșteți materialul de oțel cu câteva ordine de mărime și (dacă faceți acest lucru în pași), puteți observa că, pe măsură ce flexibilitatea scade, forțele din șuruburi tind spre rezultatul „așteptat".

Un alt aspect al îmbinărilor cu șuruburi care poate apărea este atunci când sunt necesare îmbinări rezistente la alunecare sau șuruburi pretensionate. Aceasta nu afectează doar abordarea de proiectare, ci și lucrările de pe șantier. Testarea și certificarea unor astfel de șuruburi pe șantier este problematică și costisitoare. Ca inginer tânăr, mi s-a spus să le evit pe cât posibil – mă întreb de ce?

Un șurub trece de obicei printr-o gaură pentru șurub.  Acestea sunt denumite găuri cu joc.  Pe măsură ce diametrele șuruburilor cresc, crește și diametrul găurii cu joc (sau ar trebui).  În plus, dacă se aplică un finisaj de material sau o pregătire a suprafeței, jocurile ar trebui mărite – galvanizarea este un bun exemplu în acest sens.

Am menționat la începutul acestui articol abordarea cu care am început – o reacțiune la capăt dintr-o combinație simplă de încărcări, de obicei factorizată și apoi rotunjită în sus. Aceasta ar fi putut fi chiar tabelată în funcție de dimensiunea unui element și capacitatea sa. Această abordare este încă utilizată astăzi în multe țări și poate duce la probleme în proiectarea îmbinărilor. Problema este una de echilibru: echilibrarea ingineriei cu detaliile rezultante. Proiectarea structurală a evoluat și la fel a evoluat și software-ul utilizat. Într-adevăr, s-ar putea argumenta că o structură nu poate fi proiectată (eficient) fără software. Cum să utilizați cel mai bine tot acest software pentru a modela și proiecta îmbinările cu șuruburi?

Abordarea CBFEM

Cum valorificăm la IDEA StatiCa tehnologia din spatele CBFEM?  Această metodologie este integrată în IDEA StatiCa Connection. Șuruburile sunt tratate ca arcuri neliniare dependente. Aceasta permite modelarea, calculul și verificarea conform codului a oricărei geometrii de îmbinare, cu orice încărcare aplicată. În plus, pot fi verificate stabilitatea și alte efecte – la urma urmei, este puțin probabil că abordarea „simplă" va fi suficientă!

Unul dintre argumentele citate frecvent este că aceasta este o abordare de tip „baros pentru spart o nucă". Cu toate acestea, în versiunile recente, facem și mai ușoară modelarea și proiectarea îmbinărilor simple prin utilizarea inteligenței artificiale, a programării vizuale și a îmbunătățirilor API, folosind puterea calculatoarelor noastre pentru a reduce costul monetar și de CO₂ al îmbinărilor simple.

La aceasta se adaugă posibilitatea de a extrage efectele de încărcare/îmbinările din mai multe soluții majore FEA/BIM de la furnizori precum Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek etc., ceea ce influențează semnificativ eficiența și acuratețea, deoarece efectele de încărcare sau îmbinarea în sine sunt transmise către IDEA Connection prin Checkbot – un fel de hub pentru schimbul de informații fără întreruperi între soluții diferite.

IDEA StatiCa Connection reprezintă ce este mai bun din ambele lumi! Vă va oferi rezultate precise, verificabile, care pot fi verificate conform codului.

Un lucru este sigur, nu voi mai trata niciodată o îmbinare cu șuruburi ca simplă!