Șuruburi traversante în profile tubulare: dimensionați-le ca bolțuri, nu ca șuruburi

Un exemplu de verificare în IDEA StatiCa Connection arată consecința: același șurub M16 8.8 trece verificarea standard pentru șuruburi, dar nu o trece atunci când este modelat ca bolț. Mai jos explicăm de ce și cum se dimensionează corect șuruburile traversante.

IDEA StatiCa Connection poate modela și analiza aproape orice geometrie de îmbinare. Unele îmbinări sunt însă atipice: verificările generale ale șuruburilor din codurile implementate nu descriu corect comportamentul lor. Un exemplu tipic este un profil tubular, de obicei RHS sau SHS, îmbinat cu șuruburi traversante. Acestea sunt șuruburi lungi sau tije filetate care trec prin ambii pereți ai profilului, cu capul și piulița sprijinite pe fețele exterioare.

Șuruburile traversante reprezintă o alternativă la șuruburile oarbe, Hollo-Bolts, șuruburile cu găurire prin curgere și alte dispozitive de fixare speciale, cu acces dintr-o singură parte. Sunt ușor de procurat: sunt necesare doar o tijă filetată, piulițe și șaibe. Mecanica lor diferă însă de cea a unei îmbinări șurubuite convenționale în trei privințe.

Fig. 1 Îmbinări la peretele unui profil HSS: șuruburi într-un singur perete (stânga) și șuruburi traversante care trec prin ambii pereți (dreapta). Sursa: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

Concluzii principale

• Un șurub traversant fără manșon trebuie modelat ca bolț, nu clasificat drept șurub.
• Șuruburile nepretensionate, cu manșon interior fix, pot fi modelate ca șuruburi standard dacă manșonul împiedică încovoierea.
• Dacă manșonul nu aderă la șuruburi și este prevăzut un joc, șuruburile se modelează ca bolțuri.
• Este important de reținut că șuruburile cu frecare nu sunt permise pentru acest tip de îmbinare în IDEA StatiCa Connection.

Trei diferențe între un șurub traversant și un șurub obișnuit

1. Șurubul nu poate fi pretensionat într-un profil tubular nerigidizat

Strângerea șurubului împinge ambii pereți spre interior printr-o încărcare concentrată. Fețele flexibile ale profilului tubular se deformează în loc să fie strânse una spre cealaltă. Prin urmare, șuruburile traversante se limitează la îmbinări de tip pe presiune pe gaură, cu șuruburi strânse fără pretensionare. Chiar și strângerea fără pretensionare, de aproximativ 10 % din pretensionarea minimă conform AISC 360-16 Tabelul J3.1, trebuie executată cu atenție la profilele cu pereți subțiri, pentru ca pereții să nu fie turtiți. Din cauza golului din interiorul elementului, strângerea fără pretensionare nu poate aduce nici toate straturile în contact ferm.

Fig. 2 Deformarea posibilă a peretelui HSS atunci când șuruburile traversante sunt pretensionate complet. Sursa: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. Șurubul se comportă ca un bolț, nu ca un șurub

Straturile nu sunt strânse una pe cealaltă și este posibil să nu fie în contact. Tija este astfel solicitată la forfecare și încovoiere, iar verificarea standard la forfecare a șurubului nu surprinde singură comportamentul acesteia. Șurubul traversant trebuie dimensionat ca bolț, cu verificări pentru:

• forfecare,
• încovoiere,
• interacțiunea forfecare–încovoiere.

3. Rezistența la presiune pe gaură a plăcilor îmbinate este redusă

Capul și piulița se sprijină doar pe exteriorul peretelui profilului tubular, nu pe ambele fețe, exterioară și interioară, ca într-o îmbinare șurubuită convențională. Zona de prindere nu este împiedicată să se dilate, astfel încât plăcile nu sunt confinate în jurul găurii și pot ceda local prin strivire. Rezistența la presiune pe gaură este cea a unui bolț, nu a unui șurub. Aceasta se aplică atât peretelui profilului tubular, cât și plăcii îmbinate.

Fundamentare din coduri

AISC 360-22, §J3.11(b) (§J3.10(c) în AISC 360-16). Șuruburile care traversează complet un profil HSS nerigidizat sunt verificate la presiune pe gaură conform regulilor pentru bolțuri din §J7:

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

Aici, „nerigidizat” înseamnă un perete care nu este confinat de capul și piulița șurubului pe ambele fețe și nici rigidizat prin umplutură sau armătură. Forfecarea șurubului (Ec. J3-1) și celelalte stări limită ale elementului îmbinat se verifică ca de obicei. AISC 360-16 nu trata ruperea de margine (tear-out) pentru șuruburile traversante; în AISC 360-22, aceeași secțiune acoperă ruperea de margine a șurubului. Pentru șuruburi dispuse la distanțe mici sau în apropierea capătului elementului este necesară o abordare rațională.

EN 1993-1-8. Nu există o procedură specifică. Prin analogie cu AISC, se aplică regulile pentru bolțuri din Tabelul 3.10:

Fb,Rd = 1,5·t·d·fy/γM0 (presiune pe gaură)

MRd = 1,5·Wel·fyp/γM0 (încovoiere)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (interacțiunea forfecare–încovoiere)

Șuruburile traversante cu manșon reprezintă cazul în care șurubul din interiorul profilului tubular trece printr-un tub distanțier, cu diametrul interior strâns, egal cu cel al găurilor standard pentru șuruburi. Tubul împiedică deformarea pereților profilului tubular atunci când în șurub acționează o forță de întindere. Straturile individuale sunt apoi strânse una pe cealaltă, similar unei îmbinări șurubuite standard, iar șurubul poate fi chiar pretensionat complet (CIDECT Design Guide 9, §5.11; Kurobane et al. 2004). În practică, tubul este de obicei sudat în profil sub formă de manșon (Dutta et al. 1998; McCormick 2017). Îmbinarea se comportă atunci mai mult ca o îmbinare șurubuită convențională decât ca o îmbinare cu bolț (McCormick 2017).

Fig. 3 Armarea cu manșon a profilului HSS la șuruburile traversante. Sursa: M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

Exemplu de verificare

Ansamblul cu șurub: comportamentul unui șurub standard

Profilul SHS 110×110×10 mm, sudat, este realizat din oțel S355 și este îmbinat prin șurub traversant de o placă de 8 mm cu un șurub standard M16 8.8. Șurubul este modelat cu tipul de șurub „Presiune pe gaură – interacțiune întindere/forfecare”, cu planul de forfecare în filet. Modelul este încărcat doar cu o forță axială de 40 kN în placa îmbinată. Această forță solicită șurubul la forfecare (V = 40 kN) și produce o forță tăietoare și un moment de torsiune în SHS.

Fig. 4 Modelul de verificare în IDEA StatiCa Connection, cu șurubul traversant modelat ca șurub standard: forța de 40 kN din placă, eforturile de la capetele SHS și setările elementului de fixare (M16 8.8, plan de forfecare în filet, presiune pe gaură – interacțiune întindere/forfecare).

Verificarea șurubului conform EN 1993-1-8

Forța tăietoare este preluată aproape integral de primul plan de forfecare (40,0 kN). Forța tăietoare reziduală din al doilea plan de forfecare este neglijabilă (1,56 kN), astfel încât al doilea perete participă foarte puțin. Șurubul trece verificarea, cu un grad de utilizare la interacțiunea întindere–forfecare de 69,4 %, determinat de gradul de utilizare la forfecare de 66,3 %.

Raportul adaugă însă un avertisment: există un spațiu între plăcile îmbinate, încovoierea din șurub nu este luată în considerare în modelul numeric, iar plăcile nu sunt strânse una pe cealaltă. Prin urmare, rezistențele șurubului la forfecare și ale plăcilor la presiune pe gaură pot fi incorecte. Acesta este primul semnal care necesită atenție.

Fig. 5 Verificarea șurubului conform EN 1993-1-8 (M16 8.8): F_t,Ed = 3,91 kN, F_v,Ed = 40,00/1,56 kN în cele două planuri de forfecare, F_b,Rd = 116,15 kN, grad de utilizare 4,3 % la întindere, 66,3 % la forfecare și 69,4 % la interacțiune, cu avertismentul emis pentru îmbinările cu șuruburi traversante.

Un model echivalent de grindă al șurubului facilitează interpretarea rezultatelor. Acesta arată eforturile interne și distribuția tensiunilor pe lungimea șurubului și reproduce același grad de utilizare la forfecare, ceea ce îl face o verificare simplă a fidelității.

Fig. 6 Model echivalent de grindă al șurubului: V = 40 kN în primul plan de forfecare, tensiune tangențială 4V/3A = 339,6 MPa și grad de utilizare la forfecare 0,66 raportat la V_Rd = 60,31 kN. Modelul confirmă eforturile interne și gradul de utilizare independent de IDEA StatiCa.

Ansamblul cu șurub: comportamentul ca bolț

Același model este construit acum cu elementul de fixare „Pin”. Bolțul preia forța tăietoare și momentul încovoietor. Nu transmite forță axială.

Fig. 7 Modelul de verificare cu șurubul traversant modelat ca bolț (bolț D16 definit de utilizator, care trece prin placă și prin ambii pereți ai SHS): forța de 40 kN din placă și eforturile de la capetele SHS.

Verificarea bolțului conform EN 1993-1-8

Încovoierea bolțului are cel mai mare impact asupra comportamentului: singură, aceasta produce un grad de utilizare de 90,9 %. Rezistența la presiune pe gaură scade, de asemenea, cu aproximativ 41 % față de abordarea cu șurub (68,2 kN față de 116,2 kN). Încovoierea combinată cu forța tăietoare face ca verificarea bolțului să fie nesatisfăcătoare: interacțiunea forfecare–încovoiere atinge 109,5 %, iar bolțul nu rezistă. Momentul încovoietor are valoarea maximă în punctul în care bolțul intră în profilul tubular.

Fig. 8 Verificarea bolțului (bolț D16 definit de utilizator, 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; grad de utilizare la forfecare 58,7 %, la încovoiere 90,9 % și la interacțiune 109,5 %. Rezistența la încovoiere este determinată conform EN 1993-1-8, Tabelul 3.10.

Rezultatele modelului echivalent de grindă (bolț)

Modelul analitic poate fi construit conform regulilor din articolul din baza de cunoștințe IDEA StatiCa Steel pins.

Modelul analitic de grindă corespunde îndeaproape modelului din IDEA StatiCa Connection. În Connection, încărcarea este distribuită uniform pe grosimea plăcii care încarcă bolțul; modelul echivalent folosește în schimb o forță concentrată, acoperitoare. Aceasta produce mici diferențe între eforturile interne și gradele de utilizare ale celor două modele, ceea ce face din modelul de grindă o verificare utilă a fidelității și a plauzibilității.

Gradul de utilizare la forfecare de 58,7 % este determinat de verificarea la presiune pe gaură a plăcii îmbinate, nu de forfecarea bolțului în sine (51,8 %). Încovoierea (0,93) și interacțiunea forfecare–încovoiere (1,14) sunt ușor mai mari în modelul echivalent de grindă, din cauza forței concentrate. Bolțul se comportă conform așteptărilor.

Fig. 9 Model echivalent de grindă al șurubului traversant modelat ca bolț: V = 40 kN în primul plan de forfecare, M = 0,36 kNm în punctul în care bolțul intră în peretele SHS, grad de utilizare la încovoiere 0,93 raportat la M_Rd = 0,386 kNm, interacțiune 1,14. Presiune pe gaură la bolț: 0,59 pe placa îmbinată, 0,52 și 0,05 pe cei doi pereți ai SHS.

Model cu manșoane interioare prefabricate

McCormick (2017) descrie manșonul ca una dintre cele mai uzuale metode de îmbunătățire a unei îmbinări cu șuruburi traversante:

„Una dintre cele mai uzuale metode de îmbunătățire a performanței îmbinărilor cu șuruburi traversante este prevederea unui manșon (sau a unui tub rotund) prin care să treacă șurubul traversant. Manșonul se realizează prin găurirea profilului HSS, introducerea unui manșon cu diametrul interior egal cu diametrul unei găuri standard pentru șurubul traversant și apoi sudarea manșonului în poziție (Dutta et al. 1998). Manșonul permite pretensionarea șurubului, împiedicând în același timp deformarea peretelui HSS. Ca urmare, îmbinarea cu șuruburi traversante se va comporta mai degrabă ca o îmbinare șurubuită decât ca o îmbinare cu bolț.” (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

Fig. 10 Element RHS/SHS fabricat cu manșoane interioare.

Manșoane în IDEA StatiCa: șuruburi nepretensionate

Dacă manșonul sudat este modelat în interiorul profilului RHS/SHS, iar șurubul nu este pretensionat, șurubul traversant poate fi modelat în IDEA StatiCa ca șurub standard, conform articolului și referințelor de mai sus. Manșonul trebuie să fixeze precis șurubul pentru ca modelul standard de șurub să fie valid. Dacă există joc între manșon și șurub, șurubul revine la comportamentul de bolț.

• Chiar și atunci când manșonul este modelat cu operația de fabricație „Stiffening member”, raportul afișează în continuare avertismentul că încovoierea din șurub nu este luată în considerare. 
• Verificarea la presiune pe gaură se efectuează pentru straturile îmbinate

Fig. 11 Îmbinare RHS/SHS fabricată cu manșon interior și șurub M16 8.8 nepretensionat: verificarea rezistenței la presiune pe gaură conform EN 1993-1-8 Tabelul 3.4 și avertismentul privind spațiul dintre plăcile îmbinate.

Manșoane în IDEA StatiCa: șuruburi cu frecare

IDEA StatiCa Connection nu permite șuruburi cu frecare (rezistente la alunecare) în acest model. Analiza se oprește cu mesajul „Friction type bolts cannot be used if there is a gap between the plates”. Există un motiv pentru aceasta:

• În model, pretensionarea nu se transferă în manșon. Șurubul este rigidizat la forfecare, iar forțele tangențiale din șurub acționează asupra găurii la întindere și compresiune, dar pe direcție axială șurubul se comportă ca un șurub standard și nu se creează o stare pretensionată. Manșonul nu este comprimat de pretensionare, astfel încât starea de tensiuni rezultată ar fi înșelătoare.

Fig. 12 Îmbinare RHS/SHS fabricată cu manșon interior și șurub pretensionat (cu frecare): analiza raportează că șuruburile cu frecare nu pot fi utilizate dacă există un spațiu între plăci.

Concluzii

• Un șurub traversant fără manșon este un bolț, nu un șurub. Nu poate fi pretensionat, straturile nu sunt strânse una pe cealaltă, iar tija lucrează la forfecare și încovoiere.
• Verificarea standard a șurubului nu este în siguranță în acest caz. În exemplul de verificare (SHS 110×110×10, placă de 8 mm, M16 8.8, 40 kN), verificarea șurubului este satisfăcută la 69,4 %. Verificarea bolțului nu este satisfăcută, cu 109,5 % la interacțiunea forfecare–încovoiere, încovoierea singură ajungând la 90,9 %.
• Citiți avertismentul din raport. IDEA StatiCa Connection semnalează spațiul dintre plăci: încovoierea din șurub nu este luată în considerare, iar rezistențele șurubului la forfecare și ale plăcilor la presiune pe gaură pot fi incorecte.
• Rezistența la presiune pe gaură scade cu aproximativ 41 %. Presiunea pe gaură la bolț pe placa de 8 mm dă 68,2 kN, față de 116,2 kN pentru presiunea pe gaură la șurub.
• Modelați-l ca bolț în IDEA StatiCa Connection și atribuiți clasa șurubului materialului bolțului. Bolțul nu preia forță axială, așadar verificați separat efectele întinderii, dacă este necesar.
• Un manșon sudat restabilește comportamentul de șurub. Cu un manșon bine ajustat, șurubul traversant poate fi modelat ca șurub standard lucrând pe presiune pe gaură. Șuruburile cu frecare (pretensionate) nu pot fi analizate în IDEA StatiCa Connection atunci când există un spațiu între straturi.

Referințe

• 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

Autorii articolului: Lukas Juricek, Pavel Kalab și Martin Vild