Šroubová spojení

Úvod

V podstatě šroubová spojení přenášejí síly z jednoho nebo více prvků do jiných prvků a dále do základů. Činí tak pomocí otlačení, tahu a občas tření. Jsou vhodná téměř pro jakýkoli typ spoje. Většinou se však výsledná tuhost spoje nepřehodnocuje v celkovém návrhu, což by někdy nemělo být přehlíženo. Šrouby se dodávají v různých velikostech (viz níže) a třídách (materiál šroubu), v závislosti na normě a regionu. V některých zemích (ne příliš daleko) mají přístup jak k metrickým, tak k imperiálním velikostem – což může být někdy dvojsečná zbraň! Jak jsem také objevil, existují aplikace pro chytré telefony a videa na YouTube, která pomáhají projektantům a inženýrům...

Když se vrátím k mým hodinám konstrukcí, jedním z prvních spojení, které jsme podnikli, bylo 'jednoduché' šroubové spojení převzaté z příkladu ocelového portálového rámu. Abych ukázal, jak dávno to bylo, používali jsme tužku a milimetrový papír! Výpočty, které následovaly, nemohly být na více než jedné straně papíru A4.

Jak se věci změnily!

V těch raných dnech jsem si nikdy nemohl představit změny v metodách a uvažování – ale to je jiné téma, na jiný den a jiný článek.

Šroubová spoja spojení

Pálčivá otázka zní: může být šroubové spojení někdy považováno za 'jednoduché', i když jsou často takto popisována? Spojení jsou komplikovaná (ať se nám to líbí nebo ne) a vyžaduje inženýra, aby je pochopil a navrhl. Určitě existují 'jednoduché' formy a ano - spojení lze stále navrhovat a kontrolovat pomocí tradičních metod, rozhodně ano, a tady by měl každý inženýr spojení začít svou cestu, ale existuje lepší způsob?

Existuje několik způsobů, jak provádět návrhy, ale mnoho možností proces příliš zjednodušuje tím, že umožňuje úzké okno použitelnosti nebo ignoruje klíčové účinky - jedním z největších problémů je stále spoléhání se na obálkové síly a nesoupadné účinky zatížení.  Je to přílišné zjednodušení, kterému bychom se měli skutečně vyhnout? Pravděpodobně! Mnoho firem přijalo řadu tabulkových kalkulátorů, ale to také vyvolává obavy ohledně ověřování a jejich aktualizace.

Také si pamatuji, že jsem psal koncové reakce na výkres založený pouze na smyku a jedné kombinaci zatížení – vždy pro ocelového výrobce, aby navrhl spojení :-). Ty časy jsou rozhodně pryč. Ale příliš mnoho inženýrů se snaží zůstat u starých způsobů a míchat starý přístup s moderními kódy a metodami – což vede ke špatným, neefektivním, předimenzovanýmspojením.

Výhody a nevýhody šroubových spojení

Šroubová spojení jsou skvělá, protože jsou relativně snadná na instalaci, údržbu a kontrolu. Nemusí být tak levná na výrobu, jak si myslíte, protože mohou generovat více materiálu, mají otvory pro šrouby (které stojí více) a větší koncentrace napětí. Mohou také vést k problémům na staveništi (mluvím ze zkušenosti), kdy jsou s nosníkem poslány špatné šrouby (nebo žádné šrouby). V některých situacích mohou nabídnout projektantovi určité pohodlí, protože vždy existuje nějaká dodatečná kapacita v šroubovém spojení (pokud je provedeno správně). Žádné spojení však není neomylné! Mnoho poruch bylo přisuzováno špatným detailům šroubů – vloženy naruby/nesprávná montáž šroubu pro zamýšlené použití. Je proto velmi důležité vzít v úvahu pravidla detailování a jakákoli zvláštní opatření by měla být uvedena na výrobních/montážních výkresech/informacích.

Snaha zjednodušit proces výběrem 'jednoduchého' spojení může často vyústit v dražší spoj k výrobě.  Je možná čas uvažovat o nákladech na materiál a CO₂ více než o nákladech na návrh...

Naopak, jak se šroubová spojení stávají komplikovanějšími – ať už kvůli geometrii nebo aplikovanému zatížení, nebo obojímu – stávají se ještě těžšími na návrh a kontrolu podle kódů. Jednoduchý přístup, možná rozložením komplikovaného spojení na jednodušší části, nebude fungovat.

Úskalí návrhu

Existuje mnoho možných problémů, které mohou vzniknout při navrhování spojení, ale zdaleka nejčastěji vidíme na naší helpdesk 'překvapivé' tahové síly v šroubech, když na šroub není aplikována žádná taková síla.

Odkud pocházejí tyto tahové síly a tahové napětí? Odkázal bych vás na prozkoumání páčících sil vznikajících z flexibilních desek ve vašem návrhu spoje. Ty mohou být někdy náročnější než složky smykové síly! Jako poznámka na okraj, pokud chcete vidět, jak mohou ovlivnit váš návrh, zkuste zvýšit váš ocelový materiál o několik řádů a (pokud to děláte postupně), můžete vidět, že jak se flexibilita snižuje, síly šroubů směřují k 'očekávanému' výsledku.

Dalším aspektem šroubových spojení, který se může vyskytnout, je když jsou vyžadována spojení kritická na skluz nebo předepnuté šrouby. To neovlivňuje pouze přístup k návrhu, ale také práce na staveništi. Testování a certifikace takových šroubů na staveništi je problematické a drahé. Jako mladému inženýrovi mi bylo řečeno, abych se jim vyhnul, pokud je to vůbec možné – zajímalo by mě proč?

Šroub obvykle prochází otvorem pro šroub.  Ty se nazývají volné otvory.  Jak se průměry šroubů zvětšují, tak se zvětšuje i průměr volného otvoru (nebo by se měl).  Navíc, pokud je aplikována povrchová úprava materiálu nebo příprava povrchu, pak by měly být vůle zvětšeny - zinkování je zde dobrým příkladem.

Na začátku tohoto článku jsem zmínil přístup, se kterým jsem začal koncovou reakci z jednoduché kombinace zatížení, obvykle převedenou faktorem a pak zaokrouhlenou nahoru. To mohlo být dokonce tabelováno na základě velikosti prvku a jeho kapacity. Tento přístup se stále používá v mnoha zemích a může vést k problémům v návrhu spojení. Problém je v rovnováze: vyvažování inženýrství s výslednými detaily. Konstrukční návrh se vyvinul a stejně tak i používaný software. Skutečně by se dalo tvrdit, že konstrukce nemůže být navržena (efektivně) bez softwaru. Jak nejlépe využít všechen tento software k modelování a návrhu vašich šroubových spojení?

Přístup CBFEM

Jak my ve společnosti IDEA StatiCa využíváme technologii za CBFEM?  Tato metodologie je zabudována do IDEA StatiCa Connection. Šrouby jsou považovány za závislé nelineární pružiny. To umožňuje modelovat, vypočítat a zkontrolovat podle kódů jakoukoli geometrii spojení s jakýmkoli aplikovaným zatížením. Navíc lze kontrolovat stabilitu a další účinky – koneckonců je nepravděpodobné, že 'jednoduchý' přístup bude dostatečný!

Jedním z argumentů často uváděných je, že se jedná o přístup 'palicí na ořech'. Nicméně v posledních verzích usnadňujeme modelování a návrh jednoduchých spojení ještě více pomocí AI, vizuálního programování a vylepšení API, využívání výkonu našich počítačů ke snížení peněžních a CO₂ nákladů na snadná spojení.

K tomu se přidává schopnost extrahovat účinky zatížení/spojení z několika hlavních FEA/BIM řešení od poskytovatelů jako jsou Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek atd., což skutečně ovlivňuje efektivitu a přesnost, protože účinky zatížení nebo samotné spojení jsou předány do IDEA Connection prostřednictvím Checkbot – jakéhosi centra pro bezproblémovou výměnu informací mezi různými řešeními.

IDEA StatiCa Connection je to nejlepší z obou světů! Poskytne vám přesné, ověřitelné výsledky, které lze zkontrolovat podle kódů.

Jedna věc je jistá, já už nikdy nebudu považovat šroubové spojení za jednoduché!