Grzegorz Gremza, Jan Zamorowski, Katedra Konstrukcji Budowlanych Nowoczesne łączniki w konstrukcjach stalowych Grzegorz Gremza, Jan Zamorowski, Katedra Konstrukcji Budowlanych Politechnika Śląska

Połączenia na łączniki mechaniczne Projektowane według Eurokodu 3 Połączenia na śruby Połączenia konstrukcji cienkościennych na wkręty samowiercące, nity, gwoździe wstrzeliwane i na śruby Projektowane indywidualnie na podstawie np. aprobat Połączenia śrubowo – klejowe, połączenia klejowe Na łączniki specjalne (np. kotwie wklejane, kołki gwintowane) Połączenia bez łączników uzyskane przez odkształcenie blachy 2

Zasady wykonania wszystkich typów połączeń śrubowych projektowanych według części 1-8 i 1-4 Eurokodu 3 oraz połączeń elementów cienkościennych projektowanych według części 1-3 Eurokodu 3 określone zostały w europejskiej normie wykonawczej PN-EN 1090-2, zawierającej wytyczne wytwarzania i montażu oraz kontroli wykonania konstrukcji stalowych budowlanych. W normie PN-EN 1090-2 dopuszczono stosowanie również innych łączników i metod połączeń. Właściwości i ewentualne badania tych łączników muszą być jednak zawarte w specyfikacji. 3

System oznaczeń części złącznych System oznaczeń części złącznych (śrub, nakrętek, podkładek, kołków, wkrętów itd.) został ustalony w normie PN-ISO 8991. 4

Przykład oznaczenia śruby wg PN-ISO 8991: Śruba z łbem sześciokątnym PN-EN ISO 4014-M12x80-8.8-A2P Śruba z łbem sześciokątnym z gwintem o wielkości d = M12, długości nominalnej l = 80 mm i klasie własności mechanicznych 8.8, klasy dokładności A (na co wskazuje nr normy) z powłoką elektrolityczną wg ISO 4042 o symbolu A2P, co oznacza powłokę cynkową, o grubości 5 mikronów, o wykończeniu dowolnym. 5

Łączniki ze stali węglowych i stopowych Śruby klasy własności 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8 produkowane są ze stali węglowych, śruby klas 8.8, 9.8, 10.9 ze stali węglowej lub stopowej hartowanej i odpuszczanej, a klasy 12.9 ze stali stopowej hartowanej i odpuszczanej. W połączeniach projektowanych według części 1-8 Eurokodu 3 (PN-EN 1993-1-8) ogranicza się klasy śrub do następujących: W załącznikach krajowych do Eurokodu 3 poszczególne kraje mogą jeszcze bardziej ograniczyć zakres stosowanych klas własności mechanicznych (dotyczy klas 4.8, 5.8 i 6.8 (patrz PN-EN 10548-1 i [28]). 6

Łączniki ze stali nierdzewnych Z kolei zgodnie z PN-EN 1090-2 Według normy ISO 3506-1 do 4 na łączniki można stosować stale: - austenityczne A1, A2, A3, A4, A5 (na rynku dostępne głównie A2 i A4), - ferrytyczne F1, - martenzytyczne C1, C3, C4. W PN-EN 1993-1-4 przewidziano możliwość stosowania śrub ze stali A2, A3, A4, A5 do połączeń niesprężanych. W przypadku połączeń sprężanych, wymagane jest doświadczalne potwierdzenie skuteczności takiego rozwiązania. Z kolei zgodnie z PN-EN 1090-2 w połączeniach sprężanych nie należy stosować śrub ze stali nierdzewnej, chyba, że ustalono inaczej. Zgodnie z PN-EN 1993-1-4, nie należy stosować śrub rodzaju A1. 7

W przypadku łączników ze stali austenitycznych rozróżnia się klasy: 50, 70, 80. Łączniki ze stali martenzytycznych wykonuje się w klasach: 50, 70, 80, 110, a ze stali ferrytycznych w klasach: 45, 60. Zgodnie z PN-EN 1993-1-4, śruby ścinane ze stali nierdzewnej klas 50, 70 i 80 traktuje się w obliczeniach jako śruby klas 4.6, 5.6 i 8.8. 8

Przykładowe gatunki stali nierdzewnych na śruby Cechowanie łączników ze stali nierdzewnych według normy ISO 3506-1 do 4 9

Łączniki zabezpieczone antykorozyjne za pomocą powłok Na elementach stalowych stosuje się następujące rodzaje powłok metalicznych: - galwaniczne (elektrolityczne) wg PN-EN ISO 4042, - uzyskane w procesie cynkowania ogniowego wg PN-EN ISO 10684, - cynkowe płatkowe wg PN-EN ISO 10683, - uzyskane w procesie cynkowania mechanicznego, - uzyskane w procesie niklowania chemicznego. Do powłok niemetalicznych zalicza się powłoki uzyskane przez: czernienie termiczne (olejowe), oksydowanie (powstaje zwarta powłoka tlenku żelaza, szara), fosforanowanie, (pasywacja w kwaśnych roztworach zawierających fosfor, powstaje powłoka z trudno rozpuszczalnych soli barwy szarej lub ciemnoszarej), chromianowanie (pasywacja w kwasie chromowym, różne kolory). Chromianowanie i fosforanowanie są stosowane jako obróbka dodatkowa. 10

Powłoki cynkowe na łącznikach Powłoki cynkowe galwaniczne wg PN-EN ISO 4042: - grubość powłoki: od 5 do 25 mikronów, - oznaczenie powłoki: Zn lub A (oraz dodatkowe oznaczenia). Przykład: A2P – powłoka cynkowa galwaniczna, grubości 5 mikrometrów, o wykończeniu dowolnym Powłoki cynkowe zanurzeniowe wg PN-EN ISO 10684: - grubość powłoki: min. 40 mikronów, średnia 50 mikronów, - oznaczenie powłoki: tZn (oraz dodatkowe oznaczenia). Powłoki cynkowe płatkowe wg PN-EN ISO 10683: - grubość powłoki: od 6 mikronów do 12 mikronów, - oznaczenie powłoki: flZn (oraz dodatkowe oznaczenia). Na powłokach cynkowych mogą być wykonywane dodatkowe powłoki konwersyjne lub lakierowe. 11

Aby umożliwić osiągnięcie odpowiedniego zacisku złącza, nakrętka powinna swobodnie obracać się na trzpieniu śruby, co należy sprawdzić po dostarczeniu zestawu. W celu uniknięcia wcisku gwintu podczas montażu, w normach PN-EN ISO 4042, PN-EN ISO 10683 i PN-EN ISO 10684 zawarto zalecenia aby nominalna grubość powłoki nie przekraczała ¼ minimalnego luzu połączenia gwintowego. W tablicach normowych zamieszczane są grubości powłok przypisane określonemu polu tolerancji. Dodatkowo w normach zaleca się olejenie śrub lub nakrętek ocynkowanych. Zestawy śrubowe przeznaczone do sprężania są smarowane przez producenta. 12

Kruchość wodorowa – powłoki galwaniczne i cynkowe zanurzeniowe Na kruchość wodorową są szczególnie narażone wysokohartowane części o wytrzymałości na rozciąganie powyżej 1000 N/mm² i twardości ponad 320HV, czyli do grupy tej zaliczają się śruby klas 10.9 (i 12.9). Nawodorowanie materiału łącznika może nastąpić podczas czyszczenia kwasem, które odbywa się przed nakładaniem powłoki cynkowej. Nadzór nad procesem galwanicznym lub procesem powlekania zanurzeniowego przy cynkowaniu tych wyrobów powinien być prowadzony z zastosowaniem testu wykrywającego kruchość wodorową. Nie wolno cynkować wyrobów śrubowych bez kontroli producenta tych wyrobów nad tym procesem. W przypadku elementów cynkowanych płatkowo, zastosowanie metod wstępnego czyszczenia, które nie powodują powstawania wodoru, eliminuje ryzyko kruchości wodorowej. 13

Połączenia na śruby niesprężane Doczołowe kat. D Zakładkowe kat A Połączenia na śruby niesprężane Doczołowe kat. D Połączenia na śruby z iniekcją kat A Połączenia na śruby pasowane Cierne kat. B i C Połączenia na śruby sprężane (w tym połączenia na śruby HRC i z podkładkami DTI) Doczołowe kat. E Połączenia na śruby pasowane Połączenia na śruby z iniekcją kat B i C Połączenia cierne, na śruby pasowane i z iniekcją są zalecane w połączeniach zakładkowych narażonych na wibracje 14

Śruby antykradzieżowej Zrywalna antykradzieżowa Wyroby śrubowe Przykładowe łby: Sześciokątny Okrągły z gniazdem 6-kątnym (imbusowy) Stożkowy Kwadratowy Śruby antykradzieżowej Sześciokątny z kołnierzem Grzybkowy z podsadzeniem Młotkowy Noskowy Przykładowe nakrętki: Nakrętki sześciokątne Kołpakowa Zrywalna antykradzieżowa Sześciokątna z kołnierzem Stożkowa 15

Gwinty uprzywilejowane – zestawy do połączeń niesprężanych Zestawy śrubowe do połączeń niesprężanych W konstrukcjach stalowych wykonywanych zgodnie z PN-EN 1090-2 do połączeń niesprężanych należy stosować zestawy śrubowe ze stali węglowej, stopowej lub nierdzewnej austenitycznej spełniające wymagania zawarte w PN-EN 15048-1 (norma ta dotyczy wielkości gwintu od M12 do M36, lecz nie wyklucza stosowania innych wielkości). Zgodnie z pkt. 4.4.1 w PN-EN 15048-1 można zastosować każdą odpowiednią długość gwintu, a także zastosować każdy odpowiedni kształt łba i wymiar trzpienia, pod warunkiem, że są spełnione wymagania dotyczące wytrzymałości na rozciąganie. Zazwyczaj stosuje się wyroby o kształtach według norm powołanych w p. 1.2.4 PN-EN 1993-1-8 (śruby z łbem sześciokątnym i nakrętki sześciokątne) Gwinty uprzywilejowane – zestawy do połączeń niesprężanych M12 M16 M20 M24 M30 M36 16

Poszczególne części zestawu mogą być dostarczane w odrębnych pojemnikach. Znak po klasie własności mechanicznych zestawów zgodnych z PN-EN 15048-1 powinien zawierać litery „SB”. Pozostałe części znaku – jak stosowano dotychczas. Przykład cechowania śruby i nakrętki należących do zestawu śrubowego wg PN-EN 15048-1 Zgodnie z pkt. 8.2.2 w PN-EN 1090-2, nominalna średnica śruby w połączeniach elementów konstrukcji nie powinna być mniejsza niż M12, chyba, że w specyfikacji ustalono inaczej. 17

Zestawy śrubowe do połączeń sprężanych (PN-EN 14399-1 do 10) Śruby do połączeń sprężanych mogą należeć do systemu HV lub HR. Różnią się one sposobem obróbki materiału, prowadzącym do uzyskania określonych własności mechanicznych. W połączeniu należy konsekwentnie stosować elementy należące tylko do jednego z systemów. Zestawy śrubowe do połączeń sprężanych są bardzo wrażliwe na różnice wynikające z produkcji i smarowania, z tego względu istotne jest, aby cały zestaw był dostarczany przez jednego wytwórcę, który odpowiada za prawidłowe działanie zestawu. Cechowanie zawiera litery HR lub HV po znaku klasy własności mechanicznych oraz znak produ- centa. 18

Fub – nominalna wytrzymałość na rozciąganie materiału łącznika, Zestawy są poddawane badaniu przydatności. Badanie to ma na celu sprawdzenie, czy wymagana siła sprężająca: przy zastosowaniu określonej metody napinania, może być uzyskana z wystarczającą rezerwą, przy zapewnieniu, że nie wystąpi przeciągnięcie lub uszkodzenie. Wymaganą siłę sprężającą określa się według wzoru: Zgodnie z poszczególnymi normami wyrobu oraz z zał. H do PN-EN 1090-2, maksymalna siła uzyskana w badaniu Fb,max powinna osiągnąć wartość nie mniejszą niż: , Rys. wg PN-EN 14399-2 gdzie: Fub – nominalna wytrzymałość na rozciąganie materiału łącznika, As – pole przekroju. 19 19

Na podstawie krzywych moment obrotowy – siła w trzpieniu śruby uzyskanych w badaniach, można określić wartość współczynników ki oraz km, używanych następnie do ustalania momentu dokręcania: oraz gdzie: Mi – pojedyncza wartość przyłożonego momentu, uzyskiwanego jednocześnie z siłą Fp, n – liczba prób. 20 20

w śrubach klasy 10.9 zakłada się podkładki pod łeb i pod nakrętką. Zgodnie z PN-EN 1090-2 w połączeniach sprężanych elementów stalowych stosuje się podkładki hartowane płaskie lub w przypadku potrzeby hartowane klinowe, przy czym: dla śrub klasy 8.8 stosuje się podkładki pod łeb lub nakrętką, to jest od strony dokręcanej, w śrubach klasy 10.9 zakłada się podkładki pod łeb i pod nakrętką. podkładki powinny być tak ułożone, aby ścięcie było od strony łba lub nakrętki, należy tak dobrać długość trzpienia śruby aby pod nakrętką pozostawały co najmniej cztery pełne zwoje gwintu. Prawidłowy sposób założenia zestawu śrubowego składającego się ze śruby klasy 10.9 i nakrętki klasy 10 oraz określenie długości skleszczenia przedstawiono na rysunku obok: 21 21

Szczelina po wstępnym skręceniu nie powinna być większa od 2 mm Przed rozpoczęciem sprężania, łączone części powinny zostać wstępnie dokręcone tak jak w połączeniach niesprężanych. Szczelina po wstępnym skręceniu nie powinna być większa od 2 mm Fot. W. Basiński Dokręcanie odbywa się zazwyczaj przez obrót nakrętki. W przypadku braku dostępu do nakrętki należy przeprowadzić badania kalibracyjne lub zlecić dodatkowe badania u producenta w celu określenia wartości momentu sprężania przez obrót łba. Użyty zestaw do sprężenia i następnie rozkręcony nie powinien być stosowany ponownie. Można ponownie stosować natomiast śruby, które nie były napinane, a tylko wstępnie skręcone. 22 22

k-klasy w zależności od metody dokręcania wg PN-EN 1090-2 W celu uzyskania nominalnej, minimalnej siły sprężającej Fp,C, zalecaną wartość momentu dokręcenia Mr,i można obliczyć korzystając ze współczynnika ki lub km podanego przez producenta. Na przykład: Mr,2=km d Fp,C Podawane przez producenta wartości współczynników km lub ki, kalibrowane w zależności od k-klasy (patrz tablica), dotyczą zestawów sprężanych przez obrót nakrętki. k-klasy w zależności od metody dokręcania wg PN-EN 1090-2 Metoda dokręcania k-klasy Metoda kontrolowanego momentu dokręcania K2 Metoda kombinowana K2 lub K1 Metoda HRC K0 (z nakrętką HRD) lub K2 Metoda bezpośrednich wskaźników napięcia (DTI) K2, K1 lub K0 23 23 23

Mr,2=km d Fp,C M = 1,1*Mtest M = 1,1*Mr,2 Dokręcanie śrub metodą kontrolowanego momentu Zgodnie z pkt. 8.5.3 w PN-EN 1090-2, sprężenie wykonuje się w dwóch etapach, dokręcając po kolei w obu etapach wszystkie łączniki w połączeniu: W pierwszym etapie ustawia się na kluczu moment równy 0,75 momentu Mtest uzyskanego w teście kalibracyjnym lub, w przypadku zestawu k-klasy K2, momentu Mr,2 obliczonego według wzoru: Mr,2=km d Fp,C W drugim etapie klucz ustawia się na: lub M = 1,1*Mtest M = 1,1*Mr,2 gdzie wartość 1,1 odpowiada wartości mnożnika (1+1,65Vk) przy Vk = 0,06 dla klasy K2; Według [17] można przyjąć M2 = km(1+1,65Vk), gdzie km i Vk podawane są przez producenta na podstawie badań kalibracyjnych. 24 24

Dokręcanie śrub metodą HRC (TC Bolt, Torshear) Na trzpieniu śruby HRC na końcu części gwintowanej wykonywane jest przewężenie , którego wielkość dobierana jest ze względu na pożądany moment obrotowy, przy którym następuje sprężenie śruby określoną siłą. Gdy moment obrotowy osiąga po- trzebną wartość, końcówka trzpie- nia ulega przerwaniu w zwężonym przekroju szyjki i dalsze dokręcanie jest przerywane. Do dokręcania stosuje się specjalne klucze dwuszczękowe z dwoma współśrodkowymi uchwytami Łączniki te można również dokręcać metodą kontrolowanego momentu lub bezpośrednich wskaźników napięcia. Wg [45], [56] 25

Dokręcanie śrub metodą bezpośrednich wskaźników napięcia Zgodnie z pkt. 8.5.6 w PN-EN 1090-2, sprężenie wykonuje się w dwóch etapach, dokręcając po kolei w obu etapach wszystkie łączniki w połączeniu: W pierwszym etapie dokręcania należy uzyskać stan równomiernego ścisłego docisku. Jest to stan, w którym rozpoczyna się zgniatanie wypustek. W drugim etapie, po osiągnięciu określonej wielkości szczeliny, która została ustalona w testach służących kalibracji, powinno się uzyskać nie mniejszą niż wymagana wartość siły sprężającej. Podkładka (wskaźnik DTI) [59] Podstawowy wariant umieszczenia wskaźnika [9] 26

Odmiennym od poprzedniego rozwiązaniem jest zestaw składający się z dwóch podkładek, pomiędzy którymi umieszczono dwa pierścienie - zewnętrzny i wewnętrzny, przy czym pierścień zewnętrzny może się luźno obracać Wg [54] Siła sprężająca powoduje ściśnięcie wewnętrznego pierścienia aż do jego głębokiego uplastycznienia, co pozwala na likwidację szczeliny pomiędzy pierścieniem zewnętrznym a podkładkami. Uznaje się, że w chwili, w której przestaje być możliwe poruszanie zewnętrznym pierścieniem zostaje osiągnięta założona siła sprężająca. 27

Śruby z iniekcją W połączeniach tego typu, przestrzeń pomiędzy śrubą a ścianką otworu jest z założenia całkowicie wypełniona żywicą, dzięki czemu odkształcenia połączenia są niewielkie, podobne jak w przypadku połączeń na nity lub śruby pasowane. Obciążenia w takich połączeniach są przenoszone przez ścinanie i docisk, a w przypadku dodatkowego sprężenia - również przez tarcie. Iniekcji dokonuje się po sprężeniu. Zgodnie z PN-1090-2 połączenia na śruby z iniekcją są traktowane jako specjalne. 28

Śrubonity ze zrywaną końcówką trzpienia Klasy własności mechanicznych śrubonitów odpowiadają klasom własności mechani- cznych śrub. Na rynku są dostępne wyroby klas 8.8 i 10.9. Wg [33] Po nałożeniu nasadki (2), specjalne urządzenie (3) pociąga za końcówkę trzpienia (1), jednocześnie zaciskając nasadkę na rowkach trzpienia i powodując powstanie docisku nasadki i łba do powierzchni łączonych elementów. Po osiągnięciu określonej wartości siły sprężającej, końcówka sworznia ulega przerwaniu w miejscu przewężonym Średnice otworów należy dobierać według zaleceń producentów. Wg [40] 29

Śrubonity bez zrywanej końcówki Po nałożeniu nasadki (krok 1), urządzenie mocujące napinana trzpień do żądanej siły (krok 2). Po osiągnięciu żądanej siły, nasadka jest zaciskana na rowkowanym trzpieniu (krok 3). BobTail [40] 30

Łączniki do połączeń z jednostronnym dostępem Sworznie jednostronne Gwinty formowane w otworach wykonanych tradycyjnie Gwinty formowane w otworach wykonanych w procesie wiercenia termicznego Połączenie ceownika z rurą (fot. K. Słowiński) Łączniki rozporowe Inne sposoby – np. śruby z łbem młotkowym Połączenie rurowy słup-belka [22] 31

Sworznie jednostronne (BOM, Avbolt) Średnice: np. 12.7, 16, 19 mm Zakres grubości łączonych elementów od 2,3 do 41,3 mm. Łącznik Nośność łącznika na rozciąganie wyższa niż śrub klasy 8.8 o zbliżonej średnicy nominalnej. Przewężenie Łącznik po rozłożeniu (fot. S. Swierczyna) Etapy montażu [40] Łączniki te ze względu na uzyskiwaną siłę w trzpieniu można traktować co najwyżej jako częściowo sprężone (~50% siły sprężającej). 32

Przekrój połączenia przed obciążeniem [23] Montaż ceownika do rury Przekrój połączenia po obciążeniu [23] 33

Łączniki z tulejką spęczaną podczas obrotu nakrętki (Ultra Twist) Średnice tulejki na rdzeniu w przeliczeniu na jednostki metryczne 20, 24 i 27 mm. Otwór może być powiększony względem średnicy łącznika maksymalnie o 1,5 mm dla każdej z trzech średnic. Zakres grubości łączonych elementów (skleszczenie) od 6,4 do 93,5 mm. Wg [40] 34

Osadzanie łącznika kończy się w chwili zerwania rdzenia (4). Podczas obrotu nakrętki tulejka ściskana przez końcówkę trzpienia i tulejkę pomocniczą opierającą się na podkładce ścinanej ulega wstępnej deformacji, tworząc pseudo-łeb, tzw bańkę (2). Po zerwaniu podkładki ścinanej następuje dociśnięcie wstępnie zde- formowanej części tulejki do krawędzi otworu i dalsze jej spęczanie, następuje wzrost napięcia w rdzeniu (3). Osadzanie łącznika kończy się w chwili zerwania rdzenia (4). 35

Połączenia „flowdrill” – wiercenie termiczne W połączeniu wykorzystuje się trady- cyjne śruby, wkręcane w odpowiednio przygotowane otwory. Z uwagi na to, że wytworzona w procesie termicznym tulejka jest dłuższa niż wynosi grubość ścianki rury, możliwe jest uzyskanie gwintu o większej długości niż w przypadku tradycyjnie wykonanego otworu. 36

Łącznik rozporowy do konstrukcji stalowych (Hollobolt) [44] Ocynkowane łączniki klasy 8.8 są wytwarzane o średnicy trzpienia od M8 do M20, z łbami sześciokątnymi lub łbami o innych kształtach. Minimalna wymagana grubość blachy od strony łba wynosi 8 mm. Rozpieranie koszulki następuje podczas dokręcania łba przy zablokowaniu kołnierza. Istnieją różne wariacje tego rozwiązania (np. Lindabolt). 37

Wkładki gwintu do montażu zaślepiającego (HolloFast) [44] Wkładka składa się z radełkowanej tulejki i stożkowej nakrętki. Średnice trzpienia wprowadzanej śruby od M8 do M16, grubość materiału - np. 5 do 16 mm dla śruby M16. Tulejka wraz ze stożkiem blokowana jest w ciasnym otworze (luz max. 0,2 mm) dzięki radełkowaniu, następnie wprowadza się śrubę klasy 8.8, dokręcając ją za pomocą standardowego klucza określonym momentem, np. 147 Nm dla śruby M16 (nieco mniej niż przy pełnym sprężaniu) 38

Zestawy śrubowe ze składaną podkładką (Oneside) [29] Do otworu wprowadzana jest specjalnego kształtu śruba, a następnie składana podkładka. Podkładka ta wraz ze zgrubieniem na końcu trzpienia pełni funkcję łba śruby. Od zewnątrz zakłada się częściowo wpuszczaną podkładkę oraz tradycyjna nakrętkę. Średnice łączników to M6 do M39; klasy własności mechanicznych 4.6, 8.8, 10.9 i 12.9. Po wstępnym złożeniu zestawu, dalsze dokręcanie odbywa się za pomocą kluczy używanych do dokręcania tradycyjnych śrub. 39

Zaletą rozwiązania jest możliwość osiągnięcia pełnej nośności na rozciąganie trzpienia śruby; dzięki zastosowaniu tulejki (opcjonalnie) oraz dzięki wpuszczanym podkładkom jest również możliwe uniknięcie znacznego spadku nośności łącznika przy ścinaniu. Wadą rozwiązania jest konieczność stosowania znacznie powiększonych otworów powodujących osłabienie przekroju (np. dla śruby M16 otwór o średnicy 24 mm) oraz potrzebne miejsce na śrubę po stronie niewidocznej podczas jej wprowadzania. 40

Zabezpieczenie połączeń gwintowych przed odkręcaniem W przypadku, gdy w połączeniu mogą występować drgania, to istnieje ryzyko obluzowania się nakrętki. Jeżeli oprócz dokręcenia mają być zastosowane inne środki zapobiegające odkręcaniu nakrętek, powinno to być określone w specyfikacji. Śruby i nakrętki nie powinny być spawane, chyba, że w specyfikacji ustalono inaczej. Nie dotyczy to specjalnych nakrętek do spawania lub do zgrzewania. W połączeniach na śruby sprężane samo dokręcenie przy sprężaniu jest wystarczające i nie stosuje się dodatkowych środków blokujących nakrętki. 41

Zabezpieczenie połączeń gwintowych przed odkręcaniem Podstawowym sposobem zabezpieczania przed odkręceniem zalecanym przez PN-EN 1090-2 jest stosowanie nakrętek samozabezpieczających, zwanych też potocznie samohamownymi lub samokontrującymi. Nakrętka samokontrująca jednolita Nakrętka samokontrująca z wkładką poliamidową W normach powołanych w PN-EN 1090-2 podawany jest minimalny wymagany moment odkręcania dla nakrętek samozabezpieczających. 42

Nowsze metody mechaniczne i chemiczne: Zestaw podkładek blokujących [51]: Powłoki preaplikowane i kleje anaerobowe do połączeń łatwo, średnio i trudno rozbieralnych, uaktywniające się w kontakcie z metalem: [M43]: 43

Inne znane metody: itd... Skuteczność metod zabezpieczania przed spadkiem napięcia w śrubie wg [46]. 44

- stal ocynkowana/stal ocynkowana (St/St), W katalogach producentów oraz normach wyrobów są zawarte liczne kombinacje materiałowe trzpień/rdzeń (w nawiasach podano opisy materiału stosowane w normach wyrobu): - stal ocynkowana/stal ocynkowana (St/St), -  stal nierdzewna/stal nierdzewna (A2/A2) lub (A4/A4), -  stop aluminium/stal ocynkowana (AlA/St), -  stop aluminium/stop aluminium (AlA/AlA), - stop aluminium/stal nierdzewna, -  miedź/stal nierdzewna, -  miedź/stal ocynkowana (Cu/St), -  miedź/stal z warstwą ochronną, -  miedź/brąz (Cu/Br), -  miedzionikiel/stal ocynkowana (NiCu/St), -  miedzionikiel/stal nierdzewna, - stop Monela. 45

Średnice otworów są większe od 0,1 do 0,2 mm od średnicy nitu. Różne kształty trzpieni nitów wg PN-EN ISO 14588 przedstawiono na rysunku: otwarte zamkniętyy dzielone szczelinowy Najczęściej stosuje się nity jednostronne o średnicach od 2,4 do 6,4 mm. W handlu są dostępne nity o grubości skleszczenia od 0,5 mm do 30 mm. Maksymalna grubość skleszczenia powinna wynosić od 3 do 4 średnic nitu. Nity mogą występować w ofercie handlowej jako tzw. nity standardowe lub jako nity szczelne, z zamkniętym trzpieniem. szczelny standardowy Średnice otworów są większe od 0,1 do 0,2 mm od średnicy nitu. Średnica nitu nie powinna być nie mniejsza niż grubość łączonych elementów, odległość nitu od krawędzi – 2 średnice nitu. 46

Dobór materiału nitu i części łączonych Ze względu na wpływ korozji, istotny jest dobór materiału trzpienia i łączonych części w zależności od łączonych materiałów. Kombinacje materiałów trzpienia i łączonych części przedstawiono w tablicy: 47

Wkręty samogwintujące i samowiercące Zgodnie z pkt. 5.6.11 PN-EN 1090-2, i p. 5.6.4. PN-EN 1090-3 w konstrukcjach stalowych i aluminiowych można stosować wkręty: samowiercące wg EN-ISO 15480 o zakresach gwintów od ST 2,9 do ST 6,3 mm, samogwintujące zgodne z EN ISO 1481, 7049, 1479 oraz ISO 10509 o zakresach gwintów od ST 2,2 do ST 9,5 mm. Wkręty samowiercące 48

Schemat badania wkręta wg PN-EN 20898-7 i PN-EN ISO 3506-1 Klasy wkrętów o średnicach znamionowych od 1 do 10 mm W opisie wkrętów stosuje się te same klasy własności mechanicznych jak dla śrub, przy czym w przypadku wkrętów klas 8.8, 9.8, 10.9 i 12.9 o średnicach znamionowych od 1 do 10 mm określa się wg PN-EN 20898-7 minimalną wartość momentu skręcającego, powodującego ich zniszczenie. Schemat badania wkręta wg PN-EN 20898-7 i PN-EN ISO 3506-1 49

Montaż wkrętów Wkręty należy montować za pomocą wkrętarek (zakrętarek) z regulowanym momentem dokręcenia, nie należy przy tym stosować wkrętarek udarowych. W przypadku wkrętów samogwintujących, lecz nie samowiercących, konieczne jest wykonanie otworu. Otwory te są mniejsze od średnicy wkręta. W czasie wkręcania następuje plastyczna deformacja połączenia, co pozwala na lepsze osadzenie elementu. Przykładowe zakończenia wkrętów samogwintujących (Jezierski, Kowalik [13]) 50

W przypadku, gdy występuje konieczność połączenia blachy do elementu konstrukcyjnego przez górną fałdę, to można zastosować specjalną nakładkę siodłową (kalotę, kalotkę), zapobiegającą odkształceniu blachy i zapewniającą szczelność połączenia: Wg [53] Wg PN-EN 1993-1-3 Wkręty samowiercące mogą być również stosowane do wzdłużnego łączenia arkuszy blach fałdowych, które należy wykonywać w górnej fałdzie: Wg [37] 51

Prawidłowe ściśnięcie podkładki według PN-EN 1090-2 oraz PN-EN 1090-3 Wkręty z podkładka uszcelniającą Aby zapewnić szczelność połączeń stosuje się wkręty z poszerzonym łbem z podkładką z gumy neoprenowej. W przypadku zbyt mocnego ściśnięcia, zniszczona uszczelka nie spełnia swojej roli, co powoduje nieszczelność połączenia i możliwość korozji. Prawidłowe ściśnięcie podkładki według PN-EN 1090-2 oraz PN-EN 1090-3 52

Wkręty do płyt warstwowych Wkręty są wykorzystywane również do montażu płyt warstwowych. Z uwagi na to, że płyta jest wypełniona miękkim materiałem, na jej powierzchni mogą powstać niewielkie wgłębienia. W celu zredukowania głębokości wgniecenia wierzchniej warstwy płyty w niektórych wkrętach stosuje się gwint podporowy. Można również stosować większe podkładki, np. 19 i 22 mm. Gwint podporowy Wg [6,7] 53

Wkręty mocowane w procesie wiercenia termicznego Wg [37] 1 – rozgrzanie blachy przez osiową siłę nacisku oraz wysoką prędkość obrotową, 2 – przebicie materiału dzięki ostremu zakończeniu wiertła, 3 – wywijanie otworu, 4 – profilowanie (wygniatanie) gwintu, 5 – wkręcanie, 6 – dokręcenie wkręta ustalonym momentem obrotowym. 54

Wkręt ze zrywaną końcówką łba (z kontrolowanym momentem) Wkręty samowiercące – inne rozwiązania Innym rozwiązaniem jest wkręt samowiercący z kontrolowanym momentem dokręcenia przez zerwanie końcówki łba. Wkręt ten został opracowany do łączenia tzw. klipów do montażu lekkiej obudowy do konstrukcji wsporczej. Wkręt ze zrywaną końcówką łba (z kontrolowanym momentem) Wg [42] 55

Kołki wstrzeliwane Kołki wstrzeliwane lub kołki osadzane pneumatycznie służą najczęściej do mocowania cienkościennych, fałdowych blach dachowych i ściennych do stalowej konstrukcji nośnej. Połączenia wykonywane są za pomocą osadzaków prochowych lub gazowych (pneumatycznych) bez konieczności wykonywania otworu. Wg [6, 42] Zgodnie z PN-EN 1993-1-3 w podstawowym zakresie stosuje się gwoździe o średnicach od 3,7 mm do 6 mm, przy grubościach podłoża nie mniejszych niż: 4 mm dla d = 3,7 mm, 6 mm dla d = 4,6 mm i 8 mm dla d = 5,2 mm. W przypadku rozciągania grubość podłoża powinna wynosić nie mniej niż 6 mm. 56

Połączenia na nity przetłoczeniowe Połączenia tego typu z założenia zastępują zgrzeiny lub spoiny punktowe. Mogą być one wykonywane przy użyciu prasy przenośnej. Aksonometria połączenia Nity SPR (do połączeń bezotworowych) Przekroje nitów przetłoczeniowych [24] Standardowe grubości blach, przy których można zastosować nity przetłoczeniowe to: 3 mm + 3 mm w aluminium, 1,5 mm + 1,5 mm w stali. 57

Przekrój połączenia [34] Przykład ukształtowania Według informacji katalogowych, nośność na rozciąganie nitu przetłoczeniowego jest większa od nośności zgrzeiny, przy takiej samej ich nośności na ścinanie. Przekrój połączenia [34] W projektowaniu takich połączeń należy uwzględnić wymiary prasy i wymiary nitów. Nit należy zakładać od strony materiału cieńszego lub o mniejszej twardości Przykład ukształtowania Połączenia [34] 58

Nit Solid SPR / połączenie [19] Inne nity przetłoczeniowe: Nit Solid SPR / połączenie [19] Nit CR / połączenie [19] 59

Połączenia przez deformację blach łączonych elementów Połączenia tego typu również mają zastępować zgrzeiny lub spoiny punktowe, stosowane na przykład przy produkcji podestów. Przekrój połączenia [26] Aksonometria [25] 60

Nitonakrętki i nitotrzpienie Nitonakrętki mogą służyć jako łączniki lub jako osadzane na stale nakrętki. W nitotrzpieniu występuje trzpień gwintowany. Zakładanie takich łączników wymaga użycia nitownicy. Nitotrzpień / połączenie Nitonakrętki / połączenie [38, 47] 61

Połączenia z udziałem kleju Stosowanie połączeń czysto klejowych jako połączeń montażowych elementów nośnych w zasadzie nie znajduje zastosowania. W normie PN-EN 1090-2 połączenia klejone zakwalifikowano jako specjalne i nie podano żadnych wytycznych ich wykonywania. Jedyne informacje dotyczące klejenia konstrukcji metalowych budowlanych zawarte w normach projektowania dotyczą konstrukcji aluminiowych i podano je w załączniku informacyjnym M do PN-EN 1999- 1-1. Zawarto tam następujące informacje: klejenia w zasadzie nie należy stosować do połączeń głównych, spajanie klejem jest odpowiednie dla elementów drugorzędnych, połączenie klejone należy konstruować w taki sposób, aby skleina pracowała tylko na ścinanie. 62

Połączenia klejowe elementów prefabrykowanych i elewacyjnych Na świecie są prowadzone próby zastosowania (lub są już stosowane) klejenia elementów takich jak elementy barierek, niektórych elementów elewacji lub np. płyt ortotropowych SPS (Steel – Polymer – Steel) [11]. Połączenia klejowo - wkrętowe Według dostępnych wyników badań [14], współpraca wkrętów i kleju przy przenoszeniu obciążeń okazała się niemożliwa ze względu na zbyt różną charakterystykę podatności skleiny i wkrętów. Nie wyklucza to stosowania tych połączeń przy zmienionej technologii. 63

Połączenia śrubowo-klejowe W praktyce stosowane są połączenia klejowo – śrubowe, używane głównie w trakcie napraw. Wytyczne ich stosowania zawarto w instrukcji IBDiM [16]. Pewne informacje zwarto też np. w [1]. Połączenia klejowo – śrubowe wymienianego tężnika (wg M. Łagody [15]) Węzeł mostu – eksploatacja od lat 70-tych (wg H. Pasternaka [20]) 64

Dziękuję za uwagę

Literatura Brockmann W., Neeb T., Stand der Klebtechnik im Stahlbau. Stahlbau 70 (2001), Heft 2 s. 106-115. Bródka J., Kozłowski, A. Połączenia rygli z rurowymi słupami przy zastosowaniu standardowych śrub zakładanych jednostronnie. Konstrukcje Stalowe nr 5/1997, s. 36-38. Bródka J., Broniewicz M., Giżejowski M., Kształtowniki gięte. Poradnik projektanta. Polskie Wydawnictwo Techniczne. Rzeszów 2006. Bródka J., Garncarek R., Miłaczewski K., Blachy fałdowe w budownictwie stalowym. Arkady. Warszawa 1999. Bródka J., Konstrukcje stalowe z rur. DAFA M 1.01. Wytyczne doboru łączników do montażu stalowych blach profilowych dachów i ścian, DAFA 2008 (oprac. M. Bober). DAFA M 1.05. Podręcznik oceny jakości wykonania lekkich metalowych obudów, DAFA 2008 (oprac. M. Fisher). ECCS Publication No79: European Recommendation for Bolted connections with Injection Bolts. ECCS 1994 (www.eccspublications.eu). ESDEP: Esdep lectures note WG 11. Connection design: static loading (materiały kursowe, udostępnione w Internecie). Fałkowski J., Pancewicz Z., Klejone połączenia elementów stalowych z zastosowaniem śrub sprężających. Inżynieria i Budownictwo, nr 1/ 1973, str. 31-33. Feldman M., i in., Kleben im Stahlbau, Stahlbau 75 (2006), Heft 10, s. 834 do 846. Gresnigt A.M., Sedlacek G., Paschen M., Injection Bolts to Repair Old Bridges, str. 349-360 (www.epicuro.co.uk/uploads/349.pdf). Jezierski J., Kowalik M., Aspekty technologiczno-montażowe wkrętów samoformujących gwint metryczny, Technologia i Automatyzacja Montażu, 2/2001, str. 60 do 62. Król P.A., Żółtowski W., Badania doświadczalne nośności doraźnej zakładkowych połączeń klejowych, wkrętowych i klejowo- wkrętowych. Inżyniera i Budownictwo, grudzień 2007, str. 667 do 671. Łagoda M., Połączenia klejowe przy wzmacnianiu i naprawie mostów stalowych.. Inżyniera i Budownictwo, sierpień 2010, str. 426 do 429. Łagoda M.,: Zalecenia w sprawie stosowania połączeń niejednorodnych do naprawy i budowy mostów stalowych. Zeszyt 41 IBDiM, seria informacje i instrukcje, Warszawa 1993. Łaguna J., Nowe wymagania dotyczące śrub w konstrukcjach stalowych. Inżynier Budownictwa, wrzesień 2007, str. 69 do 71. 66

Łaguna J. , Łypacewicz K. , Połączenia śrubowe i nitowe, Arkady Łaguna J., Łypacewicz K., Połączenia śrubowe i nitowe, Arkady. Warszawa 1986. Mucha J., Klasyfikacja oraz charakterystyka połączeń nitowanych bezotworowo, Technologia i Automatyzacja Montażu, 4/2007, str. 7 do 19. Pasternak H., Schwarzlos A., The application of adhesives in steel structures. VIII Konferencja Naukowa pt. Połączenia i węzły w konstrukcjach metalowych, Olsztyn - Łańsk, 16-19 października 2003. Packer J.A., Wardenier J., Zhao X.L., Vegte G.J., Kurobane Y.: Design guide For rectangular hollow section (RHS) joints under predominantly static loading. CIDECT 2009. Praca zbiorowa pod redakcją Jana Bródki i Aleksandra Kozłowskiego: Projektowanie i obliczanie połączeń i węzłów konstrukcji stalowych, Polskie Wydawnictwo Techniczne. Rzeszów 2009. Wuwer W. Podatne połączenia na sworznie jednostronne w prętowych konstrukcjach cienkościennych. Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej, seria Budownictwo z. 105, Gliwice 2006. Cacko R., Czyżewski P., Numeryczne modelowanie kształtowania i obciążania połączeń nitowanych bezotworowo, Przegląd Mechaniczny, 7-8/2005, str. 50 do 53. Tubielewicz K., Turczyński K., Kształtowanie połączeń blach prasowanych na zimno, Technologia i Automatyzacja Montażu, 2/2001, str. 66 do 70. Tubielewicz K., Turczyński K., Zastosowanie połączeń blach prasowanych na zimno w konstrukcji podestów budowlanych, Przegląd Mechaniczny, 12/2008, str. 19 do 24. Wykłady w ramach Warsztatów Pracy Projektanta’2012: Zamorowski J., Gremza G.: Współczesne sposoby łączenia zimno elementów stalowych i aluminiowych. XXVII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, marzec 2012, tom I, str. 407-498. Łaguna J.: Obliczanie i konstruowanie połączeń na łączniki mechaniczne. XXVII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, marzec 2012, tom II, str. 201-275 Materiały techniczne i reklamowe firm (w spisie uwzględniono również materiały wykorzystane w wykładzie [27]: Materiały reklamowe firmy AJAX Materiały reklamowe firmy ALKAZ Materiały reklamowe firmy ASMET. Materiały reklamowe firmy ARGIP. Materiały reklamowe firmy AVDEL. Materiały reklamowe firmy BOLHOFF. Materiały reklamowe firmy BRITISH STEEL. 67

68 Materiały reklamowe firmy CORUS BAUSYSTEME. Materiały reklamowe firmy EJOT. Materiały reklamowe firmy ESSVE. Materiały reklamowe firmy GROSS. Materiały reklamowe firmy HUCK i HALIMPEX. Materiały reklamowe firmy INOXA. Materiały reklamowe firmy KALZIP. Materiały reklamowe firmy KONWERT SOSNOWIEC. Materiały reklamowe firmy LINDAPTER (www.lindapter.com). Materiały reklamowe firmy LEUJENE BOLT COMPANY (www.leujeunebolt.com). Materiały reklamowe firmy LOCTITE. Materiały reklamowe firmy MASTERFIX. Materiały reklamowe firmy MEGARES. Materiały reklamowe firmy METAL COATINGS INTERNATIONAL. Materiały reklamowe firmy METSEC. Materiały reklamowe firmy NORD-LOCK AB (www.nord-lock.com). Materiały reklamowe firmy PEINER. Materiały reklamowe firmy SFS INTEC. Materiały reklamowe firmy SPS TECHNOLOGIES. Materiały reklamowe firmy STALMUT. Materiały reklamowe firmy ST LOUIS SCREW AND BOLT. Materiały reklamowe firmy ŚRUBENA UNIA. Materiały reklamowe firmy TC BOLT COMPANY. Materiały reklamowe firmy ORBITAL FASTENERS (www.orbitalfasteners.co.uk). 68

69 Niektóre normy przywołane w tekście wystąpienia: PN-EN 1993-1-8: Eurokod 3 - Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-8 - Projektowanie węzłów PN-EN 1993-1-4: Eurokod 3 - Projektowanie konstrukcji stalowych - Część 1-4 – Reguły ogólne - Reguły uzupełniające dla stali nierdzewnych PN-EN 1993-1-3:2008/NA:2010/AC:2009/Ap:2010 Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-3: Reguły ogólne. Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno. PN-EN 1090-2:Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Część 2. Wymagania dotyczące konstrukcji stalowych. PN-ISO 8991:1996 System oznaczeń części złącznych. PN-EN ISO 3506-1: 1997 Własności mechaniczne części złącznych ze stali nierdzewnych, odpornych na korozję. Śruby i śruby dwustronne. PN-EN ISO 3506-2: 2000 Własności mechaniczne części złącznych ze stali nierdzewnych, odpornych na korozję. Nakrętki. PN-EN ISO 3506-3: 2000 Własności mechaniczne części złącznych ze stali nierdzewnych, odpornych na korozję. Śruby bez łba z gwintem na całej długości oraz podobne części złączne nie podlegające rozciąganiu. PN-EN ISO 3506-4:2009 Własności mechaniczne części złącznych ze stali nierdzewnej – Cześć 4: Wkręty samogwintujące. PN-EN 15048-1:2008 Zestawy śrubowe do połączeń niesprężanych. Część 1: Wymagania ogólne. PN-EN 14399-1 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 1: Wymagania ogólne. PN-EN 14399-2: 2007 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 2: Badanie przydatności do połączeń sprężanych. PN-EN 14399-3 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 3: System HR. Zestawy śruby z łbem sześciokątnym i nakrętki sześciokątnej. 69

Niektóre normy przywołane w tekście wystąpienia: PN-EN 14399-4 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 4: System HV. Zestaw śruby z łbem sześciokątnym i nakrętki sześciokątnej. PN-EN 14399-5 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 5: Podkładki okrągłe. PN-EN 14399-6 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 6: Podkładki okrągłe ze ścięciem. PN-EN 14399-7 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 7: System HR. Zestaw śruby z łbem stożkowym i nakrętki. PN-EN 14399-8 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 8: System HV. Zestaw śruby pasowanej z łbem sześciokątnym i nakrętki sześciokątnej. PN-EN 14399-9:2009 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 9: System HR lub HV. Zestawy śruby i nakrętki z bezpośrednim wskaźnikiem napięcia. PN-EN 14399-10:2009 Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych. Część 10: System HRC. Zestawy śruby i nakrętki z kalibrowanym sprężaniem.