Połączenia sprężane w konstrukcjach stalowych

Połączenia sprężane to kluczowy element konstrukcji stalowych, w których precyzyjne ustalenie obciążenia wstępnego oraz siły zacisku ma decydujące znaczenie dla niezawodności całej konstrukcji. Właściwe dobranie obciążenia wstępnego gwarantuje, że połączenie utrzymuje zaplanowaną siłę zacisku, co przekłada się na optymalną stabilność i trwałość łączenia.

W niniejszym artykule omówimy najważniejsze aspekty techniczne związane z obciążeniem wstępnym (preload) oraz siłą zacisku (clamping force), ze szczególnym uwzględnieniem praktycznego wykorzystania współczynnika K (K-factor). Dzięki temu projektanci i wykonawcy połączeń sprężanych zyskają solidną wiedzę umożliwiającą kontrolę nad zachowaniem łączenia, co jest niezbędne dla osiągnięcia najwyższej jakości konstrukcji.

Podstawy działania połączeń sprężanych

Podstawą działania połączenia sprężanego jest zjawisko siły wstępnej (preload). Mechanizm działania można przedstawić w trzech punktach dla dokręcanej śruby:

1. Śruba działa jak sprężyna, która zostaje rozciągnięta, generując siłę rozciągającą.
2. Łączone elementy są ściskane z równą i przeciwnie skierowaną siłą zacisku.
3. W stanie bez obciążenia zewnętrznego, siła rozciągająca w śrubie równoważy siłę ściskającą w złączu.

Znaczenie prawidłowego sprężenia

Zgodnie z normą EN 1090-2 (Wykonanie konstrukcji stalowych, Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych), to właśnie ta siła decyduje o nośności i zachowaniu połączenia podczas eksploatacji. Prawidłowo naprężona śruba zapewnia:

• Korzystny rozkład obciążeń – dokręcona śruba przejmuje tylko niewielką część obciążenia zewnętrznego.
• Stabilność połączenia – zapobiega rozdzieleniu elementów i utrzymuje tarcie między łączonymi częściami.
• Odporność na zmęczenie – zmniejsza wahania obciążenia dynamicznego w śrubie.
• Szczelność – w połączeniach z uszczelkami utrzymuje wymagany nacisk.

Obciążenie zewnętrzne przyłożone do połączenia sprężanego zachowuje się inaczej niż moglibyśmy intuicyjnie przypuszczać. Patrząc na zapisy VDI 2230 (Systematic calculation of high duty bolted joints, Joints with one cylindrical bolt) możemy wskazać kilka zachowań obciążonego wstępnie połączenia śrubowego. W typowym przypadku, gdy sztywność złącza jest około pięciokrotnie większa od sztywności śruby, obciążenie zewnętrzne głównie zmniejsza ściskanie łączonych elementów, a nie zwiększa naprężenie w śrubie. To dlatego prawidłowo sprężone połączenie może przenosić znacznie większe obciążenia niż połączenie niesprężone.

Obliczanie momentu dokręcania

W praktyce inżynierskiej, do obliczenia momentu dokręcania często wykorzystuje się współczynnik K (K-factor). Zależność między momentem dokręcania (T), siłą wstępną (Fp) i średnicą nominalną śruby (D) wyraża się wzorem:

T = K × D × Fp

gdzie:

• T – moment dokręcania [Nm]
• K – współczynnik K [-]
• D – średnica nominalna śruby [m]
• Fp – siła wstępna [N].

Drugim rozwiązaniem jest wykorzystanie wzoru Kellerman & Klein, przedstawionego w standardzie ISO 16047 (Części złączne – Badanie zależności moment obrotowy siła zacisk). Do wykorzystania tego wzoru potrzebna jest jednak dokładna znajomość współczynników tarcia oraz geometrii powierzchni oporowych śrub, nakrętek i podkładek.

Kategorie połączeń sprężanych

Obciążenie wstępne (sprężenie) dotyczy przede wszystkim dwóch kategorii połączeń według EN 1993-1-8 (Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, Część 1-8: Projektowanie węzłów):

1. Połączenia kategorii B i C (połączenia cierne):

• Połączenia odporne na poślizg w stanie granicznym użytkowalności,
• Połączenia odporne na poślizg w stanie granicznym nośności.

2. Połączenia kategorii E:

• Połączenia rozciągane z kontrolowanym naprężeniem wstępnym.

Zgodnie z EN 1090-2, nominalna wymagana siła sprężenia Fp,C powinna wynosić: Fp,C = 0,7 fub × As gdzie:

• fub – nominalna wytrzymałość na rozciąganie materiału śruby,
• As – pole przekroju czynnego śruby.

W połączeniach tych należy stosować śruby wysokiej wytrzymałości klasy 8.8 lub 10.9 według odpowiednich norm (seria EN 14399 – Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych), dokręcane zgodnie z jedną z metod określonych w standardzie EN 1090-2:

• Metoda kontrolowanego momentu,
• Metoda kombinowana,
• Metoda HRC,
• Metoda z zastosowaniem bezpośrednich wskaźników napięcia.

Należy podkreślić, że w połączeniach kategorii A i D (połączenia niesprężane) obciążenie wstępne nie jest wymagane, a śruby dokręca się jedynie do stanu „ścisłego dokręcenia”.

Aspekty eksploatacyjne

W praktyce projektowej należy pamiętać, że siła wstępna może się zmieniać w czasie eksploatacji. Wpływają na to zjawiska takie jak relaksacja materiału, zmiany temperatury czy osiadanie powierzchni. Dlatego przy projektowaniu zawsze należy uwzględnić pewien zapas bezpieczeństwa.

Właściwe zaprojektowanie połączenia sprężanego wymaga nie tylko znajomości wzorów, ale przede wszystkim zrozumienia fizyki zjawiska i świadomości ograniczeń. Dobrze zaprojektowane i wykonane połączenie sprężane powinno zachować swoją integralność przez cały okres eksploatacji konstrukcji, zapewniając bezpieczne przenoszenie obciążeń i stabilną pracę połączenia.

Podsumowanie

Siła zacisku to siła ściskająca łączone elementy, powstająca w wyniku dokręcenia śruby, która decyduje o nośności i zachowaniu połączenia podczas eksploatacji. Obciążenie wstępne to siła rozciągająca powstająca w śrubie podczas jej dokręcania, działająca podobnie jak naciągnięta sprężyna. W idealnych warunkach siła zacisku jest równa obciążeniu wstępnemu, tworząc układ równoważących się sił w połączeniu śrubowym.