Projektowanie połączeń śrubowych stanowi jedno z kluczowych zagadnień w inżynierii stalowej. Poprawne dobranie elementów złącznych oraz określenie warunków ich eksploatacji wpływa bezpośrednio na wytrzymałość i trwałość całej konstrukcji. Niniejszy artykuł przybliża podstawowe zasady, wymagania i praktyczne wskazówki związane z wykonywaniem i oceną połączeń śrubowych w konstrukcjach stalowych.
Podstawy projektowania połączeń śrubowych
Podstawowym celem projektowania jest zapewnienie odpowiedniej nośność połączenia przy uwzględnieniu wszystkich działających sił. Połączenia śrubowe charakteryzują się dużą uniwersalnością i łatwością montażu, jednak wymagają starannego podejścia do kilku kluczowych zagadnień:
- Dobór właściwej klasy i średnicy śruby,
- Określenie siły wstępnego napięcia,
- Zrozumienie mechanizmów przenoszenia obciążeń (tarcie, docisk, momenty),
- Weryfikacja warunków korozyjnych i dobór pokryć ochronnych.
Rodzaje obciążeń i mechanizmy przenoszenia sił
W typowych konstrukcjach stalowych działają siły statyczne i dynamiczne. Połączenia mogą być projektowane jako:
- Przecinane – siły tnące przenoszone są przez przekrój śruby,
- Ściskane – gdzie elementy łączone dociskane są do siebie przez siłę wstępnego napięcia,
- Mieszane – kombinacja sił tnących i ściskających.
W połączeniach opartych na tarcie, zasadniczym czynnikiem nośności jest maksymalna siła docisku zestawu śruba–podkładka–element konstrukcyjny. Dbałość o czystość powierzchni i stan gwinty oraz elementów stykowych pozwala osiągnąć zamierzoną nośność bez przekraczania dopuszczalnych wartości moment dokręcania.
Normy i klasyfikacja elementów złącznych
W projektowaniu połączeń śrubowych należy przestrzegać obowiązujących normy (np. PN-EN ISO). Normy te określają wymagania dotyczące:
- Materiałów – rodzaj stali, właściwości mechaniczne, wykończenie powierzchni,
- Klasy wytrzymałości – określają granicę plastyczności i granicę wytrzymałości na rozciąganie,
- Tolerancji wymiarów gwintów i łbów,
- Testów i badań – np. sprawdzanie twardości czy próby rozciągania.
Klasy wytrzymałości i dobór śrub
Najczęściej stosowane są śruby o klasach od 5.6 do 12.9. Pierwsza cyfra oznacza wartość podzieloną przez 100 granicy plastyczności, druga – podział przez 10 granicy wytrzymałości. Dla ciężkich konstrukcji stalowych powszechnie stosuje się klasy 8.8 i 10.9. Wybór klasy determinuje maksymalne obciążenia oraz wielkość momentu dokręcania, który należy precyzyjnie kontrolować.
Podkładki, nakrętki i zabezpieczenia przed luzowaniem
Właściwy dobór podkładki i nakrętki to nie tylko kwestia mechaniczna, ale również holistyczne spojrzenie na eksploatację. Często stosuje się:
- Podkładki sprężyste – zabezpieczenie przed luzowaniem wynikającym z drgań,
- Nakrętki samozabezpieczające – wyposażone w element poliamidowy,
- Podkładki zębate lub z fazkami – poprawiające rozkład sił.
Analiza obciążeń i kalkulacje projektowe
Aby zapewnić bezpieczeństwo i trwałość, każdy projekt musi zawierać szczegółowe obliczenia. Kluczowe etapy to:
- Wykonanie analizy statyczno-wytrzymałościowej konstrukcji,
- Określenie sił krytycznych działających na połączenia,
- Obliczenie siły wstępnego docisku – często w granicach 70–90% granicy plastyczności śruby,
- Weryfikacja współczynnika bezpieczeństwa zgodnie z normami branżowymi.
Metody dokręcania i kontrola siły wstępnej
Dokręcanie wymaga precyzji. Najpopularniejsze metody to:
- Momentowa – przy użyciu klucza dynamometrycznego,
- Metoda kątowa – dopuszczalna przy wysokich klasach śrub,
- Metoda hydrauliczną lub tensometryczną – najdokładniejsza, stosowana w konstrukcjach krytycznych.
W każdej z nich należy uwzględnić współczynniki tarcia między łbem śruby, podkładką i nakrętką. Niewłaściwe przyjęcie tarcie może prowadzić do niedokręcenia lub przeciążenia gwintu.
Wymagania montażowe i eksploatacyjne
Podczas montażu i eksploatacji połączeń śrubowych należy zwrócić uwagę na następujące aspekty:
- Oczyszczenie i odtłuszczenie powierzchni stykowych,
- Zachowanie kolejności dokręcania w zespołach wielopunktowych,
- Kontrola momentu dokręcania po upływie określonego czasu (zjawisko relaksacji),
- Regularne przeglądy i uzupełnianie, zwłaszcza w warunkach zmiennych obciążeń lub drgań.
Zabezpieczenie przeciwkorozyjne
Konstrukcje stalowe mogą pracować w trudnych warunkach atmosferycznych. Stosuje się:
- Ocynk galwaniczny lub ogniowy,
- Powłoki malarskie lub proszkowe,
- Tasmy antykorozyjne lub smary specjalne.
Zabezpieczenia te wpływają nie tylko na żywotność elementów, ale również na parametry tarcia, co wymaga skorygowania wartości momentu dokręcania.
Uwzględnienie wszystkich wymienionych czynników w procesie projektowania i montażu połączeń śrubowych jest niezbędne dla zapewnienia bezpieczeństwa i długotrwałego użytkowania konstrukcji stalowych.
