3.2.4.1 Ruuvien kestävyyksien mitoitusarvot
Transcription
3.2.4.1 Ruuvien kestävyyksien mitoitusarvot
3.2.4.1 Ruuvien kestävyyksien mitoitusarvot Leikkauskestävyyden mitoitusarvo (leikettä kohti) α v fu b A Fv,Rd = γ M2 - - kun ruuvin kierteet ovat leikkaustasossa ( A = A s ): - lujuusluokat 4.6, 5.6 ja 8.8: α v = 0, 6 - lujuusluokat 4.8, 5.8, 6.8 ja 10.9: α v = 0,5 kun ruuvin kierteetön osa on leikkaustasossa: - α v = 0, 6 Reunapuristuskestävyyden mitoitusarvo k1 α b f u d t Fb,Rd = γ M2 missä α b on pienin arvoista αd ; fu b fu α d on siirrettävän voiman suunnassa: ;1, 0 . e1 3d 0 p - muille kuin pään ruuveille: α d = 1 − 14 3d 0 kohtisuorassa suunnassa siirrettävään voimaan nähden - levyn pään ruuveille: αd = - reunarivin ruuveille: k1 on pienin arvoista 2,8 - muille kuin pään ruuveille: − 1, 7 ; 2,5 d0 p k1 on pienin arvoista 1, 4 2 − 1, 7 ; 2,5 d0 Vetokestävyyden mitoitusarvo k 2 f ub As Ft,Rd = γ M2 missä k2 = 0, 63 uppokantaisille ruuveille, muille k2 = 0,9 . Ruuvin ja mutterin lävistymiskestävyyden mitoitusarvo Bp,Rd = 0, 6 π d m tp f u / γ M2 Yhdistetty leikkaus- ja vetovoima Fv,Ed F + t,Ed ≤ 1, 0 Fv,Rd 1, 4 Ft,Rd e2 3.2.4.2 Mitoitus palamurtumisen suhteen Kuva 11. Keskeisen voiman rasittama ruuviryhmä ja irtileikatun palan vapaakappalekuva. Palamurtumiskestävyyden mitoitusarvo Veff,Rd koostuu palan (vertaa kuva yllä) voiman suuntaisten sivujen nettopinta-alojen leikkauskestävyydestä ja voimaa vastaan kohtisuoran sivun vetokestävyydestä. Kun symmetriseen ruuviryhmään kohdistuu keskeinen kuorma, lasketaan kestävyys seuraavasti: f A f A Veff,1,Rd = u nt + y nv γ M2 3 γ M0 missä Ant on vedon rasittama nettopinta-ala Anv on leikkauksen rasittama nettopinta-ala Kuva 12 Epäkeskeisen voiman rasittama ruuviryhmä ja irtileikatun palan VKK. Kun ruuviryhmään kohdistuu epäkeskeinen kuorma, palamurtumiskestävyyden mitoitusarvo lasketaan kaavalla: f A f A Veff,2,Rd = 0,5 u nt + y nv γ M2 3 γ M0 Suunnitteluohje SFS-EN1993-1-8 ei anna ohjetta edellä kuvattujen rasitusten yhdistelmälle, jossa sitä osaa, jonka palamurtumista tarkastellaan, rasittaa vino voima. Tilanne on esitetty seuraavassa kuvassa. Kuva 13. Vinon voiman rasittama ruuviryhmä Merkitään kuvan tilanteessa vaakavoimaa (normaalivoimaa) vastaavaa kestävyyttä palamurtumisen suhteen Veff,Rd,H ja pystyvoimaa vastaavaa kestävyyttä Veff,Rd,V . Yleisen käsityksen mukaan yhteisvaikutus voidaan tarkistaa ns. lineaarisen yhteisvaikutuksen avulla seuraavasta ehdosta: N Ed V + Ed ≤ 1, 0 Veff,Rd,H Veff,Rd,V Yleensä tämän kaltainen lineaarinen yhteisvaikutus on varmalla puolella, jos tehtävään ei liity stabiiliuskysymyksiä. ESIMERKKI. Tarkista kuvan liittyvän palkin uuman palamurtumiskestävyys, kun kyseessä on nivelellinen liitos, jota rasittaa leikkausvoima (mitoitusarvo) VEd = 890 kN . Kummankin palkin teräksen lujuusluokka on S355. Ruuvit M22 8.8, reiät d 0 = 24 . 3.2.5.1 Rasitusten jakautuminen ruuveille Ruuveihin vaikuttavat voimat lasketaan ottaen huomioon liitoksen toiminta, liitettävien osien jäykkyys ja tasapainoehdot. Eurocode 3 määrittelee voimien jakautumisen seuraavasti : 1. Momentin vaikuttaessa liitokseen sisäisten voimien jakaantuminen voi olla joko lineaarinen (s.o. voimat ovat verrannollisia kiertokeskiöstä laskettuun etäisyyteen) tai plastisuusteorian mukainen (s.o. jokainen jakaantuma, joka on tasapainossa on hyväksyttävissä edellyttäen, että komponenttien kestävyys ei ylity ja komponenttien sitkeys on riittävä). 2. Kimmoteorian mukaista lineaarista sisäisten voimien jakaantumista käytetään seuraavissa tapauksissa: – kun ruuveja käytetään kiinnitysluokassa C liukumisen kestävässä kiinnityksessä; – leikkausvoiman rasittamat kiinnitykset, kun kiinnittimen leikkauskestävyyden mitoitusarvo Fv,Rd on pienempi kuin reunapuristuskestävyyden mitoitusarvo Fb,Rd ; – kun kiinnityksiin kohdistuu isku, värähtely tai kuorman suunnan vaihtuminen (tuulikuormia lukuun ottamatta). 3. Kun liitokseen kohdistuu vain keskeinen leikkausvoima, voiman voidaan olettaa jakaantuvan tasaisesti kiinnittimille edellyttäen, että kiinnittimien koko ja luokka on sama. Kuva 11. Voimien jakaantuminen ruuveille. Plastisuusteorian mukainen voimien jakautuminen ruuveille voi siis olla minkälainen tahansa edellyttäen, että ruuvien kestävyys(leikkaus- ja reunapuristus) ei ylity ja että tasapainoehdot ovat voimassa. Seuraavan sivun kuvassa on esitetty yllä olevan lineaarisen jakautuman lisäksi vielä kolme erilaista plastisuusteorian mukaista ruuvien voimajakautumaa. Kuva 12 3.2.5.2 Momentin ja leikkausvoiman rasittama liitos a) Liitoksen rasitukset Kuva 13. b) Ruuvivoimat kimmoteorian mukaan Ruuvivoimat leikkausvoiman ja momentin rasittamassa liitoksessa. Kuvan liitosta rasittaa voima P etäisyydellä e kiertokeskiöstä (voiman P vaikutussuoran etäisyys). Redusoidaan voima P voimasysteemiksi (P, MTarkastellaan ensin leikkausvoiman Q = P jakautumista kuvan liitoksen ruuveille. Sen voidaan olettaa jakautuvan tasan kaikille ruuveille eli P QP = n missä n on liitoksen ruuvien lukumäärä. Kuvan ruuviryhmälle pelkästä momentista tulevien ruuvivoimien laskemiseksi kimmoteoriaan perustuen ajatellaan liitoksen liitettävän osan kiertyvän ruuvikeskiön ympäri pienen kulman ϕ verran. Tällöin yksittäiseen ruuviin syntyy leikkausvoima QMi , jonka suunta on ruuvikeskiöstä ruuvin keskipisteeseen piirrettyä sädettä vastaan kohtisuora. Voiman suuruus suoraan verrannollinen kiertymä kulmaan ϕ ja etäisyyteen ri kiertokeskiöstä eli Q M i = k ri ϕ missä k toistaiseksi tuntematon verrannollisuuskerroin. Ruuviin syntyneestä leikkausvoimasta aiheutuu kiertokeskiön (ruuvikeskiön) suhteen momentti M i = Q Mi ri = k ri2 ϕ Kaikista ruuveista tulevien momenttien summa on ∑ M i = ∑ k ri2 ϕ = kϕ ∑ ri2 i i i Momenttien summan tulee olla yhtä suuri kuin liitosta rasittavan momentin eli M = kϕ ∑ ri2 i joka on yhtälö verrannollisuuskertoimen k ratkaisemiseksi. Kertoimelle k saadaan M k= ϕ ∑ ri2 i ja edelleen yksittäiselle ruuvivoimalle momentista M tulee M QMi = ri ∑ ri2 i Ruuvivoimat momentista ja leikkausvoimasta ovat vektorisuureita, josta seuraa, että niiden yhteenlasku noudattaa vektorien yhteenlaskusääntöjä. Kokonaisleikkausvoima ruuville i on 2 Q i = QMix + (QP + QMiy ) 2 Momentista M tulevan ruuvivoiman QMi komponentit QMix ja QMiy voidaan laskea seuraavasti. Olkoon xy –koordinaatiston origo ruuvikeskiössä, jolloin y sin α i = i ri cos α i = Kuva 14. Ruuvivoimien laskeminen yhteen suunnikassäännöllä. xi ri Ruuvin i etäisyys origosta on r i = xi 2 + yi 2 Momentista aiheutuvan ruuvivoiman komponenteille saadaan kuvan perusteella y QMi x = i QMi ri QMi y = − xi QMi ri Voima QMi on vaakasuora, jos ruuvit sijaitsevat yhdessä pystyrivissä. Koska useimmiten liitoksen äärimmäisten ruuvien pystyetäisyydet ovat suuria vaakaetäisyyksiin verrattuna, ei tehdä suurta virhettä kun oletetaan uloimmille ruuveille muunkin tyyppisessä liitoksessa QMi y ≈ 0 Tästä seuraa ruuvin eniten rasitetuille ruuveille lausekkeet 2 Qmax = QMix + QP 2 Tämä ajattelutapa lähestyy plastisuusteorian käyttöä ruuvivoimien määrittämisessä. Tarkastellaan seuraavassa esimerkissä liitoksen ruuvivoimia molemmilla tavoilla laskettuna. ESIMERKKI. Pilariin on hitsattu levy kuvan mukaisesti. Liitosta kuormittaa voima 200 kN etäisyydellä 160 mm ruuvikeskiöstä. Laske ruuvivoimat kimmoteorian perusteella. Laske lisäksi ruuvivoimat likimain eniten rasitetuille ruuveille. ESIMERKKI. Tarkista oheisen kuvan mukaisen liitoksen kestävyys, kun liitosta rasittaa leikkausvoima VEd = 120kN kannattavan palkin (IPE360) uuman kohdalla (e=45mm). Teräs S355, ruuvit 8.8M16 5kpl, d 0 = 18 mm .