ДГКМ
ЧК-8
MASE
ДРУШТВО НА ГРАДЕЖНИТЕ КОНСТРУКТОРИ НА МАКЕДОНИЈА
MACEDONIAN ASSOCIATION OF STRUCTURAL ENGINEERS
Партизански одреди 24, 1000 Скопје, Македонија Partizanski odredi 24, 1000 Skopje, Macedonia
mase@gf.ukim.edu.mk http://www.mase.org.mk
13 Меѓународен симпозиум * 13 th International Symposium 14-17 октомври 2009, Охрид
October 14- 17, 2009, Ohrid
Tихомир НИКОЛОВСКИ(1) и Мартин ВЕЛКОВСКИ(2)
ИНЕКТИРАНИ ЗАВРТКИ. МОДЕРНО, ЕКОНОМИЧНО И ДОВЕРЛИВО СРЕДСТВО ЗА ВРСКА Резиме По дефиниција, инектираните завртки се такви завртки кај кои шуплината меѓу завртката и ѕидовите на отворот е целосно исполнета со двокомпонентна епоксидна смола. Oсновна предност на инектираните завртки е што по врзувањето на смолата, врската станува отпорна на пролизгување. Така, во врски категорија В и С според EN 1090-2 (преднапрегнати завртки) носивоста е збир на отпорот на пролизгување и притисокот врз смолата. Пресметката на врските со инектирани завртки се врши според ЕUROCODE 3 Дел 1-8 (EN 1993-1-8:2005). Инектираните завртки се идеално средство за врска како во нови така и за санација на стари конструкции и опрема како супституција на упасовани завртки и заковки. За илустрација, во трудот се дадени подготовката на инектираните завртки, постапката за инектирање и споредбени пресметки на носивоста на инектираните завртки, обичните и пренапрегнатите завртки и заковките. Клучни зборови: Инектирани завртки, предности, споредбени пресметки Tihomir NIKOLOVSKI(1) and Martin VELKOVSKI(2)
INJECTION BOLTS. MODERN, ECONOMICAL AND RELIABLE FASTENERS Summary According to their definition, injection bolts are bolts in which the cavity between the bolt and the wall of the hole is completely filled up with a two component epoxy resin. The main advantage of injection bolts is that after complete curing of the resin, the connection is slip resistant. Thus, in connections category B and C according to EN 1090-2 (preloaded bolts) the load bearing capacity is the sum of the slip resistance and bearing pressure on the resin. The design of injection bolts is carried out according to ЕUROCODE 3 Part 1-8 (EN 1993-18:2005). The injection bolts are ideal fasteners for new steel structures as well as repair and maintenance of old steel structures and industrial equipment, especially for substitution of both fitted bolts and rivets. To ilustrate the advantages of their application, in this paper the preparation of injection bolts, the procedure of injection and comparative calculations of load bearing capacity of injection bolts, non-preloaded and preloaded bolts and rivets. Key words: Injection bolts, advantages, comparative calculations
(1) (2)
Проф.д-р, Советник за развој, АД ФАКОМ Скопје, e-mail: tihomir.nikolovski@fakom.com.mk Дипл.маш.инж., Директор на РЕ Инженеринг, АД ФАКОМ Скопје, e-mail: martin.velkovski@fakom.com.mk
409
1. ВОВЕД Според дефиницијата утврдена во ЕUROCODE 3 Дел 1-8 (EN 1993-1-8:2005) [1], и Европскиот стандард EN 1090-2 [2], инектирани завртки се такви завртки кај кои шуплината меѓу завртката и ѕидовите на отворот е целосно исполнета со двокомпонентна епоксидна смола (Сл.1). Инектирањето се врши низ мал отвор во главата на завртката. По врзувањето на смолата, врската станува отпорна на пролизгување. Инектираните завртки можат да се применат како обични (не-преднапрегнати) и преднапрегнати. За врски категорија А (обични не-преднапрегнати завртки) според EN 1090-2:2006 преносот на силата се врши преку притисок на смолата (обвивката на отворот), а за врски категорија В и С (преднапрегнати завртки) носивоста е збир на отпорот на пролизгување плус притисокот врз смолата(1). Oтвор за инектирање
Обработена подлошка
Смола
Отвор за обезвоздушување во подлошката
Слика 1. Инектирана завртка во двострана врска
2. ПОДРАЧЈЕ НА ПРИМЕНА Првата примена на инектирани завртки датира уште од 70-тите години на минатиот век, во Холандија. Со тек на време, нивната примена станува нормална практика при санацијата на стари заковани конструкции на мостови, особено железнички, но исто така и за нови мостови и други типови динамички оптеретени конструкции (кранови, тешко оптеретени крански греди, градежни машини, рударски машини за отворен коп на јаловина и руда и сл. но и за вертикални конструкции – антенски столбови, кули и јарболи, ветерници) каде се бара непоместливост во врските и спречување на дополнителните деформации на конструкциите од пролизгување во врските, како значително поекономична алтернатива на упасованите завртки. Голем исчекор во нивната практична примена е направен со експерименталните испитувања извршени во лабораторијата Stevin на Универзитетот во Делфт, со кои е отстранета почетната, практично децениска скепса на проектантите и инвеститорите (се чини пред се во поглед на носивоста на епоксидната смола) и чии резултати се подоцна преточени во Препораките на Европската конвенција за метални конструкции (ЕССЅ Recommendations No 79) [3] од 1994 год и Европските стандарди. Во овој контекст треба да се истакне дека при испитувањата на замор, со инектираните завртки е добиена динамичка носивост на ниво на закованите врски, поголема од носивоста на врските со обични, па дури и од врските со упасовани завртки. Една од првите примена на инектирани завртки во Германија е дури во 1996 год (патен мост во закована конструкција кај Ораниенбург близу Берлин) [4]. Примената на овие завртки била проследена со долгогодишни испитувања на ползење. (1)
Во преводот на српски јазик на EUROCODE 3 Дел 1.8 (EN 1993-1-8:2005) [1] направена е, најверојатно ненамерна, груба грешка. Наместо зборот “плус“ во оригиналниот текст на англиски, во преводот стои “како и“ што во најмала рака има двосмислено значење и со што, последично, може драстично да се деградира носивоста на преднапрегнатите инектирани завртки.
410
3. ПРЕДНОСТИ Поправка и зајакнување на постоечки конструкции • Примена во врски со мало дозволено пролизгување. Такви се врските со заковки (заради целосното исполнување на отворот по ковењето) и упасовани завртки (дозволено пролизгување 0,3 mm) од кои се значително поефтини. • Добра носивост на притисок по обвивката на отворот. Предуслов за замена на лоши заковки: избор на правилен однос меѓу дебелината на лимовите и дијаметарот на завртките [1]. • Нема внатрешна корозија. Неможе да се јави бидејќи смолата целосно ја исполнува шуплината (важно и за нови конструкции). Примена во нови конструкции • Нема пролизгување во случај на претоварување. Во врски со преднапрегнати завртки таква појава е можна во случај на претоварување. Кај инектираните завртки, ваква појава е невозможна. • Добра носивост на притисок по обвивката на отворот. Носивоста на притисок по обвивката е со иста магнитуда како носивоста на триење на преднапрегнатите завртки. • Нема посебни барања за контактните површини и за контролата на силата на притегање. Тоа може да ја поттикне примената на не-преднапрегнати инектирани завртки. Цена на чинење • Цена на материјалите: Набавна цена на завртките, навртките и подлошките; Цена на машинската доработка на завртките и подлошките (Слика 2., 3. и 4); Набавна цена на смолата, мешањето и инектирањето(2). • Цена на работна рака: Вкупен број на завртки кои треба да се инектираат; Број на завртки во една врска; Пристапност; Дијаметар и должина на завртките; Можно доцнење на работите (суви отвори – зависност од климатските услови). Грубо, потребното време за инектирање на една завртка е меѓу 1 и 2 мин. Ако се применат преднапрегнати инектирани завртки, потребниот број на завртки во врската значително се смалува(3), а со тоа се редуцираат и трошоците за изработка на отвори и набавката и вградувањето на завртките. Понатаму, поголемиот зазор меѓу завртката и отворот може да ја олесни монтажата и, последично, да ги смали трошоците. Според Холандски извори [5] потребното време за замена на една лоша заковка со инектирана завртка при санација (расковување, евентуална поправка на површината, вградување, притегање и инектирање) изнесува 25min со двајца работници. По стврднувањето на смолата, инектираните завртки не можат да се разлабават или демонтираат, што е дополнителна предност при перманентни врски. Ако во одредени посебни случаи е потребна демонтажа, потребни се претходни мерки, напр. специјална течност за спречување на слепувањето на смолата за завртката и евентуално за ѕидовите на отворот. Според [3] можно решение е загревање на завртката со обична лет-ламба. 4. ИЗРАБОТКА НА ИНЕКТИРАНИ ЗАВРТКИ Широко распространета практика е инектираните завртки да ги изработуваат (прилагодуваат) самите изведувачи на челични конструкции од нормални стандардни завртки за конструкции, со димензии и класа на квалитет според EN. Фирмата (FABORY)(4) од Холандија нуди готови завртки за инектирање и тоа само класа 10.9 и со дијаметар М20 и поголем. Горниот дел од отворот во главата на завртката (Ф5,5 mm) е доволен за влез на уредот за инектирање, а долниот дел (Ф3,2 mm) овозможува инектирање на смолата. Според деталот (Сл.2.) внатрешниот раб на отворот во долниот дел се допира до вратот на завртката. (2)
Цената на опремата за инектирање е ниска, а количината на смола за една завртка мала (неколку cm3). Види ги контролните пресметки дадени во [6] за примена во нови и стари челични конструкции. (4) Според web-site-от на FABORY, фирмата има претставништво во Софија, Бугарија. (3)
411
d1
d1 (a) Бушено
.25 s
0
60
.25 s
d1 +3 s
d1 +3
d1 (b) Обрa ботено
Слика 3. Обработка на подлошката под главата
жлеб
Слика 4. Обработка на подлошката под навртката
Под главата на завртката се поставува подлошка машински обработена од внатрешната страна (Сл.3.). Овој дополнителен простор го олеснува течењето на смолата околу завртката која целосно ја исполнува шуплината меѓу вратот на завртката и ѕидовите на отворот. Внатрешниот дијаметар на подлошката треба да биде најмалку 0,5 mm поголем од дијаметарот на вратот. Под навртката се поставува плочка на која е изработен жлеб за обезвоздушување (Сл.4). Подлошката треба да се постави со жлебот од страната на навртката. Ако површините се премачкани, оваа положба спречува жлебот да се наполни со боја во текот на притегањето на завртката.
5. ДВОКОМПОНЕНТНА ЕПОКСИДНА СМОЛА ЗА ИНЕКТИРАЊЕ Иако имаат високи јакостни карактеристики, епоксидните смоли се осетливи на ползење. Заради тоа, притисокот по обвивката на отворот треба да се одржува во одредени граници. Во [3] е препорачано проектно напрегање од 130 N/mm2, додека за санацијата на мостот Ораниенбург [4], е усвоено 150 N/mm2 согласно резултатите од испитувањата. Базичен критериум бил при ова ниво на напрегањата на притисок, максималното пролизгување во врските да не пречекори 300 μm (0,3 mm)(5) во текот на референтниот животен век на конструкцијата (50 год). Подетални податоци за експерименталното определување на проектната носивост на смолата за инектирање се дадени во новиот EN 1090-2 [2]. Инектирањето на завртките отреба да се изврши во согласност со упатствата на производителот, а смолата треба да ги има следните карактеристики. • По мешањето на двете компоненти, мешавината треба да има таква вискозност при амбиентна температура, за да тесните простори во врската лесно се исполнат. Течењето на масата треба да запре откако ќе престане инекциониот притисок. За таа цел може да се употреби глина за моделирање. • Времето на користење на смесата при амбиентна температура треба да изнесува најмалку 15 мин. За повисоки температури ова време се намалува. • Температурата на вградување на смолата треба да биде меѓу 15 и 25оС. При ладно време дозволено Слика 5. Инектирање на завртки е предгреење. Ако температурата е висока, може со рачен пиштол [4] да се употреби глина за моделирање. • Смолата треба да врзе пред натоварување на конструкцијата (24 часа). Ако во некои случаи е потребно времето на врзување да се скрати (напр. на околу 5 часа при санација на конструкции во тек на користење), по истекот на времето на користење дозволено е загревање на врската до најмногу 50оС. (5)
Според резултатите од испитувањата [4], може да се смета дака препорачаните вредности се потценети. Имено, максималните измерени пролизгувања од ползење до нивна потполна стабилизација на крајот 0 на повеќегодишните испитувања изнесувале до околу 200 μm, a при температура од 70 С до 250μm, со 2 најава дека препорачаните вредности можат да се подигнат до 175N/mm па дури и на 200 N/mm2. Новиот ЕN1090-2 не ги дефинира овие вредности и предвидува испитување на секоја смола (производител).
412
• За време на инектирањето, не смее да има вода во врската, бидејќи може значително да ја намали носивоста. Во нормални услови е потребен еден сув сончев ден пред почетокот на инектирањето.
6. ВГРАДУВАЊЕ НА ИНЕКТИРАНИ ЗАВРТКИ Пред инектирањето, завртките треба да бидат притегнати, а врската доведена во дефинитивна положба. За инектирање, по правило се потребни двајца работници: еден за инектирање и еден за проверка на појавата на смолата низ жлебот на подлошката од страната на навртката. Заедно со мешањето на смолата, за инектирање на група од 20 завртки се потребни околу 30 минути. За врски со мала дебелина доволен е рачен пиштол (Сл.5.). Целата постапка е исклучително лесна и едноставна.
7. СПОРЕДБЕНИ ПРЕСМЕТКИ НА НОСИВОСТА Комплетните пресметки на носивоста на инектираните не-преднапрегнати и преднапрегнати завртки, едносечни и двосечни, за примена во нови конструкции и за супституција на заковки во стари конструкции се дадени во [6]. Овде ќе бидат прикажани само конечните резултати на пресметките според EUROCODE 3, Дел 1.8. 7.1 Нови конструкции (инектирани преднапрегнати завртки) А.1.3 Носивост на инектирани преднапрегнати завртки(6),(7) Завртка
Гранична состојба на носивост (ULS) Смола Fb,Rd,resin
Fs,Rd
Вкупно
Fs,Rd
М16 М20 М22 М24 М27
50.7 79.2 95.8 114.0 144.3
56.3 87.8 108.6 126.5 164.5
107.0 167.0 204.4 240.5 308.8
70.3 109.8 135.7 158.1 205.6
Класа 8.8
Гранична состојба на употребл. (SLS)
Класа 10.9
Смола F Вкупно b,Rd,resin 121.0 189.0 231.5 272.1 349.9
42.2 66.0 79.9 95.0 120.3
Класа 8.8
Класа 10.9
Fs,Rd
Вкупно
Fs,Rd
Вкупно
63.9 99.8 123.4 143.8 186.9
106.1 165.8 203.3 238.8 307.2
79.9 124.7 154.3 179.7 233.7
122.1 190.7 234.2 274.7 354.0
Со примена на инектирањето, потребниот број преднапрегнати завртки во една врска може значително да се намали. Ако потребниот број на не-инектирани преднапрегнати завртки се означи со 100%, тогаш потребниот број инектирани преднапрегнати завртки (во %) во истата врска би изнесувал(8): Гранична состојба на носивост (ULS) Гранична состојба на употребл. (SLS) Завртка М16 - М27
Класа 8.8
Класа 10.9
Класа 8.8
Класа 10.9
n=1
n=2
n=1
n=2
n=1
n=2
n=1
n=2
∼38%
∼53%
∼43%
∼58%
∼46%
∼60%
∼51%
∼65%
Коментар: Со примена на инектираните преднапрегнати завртки, бројот на завртките, должината на врската и димензиите на подврските и, генерално, обемот и цената на работите за изработка и монтажа на врските се смалуваат во просек за ДВА ПАТИ во однос на врските со преднапрегнати завртки. 7.2 Санација на стари конструкции (инектирани непреднапрегнати и преднапрегнати завртки) За санација на стари конструкции изведени со заковки, преднапрегнати завртки можат да се применат само условно или неможат воопшто да се применат. Причината лежи во генерално непознатиот, но веројатно (по)низок фактор на пролизгување (триење) (6)
Носивоста на инектираните преднапрегнати завртки е сума на носивоста од притисокот по обвивката на отворот на смолата Fb,Rd,resin + отпорноста на пролизгување Fs,Rd. Бројната ознака на табелата е како во [6] (7) Проектните сили за SLS се добиват без, а проектните сили за ULS со множење со парцијалните фактори. (8) n=1: едносечни завртки (една контактна површина), n=2: двосечни завртки (две контактни површини)
413
во контактните површини во врските (можна внатрешна корозија или претходно нанесени заштитни премази. Меѓутоа, би бил премногу конзервативно да се смета дека триење во овие врски воопшто не постои(9). Од друга страна, закованите врски се непоместливи, кое што со обични не-преднапрегнати завртки неможе да се обезбеди. Затоа, инектираните завртки можат да бидат многу силна алтернатива на заковките. Табела А.5 Споредбена носивост на едносечни и двосечни спојни средства(10) Заковка / завртка d0=17/ М16 d0=20/ М20 d0=23/ М22 d0=26/ М24
Заковки
Обични завртки 5.6 или 5.8
Инектирани завртки 5.6 или 5.8 (ULS)
Fv,Rd,1
Fv,Rd,2
Fv,Rd,1
Fv,Rd,2
Fb,Rd
Fb,Rd,r1
Fb,Rd,r2
43.6 60.3 79.7 102.0
87.2 120.6 159.4 204.0
48.2 75.4 91.2 108.5
96.5 150.8 182.5 217.1
122.9 192.0 232.3 276.5
46.1 72.0 87.1 103.7
50.7 79.2 95.8 114.0
Коментар: Не-преднапрегнатите инектирани завртки можат да ги супституираат едносечните заковки. Не-преднапрегнатите инектирани завртки (освен за d0=20mm) неможат да ги супституираат двосечните заковки, освен ако со пресметка се докаже дека носивоста на врската со инектирани завртки задоволува. Двосечните конструктивни заковки можат да се супституираат со инектирани завртки. Табела А.6-б Споредбена носивост на заковки (n=2) и преднапрегнати инектирани завртки класа 8.8 и 10.9 (μ = 0,2) Заковка / завртка
Заковки Fv,Rd,2
d0=17/ М16 d0=20/ М20 d0=23/ М22 d0=26/ М24
87.2 120.6 159.4 204.0
Гранична сост. на носивост (ULS) Kласа 8.8 Класа 10.9 Fs+r,Rd Фактор Fs+r,Rd Фактор
Гранична сост. на употребл. (SLS) Kласа 8.8 Класа 10.9 Fs+r,Rd Фактор Fs+r,Rd Фактор
78.8 123.1 150.1 177.3
74.2 115.9 141.6 166.9
0.904 1.021 0.941 0.869
85.9 134.1 167.3 193.1
0.985 1.112 1.050 0.947
1.149 1.297 1.199 1.104
82.2 128.4 157.0 184.9
1.273 1.437 1.330 1.223
Коментар: Граничната носивост на инектираните преднапрегнати двосечни завртки за μ = 0.2 е со ист ред на големина како двосечните заковки. Ако коефициентот на триење се подигне од μ = 0.2 на μ = 0,3 (чистење со метална четка и остранување на лабавата рѓа), носивоста во сите случаи задоволува.
ЛИТЕРАТУРА [1] EN 1993-1-8:2005 EUROCODE 3 Design of steel structures, Part 1-8 Design of joints (Оригинал на англиски и превод на српски јазик, Глава 3.6.2) [2] EN 1090-2:2007-08 Execution of steel structures and aluminium structures, Part 2: Technical requirements for steel structures (Исто и ENV 1090-1 General rules and rules for buildings, Annex F, Интерен превод на македонски, Reprotrust -Скопје) [3] ECCS (1994). European recommendations for bolted connections with injection bolts, ECCS publication No.79, Brussels [4] Gresnigt, A.M., Sedlacek, G. & Paschen, M.: Injection bolts to repair old bridges (2000) [5] Лична комуникација со проф. Nol Gresnigt, Универзитет во Делфт, Холандија. [6] Technical information 01: Injection bolts, Ammended version 2: April 2009 http://www.fakom.com.mk/Internal Docs (in Macedonian and English) (9)
Може да се смета дека за некородирани контактни површини или површини од кои е отстранета лабавата рѓа и/или заштитниот премаз, факторот на пролизгување e во граници 0.2 < μ < 0.3. Постои суштинска разлика во состојбата на површините и можната внатрешна корозија меѓу конструкции на отворено (мост, влажна средина и/или изложен на атмосферилии, без проветрување) и конструкции во заштитен простор (производна хала, сува средина). Повеќе податоци во ESDEP Volume 4, Section 4A: Corrosion protection. (10) Носивоста на притисок на смолата не зависи од квалитетот на материјалот на завртката. Затоа, наместо завртки класа 8.8 или 10.9 можат да се применат завртки со обичен квалитет класа 5.6 или 5.8.
414