3. LIITOKSET 3.1 Yleistä Teräsrakenteiden liittämiseen toisiinsa voidaan käyttää seuraavia menetelmiä: - ruuvi-, niitti- ja niveltappiliitokset - hitsausliitokset - liimaliitokset Näistä tulevat yleensä kysymykseen ruuvi- ja niveltappi- sekä hitsausliitokset talonrakennuksen teräsrakenteissa. Käytössä olevien ruuvien, niiden kiristysasteen sekä liitoksen rasitustavan perusteella liitokset jaetaan standardissa SFS-EN 1993-1-8 viiteen luokkaan seuraavasti: Leikkausvoiman rasittamat ruuvikiinnitykset - kiinnitysluokka A: reunapuristustyyppinen kiinnitys - kiinnitysluokka B: käyttörajatilassa liukumisen kestäväkiinnitys - kiinnitysluokka C: murtorajatilassa liukumisen kestävä kiinnitys Vetovoiman rasittamat ruuvikiinnitykset - kiinnitysluokka D: kiinnitykset esijännittämättömin ruuvein - kiinnitysluokka E: kiinnitykset esijännitetyin ruuvein Niittiliitokset toimivat periaatteessa kuin ruuviliitokset kiinnitysluokissa A ja D. Hitsausliitoksissa käytetään Eurocode 3:n mukaan seuraavia hitsilajeja: - pienahitsi - katkopienahitsi - kolopienahitsi - päittäishitsi - tulppahitsi - pyöröteräksen kylkihitsi Kuva 1. Eri liitosten toimintatapoja.
Erilaisten liitosten toimintatapaa valaisee kuva 4.1a, jossa on esitetty periaatepiirroksena liitosta rasittavan voiman ja liitettävien osien välisen siirtymän riippuvuus toisistaan tietyillä liitostavoilla (leikkausliitoksilla). Kuvan tavallinen pulttiliitos vastaa luokkaa A ja kitkaliitos luokkaa B sekä esijännitetyt sovitepultit luokkaa C. Sovitepulttiliitos tarkoittaa liitosta, joka on valmistettu korkealuokkaisia ruuveja ja pientä vapaareikää käyttäen. Liitosten käyttäytymisen vaikutukset rakenteen sisäisten voimien ja momenttien jakautumiseen sekä rakenteen kokonaismuodonmuutoksiin on tarpeen vaatiessa otettava huomioon. Jäykkyyden perusteella liitokset voidaan luokitella - nimellisesti nivelellisiin liitoksiin, joiden ei oleteta siirtävän momenttia - jäykkiin liitoksiin, joiden ei oleteta vaikuttavan rakenneanalyysiin - osittain jäykkiin liitoksiin, joiden käyttäytyminen on huomioitava rakenneanalyysissä Lujuuden perusteella liitokset jaetaan - nimellisesti nivelellisiin liitoksiin, joiden pitää siirtää sille lasketut voimat ja sallia kuormituksesta aiheutuvat kiertyvät - täysin lujiin liitoksiin, joiden taivutuskestävyyden mitoitusarvo on vähintään liitokseen liittyvän sauvan taivutuskestävyyden mitoitusarvon suuruinen - osittain lujiin liitoksiin, jotka eivät täytä täysin lujalle liitokselle tai nimellisesti nivelelliselle liitokselle asetettuja vaatimuksia Kuvassa 2 esitetään liitoksen ja kiinnityksen ero. Kiinnitys tarkoittaa paikkaa, jossa kaksi sauvaa liittyvät toisiinsa. Lisäksi kiinnitys käsittää kiinnittämistavan (ruuvikiinnitys, hitsauskiinnitys). Liitos on peruskomponenttien (esim. ruuvi, päätylevy, jäykisteet) yhdistelmä, jonka avulla sauvat voidaan liittää yhteen siten, että voimasuureet pääsevät siirtymään sauvojen välillä. Kuva 2. Liitoksen ja kiinnityksen ero.
3.2 Ruuvikiinnitykset 3.2.1 Aineet ja tarvikkeet Ruuvien, muttereiden ja aluslaattojen tulee olla Eurocode 3:n osan 1-8 kohdan 1.2.4 viitestandardiryhmän 4 mukaisia. Ruuvien lujuusluokat ovat taulukon 1 mukaiset. Taulukko 1: Ruuvien myötörajan ja vetomurtolujuuden nimellisarvot Ruuvin lujuusluokka 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9 f (N/mm 2 yb 240 320 300 400 480 640 900 f (N/mm 2 ) 400 400 500 500 600 800 1000 ub Suomen kansallisessa liitteessä suositellaan käytettäväksi vain kahta ylintä luokkaa (8.8 ja 10.9). Jos ruuvin lujuusluokka on 10.9, murtolujuus ja myötöraja saadaan seuraavasti: 2 2 murtolujuus: f ub = 10 100 N/mm = 1000N/mm 2 2 myötöraja: f yb = 1000 0,9 N/mm = 900 N/mm Suositeltavat ruuvikoot ovat M12, M16, M20, M24 ja M30. Välikokoja (M14, M22 ja M27) on standardien mukaan olemassa, mutta niitä ei ole välttämättä saatavilla. M30- kokoa suurempia ruuveja (esim. M36) on myös olemassa, mutta niiden käyttöä on syytä välttää, koska pienempiä ruuveja on helpompi ja nopeampi käsitellä työmaalla. Muttereiden lujuusluokan on vastattava ruuvin lujuusluokkaa. Korkealujuuksisia ruuveja vastaavien muttereiden lujuusluokkia ovat 8 ja 10. On suositeltavaa käyttää liitosluokan A rakenteissa pääsääntöisesti lujuusluokan 8.8 ruuveja, joiden nimellishalkaisijat ovat M16, M20, M24 tai M30. Alla olevassa taulukossa on esitetty muutamien ruuvikokojen poikkipinta-aloja kierteistetyn osan ja varren kohdalta. Taulukko 2: Ruuvien poikkipinta-aloja Ruuvi M12 M16 M20 M24 M30 2 Jännityspinta-ala (mm ) 84,3 157 245 353 561 2 Varren poikkileikkausala (mm ) 113 201 314 452 707
3.2.2 Ruuvien reiät Ruuvien reiät tehdään alla olevan taulukon mukaisesti. Tavallisesti käytetään keskisarjaa. Taulukko 2. Ruuvien vapaareiät. Kierteen Vapaareiän halkaisija ulkohalkaisija Hienosarja Keskisarja Karkeasarja d 16 17 18 19 20 21 22 24 24 25 26 28 30 31 33 35 Ruuvien ja niittien pienimmät ja suurimmat keskiövälit sekä suurimmat ja pienimmät reuna- ja päätyetäisyydet esitetään taulukossa 3.3 (EC3). Mainittakoon tässä lyhyesti, että vähimmäisarvo reunaetäisyyksille on 1, 2 d 0 molempiin suuntiin ja vähimmäisarvo keskiöetäisyyksille vaikuttavan voiman suunnassa on 2, 2 d 0 ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa on 2, 4 d 0. Kuva 3 alla selventää asiaa. Muita tapauksia on esitetty EC3:n kuvassa 3.1. Kuva 3 Reuna- ja keskiöetäisyydet.
3.2.2 Ruuvien ja liitettävien kappaleiden jännitykset Liitoksen toimintatavan perusteella pulttiliitokset jaetaan tavallisiin pulttiliitoksiin ja kitkaliitoksiin. Tavalliset pulttiliitoksen otaksutaan siirtävän voiman osasta toiseen pultin varressa vaikuttavan leikkauksen sekä ruuvin varren ja liitettävän osan välillä vaikuttavan reunapuristuksen välityksellä. Kuva X Tavallinen pulttiliitos. Kitkaliitoksessa voiman oletetaan siirtyvän liitettävien osien välisen kitkanvälityksellä osasta toiseen. Pultteihin kiristetään esijännitys ja liitospinnat hiekkapuhalletaan puhtaiksi metallin harmaiksi kitkan aikaansaamiseksi. Kuva X Kitkaliitos. Kuva X. Jännityksen tasaantuminen rasituksen kasvaessa Ruuviliitoksen reunapuristuskestävyyttä laskettaessaoletetaan yleensä, että reunapuristusjännitys on jakautunut tasaisesti ruuvin ja perusaineen välillä. Tämä edellyttäisi, että ruuvi on äärettömän jäykkä ja täyttää reiän kokonaan. Koska ruuvi on väljästi reiässään, syntyy pienillä rasituksilla jännityshuippu (kosketuspaine). Rasituksen kasvaessa jännitys tasaantuu myötörajan suuruisena riittävän leveälle
Viereinen kuva esittää välyksen vaikutusta reunapuristukseen: mitä pienempi välys, sitä tasaisempi reunajännitys aiheutuu Kuva X. Periaatekuva välyksen vaikutuksesta reunapuristusjännitykseen. Kuvassa X a) on esitetty reunapuristuksen jakautuminen yksi- ja kaksileikkeisessä liitoksessa ruuvin varren suunnassa. Kaksileikkeisessä liitoksessa poikkeaminen tasaisesta jakaumasta johtuu ruuvin äärellisestä jäykkyydestä. Yksileikkeisessä liitoksessa epätasaista jakaumaa lisää liitoksen epäkeskisyys. Tämän vuoksi liitokset on pyrittävä suunnittelemaan kaksileikkeisiksi. Kuva X Jännitykset yksi- ja kaksileikkeisissä liitoksissa. Ruuvin varressa esiintyvät leikkaus- ja taivutusrasitukset on esitetty kuvassa X a). Kuvassa b) on esitetty ruuvin varren leikkaus ja taivutus rasitukset, kun käytetään täytelevyjä. Taivutusmomenttien vaikutus voidaan tavanomaisissa liitoksissa jättää tutkimatta, mutta käytettäessä täytelevyjä liitettävien osien välissä voi olla syytä tarkistaa ruuvin varren taivutuskestävyys.
a) b) Kuva X Ruuvin varren rasitukset Kuva X. Perusaineen jännitysjakautumat eri kuorman arvoilla Levyssä, jossa on reikä, jakautuvat jännitykset reiän ympäristössä kuvan c) vasemmalla puolella esitetyllä tavalla. jännityksen ollessa kimmoisella alueella. Rasituksen kasvaessa jännitys nousee reiän reunalla paikallisesti myötörajalle. Kun rasitusta kasvatetaan edelleen, muuttuu jännitysjakauma tasaisemmaksi, kuva c), oikeanpuoleinen jakauma. Perusaineen kestävyyttä määritettäessä otaksutaan jännitysjakauma tasaiseksi, ja vetokestävyys lasketaan nettopoikkileikkauksen perusteella.
3.2.2 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 X. 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.
3.2.2 Ruuvien kestävyyksien mitoitusarvot Leikkauskestävyyden mitoitusarvo (leikettä kohti) α v fub A Fv,Rd = γ M2 - kun ruuvin kierteet ovat leikkaustasossa ( A = As ): - 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 k1α b fu dt Fb,Rd = γ M2 fub missä α b on pienin arvoista α d ; ;1,0. fu α d on siirrettävän voiman suunnassa: - levyn pään ruuveille: e1 α d = 3d0 - muille kuin pään ruuveille: p1 1 α d = 4 3d0 kohtisuorassa suunnassa siirrettävään voimaan nähden - reunarivin ruuveille: e2 k 1 on pienin arvoista 2,8 1,7 ; 2,5 d 0 - muille kuin pään ruuveille: p2 k 1 on pienin arvoista 1, 4 1, 7 ; 2, 5 d Vetokestävyyden mitoitusarvo k2 fub As Ft,Rd = γ M2 missä k 2 = 0, 63 uppokantaisille ruuveille, muille k 2 = 0,9. Ruuvin ja mutterin lävistymiskestävyyden mitoitusarvo B = 0,6 π d t f / γ p,rd m p u M2 Yhdistetty leikkaus- ja vetovoima Fv,Ed Ft,Ed + 1, 0 F 1, 4 F v,rd t,rd 0