A4 Spajala

Sveučilište u Splitu; Građevinsko-arhitektonski fakultet

Spajala

V. pred. Đuro Nižetić, dipl. ing. građ.

SPAJALA – UVOD Osnovna funkcija spajala je da elemente drvene konstrukcije spoje u jednu cjelinu – u nosivu konstrukciju. Pod pojmom nosivosti spajala podrazumijeva se njegova nosivost u spojnoj ravnini. Danas se u drvenim konstrukcijama upotrebljavaju slijedeće vrste spajala : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Čavli Vijci Trnovi (metalni i drveni) Vijci za drvo Zubate (patentne) ploče Klasični (tesarski) moždanici Patentni moždanici Skobe (klamfe) Skobice (klamerice) Ljepila

Nosivost spajala danas se definira na temelju rezultata eksperimentalnih ispitivanja a može se odrediti i računskim putem. Dopuštena nosivost spajala je manja vrijednost od dvije eksperimentalno dobivene vrijednosti: - 1 / 2,75 sile loma - sile koja uzrokuje međusobni pomak elemenata od 1,5 mm

Dijagram P–δ (sila – pomak) za različite vrste spajala Za osnovne tipove spajala dijagrami P–δ sa ucrtanim kriterijima kod određivanja nosivosti izgledaju ovako : Kod lijepljenih spojeva deformacije su u spojnoj ravnini tako male da se takav spoj može smatrati apsolutno krutim. Kod ostalih spojeva koji su izvedeni mehaničkim spajalima u spojnim ravninama dolazi do popuštanja koje uzrokuje međusobni pomak elemenata, što je posebno evidentno kod vijčanih spojeva. Takve spojeve tretiramo kao popustljive spojeve, kažemo i podatljive. Poradi ovako različitih svojstava, po krutosti različita spajala nikako se ne smiju kombinirati u spoju elemenata (ili-ili). To je dopušteno jedino kod spajala koja imaju približno jednaka elastomehanička svojstva, primjerice čavli i moždanici. U slučaju kombinacije različitih spajala u jednom spoju, nosivost spajala koje preuzima manji dio sile uvodi se u proračun sa 2/3 svoje dopuštene nosivosti.

VIJCI Često se upotrebljavaju u drvenim konstrukcijama, posebno kod mostova, skela i privremenih konstrukcija. Klasični tipovi vijaka su cilindrične čelične šipke koje na jednoj strani imaju glavu a na drugoj navoj sa maticom. Sastavni dio svakog vijka su podložne pločice koje su, kod vijaka koji se koriste za drvene konstrukcije, drugačijeg oblika i dimenzija nego kod onih koji se koriste u čeličnim konstrukcijama ili strojarstvu. Ove podložne pločice znatno su većih dimenzija a zadatak im je da spriječe utiskivanje glave ili matice vijka u drvo u fazi pritezanja vijka. Dimenzije vijaka i podložnih pločica određenu su standardima : Vijci: M12, M16, M20, M22, M24 (M24 – max dopušteno) M10 može se iznimno upotrijebiti u spojevima elemenata debljine 6 cm Oznaka:

VIJAK

M – metrički (milimetarski navoj) brojčana vrijednost d – promjer tijela vijka u mm

Podložne pločice : prema HRN Kvaliteta materijala izrade: Posebni zahtjevi :

ČN 24-A2 (konstrukcioni čelik Č0361) Prema EN 10025 : S235 (Fe 360) Nehrđajući čelik

Dimenzije vijaka

Nosivost vijaka u jednoj reznoj ravnini određuje se prema izrazu Ndop = σd · a · d ≤ k · d² [ N ] a – debljina drva (cm) d – promjer vijka (cm) σd – dopušteni čeoni napon u drvu (prema tablici) k – karakteristika krutosti vijka na savijanje (prema tablici) Preporuča se izbjegavati jednorezne spojeve zbog pojave parazitnih momenata savijanja u spoju. Ukoliko se vijci koriste za prijenos sile pod kutem α prema vlakancima, smanjuje se nosivost vijaka, zbog točkaste koncentracije, prema : N = kα · Ndop

pri čemu je kα = 1 – (α/360)

Otvori za ugradnju vijaka moraju se bušiti strojnim alatom prilikom izvedbe (nema mogućnosti predmontaže), tehnološkim slijedom s promjerom manjim od promjera vijka za 0,1 do 0,2 mm. Ovim se smanjuju inicijalna popuštanja. Dobro je, prije ugradnje, posebno konstrukcija na otvorenom, premazati vijak i otvor epoksidnom smolom.

Jednorezni spoj

Dvorezni i višerezni spojevi

Svi vijci u trajnim pocinčavanjem.

konstrukcijama

moraju

se

zaštititi

od

korozije

Nosivi spoj sa vijcima mora biti izveden sa najmanje 2 vijka. U jednom nizu može se ugraditi najviše 4 vijka. Kod spojeva čelik – drvo (čelične vezice i slično) nosivost vijaka u drvu povećava se za 25% pri čemu se moraju provjeriti naponi na čeoni pritisak u čeliku, posebno kod tankih vezica. U pravilu vijci se moraju ugrađivati simetrično na osi elemenata (da bi se izbjegli momenti uzrokovani ekscentričnim djelovanjem) i to u sjecišta redova i nizova sa minimalnim razmacima prema donjoj skici:

TRNOVI Čelični trnovi Trnovi ili štapasti moždanici su glatka cilindrična tijela. Materijal izrade je čelik punog ili cijevnog profila. Krajevi su konusno obrađeni radi ugradnje. Dakle nema navoja, matica ni podložnih pločica. Osim čelika izrađuju se po posebnim zahtjevima od tvrdog drva, punog epoksiranog drva i nehrđajućeg čelika. U drvenim konstrukcijama upotrebljavaju se trnovi promjera 8 do 24 mm : T8 – T24. Oznaka :

T – trn brojčana vrijednost d – promjer tijela trna u mm

Kvaliteta materijala izrade : ČN 24-A2 (konstrukcioni čelik Č0361) Prema EN 10025 : S235 (Fe 360) Posebni zahtjevi: Nehrđajući čelik

Nosivost trnova u jednoj reznoj ravnini određuje se prema izrazu Ndop = σd · a · d ≤ k · d² [ N ] a – debljina drva (cm) d – promjer trna (cm) σd – dopušteni čeoni napon u drvu (prema tablici) k – karakteristika krutosti trna na savijanje (prema tablici) Preporuča se izbjegavati jednorezne spojeve zbog pojave parazitnih momenata savijanja u spoju. Ukoliko se trnovi koriste za prijenos sile pod kutem α prema vlakancima, smanjuje se nosivost trna, zbog točkaste koncentracije, prema : N = kα · Ndop

pri čemu je kα = 1 – (α/360)

Jednorezni spoj

Dvorezni i višerezni spojevi

Otvori za ugradnju trnova moraju se bušiti strojnim alatom prilikom izvedbe (nema mogućnosti predmontaže), tehnološkim slijedom s promjerom manjim od promjera trna za 0,2 do 0,5 mm. Ovim se smanjuju inicijalna popuštanja. Dobro je, prije ugradnje, posebno konstrukcija na otvorenom, premazati trn i otvor epoksidnom smolom. Ugradnja u otvore manjeg promjera od 0,5 mm je moguća samo uz upotrebu posebnog alata, pri čemu treba osigurati izlaznu stranu drva od cijepanja. Trnovi se mogu ugraditi tako da budu vidljivi ili tako da se upuste u drvene elemente i prikriju drvenim čepovima. Svi trnovi u trajnim konstrukcijama moraju se zaštititi od korozije pocinčavanjem. Nosivi spoj sa vijcima mora biti izveden sa najmanje 4 trna. U jednom nizu može se ugraditi najviše 6 trnova. Izvedba spojeva čelik – drvo (čelične vezice i slično) pomoću trnova nije moguća. U pravilu trnovi se moraju ugrađivati simetrično na osi elemenata (da bi se izbjegli momenti uzrokovani ekscentričnim djelovanjem) i to naizmjenično pomaknuto od sjecišta redova i nizova za d/2 sa minimalnim razmacima prema skici: Prednosti prema vijcima : - veća nosivost - manja podatnost – manji pomaci - jeftinija i brža izvedba

Drveni trnovi Rade se iz parene bukovine ili hrastovine I klase. Kvaliteta materijala mora biti vrhunska, materijal mora biti bez bilo kakve greške i potpuno suh. Ugrađuju se u prethodno izbušene rupe čiji je promjer manji od promjera trna za 1/50 do 1/20 tog promjera. Dopušteni naponi i pravila konstruiranja dani su u normama. Upotrebljavaju se za izvedbu konstrukcija u agresivnim okruženjima. Primjer : K. Tonković – Kupola Brodarskog instituta u Zagrebu L = 39,0 m f = 6,5 m

ČAVLI Čavli su najstarija sredstva za spajanje drvenih elemenata. Svojevremeno su se izrađivali kovanjem, danas se hladno oblikuju iz čelične žice (štancaju). Različitih su oblika poprečnog presjeka (okrugli, eliptični, kvadratni), glave i vrha, te izgleda površine tijela – stupa (glatki, navijeni, utoreni, narovašeni).

Kvaliteta materijala izrade: čelična žica vlačne čvrstoće najmanje 600 N/mm². Ugrađuju se ručno ili strojno sa ili bez prethodnog bušenja otvora. Oznake za standardne glatke okrugle čavle: Bez bušenja – zabijani čavli Oznaka: Č d/L Sa bušenjem – bušeni čavli Oznaka: BČ d/L (d – promjer čavla u mm/ 10, L – dužina čavla u mm) Promjer otvora : 0,85 promjera čavla (d). Obavezna je ugradnja u bušenoj izvedbi kod korištenja elemenata od tvrdog drva i čavala promjera d ≥ 42 mm/10. Promjer čavla bira se prema debljini najtanjeg drva u paketu (a) da bi se spriječilo njegovo cijepanje – prema donjoj tablici. Dužina čavla bira se prema debljinama elemenata paketa koji se spaja, uz uvjet da je dubina zabijanja u zadnje drvo za jednorezni spoj s ≥ 12 d a za dvorezni i višerezni s ≥ 8 d.

Nosivost jednoreznog čavla za meku građu i osnovno opterećenje (Grupa 1.) dana je izrazom : 5000 · d² N1 = ————— [ N ] 1+d

d – promjer u cm

Jasno, za višerezne čavle vrijedi da je Nu = n · N Nosivost bušenih čavala je 25% veća od nosivosti zabijanih zbog smanjenih problema cijepanja po nizovima.

Nosivost čavla na čupanje ne može se uvoditi u proračun kod stalnih konstrukcija. Nosivost u kombinaciji sa tankim limom povećava se za 25% (vidi Greim nosače). Kako čavli "razmazuju" silu na veću površinu (male točkaste koncentracije) kod djelovanja sile pod kutem prema vlakancima nema redukcije nosivosti. Minimalni razmaci: Ugrađuju se pomaknuto za d/2 od sjecišta linija redova i nizova, naizmjenice. Ako je moguće (ovisi o debljinama elemenata) ugrađuju se sa oba lica.

VIJCI ZA DRVO Koriste se isključivo za jednorezne veze kod spajanja elemenata iz različitih materijala; drvo-drvo, drvo-šperploča i drvo-čelik (čelični čvorni limovi za priključak štapova spregova, ležajne čelične ploče i sl.). U drvenim konstrukcijama koriste se promjeri d ≥ 4 mm. d – promjer tijela dj – promjer jezgre navoja cca 0,7 d Ls – duljina sg – duljina navoja ≥ 0,6 Ls Kvaliteta materijala izrade:

ČN24 (konstrukcioni čelik Č0361) Prema EN 10025: S235 (Fe 360)

Posebni zahtjevi:

Nehrđajući čelik

Mesingani vijci ne upotrebljavaju se u drvenim konstrukcijama. Antikorozivna zaštita – pocinčavanjem. Pravila izvedbe : - Nosivi spoj mora biti izveden sa najmanje: 2 vijka za drvo (d ≥ 10 mm) 4 vijka za drvo (d < 10 mm) - Vijci se ugrađuju u prethodno bušene rupe : Ø = d na glatkom dijelu tijela vijka Ø = 0,7 d na dijelu sa navojem - Najmanja dubina uvrtanja vijka u zadnje drvo s = 8d - Vijak mora biti ugrađen bez zabijanja (danas elektro ili zračni alati)

Ova spajala nosiva su na odrez i na čupanje. Nosivost na odrez računa se prema izrazu : N = 400 · a · d ≤ 1700 · d² [ N ] a – debljina prvog drva u cm d – promjer glatkog dijela tijela vijka u cm Nosivost na čupanje – prema lijevoj skici Vijci za drvo su spajala čija su elastomehanička svojstva nekud između svojstava čavala i vijaka. U skladu s tim EC5 propisuje ostala pravila: - za vijke za drvo promjera d < 8 mm vrijede pravila kao za čavle - za vijke za drvo promjera d ≥ 8 mm vrijede pravila kao za vijke

MOŽDANICI Moždanici su spajala koja se ugrađuju u spojne ravnine čime se sprečavaju pomaci među elementima i ostvaruje spoj. Opterećeni su u pravilu na pritisak i smicanje. Različitih su oblika: prizmatični, cilindrični, pločasti, prstenasti, zupčasti, kombinirani, itd 1. Materijali izrade: - drvo - metal (čelik) - ostali pogodni materijali (plastične mase) 2. Po načinu ugradnje razlikuju se: - moždanici koji se ugrađuju u prethodno izrađene otvore - moždanici koji se utiskuju u elemente spoja (samo kod četinara) - moždanici koji se ugrađuju kombinacijom gornjih načina Svi spojevi moždanicima pritegnuti su vijcima. Prema HRN vijci za pritezanje ne smiju biti manji od M12. Ovisno o vrsti moždanika vijci se ugrađuju kroz ili između moždanika.

TESARSKI MOŽDANICI Tesarski moždanici u pravilu se izvode kao prizmatični drveni moždanici a pritežu se vijcima koji se ugrađuju između moždanika. Materijal izrade : hrastovina I klase. U pravilu, smjer vlakana moždanika mora biti paralelan sa osima elemenata koji se spajaju. Iznimno se mogu upotrijebiti za stalne konstrukcije i posebni tipovi tesarskih moždanika prema skicama.

Dokaz nosivosti provodi se kao dokaz čeonih kontaktnih napona (osnovni materijal – moždanik), dokaz posmičnih napona u osnovnom materijalu i moždaniku, i dokaz na prevrtanje (pritezanje vijcima).

Vlačna nosivost vijka određuje se preko neto presjeka na narezanom dijelu tijela vijka (jezgra).

PATENTNI MOŽDANICI Za spajanje elemenata često se koriste patentirani moždanici. Tržište je preplavljeno različitim tipovima sa različitim konstrukcijskim osobinama. Materijali izvedbe ovih moždanika jesu tvrdo drvo, metali (najčešće čelik) i plastične mase, a oblikuju se tokarenjem, lijevanjem ili prešanjem. Čelični moždanici moraju biti zaštićeni od korozije pocinčavanjem. Različiti tipovi različito se ugrađuju, na sva tri navedena načina, uz upotrebu posebnih alata. Kod ove vrste spajala vijak se ugrađuje kroz moždanik. Kod konstruiranja spojeva koristimo podatke i upute proizvođača : - dimenzije (promjer, visina, debljina) - podaci za vijke - podaci o minimalnim dimenzijama drva za odabir moždanika - nosivost (II i pod kutom, pojedinačna ili za više moždanika u nizu) - minimalni razmaci ( paralelno u smjeru sile i okomito)

PATENTNI MOŽDANICI PREMA DIN 1052

Posebni tipovi ovakvih moždanika tako su oblikovani da se mogu koristiti za spojeve drvo – čelik (jednostrani moždanici). Kod takvih spojeva vijci sudjeluju u prijenosu sila : drvo → moždanik → vijak → čelik

ZUBATE PLOČE Zubate ploče ili ploče za čavlanje (patentirane) proizvode se prešanjem (štancanjem) iz čeličnog pocinčanog lima. Najčešće se proizvode u nekoliko standardnih veličina zubaca, u trakama različitih dimenzija. Različitih su oblika zubaca a nastale su iz potrebe da se dugotrajan rad pojedinačnog zabijanja čavala zamjeni brzom ugradnjom ploča velikog kapaciteta nosivosti. Postoje finese proračuna, ovisno o tipu, obliku i smjerovima zubaca kod pojedinih ploča, međutim proračun se svodi na određivanje potrebne površine ploče (ovisno o veličini – nosivosti zubaca, reduciranom rubnom dijelu i smjeru djelovanja sile prema glavnom nosivom smjeru ploče). Specifična nosivost (najčešće u kN/dm²) dana je normama ili uputama proizvođača. Nakon utvrđivanja potrebne površine, iz traka se izrezuje ta površina u obliku, prema obliku spoja i ugrađuje prešom. Ploče mogu biti jednostrane (ugrađuju se sa lica – prema gornjoj skici) ili dvostrane (ugrađuju se između elemenata).

SKOBICE (KLAMERICE) Izrađuju se od čelične žice. Uobičajene dimenzije:

Koriste se za spajanje ploča na bazi drva sa elementima od piljenog ili lameliranog drva četinara. Uobičajeno je da se na duljini lh oblažu epoksidnom smolom i posebnim alatom utiskuju (upucavaju) u drvo. Leđa skobice nakon ugradnje moraju biti u razini površine spojenog elementa ili najviše 2 mm upuštena u tu ravninu. Dopušteni minimalni razmaci – vrijede odredbe kao kod bušenih čavala. Dopušteni maksimalni razmaci: - paralelno sa vlakancima ≤ 80 d - okomito na vlakanca ≤ 40 d Nosivost skobica: I ovdje vrijede odredbe koje se primjenjuju kod čavlanih spojeva. Računska nosivost skobica opterećenih okomito na os može se izjednačiti s nosivošću dvaju čavala istog promjera. Ovo vrijedi ako je kut između vlakanaca spojnog elementa i leđa skobice veći od 30º. Za kut manji od 30º računska nosivost se mora smanjiti za 30%.

SKOBE (KLAMFE) Starije spajalo, koristi se uglavnom kod privremenih građevina, provizorija i skela i to za spajanje elemenata većih dimenzija. Proizvode se u standardnim dimenzijama kovanjem iz okruglih ili kvadratnih čeličnih šipki. Nosivost prema normama.

LJEPILA Ljepila su kemijski spojevi koji imaju svojstvo transformiranja iz stanja ljepljivosti u čvrsto stanje čime elemente koje lijepimo čine monolitnima. Iz dijagrama na početku poglavlja dade se zaključiti da su lijepljeni spojevi kruti u spojnoj ravnini pa se geometrijske karakteristike nosača izrađenih lijepljenjem iz elemenata (najčešće lamela) računaju kao karakteristike monolitnih presjeka. Ljepila koja se upotrebljavaju u proizvodnji nosača inženjerskih konstrukcija moraju ispuniti slijedeće uvjete : 1. Posmična čvrstoća lijepljenog spoja mora biti veća od posmične čvrstoće drva II sa vlakancima. 2. Lijepljeni spojevi ne smiju imati pad čvrstoće u vremenu (trajna čvrstoće). 3. Ljepilo mora biti otporno na agresivne kemijske utjecaje koji se mogu pojaviti tokom eksploatacije konstrukcije. 4. Ljepilo mora biti vatrootporno.

U proizvodnji lameliranih nosača, pločastih proizvoda i ostalih elemenata koji se ugrađuju u inženjerske konstrukcije koriste se sintetička ljepila – ljepila na bazi sintetičkih smola : -

rezorcinsko ljepilo ureaformaldehidno ljepilo fenolno ljepilo melaminsko ljepilo epoksidne smole

Rezorcinsko ljepilo najčešće se upotrebljava a podnosi najteže uvjete eksploatacije – potpuno izložene atmosferskim utjecajima bez ograničenja u pogledu vlage i temperature. Radi se o vodenoj otopini rezorcin – formaldehidne smole : (C6 H4 OH)2 . Miješa se sa praškastim katalizatorom (ljepilo: katalizator - 5:1). U tehnologiji lijepljenja koristi se za drvo vlažnosti 10 – 15 %, kvalitetniji spojevi ostvaruju se kod nižih vlažnosti. Dopušteni posmični napon lijepljenih spojeva iznosi 120 N/cm².

LEDENA DVORANA AARAU – ŠVICARSKA ( L = 54,00 M )

Hvala na pažnji. Sveučilište u Splitu, Građevinsko-arhitektonski fakultet

www.gradst.hr