Side 1 Prosjektering av knutepunkter og forbindelser Innføring i NS-EN 1993-1-8 dr.ing. Bjørn Aasen 1 EN 1993-1-8: Eurokode 3: Prosjektering av stålkonstruksjoner Del 1-8: Knutepunkter og forbindelser 1. Orientering 2. Grunnlag for konstruksjonsberegningen 3. orbindelser med skruer, nagler eller bolter 4. Sveiste forbindelser 5. Konstruksjonsanalyse, klassifisering og beregningsmodell 6. Knutepunkter med H- eller I-profiler 7. Knutepunkter med hulprofiler 2
Side 2 Beregningsmetodikk 3 Nytt begrep i Eurokode 3 Knutepunkt Σ(sveiste & skrudde forbindelser) a) Ensidig knutepunktskonfigurasjon b) Tosidig knutepunktskonfigurasjon 1. skjærpåkjent stegpanel 2. forbindelse 3. basiskomponenter (f. eks. skruer, endeplate) igur 1.1 - Deler i et knutepunkt som forbinder bjelke og søyle 4
Side 3 Det som står med liten skrift Nasjonale tillegg for EN 1993-1-8 Denne standarden angir alternative prosedyrer, verdier og anbefalninger med merknader som angir hvor det kan foretas nasjonale valg. Nasjonale valg er tillatt i EN 1993-1-8 i henhold til: NA.1.2.6 NA.2.2(2) or konstruksjonsnagler kan DIN 124 (rundhodede nagler) og DIN 302 (forsenkningsnagler) anvendes. Partialfaktorene M for de mekaniske egenskapene settes som følger.: se neste lysbilde NA.3.1.1(3) De angitte skrueklasser i tabell 3.1 kan anvendes. NA.3.4.2(1) Det fastsettes ingen nedre verdi for forspenningskraften. NA.5.2.1(2) Dette nasjonale tillegget gir ingen supplerende informasjon om klassifisering av knutepunkter. NA.6.2.7(9) Dette nasjonale tillegget gir ingen supplerende opplysninger om bruk av formel (6.26). 5 Tabell 2.1 - Partialfaktorer for knutepunkter Kapasitet for konstruksjonsdeler og tverrsnitt Kapasitet for skruer Kapasitet for bolter i bolteledd Kapasitet for sveis M0, M1 og M2, se NS-EN 1993-1-1 M2 1,25 Kapasitet for hullkanttrykk riksjonskapasitet i bruddgrensetilstanden (kategori C) i bruksgrensetilstanden (kategori B) Kapasitet for hullkanttrykk for en injeksjonsskrue Kapasitet for knutepunkter i en fagverkskonstruksjon av hulprofiler Kapasitet for bolter i bruksgrensetilstanden orspenning høyfaste skruer Kapasitet for betong M3 1,25 M3,ser 1,1 M4 1,0 M5 1,0 M6,ser 1,0 M7 1,1 c, se NS-EN 1992 6
Side 4 Beregningsgrunnlaget i NS-EN 1993-1-8 Kapittel 3: Skrudde forbindelser Kapasitet til enkeltskruer Kapasitet til skruegrupper Kapasitet til bolteledd 7 Tabell 3.1 - asthetsklasser for skruer NS-ISO 898-1 asthetsklasser for skruer 4.6 8.8 10.9 f yb (MPa) f ub (MPa) 240 400 640 800 900 1000 8
Side 5 Skruebrudd gunstig & ugunstig bruddform brudd i gjenget skruetverrsnitt avrivning av gjengene 9 Hydrogenindusert sprøbrudd unnet på plattformen Ødelagte og hele skruer fra boretårnet 10
Side 6 Nye standarder for høyfaste skruer orspente forbindelser System HR System HV Generelle krav Egnethetstest Skruer & muttere Merking Klasse Underlagsskiver Merking NS-EN 14399-3 8.8 / 8 HR 10.9 / 10 NS-EN 14399-5 NS-EN 14399-6 NS-EN 14399-1 NS-EN 14399-2 H NS-EN 14399-4 HV 10.9 / 10 NS-EN 14399-6 11 NS-EN 14399 Høyfaste skrueforbindelser for forspenning til konstruksjonsformål Del 1: Del 2: Del 3: Del 4: Del 5: Del 6: Del 7: Del 8: Del 9: Generelle krav Egnethetsprøving for forspenning System HR - Sekskantskrue- og mutterforbindelser System HV - Sekskantskrue - og mutterforbindelser Underlagsskiver for system HR Skråfasede underlagsskiver for system HR og HV System HR - Senkskruer og mutterforbindelser System HV - Sekskantpasskrue- og mutterforbindelser System HR eller HV - Bolter og mutterforbindelser med direkte strekkindikatorer Del 10: System HRC - Bolte- og mutterforbindelser med kalibrert forlast 12
Side 7 Byggeforskriftene - 5-18 CE-merking Et byggeprodukt kan merkes med CE-merket når det, forsvarlig benyttet, vil medvirke til at byggverk tilfredsstiller de grunnleggende krav til: mekanisk motstandsevne og stabilitet, brannsikring, hygiene, helse og miljø, sikkerhet ved bruk, støyvern og energisparing og varmeisolering, som angitt i byggevaredirektivet, Rdir. 1989/106/EØ med endringer. 13 Byggeforskriftene - 5-18 CE-merking CE-samsvarsmerkingen skal bestå av bokstavene «CE» i følgende grafiske utforming: 14
Side 8 CE-merking av HR & HV-skruer Det er et krav i NS-EN 14399 at: Skruene, mutterne og underlagsskiver skal leveres av en og samme produsent. Alle komponentene skal merkes med produsentens merke. Overflatebehandlingen er underlagt produsentens kontroll. 15 CE-merking av HR-skruer 16
Side 9 Nye standarder for ikke-forspente forbindelser Generelle krav Egnethetstest NS-EN 15048-1 NS-EN 15048-2 17 Standarder for ikke-forspente forbindelser Generelle krav Egnethetstest Materiale - stålskruer - rustfrie skruer Skruer Muttere Underlagsskiver NS-EN 15048-1 NS-EN 15048-2 NS-EN ISO 898-1 og -2 NS-EN ISO 3506-1 og -2 NS-EN ISO 4014 NS-EN ISO 4017 NS-EN ISO 4032 NS-EN ISO 7089 NS-EN ISO 7090 18
Side 10 Tabell 3.2 - Klassifisering av skrueforbindelser - som i NS 3472 Basistype Kategori Kapasitetskriterier Merknader A Avskjæring/hullkanttrykk Avskjæring & hullkanttrykk v,ed min ( v,rd ; b,rd ) asthetsklasse 4.6-10.9 Skjærforbindelser B Glidningsforhindret i bruksgrensetilstanden v,ed.ser s,rd.ser Avskjæring & hullkanttrykk i ULS v,ed min ( v,rd ; b,rd ) riksjon i SLS asthetsklasse 8.8 eller 10.9 C Glidningsforhindret i bruddgrensetilstanden v,ed s,rd v,ed b,rd Σ v,ed net,rd riksjon i ULS asthetsklasse 8.8 eller 10.9 Strekkforbindelser D Ikke-forspente skruer E orspente skruer t,ed t,rd t,ed B p,rd t,ed t,rd t,ed B p,rd asthetsklasse 4.6-10.9 asthetsklasse 8.8 eller 10.9 19 Kraftoverføring i en laskeskjøt Ikke-forspent forbindelse orspent forbindelse 20
Side 11 Bæreevnen til sveiste & skrudde laskeskjøter 21 Bruddformer i en skrueforbindelse 22
Side 12 Skruers avskjæringskapasitet d,v 0,6f u,b M2 A 23 Tabell 3.4 - Avskjæringskapasitet Avskjæringssnittet går gjennom Kapasitet per avskjæringssnitt skrueskaftet v,rd 0,6f u,b M2 A skruens gjengeparti v,rd 0,6f 0,5f u,b M2 u,b M2 A A s s 4.6 & 8.8 10.9 24
Side 13 Tabell 3.4 - Spenningsareal A s iht. NS-EN ISO 898-1 Skrue M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36 Skafttverrsnitt A mm 2 113 201 314 452 573 707 1017 Spenningsareal A s mm 2 84,3 157 245 353 459 561 817 25 Duktile forbindelser plastiske forbindelser 26
Side 14 27 Tabell 3.4 - Hullkanttrykk b,rd k α 1 b fdt u M2 α b min α d f u,b ; ;1 f u e p 1 1 1 α min ; d 3d 3d 4 0 0 e2 2,8 1,7 eller 2,5 d0 k min 1 p 2 1,4 1,7 eller 2,5 d0 28
Side 15 Hullkanttrykket kan også skrives som i NS 3472 b,rd 2,5α fdt b u p 2 2 3d 0 0 M2 e1 eller 3d0 p1 1 αb min eller 3d0 4 fu,b eller 1 fu e 1,5d e p 1 1 3d 0 3, 75d 0 29 Tabell 3.3 - Minste og største hull-, ende- og kantavstander e 1 Maksimumsavstander Minimumsavstander 1,2d 0 Vanlig praksis 2d 0 Optimale avstander 3d 0 4t+40mm p 1 e 2 2,2d 0 1,2d 0 3d 0 1,5d 0 3,75d 0 1,5d 0 minste av 14t eller 200mm 4t+40mm p 2 2,4d 0 <3d 0 3d 0 minste av 14t eller 200mm 30
Side 16 Énsnittet skjøt med én skrue eller en skruerad b,rd 1,5f dt u M2 Underlagsskiver skal benyttes under både hode og mutter i énsnittede skjøter med kun én skruerad vinkelrett på kraftretningen. 31 Tab 3.4 - Strekkbelastet skrue t,rd 0,9f u,b M2 A s Hevarmkraftens størrelse avhenger av den relative stivhet og geometrien av elementene i forbindelsen. Se kapittel 6. 32
Side 17 Utmatting av skruer Gjengede tverrsnitt har dårligste utmattingsklasse (se NS-EN 1993-1-9). Men i forspente forbindelser vil størstedelen av kraftvariasjonen gå mellom platene så lenge ytre strekk er mindre enn forspenningen. 33 Nyhet: Tabell 3.4 - Skruer belastet i strekk & avskjæring v,ed v,rd t,ed t,rd 1 t + 1,4,Ed t,rd 1 34
Side 18 EN 1993-1-1: Kapasitet av skruegrupper - som i NS 3472 Netto tverrsnitt Cochranes formel A net 2 s b nd + 0 4p 2 t 35 Nyhet: 3.7 Kapasiteten av skruegrupper Dimensjonerende kapasitet for en gruppe av festemidler kan settes like summen av dimensjonerende kapasitet for hullkanttrykk b,rd for de enkelte festemidlene forutsatt at dimensjonerende avskjæringskapasitet v,rd for hvert enkelt festemiddel er større eller lik dimensjonerende kapasitet for hullkanttrykk b,rd. I motsatt fall bør dimensjonerende kapasitet for en gruppe av festemidler settes lik antallet festemidler multiplisert med den minste dimensjonerende kapasitet for hvilken som helst av de individuelle forbindelsesmidlene. 36
Side 19 3.7 Kapasiteten av en skruegruppe Rd Rd Σ n b,i,rd b,min,rd for for b,i,rd b,min,rd < v,rd < v,rd og b,i,rd v,rd Rd n v,rd for b,min,rd v,rd 37 3.8 Lange forbindelser - som i NS 3472 Reduksjon av avskjæringskapasiteten v,red,rd β Lf v,rd der 1 L 15d j β 1 Lf 200d 0,75 d skruediameter L 15d < L L j j 15d j < 65d 65d 38
Side 20 3.10.2 Kapasiteten til skruegrupper Utrivning av skruegrupper (block tearing) V V eff,1,rd eff,2,rd fu M 2 fu 2 M 2 A nt A nt + + M 0 f y f M 0 y 3 3 A nv A nv 39 Utrivning av skruegrupper NS-EN 1993-1-8 foreskriver netto skjærarealer! 40
Side 21 Utrivning av skruegruppe kanadisk knuteplateforsøk 41 3.10.3 Innfesting av vinkelprofil - som i NS 3472 N u,rd 2(e 2-0,5d 0 )tf u / M2 42
Side 22 igur 3.9 - Innfesting av vinkelprofil i ett ben 43 Tabell 3.8 - Innfesting av vinkelprofil i ett ben 2 skruer: N u,rd β 2 A n f u / M2 3 skruer eller flere: N u,rd β 3 A n f u / M2 Hullavstand 2 skruer 3 skruer eller flere p 1 2,5 d o β2 0,4 β3 0,5 p 1 5 d o β2 0,7 β3 0,7 44
Side 23 Bolteleddforsøk 45 Bolteleddforsøk 46
Side 24 3.13 Bolteledd er avskjæringsforbindelser utført med én bolt, og der det stilles krav til fri rotasjon. Type A: Tykkelsen er gitt Type B: Geometrien er gitt Kravene er som i NS 3472. Men kapasitetsformlene for bolten (pinnen) er endret. Bøyemomentet i pinnen (bolten) M Ed 8 ( 2a + 4c + b) Ed q Ed 8 L 2 48
Side 25 Stress factors for short deep beams 49 Kapasitetskontroll av bolten (pinnen) Påvisning av hullkanttrykk b,ed v,rd 1,5f ytd M0 Påvisning av avskjæring v,ed v,rd 0,6f up M2 A Påvisning av moment Ny formel! M Ed M Rd 1,5f yp M0 W el Påvisningav kombinert moment & skjærkraft M M Ed Rd 2 + v,ed v,rd 2 1,0 50
Side 26 Alternativ formel for momentkapasiteten M W W Ed der pl el M Rd 4 r 3 π r 4 3 3 0,88f yp M 0 W pl 51 Tilleggskrav for utskiftbare bolter: spenningskontroll i bruksgrensestadiet! Hullkanttrykk b,ed,ser b,rd,ser 0,6f y M 6,ser td Moment Kontakttrykk ifg. Hertz M σ Ed,ser h,ed der σ h,ed M f 2,5 Rd,ser y M 6,ser 0,591 0,8f E Ed,ser yp W M 6,ser el ( d d ) td 2 0 52
Side 27 Beregningsgrunnlaget i NS-EN 1993-1-8 Kapittel 4: Sveiste forbindelser 53 igur 4.5 - Spenninger i sveisesnittets plan 54
Side 28 igur 4.3 - Kilsveisens beregningsmessige a-mål Kilsveisens nominelle a-mål skal settes lik høyden av den største trekant som kan innskrives i kilsveisens tverrsnitt. 55 Kilsveiser med god innbrenning igur 4.4 56
Side 29 En av mine kjepphester! 4.5.2 Effektivt halsmål (3) Ved bestemmelse av dimensjonerende kapasitet for kilsveis med dyp gjennomsveising kan det tas hensyn til et tillegg til dens a-mål, se figur 4.3, forutsatt at forgående prøvinger viser at nødvendig gjennomsveising kan oppnås i hele sveisens lengde. NB! Konstruktøren skal angi det beregningsmessig a-målet på tegningene. Dersom man kan dokumentere tilstrekkelig innbrenning, bør verkstedet kunne ta hensyn til denne reduksjonen. 57 Enda en kjepphest! igur 4.1 - Oppdelte kilsveiser! 58
Side 30 orsiktig med ensidige kilsveiser! Gjelder ikke hulprofiler. igur 4.9 - Ensidige kilsveiser og innskutte kilsveiser der bøyningsmoment eller strekkraft forårsaker strekkspenning i sveisens rot 59 Dimensjonerende kapasitet for kilsveiser 4.5.3.2 Retningsmetode 4.5.3.3 orenklet metode 60
Side 31 Kapasiteten for kilsveiser 4.5.3.2 Retningsmetoden 2 σ + 3 0,9f σ 2 2 ( τ + τ ) M2 u // f u M2 1 β w 61 Kapasiteten for kilsveiser 4.5.3.3 orenklet metode f w,ed w,d f M2 Rd u af 1 3 β vw,d w 62
Side 32 Tabell 4.1 - Korrelasjonsfaktoren β w Standard & stålsort NS-EN 10025 NS-EN 10210 NS-EN 10219 β W S 235-0,8 S 275 S 275 H 0,85 S 355 S 355 H 0,9 S 420 - S 420 H 1,0 S 460 S 460 H 1,0 63 Spenningsberegning av kilsveiser Rettvinklet kilsveis τ σ for α 45 fu σ β w M2 1 2 o Skjevstilt kilsveis τ σ tan( α ) τ < σ for α < 45 0,9fu σ M2 o for α α grense 64
Side 33 Skjevstilt kilsveis Stålsort S235 Grensevinkel α grense 29 o σ fu β w M2 1 0,9fu 2 1 + 3 tan α M2 S355 22 o S420 15 o σ τ α θ S460 15 o 65 Regler for kilsveiser orutsatt at sveisens a-mål ikke underskrides langs sveisen, settes sveisens beregningsmessige lengde lik den totale lengden. Sveiser med lengde mindre enn den minste av verdiene 30 mm eller 6a skal ikke benyttes for lastoverføring. I laskeskjøter der kilsveisens lengde L j er større enn 150 a, vil sveisen ikke være jevnt belastet, og kapasiteten skal reduseres med en faktor: β Lw,l 0,2 Lj 1,2 1,0 150 a 66
Side 34 igur 4.6 - uger for K-sveiser K-sveiser kan dimensjoneres som en buttsveis med full gjennomsveising forutsatt at: det totale nominelle a-mål ikke er mindre enn tykkelsen t av stegplaten, det usveiste gapet ikke er større enn 0,2 t eller 3 mm. Dersom disse forutsetninger ikke er tilfredsstilt, skal K-sveisen dimensjoneres som en kilsveis. 67 Tabell 4.2 - Betingelser for sveising i kaldformede soner og tilstøtende områder Merknad Kaldformede hulprofiler etter NS-EN 10219 som ikke tilfredsstiller verdien i tabell 4.2, kan likevel antas å tilfredsstille verdiene dersom disse profilene har en tykkelse som er mindre enn 12,5 mm, er Al-nøytralisert med kvalitet J2H eller bedre og tilfredsstiller kravene C 0,18%, P 0,20% og S 0,012%. 68
Side 35 Strekkbrudd i sveiste forbindelser Sveiste forbindelser som utsettes for strekk i platens tykkelsesretning, kan ødelegges pga. delaminering av grunnmaterialet. Årsaken er at urenheter, som f. eks. sulfider, ligger lagvis fordelt inne i stålplata. Varmepåvirkningen fra sveisingen kan medføre mikroskopiske, sikksakk-lignende brudd mellom lagene. Når platen påkjennes strekk på tvers av sitt plateplan, rives den opp. Som bildet viser kan denne bruddformen også kalles for terrassebrudd. Stålets deformasjonsevne i tykkelsesretningen kan påvises vha. sveiste, T- stykker etter NS-EN ISO 9018. 69 Testing av stål etter NS-EN ISO 9018 70
Side 36 Strekkbrudd (forts.) Dersom prøvestykket klarer en bestemt tøyning før bruddet inntreffer, kalles det for et z-stål. Det er et kvalitetsstål med forbedrede deformasjonsegenskaper i tykkelsesretningen. Det angis tre forskjellige kvalitetsklasser i NS-EN 10164: Z Rd Z15, Z25 og Z35. Behovet for z-stål kan bestemmes vha. beregninger etter Eurokode 3. ørst finnes dimensjonerende vekttall Z Ed etter NS-EN 1993-1-10. Dernest velges dimensjonerende kapasitet Z Rd etter NS-EN 1993-1-1. 71 NS-EN 1993-1-10 Påvirkninger Z Ed som forhindrer sveisens krympning Z Z Z Z Ed Rd Ed Ed Z Z Rd er tilgjengel ig dimensjone rende Z - verdi etter NS - EN 10164 er Z - verdi som skyldes forhindrin ger a + Z b + Z + Z c d + Z e av sveisens krymping 0 Z - 25 2 Z 0 Z Z e a Z c d 8 15 b 15 5 8 pga. sveisens pga. sveist T - forbindels pga. godstykkel sen, dvs. lokalt pga. globalt pga. forvarming effektive høyde ( Z forhindret krymping av sveisen ( Z ( Z e e a 0 for a eff forhindret krymping av sveisen ( Z 0 ved ingen forvarming ) 7 mm) d 0 ved fri krymping) c 2 for s 10 mm) 72
Side 37 NS-EN 1993-1-1: Materialer 3.2.4 Egenskaper i stålets tykkelsesretning NA.3.2.4(1)3B Tabell 3.2 legges til grunn for krav til kvalitetsklasse Z Rd etter NS-EN 10164 og målverdi for Z Ed bestemt etter NS-EN 1993-1-10, med mindre annet er fastsatt i andre deler av NS-EN 1993. 73 NS-EN 1993-1-1: Tabell 3.2 - Valg av kvalitetsklasse se også likelydende tabeller i NS-EN 1993-2 og NS-EN 1993-6 Tilsiktet verdi av Z Ed etter NS-EN 1993-1-10 Z Ed 10 10 < Z Ed 20 20 < Z Ed 30 Z Ed > 30 Krevd verdi av Z Rd etter NS-EN 10164 - Z15 Z25 Z35 74