Teorijsko i eksperimentalno istraživanje gubitaka sile prednaprezanja u visokovrednim zavrtnjevima

Abstract

Tarni spojevi sa prednapregnutim zavrtnjevima imaju veliki značaj u oblasti čeličnih konstrukcija, posebno u slučajevima konstrukcija izloženenih dejstvu dinamičkog opterećenja, kao što su mostovi, kranski nosači, stubovi vetro generatora, itd. Dva parametra koji imaju najveći uticaj na nosivost ovakvih spojeva su koeficijent trenja na tarnim površima i ostvarena sila prednaprezanja u visokovrednim zavrtnjevima. Potreba da se prate savremeni trendovi u građevinarstvu, posebno sa aspekta novih materijala, rezultovala je ispitivanjem spojeva, u okviru ovog istraživanja, koji su antikoroziono zaštićeni savremenim cink-silikatnim premazima. Korišćen je komercijalni premaz „Resist 86“, proizvođača „Jotun“ iz Norveške. Veze su ostvarene uz pomoć klasičnih HV visokovrednih zavrtnjeva, ali i uz pomoć, u građevinarstvu sve češće primenjivanih, zavrtnjeva sa zaključavanjem tipa „Huck BobTail (HBT)“, proizvođača „Alcoa Fastening Systems“ iz Engleske. Na ovaj način, klasičan postupak zaštite tarnih površina metalizacijom zamenjuje se jeftinijim, jednostavnijim i bržim postupkom nanošenja premaza. Takođe, ispitivana je i opravdanost primene zavrtnjeva sa zaključavanjem u poređenju sa klasičnim pregnapregnutim zavrtnjevima. Međutim, primena novog materijala kao antikoroziоne zaštite tarnih površina otvara pitanje gubitaka sile prednaprezanja u zavrtnjevima jer je opšte poznato da dominantan deo ovih gubitaka potiče od promene debljine sloja antikorozione zaštite kroz vreme. Sprovedeno istraživanje ima dva osnovna cilja: da proveri opravdanost primene predmetnog premaza u tarnim spojevima, sa stanovišta ostvarenog koeficijenta trenja i sa stanovišta gubitaka sile prednaprezanja. Sprovedena su sopstvena eksperimentalna istraživanja i ispitano je 126 zavrtnjeva u okviru 42 uzorka spojeva sa dvostrukim preklopom. Eksperimentalno istraživanje je zbog svog obima i raznolikosti podeljeno u nekoliko faza: - Određivanje fizičko-mehaničkih svojstava primenjenih materijala. Ova faza podrazumeva određivanje koeficijenta trenja koji se ostvaruje primenom predmetnog cink silikatnog premaza kao i fizičko mehaničkih svojstava (granice razvlačenja i zatezne čvrstoće) materijala od kog su izrađeni primenjeni HV i HBT zavrtnjevi; - Određivanje debljine nanetog premaza na svaku od čeličnih ploča od kojih su formirani uzorci; - Kalibracija sile u zavrtnjeva. Kao najracionalniji ali i najefikasniji način za merenje sile u zavrtnju izabran je postupak ugradnje mernih traka u telo zavrtnjeva. Nakon ugradnje mernih traka, a pre ugradnje zavrtnjeva u uzorke, izvršena je njihova kalibracija i tako uspostavljena veza između promene dužine zavrtnja (merne trake) i sile u zavrtnju. Neki dragoceni zaključci o raspodeli sile unutar zavrnjeva su izvedeni na bazi ovih rezultata. - Centralni deo istraživanja u kojem je izvršeno kontinuirano praćenje promene sile u zavrtnjevima i to 60 nedelja za prvo ugrađenih 36 zavrtnjeva, odnosno 24 nedelje za preostalih 72 zavrtnja i - Ispitivanje 6 uzoraka (18 zavrtnjeva) na dejstvo dinamičkog opterećenja tokom 2x106 ciklusa. Uzorci su formirani na način da se obezbedi variranje: vrste zavrtnja (HV i HBT), dužine zavrtnja preko različite debljine steznog paketa (18 mm, 35 mm i 55 mm), debljine premaza (uzorci sa i bez premaza) i vrste opterećenja uzorka (bez spoljašnjeg opterećenja na uzorke i uzorci izloženi dejstvu dinamičkog opterećenja). Dobijeni rezultati potvrđuju opravdanost primene predmetnog premaza u tarnim spojevima, sa obzirom da su određeni koeficijenti trenja u intervalu 0,40-0,50. Takođe, za svaku grupu zavrtnjeva određeni su inicijalni, kratkoročni i dugoročni gubici sile prednaprezanja. Ekstrapolacijom rezultata sakupljenih u prve 24 nedelje na period od 20 godina, za svaki tip i dužinu zavrtnja, definisana je kriva koja opisuje promenu sile prednaprezanja u zavrtnju u posmatranom periodu. Od svih ispitivanih zavrtnjeva jedino kod najkraćih HBT zavrtnjeva (dužine 55 mm) uočen je problem ostvarivanja proračunske sile prednaprezanja. Kod zavrtnjeva ugrađenih u uzorke sa antikorozionom zaštitom gubici sile prednaprezanja značajno su veći od onih koji su ugrađeni u uzorke bez antikorozione zaštite. Uticaj dinamičkog opterećenja, definisanog tako da ne dovede do proklizavanja veze niti plastifikacije bilo kog njenog dela, može se zanemariti sa aspekta gubitaka sile prednaprezanja. Takođe, može se zaključiti da je gubitak sile prednaprezanja najveći kod najkraćih zavrtnjeva i da opada sa povećanjem dužine zavrtnjeva. Primenom metode konačnih elemenata (MKE) modifikovani su postojeći izrazi za fleksibilnost HV zavrtnjeva i definisani novi za HBT zavrtnjeve. Takođe, primenom rezultata MKE i sopstvenog eksperimentalnog istraživanja, određena su reološka svojstva primenjenog cink-silikatnog premaza. Na osnovu rezultata sprovedenog istraživanja zaključuje se da je primena predmetnih premaza kao i upotreba ispitivanih HBT zavrtnjeva u tarnim spojevima moguća. Takođe, izvršena kvantifikacija gubitaka sile prednaprezanja omogućava projektantima da ih u postupku projektovanja uzmu u obzir i tako spreče gubitak nosivosti usled proklizavanja.

Friction connections with high-strength pretension bolts are greatly important in the field of steel structures, especially in structures imposed to dynamic loads, such as bridges, cranes and wind turbine towers. Two parameters mostly influencing the loadbearing capacity of such connections are the friction coefficient on friction surfaces and the achieved pretension force in high-strength bolts. In an effort to meet contemporary trends in the field of structural engineering, especially by usage of new materials, connections with state-of-the-art zinc-rich silicate based coating as an anti-corrosive primer have been investigated in the scope of this research. Such a commercial coating „Resist 86“, manufacturer by „Jotun“ in Norway, is used. Friction connections are formed using classical HV high-strength bolts but also the lock-bolts „Huck BobTail (HBT)“, manufactured by „Alcoa Fastening Systems“ in England, which are more and more frequently used in the field of structural engineering. In this way a classical procedure of providing metalized friction surfaces is replaced with much cheaper, more simple and quicker coating process. At the same time lockbolts are analysed in terms of their applicability when compared to the classical pretension bolts in use. On the other hand, application of the new material, which acts as anti-corrosion protection over friction surfaces, stirs debate with regards to pretension force loss in bolts as it is a commonly known fact that the dominant portion of these losses stems from a change in anti-corrosion layer thickness which may emerge in time. The research in question strives at two principle goals: whether usage the coating in question in tension connections is justified from the standpoint of achieved friction coefficient and from the standpoint of loss of the pretension force. Related experimental research has been conducted in which 126 bolts were tested within 42 double-lap joint specimens. The experimental works are divided into several phases due to their large extent and variety: - Determination of physical and mechanical properties of the applied materials. This phase implies testing of friction coefficient which is achieved by applying the aforementioned zinc-based silicate coating, and the mechanical properties (yield strength and tensile strength) of the HV and HBT bolts materials; - Measuring the thickness of the coating applied to all the steel plates used to from the specimens; - Bolt force calibration. Bolt force measurement procedure relating to insertion of strain gauges into the bolts has been selected as the most rational and efficient one. After the strain gauges are fitted, and prior to assembling the bolts into the specimens, bolt force is calibrated in means of determination of force-strain relation for each bolt. Some significant conclusions about distribution of the force in the bolt have been drawn relaying on these results. - The focal point of the research - continuous monitoring the changes in bolt forces has been carried out over 60 weeks for the first batch of 36 bolts, and over 24 weeks for the remaining 72 bolts; - Testing of 6 specimens (18 bolts) for dynamic loads in 2x106 cycles. Specimens have been formed in a way to allow variation of: bolt types (HV and HBT), bolt lengths for various clamping package thicknesses (18 mm, 35 mm and 55 mm), coating thickness (with and without coating) and loading conditions (with no external load sustained by samples and samples exposed to dynamic loads). The obtained results justify the application of the investigated coating type in friction connections given that friction coefficients are in range of 0,40-0,50. In addition, initial short-term and long-term pretension force losses have been determined for each group of bolts. Results obtained within the first 24 weeks are extrapolated to period of 20 years where a curve which describes change in pretension force within time was defined for each bolt type and bolt length separately. The shortest HBT bolts (55 mm long) showed to be problematic with regards to achieving the design value of pretension force. Pretension force losses are significant in bolts assembled to specimens with the coating when compared to those without. Influence of the dynamic loads, which are below slip resistance of the connection, can be disregarded in means of loss of the pretension force. Additionally, the conclusion can be drawn that the pretension force loss is the largest in the case of shortest bolts and that it can be reduced by increasing the bolt length. Using finite element method (FEM) for modelling the experiments of calibration process of HV and HBT bolts, existing equations for flexibility of HV bolts are improved, and for the first time equations are defined for HBT bolts. Also, using the results of FEM and experimental research, rheological properties of the applied zinc-silicate coating are determined. According to results obtained from the conducted research, application of aforementioned coatings can be recommended, as well as the use of tested HBT bolts in friction connections. Quantification of pretension force loss allows for the engineers in practice to take such data into consideration in the course of design development and prevention of overestimation of load-bearing capacity against slippage.