HET KRACHTENSPEL IN EEN BOUTVERBINDING

Uiteraard is het wenselijk dat schroefdraadverbindingen betrouwbaar zijn en niet vanzelf dreigen los te raken. Voor een hoge betrouwbaarheid is het van groot belang dat u inzicht krijgt in de krachten die in een boutverbinding kunnen optreden. Elk element van een verbinding zal namelijk invloed uitoefenen op het uiteindelijke resultaat.

Figuur 1	Figuur 2

Simpel gezegd zijn er in een boutverbinding twee types statische belasting mogelijk:

Zonder klemkracht – de krachtoverdracht vindt plaats tussen de platen door stuik- en afschuifkrachten in de boutsteel of de schroefdraad. De te verbinden platen verschuiven onderling tot de boringen tegen de boutsteel of tegen de schroefdraad aanliggen. In dit geval worden de bouten belast op afschuiving (dwarsbelasting), zie figuur 1.
Met hoge klemkracht – deze klemkracht verhindert het verschuiven van de ingeklemde onderdelen. De krachtoverdracht vindt door wrijving plaats. De bouten worden belast op trek (axiale belasting), zie figuur 2.

Meestal is een onderlinge verschuiving van de te verbinden onderdelen niet wenselijk.

Het is daarom noodzakelijk dat we in de boutverbinding voldoende klemkracht aanbrengen. We spreken over de voorspankracht die na het aandraaien van de moer of bout wordt bereikt.

Indien de krachten op de constructie regelmatig van richting veranderen of niet constant zijn, spreken we van een dynamische belasting. Het zal verderop blijken dat dynamische belasting een van de oorzaken van losrakende boutverbindingen, en zelfs van boutbreuk, kan zijn.

Voor een goed functionerende verbinding moet, zeker bij een dynamische belasting, de klemkracht behouden blijven.

Een schroefdraadverbinding is een elastisch verend geheel

Bij het ontwerp en de uitvoering van een schroefdraadverbinding is het zeer belangrijk om te beseffen dat:

De bouten en de verbonden onderdelen als een elastisch verend geheel functioneren: de ingeklemde elementen worden elastisch ingedrukt, terwijl de bout uitrekt tijdens montage. Indien door een externe belasting de bout verder rekt, zullen de ingeklemde delen terugveren.
De trekkracht in de bouten bovendien gelijk is aan de drukkracht op de ingeklemde elementen. We kunnen dit illustreren aan de hand van figuur 3.

Figuur 3

Fpm= trekkracht in de bout

Fsm= drukkracht op de ingeklemde elementen

Het samenspel van krachten en vervormingen wordt voorgesteld in een zogenaamde kracht/vervormingsdriehoek. Zie grafiek A. Lijn 1 in de grafiek stelt de vervorming voor die een bout ondergaat door een trekkracht. Lijn 2 heeft betrekking op het ingeklemde pakket, dat vervormt onder invloed van de drukkracht door de bout.

fsm= verlenging van de bout door klemkracht Fm

fpm= indrukking van de ingeklemde elementen door klemkracht Fm

In de bovenstaande grafiek kunt u aflezen dat bij een klemkracht Fm de boutverlenging gelijk is aan fsm en dat de indrukking van de ingeklemde delen fpm bedraagt. Omdat de gebruikte materialen van de bout en de ingeklemde onderdelen verschillen, net als de vormgeving, zijn fsm en fpm meestal niet gelijk.

Op deze boutverbinding brengen we een externe belasting Fa aan, zie figuur 4.

Figuur 4

Tekenen we deze externe trekbelasting Fa op de grafiek A, dan zal hij ingepast moeten worden tussen beide vervormingskarakteristieken. Als de bout namelijk onder invloed van de externe belasting rekt, zal het ingeklemde materiaal evenveel terugveren, zie grafiek B.

Fm = oorspronkelijke klemkracht in de verbinding

Fa = externe axiale belasting

Fpa = vermindering klemkracht door Fa

Fsa = verhoging boutbelasting door Fa

Fkr = resterende klemkracht in verbinding

Fs = totale belasting op de bout

Door toepassing van een meer elastische bout is de verhoging van de boutbelasting kleiner.

Onder invloed van de externe kracht Fa zal de oorspronkelijke klemkracht Fm verminderd worden met Fpa. Wat overblijft is Fkr, die dus de resterende klemkracht in de verbinding voorstelt. De totale kracht Fs die op de bout inwerkt, is de som van de externe belasting Fa en de resterende klemkracht Fkr.

Fa zorgt enerzijds voor een reductie in klemkracht (Fpa) en anderzijds voor een toename in belasting op de bout (Fsa). Het is wenselijk dat de toename in belasting zo klein mogelijk blijft, en dat niet alleen om te vermijden dat de bout overbelast raakt. Indien de externe belasting namelijk dynamisch is, zal dit door de bout enkel waargenomen worden door de schommelingen in Fsa. Als de amplitude van deze kracht Fsa groot is, kan dit snel aanleiding geven tot breuk door vermoeiing. Bovendien mag de resterende klemkracht Fkr nooit nul worden! Als dit gebeurt, zal de verbinding open gaan staan.

De toename in boutbelasting Fsa kan zoveel mogelijk worden beperkt door een zeer elastische bout te gebruiken. Hierdoor ontstaat er een minder steile vervormingscurve van de bout. Wat we dan zien, is dat de externe kracht veel meer wordt opgenomen door een reductie van de klemkracht, zie grafiek C.

Eenzelfde effect verkrijgen we door het gebruik van zeer stijve ingeklemde materialen: de vervormingscurve van de ingeklemde materialen wordt daardoor zeer steil en de externe kracht bijna volledig opgenomen door een reductie van de klemkracht, zie grafiek D.

Door toepassing van stijvere ingeklemde materialen, is de verhoging van de boutbelasting kleiner.

In het kort

Vooral bij dynamische belasting is het uitermate belangrijk dat we zorgen voor een zo laag mogelijke extra boutbelasting: deze kan namelijk bij vermoeiing plotselinge breuk veroorzaken.

Om bij een externe belasting de extra kracht op de bouten zo veel mogelijk te beperken:

Moeten de constructiedelen zo stijf mogelijk zijn.
Kunnen elastische bouten toegepast worden:

- kies een grote verhouding klemlengte / diameter (≥ 5)

- opteer voor een grotere schroefdraadlengte

- pas eventueel een gereduceerde schachtdiameter toe (rekbouten)

Moet de voorspankracht zo hoog mogelijk zijn, zeker hoger dan de externe belasting.