Конспект лекций_Соединения элементов МК

замыкающую головку. Деформация заклепок осуществляется при высоких температу-

рах, когда материал находится в пластическом состоянии. При охлаждении заклепка укорачивается, сжимая тем самым пакет. Как следствие, между соединяемыми элементами возникают существенные силы трения, которые улучшают работу соединения на сдвиг.

Листы профнастила соединяют между собой комбинированными заклепками диа-

метром 5 мм, которые дают возможность выполнять работы с одной стороны конструкции, при толщине пакета до 3 мм (рис. 8.7, д).

а б

в г

1 1-1

1

д

Рис. 8.7. Заклепки:

а) полукруглая; б) полупотайная; в) потайная; г) повышенная; д) комбинированная

8.2. Расчет болтов и заклепок, работающих на растяжение

Чаще всего такое напряженное состояние наблюдается во фланцевых соединениях

(рис. 8.8).

N

N

Рис. 8.8. Болтовое фланцевое соединение

99

Используют болты нормальной точности, а при значительных усилиях – высоко-

прочные. Расчет болтовых соединений приведен в главе 1.12.2 ДБН В.2.6-163:2010.

Расчетное усилие, которое выдерживает один болт (или несущая способность бол-

та):

b Rbt Abn с , (8.1)

где: Rbt – расчетное сопротивление материала болта, работающего на растяжение;

Abn – площадь поперечного сечения стержня болта нетто, определяемая по диаметру, где есть резьба, т. е. по ослабленному сечению; с – коэффициент условий работы табл. 1.1.1.

Значения Rbt зависят от материала болтов (класса прочности) и вычисляются по формулам, помещенным в табл. 1.3.4. Так, для болтов классов 5.6, 6.6 принимается Rbt=0,75Rbun; для болтов классов 8.8 – Rbt=0,68Rbun; для болтов класса 10.9 – Rbt=0,6Rbun; для высокопрочных из стали марки 40Х «селект» – Rbt=0,5Rbun (где: Rbun – наименьшее нормативное сопротивление стали болтов разрыву, принимается по таблицам Ж.4, Ж.7

приложения Ж).

Площадь сечения Abn в зависимости от диаметра болта принимается по табл. Ж.8 приложения Ж.

Числовое значение расчетного сопротивления болта меньше расчетного сопротив-

ления стали в конструкции. Это связано с наличием концентрации напряжений вблизи головки и резьбы. В этих местах происходит разрушение болтов. Принимается, что сила растяжения распределяется между болтами равномерно. Для передачи усилия N необхо-

	димое количество болтов по п. 1.12.2.10 составляет:
	n	N		(8.2)
		Nb

Полученное значение округляют в большую сторону.

8.3. Работа и расчет болтов и заклепок на действие сдвигающих усилий

Для соединений, в которых элементы сдвигаются один по отношению к другому,

может быть два вида исчерпания несущей способности: срез стержня болта или смятие металла соединяемых элементов (рис. 8.9).

100

–по смятию металла соединяемых элементов в отверстии:

Nb Rbpdb tmin b c (8.4)

где: Rbs, Rbp – расчетные сопротивления болта, соответственно, на срез и смятие.

Расчетное сопротивление болта на срез зависит от класса болта и находится по формулам табл. 1.3.4 ДБН В.2.6-163:2010. Значения Rbs помещены в табл. Ж.4 ДБН В.2.6-163:2010. Так для болтов класса 5.6 значение Rbs=210Н/мм2, а для класса болтов

10.9 – Rbs=400Н/мм2.

Расчетные сопротивления смятию болтовых соединений Rbp зависят от временного сопротивления соединяемых элементов и класса точности отверстий для болтов (болты повышенной точности принадлежат к классу точности А, болты нормальной и грубой точности к В и С). Значения Rbp помещены в табл. Ж.5 и изменяются в пределах

475Н/мм2....920Н/мм2.

b – коэффициент условий работы болтового соединения табл. 1.12.4.

с – коэффициент условий работы табл. 1.1.1.

Ab 0,78d 2b – площадь поперечного сечения стержня болта. ns – количество расчетных плоскостей среза одного болта;

101

(8.3)

Nb RbsAbns b c

Рис. 8.9. Расчетная схема болтового соединения при работе на сдвиг

При сдвиге соединяемых элементов стержень болта изгибается, что приводит к его удлинению и возникновению значительных усилий растяжения. Поэтому разрушение происходит в результате обрыва или головки, или разрыва стержня болта в месте резь-

бы, то есть там, где есть значительная концентрация напряжений. Возможно также разрушение соединяемых элементов путем выкола (вырыва) части металла, если прочность элементов окажется меньшей, чем прочность стержня болта, при этом в материале со-

единяемых элементов могут развиваться значительные пластические деформации. Болт «прорезает» металл соединяемых элементов.

Несущую способность одного болта определяют по п. 1.12.2.9 ДБН В.2.6-163:2010:

– по срезу стержня болта:

N/2

	N/2
N	N
	N/2	N/2
Плоскости	Поверхно-
среза	сти смятия

db – наружный диаметр болта;

tmin – наименьшая суммарная толщина элементов, которые сминаются в одном на-

правлении.

Количество болтов в соединении вычисляется по формуле п. 1.12.2.10:

	n	N	(8.5)
		Nв,min

где: Nb,min – меньшее из значений расчетных усилий для одного болта, найденное из условий среза стержня или смятия.

Обязательно нужно проверять прочность соединяемых элементов, учитывая ослаб-

ление сечения отверстиями. Но допускается упруго-пластическая работа материала со-

единяемых элементов, которая учитывается коэффициентом условий работы с, значе-

ние которого изменяется в пределах 1,05... 1,1 (табл. 1.1.1).

8.4.Работа и расчет соединения на высокопрочных болтах

Всоединениях на высокопрочных болтах сдвигающие усилия передаются не через срез стержня болта (или через смятие), а за счет сил трения между поверхностями соединяемых элементов, сжатых натяжением болтов. То есть, несущая способность болта определяется силами трения.

Расчетное усилие, которое может быть воспринято одной поверхностью трения соединяемых элементов, сжатых одним высокопрочным болтом определяется по формуле п. 1.12.3.3:

Q	Rbh bn	(8.6)
bh	h

где: Rbh – расчетное сопротивление высокопрочного болта растяжению, Rbh=0,7 Rbun .

Rbun – наименьшее нормативное сопротивление болта разрыву, принимаемое по табл. Ж.4, Ж.7 приложения Ж. Значение Rbun изменяется от 500 Н/мм2 до 1100 Н/мм2;

Аbn – площадь поперечного сечения болта по резьбе, принимается по таблице Ж.8

приложения Ж;

h – коэффициент надежности для соединения на высокопрочных болтах (табл. 1.12.5) зависит от разницы между диаметрами отверстий и болтов, от способа натяжения болтов (натяжение высокопрочных болтов может выполняться либо по моменту закру-

чивания, либо по углу поворота гайки), а также от способа обработки соединяемых по-

верхностей. Значение h изменяются в достаточно больших пределах: от 1,02 до 1,7.

– коэффициент трения зависит от способа обработки соединяемых поверхностей

(табл. 1.12.5).

102

На несущую способность болтового соединения очень сильно влияет состояние контактных поверхностей. Поверхности, которые дополнительно не подготовлены,

имеют самые низкие значения коэффициента трения ( =0,25). При тщательной обработ-

ке поверхностей (например, обработка дробью) значения =0,58. Таким образом, вырас-

тает и расчетное усилие, которое может быть воспринято одной поверхностью трения.

Необходимое количество высокопрочных болтов в соединении, при действии продольного усилия, вычисляется по формуле п. 1.12.3.4:

	n	N	(8.7)
		Qbhk b c

где: k – количество поверхностей трения соединяемых элементов.

b – коэффициент условий работы фрикционного соединения, зависит от количест-

ва болтов n, необходимых для восприятия расчетных усилий:

b =0,8	при	n
b =0,9	при	n
b =1,0	при	n

Таким образом, проектируя соединение с большим количеством поверхностей тре-

ния, можно уменьшить количество болтов.

Проверку прочности соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под болты, выполняют при динамических нагрузках – по площади сечения нетто An, а при ста-

тических нагрузках по площади брутто А, когда An А, или условной расчетной площа-

дью Ас = 1,18 An, если An 0,85А.

8.5. Расчет соединений на болтах под действием различных силовых факторов

Под действием изгибающего момента усилия в болтах по одну сторону от стыка распределяются пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения к осям болтов (рис. 8.10).

	Nb1
	Nb2
	l2 l1
M	Nb2
	M

Nb1

Рис. 8.10. Расчетная схема болтового соединения, на которое действует изгибающий момент

103

NQ Nb

Условие прочности соединения:

Nmax Nb

Наибольшие силы действуют в самых отдаленных болтах. Каждая пара болтов,

симметричных в отношении центра тяжести соединения, воспринимает часть изгибающего момента:

Mi Nbili	(8.8)
Все болты вместе воспринимают полный момент
k
M m Nbili ,	(8.9)
i 1

где: m – количество рядов (на рис.7.4. m=2);

k – количество пар болтов по отношению к центру тяжести соединения.

Усилие в любом болте:

k

l

k

N

l2

li2

Ml

Nbi Nb1

i

;

M m

b1

i

mNb1

i 1

;

Nb1 Nmax

1

(8.10)

l

k

l

i 1

l

2

1

1

1

m li

i 1

(8.11)

где: Nb – несущая способность болта принятая по меньшему из значений: по срезу стержня, или по смятию.

При действии поперечной силы Q упрощенно считают, что усилия в болтах рас-

пределяются равномерно.

Таким образом, усилие, которое действует на один болт:

	NQ		Q	(8.12)
			n

где: n – количество болтов в соединении по одну сторону от стыка. Условие прочности соединения:

(8.13)

При одновременном действии на соединение осевой силы N, поперечной силы Q и

изгибающего момента М (рис. 8.11), на болты действуют силы соответственно N N, N Q, N M.

N Q		N
M	Q	M

Рис. 8.11. Расчетная схема болтового соединения при сочетании силовых факторов

104

Наибольшее значение равнодействующей силы Nred :

Nred

(NN NM )2 NQ2

Nb

(8.14)

8.6. Основные конструктивные требования

Основные конструктивные требования к болтовым соединениям приведены в ДБН В.2.6-163:2010 (п. 1.12.2.1-1.12.2.8):

1)Для болтовых соединений элементов стальных конструкций необходимо использовать болты согласно приложения Ж. Например, если конструкция не рассчитывается на усталость, то класс прочности болтов при работе болтов на растяжение или смя-

тие принимается 5.6 (табл. Ж.3).

2)Болты размещают согласно требований таблицы 1.12.3, при этом расчетные болты размещают с минимальным расстоянием, а конструктивные болты – с максимальным расстоянием. Расстояние между центрами болтов принимают таким, чтобы обеспе-

чивалась возможность работы гаечными ключами. Размещают оси болтов по рискам, которые ориентируют параллельно и перпендикулярно к оси элемента. Расстояние между центрами болтов вдоль риски именуют шагом. Размещение рисок для прокат-

ных профилей четко нормировано.

Ограничивается как наименьшее, так и наибольшее расстояние между осями болтов (рис. 8.12). Наименьшие расстояния, связанные с требованиями работы инстру-

ментами и необходимостью избежать разрушения элементов, если болт располагает-

ся очень близко к краю элемента. Наибольшие расстояния, связанные с требования-

ми обеспечения плотности соединения и устойчивости элементов при сжатии. В монтажных соединениях, когда болты лишь фиксируют конструкцию, расстояния между ними принимают максимальными. В стыках и узлах следует размещать болты на минимальных расстояниях. Это дает возможность уменьшить размеры накладок.

105

N

N	2,5d

Условные обозначения отверстий и болтов

N

- отверстие

ряд

- болт

- временный болт

N	- высокопрочный болт

1,5d

4d или 8t

2d 2,5d 8d или 12t (в крайних рядах), в средних рядах:

16d или 24 t - при растяжении и

12 d или 18t - при сжатии

наименьшие наибольшие значения значения

Рис. 8.12. Размещение рисок болтов и условные обозначения болтов

3)В границах одного конструктивного элемента используют болты одинакового диа-

метра.

4)Против раскручивания болтовых соединений нужно устанавливать контргайки или пружинные шайбы.

5)Соединение должно быть наиболее плотным. Плотность соединения проверяют щу-

пом толщиной 0,3 мм. Это связано с тем, что в щелях коррозия металла проходит чрезвычайно интенсивно.

6)Для легких конструкций рекомендуются диаметры болтов до 20 мм, для средних

20...24 мм, тяжелых – 24...30 мм.

7)Перепад поверхностей соединяемых деталей не должен превышать 0,5 мм. Это касается высокопрочных болтов. При перепадах до 3 мм в более толстой детали создают скос механической обработкой с наклоном 1:10. Перепады, которые превышают 3

мм, заполняют прокладками. Заданное проектом натяжение высокопрочных болтов обеспечивается затягиванием гаек специальными ключами с контролем момента закручивания или угла поворота гайки. После контроля усилия головки болтов красят,

а соединения шпаклюют по контуру.

8)Привязки рисок и шаги принимают кратными 5 мм.

9.Специальные виды болтовых соединений

Внастоящее время широкое распространение получили новые виды крепежных элементов такие как дюбели, распорные анкеры, саморезы и химические анкеры. Пра-

106

вильное применение их зависит:

– от материала, к которому производится крепление (кирпич, дерево или железо-

бетон);

–закрепляемого элемента;

–крепежного элемента.

9.1.Фасадные дюбели с шурупом

Основными конструктивными элементами фасадных дюбелей являются дюбеля и шурупы. Материал дюбелей на рынке Украины представлен из пластика и нейлона.

Наиболее прочным является дюбель из нейлона, так как обладает следующими свойст-

вами:

–высокими характеристиками сопротивления деформациям;

–рабочим диапазоном температур от -40ºС до +100ºС;

–устойчивостью к динамическим и вибрационным нагрузкам;

–не воспламеняется и не поддерживает горение;

–устойчивостью к воздействию агрессивных, щелочных и кислотных сред.

Однако недостатком дюбелей из нейлона является его цена.

Фасадные дюбели с шурупом применяются с короткой (рис. 9.1) и длинной зоной крепления (9.2). Зоны крепления зависят от типа материала, в который будет закреп-

ляться материал. Дюбели с короткой зоной крепления применяются для бетона, а с длинной – для пустотелого кирпича и ячеистого бетона. Шурупы применяются стопор-

ными с шестигранной головкой с пресс-шайбой, шестигранной и полупотайной голов-

ками.

Рис. 9.1. Фасадные дюбели с шурупом с	Рис. 9.2. Фасадные дюбели с шурупом с
короткой зоной крепления	длинной зоной крепления

107

9.2. Распорные анкеры

Распорные анкеры предназначены для крепления металлоконструкций, инженер-

ных коммуникаций, ворот, лестниц, поручней, станков, опор, различного рода огражде-

ний. Наиболее широко используется в промышленном строительстве, при строительстве спортивных сооружений, при реконструкции и новом строительстве мостов и тоннелей

Достоинства анкеров:

–высокая устойчивость к динамическим нагрузкам;

–высокая сопротивляемость вырыву и срезу;

–надежная работоспособность в сжатой и растянутой зоне бетона;

–высокая сопротивляемость проворачиванию анкера за счет распорной гильзы;

–удерживает нагрузку за счёт сил трения и упора расклиненных частей анкера;

–простая и удобная маркировка глубины посадки на анкере обеспечивает пра-

вильность его установки;

– легкий монтаж.

В строительстве применяются два варианта исполнения распорных анкеров – шпилечная версия с гайкой (рис. 9.3) и болтовая. Шпилечная версия с гайкой применя-

ется диаметром 6 – 20мм и длиной 50 – 440мм.

Рис. 9.3. Распорный анкер с гайкой

Распорные анкеры состоят из:

–антиротационного устройства, которое препятствует прокручиванию анкера в отверстии (рис. 9.4);

–ассиметричного расклинивания (рис. 9.5);

–фаски и специального сегментного кольца (рис. 9.6);

–дополнительного расклинивания (рис. 9.7).

108