-
Работа и расчет болтовых соединений
Работа и расчет болтов работающих на растяжение
Чаще всего такое напряженное состояние наблюдается во фланцевых соединениях.
Рис. 4.14. Болтовое фланцевое соединение
Используют болты нормальной точности, а при значительных усилиях – высокопрочные. Расчет болтовых соединений приведен в главе 11 «СНиП П-23-81* Стальные конструкции. Нормы проектирования. Стройиздат, М, 1991 г.»
Расчетное усилие, которое выдерживает один болт (или несущая способность болта)
,
где: R bt – расчетное сопротивление материала болта, работающего на растяжение ; A bn – площадь сечения стержня болта нетто, определяемая по диаметру, где есть резьба, т. е. по ослабленному сечению.
Значения R bt зависят от материала болтов (класса прочности) и вычисляются по формулам, помещенным в табл.5 СНиП П-23-81*.
Так, например, для болтов классов 4.6, 5.6, 6.6 принимается R bt=0,42R bun; для болтов классов 4.8, 5.8 – R bt=0,4R bun; для болтов классов 8.8, 10.9 – R bt=0,5R bun (где:
R bun – нормативное сопротивление стали болтов, которое принимается равным временному сопротивлению).
Значения расчетных сопротивлений Rbt в зависимости от класса болтов помещены в табл. 58 СНиП П-23-81* и изменяются от 170 МПа (для болтов класса 4.6) до 500 МПа (для болтов класса 10.9).
Площадь сечения A bn в зависимости от диаметра болта принимается по табл. 62 СНиП П-23-81*.
Числовое значение расчетного сопротивления болта меньше расчетного сопротивления 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 необходимое количество болтов составляет
;
где: с - коэффициент условий работы .
Полученное значение округляют в большую сторону.
Работа и расчет болтов, работающих 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. 4.15. 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 резьбы, 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 соединяемых элементов могут развиваться значительные пластические деформации. Болт «прорезает» металл соединяемых элементов.
Несущую способность одного болта определяют:
по срезу стержня болта:
;
по смятию соединяемых элементов :
где: R bs, R bp – расчетные сопротивления болта, соответственно, на срез и смятие.
Расчетное сопротивление болта на срез зависит от класса болта и находится по формулам табл. 5 СНиП II-23-81*. Значения R bs помещены в табл. 58 СНиП II-23-81*. Так для болтов класса 4.6 значение R bs=150 МПа, а для класса болтов 10.9 – R bs=400 МПа.
Расчетные сопротивления смятию болтовых соединений R bp 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 R bp помещены в табл. 59 СНиП II-23-81* и изменяются в пределах 430МПа....1045Мпа.
b – коэффициент условий работы соединения табл. 35 СНиП II-23-81*. Для одноболтовых соединений элементов конструкций b =0,8 ( для элементов из стали, которая имеет R y до 285 МПа), иначе – b =0,75. Для многоболтовых соединений при классе точности А значение b =1,0, иначе – b = 0,9.
А – расчетная площадь сечения стержня болта, вычисленная по его диаметру. Значение А помещены в таблице 62 СНиП II-23-81*.
ns – количество плоскостей среза одного болта;
d – диаметр болта;
t – наименьшая суммарная толщина элементов, которые сминаются в одном направлении.
Количество болтов в соединении вычисляется по формуле:
,
где: N min – меньше из значений расчетных усилий для одного болта, найденное из условий среза стержня или смятия.
Обязательно нужно проверять прочность соединяемых элементов, учитывая ослабление сечения отверстиями. Но допускается упруго-пластическая работа материала соединяемых элементов, которая учитывается коэффициентом условий работы с, значение которого изменяется в пределах 1,05... 1,1 (табл.6 СНиП II-23-81*).
Работа и расчет соединений на высокопрочных болтах
В соединениях 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:
,
где: R bh – расчетное сопротивление высокопрочного болта растяжению, R bh=0,7 R bun .
R bun – нормативное сопротивление стали болтов, принимаемое в зависимости от диаметра резьбы и прочности стали, из которой изготовлен болт, по табл. 61 СНиП II-23-81*. Значение R bun изменяется от 600 МПа до 1350 МПа;
А bn – площадь болта нетто, принимается по таблице 62 СНиП II-23-81*;
b – коэффициент условий работы соединения, зависит от количества болтов n, необходимых для восприятия расчетных усилий:
b =0,8 при n
b =0,9 при n
b =1,0 при n
h – коэффициент надежности для соединения на высокопрочных болтах (табл. 36 СНиП II-23-81*) зависит от разницы между диаметрами отверстий и болтов, от способа натяжения болтов (натяжение высокопрочных болтов может выполняться либо по моменту закручивания, либо по углу поворота гайки), а также от способа обработки соединяемых поверхностей. Значение h изменяются в достаточно больших пределах: от 1,02 до 1,7.
– коэффициент трения зависит от способа обработки соединяемых поверхностей (табл. 36 СНиП II-23-81*);
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 обработке поверхностей ( например обработка дробью) значения =0,58. Таким образом, вырастает и расчетное усилие, которое может быть воспринято одной поверхностью трения.
Необходимое количество высокопрочных болтов в соединении, при действии продольного усилия, вычисляется по формуле:
где: k – количество поверхностей трения соединяемых элементов.
Таким образом, проектируя соединение с большим количеством поверхностей трения, можно уменьшить количество болтов.
Проверку прочности соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под болты, выполняют при динамических нагрузках – по площади сечения нетто A n, а при статических нагрузках по площади брутто А, когда A n < А, или условной расчетной площадью А c = 1,18 A n, если A n 0,85А.
Расчет соединений на болтах под действием разных силовых факторов
Рис. 4.16. Расчетная схема болтового соединения, на которое действует изгибающий момент
Под действием изгибающего момента усилия в болтах распределяются пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения к осям болтов (Рис. 4.16.). Наибольшие силы действуют в самых отдаленных болтах. Каждая пара болтов, симметричных в отношении центра тяжести соединения, воспринимает часть изгибающего момента:
Все болты вместе воспринимают полный момент
,
где: m – количество рядов (на рис.4.16. m=2) ;
k – количество пар болтов по отношению к центру тяжести соединения.
Усилие в любом болте
; 
; 
Условие прочности соединения может быть записанным:
,
где: N b – 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 распределяются равномерно.
Таким образом, усилие, которое действует на один болт:
,
где: n – количество болтов в соединении.
Условие прочности соединения:
При одновременном действии на соединение осевой силы N, поперечной силы Q и изгибающего момента М (рис.4.17.), на болты действуют силы соответственно N N, N Q,
NM.
.
Рис. 4.17. Расчетная схема болтового соединения при сочетании силовых факторов
Больше всего значение равнодействующей силы N red :
