Соединения на болтах

Комбинированные соединения

Комбинированными называют такие соединения, в которых используются разные виды швов. Если соединение выполняется с помощью лобовых и фланговых швов, то принимается, что швы работают совместно. Поэтому при расчете подставляют в формулы общую (суммарную) длину швов с одной стороны стыка.

Рис. 4.12

4.2.2.1.Виды болтов и их характеристики

В строительстве используют болты грубой и нормальной точности, повышенной точности и высокопрочные. Кроме того, используют специальные анкерные болты и самонарезающие болты, которые используются для крепления профилируемого настила к прогонам.

Диаметр болтов 10-48 мм. Длина болтов, обусловленная толщиной соединяемых элементов, изменяется в широких пределах 30-300 мм. Болты грубой и нормальной точности используют в монтажных соединениях для фиксации элементов. Устанавливают болты в отверстия, диаметр которых больше диаметра болтов на 2-3 мм. Отверстия формируют в отдельных соединяемых деталях путем пробития или сверления.

При действии больших сдвигающих усилий используют болты повышенной точности и высокопрочные болты. Отверстия для болтов повышенной точности должны отвечать диаметру болтов. Возможное отклонение только в большую сторону до +0,3 мм. Этим достигается плотный контакт между болтом и стенкой отверстия. Отверстия в этих соединяемых деталях должны достаточно точно совпадать, поэтому отверстия просверливают в собранном пакете или используют кондукторы, которые обеспечивают точное размещение отверстий.

В зависимости от прочности материала болты грубой, нормальной и повышенной точности объединяют в классы, которые обозначают двумя числами, разделенными точкой (например: 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 8.8; 10.9). Первое число, умноженное на 100, приблизительно дает наименьшее значение предела прочности (МПа), а произведение первого числа на второе, увеличенное в 10 раз - значение предела текучести (МПа).

Принимают класс болтов согласно рекомендациям норм соответственно напряженному состоянию, условиям работы (растяжение или сдвиг) и климатическим особенностям района строительства, табл. 57 СНиП II-23-81*„Стальные конструкции. Нормы проектирования»

Класс прочности гаек должен отвечать прочности болтов.

Под головки болтов грубой, нормальной и повышенной точности и гайки обязательно должны устанавливаться круглые шайбы. В местах примыкания головки болтов к наклонным плоскостям ставят косые шайбы.

Болты грубой, нормальной и повышенной точности изготавливают из малоуглеродистых сталей (например: 35, 35X, 40X, 38XА). Высокопрочные болты изготавливают лишь из высокопрочных сталей 40X «селект», 35X2AФ, 30Х3МФ (легированных хромом, азотом, молибденом, ванадием). Применяют их в соединениях, которые работают на сдвиг. Наиболее часто используются болты диаметром 20, 24, 30 мм. Маркируют болты так: М20, М24, М30.

Анкерные (фундаментные) болты передают растягивающее усилие на фундамент. Диаметр анкерных болтов составляет 12...140 мм. Конструкция анкерных болтов должна обеспечивать их надежное закрепление в бетоне. Для изготовления анкерных болтов используют сталь ВСт3кп2, 09Г2С, 10Г2С1.

В последнее время вместо заклепок в стальных конструкциях применяют высокопрочные болты и сварку. Это связано с необходимостью использовать для клепки специальное оборудование и высокой трудоемкостью таких соединений. Заклепки используют очень ограниченно, лишь при значительных динамических нагрузках. В зависимости от формы закладной головки различают заклепки с полукруглыми, полупотайными, потайными и повышенными головками (рис. 4.13, а-г). Заклепки устанавливают в отверстия, диаметр которых на 1,0...1,5 мм больше диаметра стержня заклепки.

Клепку выполняют клепальными молотками или скобами в горячем или холодном состоянии. При горячем методе заклепки нагревают до 1000...1100 ^оС устанавливают в отверстия, осаживают стержень до полного заполнения отверстия, а затем формируют замыкающую головку. Деформация заклепок осуществляется при высоких температурах, 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 диаметром 5 мм, которые дают возможность выполнять работы с одной стороны конструкции, при толщине пакета до 3 мм (рис. 4.13, д).

Рис. 4.13. Заклепки

4.2.2.1. 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: g_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.

g_b – коэффициент условий работы соединения табл. 35 СНиП II-23-81*. Для одноболтовых соединений элементов конструкций g_b =0,8 (для элементов из стали, которая имеет R _y до 285 МПа), иначе – g_b =0,75. Для многоболтовых соединений при классе точности А значение g_b =1,0, иначе – g_b = 0,9.

А – расчетная площадь сечения стержня болта, вычисленная по его диаметру. Значение А помещены в таблице 62 СНиП II-23-81*.

n_s – количество плоскостей среза одного болта;

d – диаметр болта;

åt – 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 g_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*;

g_b – коэффициент условий работы соединения, зависит от количества болтов n, необходимых для восприятия расчетных усилий:

g_b =0,8 при n<5

g_b =0,9 при 5£n<10

g_b =1,0 при n³10

g_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 g_h изменяются в достаточно больших пределах: от 1,02 до 1,7.

m – 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 (m=0,25). При тщательной обработке поверхностей (например обработка дробью) значения m=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,

N_M.

.

Рис. 4.17. Расчетная схема болтового соединения при сочетании силовых факторов

Больше всего значение равнодействующей силы N _red :

4.2.2.3. Конструирование болтовых соединений

Основные конструктивные требования к болтовым соединениям помещены в СНиП II-23-81 (п.12.14-12.20):

1) В границах одного конструктивного элемента используют болты одинакового диаметра.

2) Против раскручивания гаек в болтовых соединениях нужно устанавливать контргайки или пружинные шайбы.

3) соединение должно быть наиболее плотным. Плотность соединения проверяют щупом толщиной 0,3 мм. Это связано с тем, что в щелях коррозия металла проходит чрезвычайно интенсивно.

4) Для легких конструкций рекомендуются диаметры болтов до 20 мм, для средних 20...24 мм, тяжелых – 24...30 мм.

5) 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.

6) Расстояние между центрами болтов принимают таким, чтобы обеспечивалась 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 прокатных профилей четко нормировано. Ограничивается как наименьшее, так и наибольшее расстояние между осями болтов (рис. 4.18.) Наименьшие расстояния связанны с требованиями работы инструментами и необходимостью избежать разрушения элементов, если болт располагается очень близко к краю элемента. Наибольшие расстояния при сжатии связанны с требованиями обеспечения плотности соединения и устойчивости элементов. 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.

Рис. 4.18. Размещение рисок болтов и условные обозначения болтов

7) В прикреплениях одного элемента к другому через промежуточные прокладки, при односторонних накладках количество болтов увеличивается по сравнению с расчетом на 10 %.

8) Привязки рисок и шаги принимают кратными 5 мм.

4.2.3. Работа стали под нагрузкой

4.2.3.1. Работа стали на растяжение и сжатие.

Чтобы понять работу стали, рассмотрим сначала работу отдельного монокристалла (зерна) железа, затем поликристалла (группы зерен) и, наконец, стали.

Работа монокристалла железа. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что сдвинуть одну часть монокристалла железа по другой значительно легче, чем оторвать. Поэтому пластические деформации в зернах железа протекают путем сдвига. Установлено также, что сдвиг происходит по плоскостям, наиболее густо усеянным атомами, т. е. по направлению большой диагонали объемно-центрированного куба (ОЦК-решетки). Теоретическая прочность на сдвиг превосходит реальную в сотни и тысячи раз. Такое расхождение прочности объясняется тем, что взаимное смещение жестких блоков по атомным плоскостям с идеальной решеткой невозможно, а происходит последовательное перемещение и переползание группы атомов внутри кристалла, связанное с локальным нарушением правильной структуры кристалла (за счет дефектов кристаллической решетки: точечных, линейных и объемных), причем перемещение происходит при напряжениях значительно меньших тех, при которых должен был бы поисходить сдвиг жеских блоков. Граница между участком, где скольжение уже произошло, и остальной частью кристалла называется линией дислокации.

Работа поликристалла железа. Пластическое течение поликристалла железа, обычно называемого просто железом, происходит под воздействием касательных напряжений путем сдвига по отдельным зернам-кристаллам. В железе, состоящем из громадного числа зерен, каждое из зерен имеет разное ориентирование кристаллической решетки, что затрудняет общий сдвиг одной части образца по другой. Затруднение сдвигу создают и границы зерен, где атомная решетка искажена и имеются отложения разных включений. Поэтому сопротивление пластическим деформациям у железа, выше, чем у отдельного монокристалла (железа). Хаотичное ориентирование громадного количества зерен приводит к тому, что в упругой стадии такой материал работает как изотропный (однородный во всех направлениях). При переходе же материала в пластическое состояние всегда находятся плоскости, по которым действуют наибольшие касательные напряжения и большинство зерен на которых расположено благоприятно для сдвига. Плоскости интенсивного пластического течения на поверхности изделий (образцов) видны как линии текучести, называемые линиями Людерса-Чернова.

Работа стали. Большое препятствие образованию сдвигов в зернах феррита создают в стали более прочные зерна перлита, поэтому прочность стали значительно выше прочности чистого железа.

Рассмотрим работу стали при равномерном распределении напряжений при статической нагрузке.

Сталь состоит из огромного количества кристаллов. Внутри кристаллов атомы расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку. Каждый кристалл обладает ярко выраженной анизотропией. Но поскольку таких кристаллов бесконечное множество и ориентированы они по самым разнообразным направлениям, то среднестатистическая сталь по различным направлениям имеет примерно одинаковые свойства, т.е. ведет, себя как квазиизотропное тело (как тело, подобное изотропному).

Дата добавления: 2014-01-07