11. Болтовые и заклепочные соединения. Конструирование и расчет. Типы болтовых и заклепочных соединений.

Заклепочные соединения в прошлом были основным видом соединений металлических конструкций, но из-за сложного технологического процесса клепки (необходимость нагревать заклепки до t=800⁰C) и перерасхода металла они, в настоящее время, почти полностью вытеснены сваркой и высокопрочными болтами при монтаже. Заклепки применяются только в тяжелых конструкциях, подверженных воздействию динамических и вибрационных нагрузок и при использовании трудно свариваемых металлов. Заклепки изготавливают из специальной углеродистой стали, обладающей повышенными пластическими свойствами.

Остывая заклепка стягивает соединяемые элементы, что улучшает работу соединения на сдвигающие силы благодаря возникающим силам трения.

При холодной клепке, выполняемой только на заводе, металл заклепки пластически деформируется клепальной скобой, образуя замыкающую головку. Сила стягивания заклепкой соединения меньше, но сам процесс клепки более прост. Таким способом клепки часто пользуются при изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов. Расчет заклепочных соединений аналогичен расчету обычных болтов, а наличие сил трения учитывается повышением расчетных сопротивлений.

Болтовые соединения конструкций появились раньше сварных. Однако, болтовые соединения более металлоемки, чем сварные, так как имеют стыковые накладки, а отверстия под болты ослабляют сечение элементов.

В строительных конструкциях применяют болты грубой, нормальной и повышенной точности, высокопрочные, самонарезающие и фундаментные (анкерные). Болт для соединения конструкций имеет головку, гладкую часть стержня, длиной на 2-3 мм меньше толщины соединяемого пакета, и нарезную, на которую надевается шайба и навинчивается гайка.

Болты грубой точности (класс точности С) и нормальной точности (класс точности В) различаются допусками на отклонение диаметра болта от номинала. Для болтов грубой и нормальной точности отклонения диаметра достигают соответственно 1 и 0,52 мм (для болтов мм). Изготавливают болт из углеродистой стали горячей или холодной высадкой, иногда с последующей термообработкой.

Болты повышенной точности класса А ставят в отверстия, просверленные на проектный диаметр в собранных элементах или продавленные по кондукторам.

Сверление проводят на меньший диаметр с последующей рассверловкой до проектного диаметра в собранных элементах.

Диаметр отверстия для таких болтов не должен отличаться более чем на 0,3 мм от диаметра болта. Плюсовой и минусовой допуски для диаметра болтов и отверстия соответственно не разрешаются.

Болты класса точности С и В целесообразно применять в условиях монтажа. СНиПы разрешают применять болты С и В в конструкциях из стали с пределом текучести до 380 Н/мм².

Болты этих классов точности, ставят в отверстия, образованные продавливанием или сверлением в отдельных элементах. Диаметр этих отверстий должен быть на 2-3 мм больше диаметра болта. Разница в диаметрах болта и отверстия облегчает посадку болта в отверстие и упрощает образование соединения. Однако неплотная посадка болта в отверстие повышает деформативность соединения при работе на сдвиг, поэтому болты классов С и В не рекомендуется использовать в ответственных соединениях, работающих на сдвиг. Их широко применяют при работе на растяжение.

Высокопрочные болты изготавливают из легированной стали и подвергают термической обработке. Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности. Их ставят в отверстие диаметром больше, чем болт. Их гайки затягивают тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. При действии на такое соединение сдвигающих сил между соединениями возникают силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно друг друга. Высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами, поэтому подобное соединение часто называют фрикционным. Для увеличения сил трения поверхности элементов в месте стыка очищают от грязи, масла, ржавчины и окалины металлическими щетками, пескоструйным или дробеструйным аппаратом и не окрашивают. Чтобы соединение с накладками с двух сторон работало надежно, необходима одинаковая толщина соединяемых элементов; в противном случае несущая способность болта резко уменьшается.

Иногда между соединяемыми очищенными поверхностями, вставляют тонкую стальную прокладку, имеющую с двух сторон покрытие полимерным клеем с корундовым порошком. Это позволяет выровнять перепад плоскостей стыкуемых деталей и обеспечить высокий коэффициент трения.

Кроме соединений на высокопрочных болтах существуют соединения с “несущими” высокопрочными болтами, отличающиеся передачей сдвигающих усилий и совместной работой сил трения, смятия и среза болта. Эти соединения имеют остаточные перемещения, которые нежелательны и поэтому не могут быть рекомендованы.

Для улучшения работы соединения иногда применяют комбинированное клееболтовое соединение, в котором соединяемые поверхности склеивают специальным клеем, а затем стягивают высокопрочными болтами. Соединения на высокопрочных болтах не уступают обычным болтовым по простоте устройства соединения, а сварным – по качеству работы, но уступают им по расходу металла. Они используются в монтажных соединениях, где большие сдвигающие силы, и при действии динамических и вибрационных нагрузок.

Самонарезающие болты имеют резьбу по всей длине стержня. Материалом для них служит термоупрочненная сталь, болты имеют диаметр мм и применяются для крепления профилированного настила к прогонам и элементам фахверка.

Фундаментные (анкерные) болты служат для передачи растягивающих усилий с колонн на фундамент.

В строительных конструкциях используют болты различных классов прочности, которые обозначаются цифрами от 4,6 до 10,9.

Первое число умноженное на 10, обозначает временное сопротивление Ơ_b кН/см².

Расчетное сопротивление болтового соединения на смятие с болтами класса точности В и С ниже, чем расчетное сопротивление болтового соединения с болтами класса точности А.

Различают несколько видов болтовых соединений. Они разделяются на одноболтовые и много болтовые, по характеру передачи усилия от одного элемента к другому – на несдвигоустойчивые и сдвигоустойчивые (фрикционные). В несдвигоустойчивых соединениях сила затяжки гайкой не контролируется и считается, что усилие гайкой не передается через трение поверхностей соединяемых элементов. В сдвигоустойчивых соединениях сдвигающие силы передаются трением между соединяемыми элементами и учитываются при проектировании. В соединениях без контролируемого натяжения могут использоваться болты различных классов прочности, а с контролируемым натяжением – болты высокой прочности, и они могут быть как фрикционными, так и фрикционно-срезными (часть усилия передается через трение поверхностей соединяемых элементов, а часть через смятие).

Наиболее экономичным является фрикционно-срезное соединение. Однако в практике такие соединения используются редко.

Работа и расчет болтовых соединений. В соединениях на болтах с грубой, нормальной и повышенной точностью (с неконтролируемой силой затяжки гайки) сила стягивания пакета болтами неопределенна и недостаточна для полного восприятия этих сил. В этом случае работа сильно осложнена и расчет носит условный характер.

Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения по срезу болта при толстых соединяемых листах или по смятию поверхности отверстия при тонких листах.

Расчетное усилие воспринимаемое одним болтом на срез: где - расчетное сопротивление материала болта на срез, кН/см²; - площадь сечения стержня болта (по ненарезанной части); - число расчетных срезов одного болта; - коэффициент условий работы соединения, - коэффициент условия работы конструкции.

Работа болтового соединения на смятие носит условный характер. Расчетное усилие, которое воспринимается одним болтом по смятию элемента рассчитывается по формуле: где - расчетное сопротивление материала соединяемых элементов на смятие, материал стержня, имеет большее расчетное сопротивление на смятие, чем материал соединяемых элементов; - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении; - коэффициент условий работы соединения; - коэффициент условия работы конструкции.

Если внешняя сила, действующая на соединение, направлена параллельно оси болтов, то они работают на растяжение. В этом случае прочность соединения определяется прочностью материала болтов на растяжение.

В соединениях, работающих на растяжение, применяются болты из тех же сталей, что и работающих на сдвиг.

Число болтов “n” в соединении при действии сдвигающей силы , приложенной в центре тяжести, определяют по формуле: где - наименьшее из значений расчетного усилия (на срез или смятие) одного болта.

Расчет соединяемых элементов на прочность ведут с учетом ослабления сечения отверстиями по площади нетто

Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, проверяют отдельно на срез и на растяжение. Болты, работающие на срез от одновременного действия продольной силы и момента, проверяют на равнодействующее усилие.

Расчет фундаментных болтов ведется по тем же формулам, однако для должного закрепления болта в фундаменте, проверяют его на вырывание из фундамента.

Расчетное сопротивление фундаментных болтов несколько ниже обычных, из-за неравномерного натяжения смежных болтов колонны, поэтому возможна некоторая перегрузка отдельных болтов.

Работа болтовых соединений при нагрузке с перерывами имеет несколько разновидностей:

1. Если силы стягивания соединения болтами велики и внешние повторные нагружения не преодолевают сил трения, то соединение сохраняет свою монолитность и работает упруго, как основной металл (на высокопрочных болтах).

2. Если силы стягивания соединений болтами недостаточны и силы трения преодолеваются внешними сдвигающими силами, то соединение работает как упругопластическое тело.

При повторных нагрузках и разгрузках соединения усилием трение в соединении будет преодолеваться. Чем больше силы внутреннего трения в соединении, тем больше зона упругой работы соединения и меньше его податливость, что показывает необходимость увеличения сил стягивания соединения болтами.

В соединениях, работающих на вибрационную нагрузку, применяют заклепки или высокопрочные болты. В этом случае соединение работает упруго, так как размер изменения усилий болтов или заклепок меньше значения сопротивлений трения. Упругая работа соединения не способствует выравниванию усилий между болтами, и крайние болты работают сильнее средних.

Отверстия в соединении и самонапряженное состояние материала около отверстий способствуют концентрации напряжений и появлению пиковых напряжений. Эти явления понижают вибрационную прочность соединения по сравнению с вибрационной прочностью основного материала и создают условия для проявления усталости металла. Снижение вибрационной прочности соединения учитывается снижением расчетного сопротивления материала.

Реже разрушаются от усталости заклепочные или болтовые соединения. Происходит это в местах, где концентрируются напряжения, т.е. в местах примыкания к головке, или в средней, обминаемой краями листа части стержня.

В болтовых соединениях всегда возникают силы трения между соприкасающимися поверхностями, стянутыми болтами. Однако когда сила натяжения болта не контролируется, трение при расчете не учитывается, а соединение, в том числе и соединение, выполненное на высокопрочных болтах, рассчитывается на срез и смятие как обычное болтовое соединение.

Если соединение на высокопрочных болтах фрикционное, т.е. с контролируемым натяжением болтов, то силы трения, в соприкасающихся поверхностях от натяжения болтов, и сдвигающие силы определяются в зависимости от прочности стержня болта и характера обработки поверхностей. Решающее значение в работе такого соединения имеет сила натяжения болта, которая равна расчетному усилию высокопрочного болта на растяжение где - осевое усилие натяжения; - расчетное сопротивление растяжению материала высокопрочного болта, Н/мм² или кН/см²; (табл.5.5); - площадь поперечного сечения болта нетто.

При действии продольной силы число высокопрочных болтов в соединении определяют по формуле: где - число плоскостей трения; - коэффициент условий работы конструкции, - расчетное усилие, воспринятое каждой плоскостью соединения, стянутых одним высокопрочным болтом, определяемое по формуле где _b коэффициент условий работы болтового соединения; - коэффициент трения; γ_h - коэффициент надежности.

В нормах, учитывая неравномерность работы болтов, коэффициент _b = 0,8 при h 5; 0,9 при 5 < n < 10 и 1,0 при n >10, где n – число болтов в соединении.

Расчет на прочность соединяемых элементов высокопрочными болтами выполняют с учетом того, что сдвигающие усилия уже переданы силами трения соединяемых поверхностей, находящихся вне места ослабления сечения отверстиями. Проверку ослабленных сечений производят при статических нагрузках по площади сечения брутто в том случае, когда площадь нетто A_n ≥ 0.85A, а при - по условной площади . При динамических нагрузках расчет производят по площади нетто .

В настоящее время заклепочные соединения практически не применяются. Однако при реконструкции может возникнуть необходимость расчета заклепочных соединений. Расчет ведется по той же методике, что и обычных болтовых соединений.

Конструирование болтовых и заклепочных соединений. Различают два конструктивных соединения – стык и прикрепление элементов друг к другу.

Стыки листового металла осуществляются двусторонними накладками.

Двусторонние накладки предпочтительнее, так как обеспечивают симметричную передачу усилия. При соединение листов неодинаковой толщины разницу их толщин компенсируют прокладкой, причем число болтов в этом случае увеличивают на 10% против расчетного. Накладки могут быть уголковыми или листовыми.

Прикрепление элементов осуществляется внахлестку, здесь также предпочтительнее симметричное прикрепление элементов с двух сторон.

Если возможная длина прикрепления элемента ограничена, то часть болтов располагают на специальные коротыши, но в этом случае число болтов на одной из полок коротыша увеличивают на 50% против расчетного.

При конструировании следует стремиться к применению болтов одного диаметра. Наибольшее применение находят болты диаметром d_b = 20-24мм, а для тяжелых конструкций – диаметром d_b = 24-30мм. В стыках и узлах прикреплений расстояние между болтами должно быть минимальным. В малонагруженных соединениях расстояние должно быть максимальным.

Болты располагают по прямым линиям – рискам, параллельным действующему усилию. Расстояние между двумя смежными рисками называется дорожкой, а между двумя смежными болтами – шагом.