3. Расчет болтов

3.1. Нагрузки, действующие на болты, по характеру воздействия подразделяются на статические и динамические. Величина, направление и характер действующих нагрузок от оборудования на болты должны быть указаны в задании на проектирование фундаментов под оборудование.

3.2. Мака сталей расчетных болтов, эксплуатируемых при расчетной зимней температуре наружного воздуха до минус 65 С включительно, должна назначаться в соответствии с указаниями табл. 2.

Таблица 2

Расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С	От -40 С и выше	От -40 до -50 С	От -51 до -65 С
марка стали	ВСт3кп2 ВСт3пс2 Ст20	09Г2С-6 10Г2С1-6	09Г2С-8 10Г2С1-8

Примечание. Болты допускается изготовлять из других марок сталей, механические свойства которых не ниже свойств сталей марок, указанных в табл. 2.

3.3. Болты для крепления строительных конструкций при температуре наружного воздуха от минус 40 С и выше должны изготовляться из углеродистой стали марки ВСт3кп2 (ГОСТ 380), а для крепления оборудования - из углеродистой стали марки ВСт3пс2 (ГОСТ 380) или из конструкционной стали марки Ст20 (ГОСТ 1050).

Для болтов диаметром 56 мм и более допускается применять при тех же температурных условиях низколегированную сталь марок 09Г2С-2 и 10Г2С1-2 (ГОСТ 19281).

3.4. Для крепления сосудов и аппаратов, предназначенных для обработки и хранения взрывоопасных продуктов, а также для крепления аппаратов колонного типа при расчетной зимней температуре наружного воздуха до минус 30 С включительно, следует применять сталь марки Ст3пс3 (вместо стали марки Ст3пс2); при температуре наружного воздуха от минус 31 до 40 °С - сталь марки Ст20 по ГОСТ 1050.

3.5. При расчетной зимней температуре наружного воздуха до минус 65 С низколегированные марки сталей 09Г2С-8 и 10Г2С1-8 должны иметь ударную вязкость не ниже 30 Дж/см² (3 кгсм/см²) при температуре испытания минус 60 С.

3.6. Конструктивные болты во всех случаях допускается изготовлять из стали марки Ст3кп2 по ГОСТ 380.

3.7. Расчетные сопротивления металла болтов растяжению R_ва следует принимать по табл. 3 (табл. Г.7 СП 16.13330.2011).

Таблица 3

Диаметр болта, мм	Расчетное сопротивление металла растяжению Rва, МПа
	Ст3кп2 (по СНиП II-23-81)	Ст3пс4, Ст3пс2, Ст3сп4, Ст3сп2	09Г2С-4, 09Г2С-6
10-20	185	200	265
24-30	185	190	245
36	185	190	230
42-56	185	180	230
64-80	185	180	220
90-100	185	180	210
110-140	185	165	210

3.8. Все болты должны быть затянуты на величину предварительной затяжки F, которая для статических нагрузок должна приниматься равной: f = 0,75 Р, для динамических нагрузок F = 1,1р, где Р - расчетная нагрузка, действующая на болт.

Для строительных конструкций (стальных колонн зданий и т.п.) затяжку болтов допускается осуществлять стандартными ручными инструментами с предельным усилием (до упора) на болт.

3.9. Площадь поперечного сечения болтов (по резьбе) должна определяться из условия прочности по формуле

A_sa = к_о Р/R_ва,                                                                     (1)

где к_о = 1,35 - для динамических нагрузок; к_о = 1,05 - для статических нагрузок.

Для съемных болтов с анкерными плитами, устанавливаемых свободно в трубе, коэффициент к_о для динамических нагрузок принимается равным 1,15.

3.10. При действии динамических нагрузок сечение болтов, вычисленное по формуле (1), следует проверить на выносливость по формуле

A_sa = 1,8   Р/ R_ва                                                             (2)

где  - коэффициент нагрузки, принимаемый по табл. 4, зависящий от конструкции болта;  - коэффициент, учитывающий масштабный фактор, принимаемый по табл. 5, в зависимости от диаметра болта;  - коэффициент, учитывающий число циклов нагружения, принимаемый по табл. 6.

Таблица 5

Диаметр болта, мм	10-12	16	20-24	30-36	42-48	56-72	80-90	100-125	140
	0,9	1	1,1	1,3	1,6	1,8	2	2,2	2,5

Таблица 6

Число циклов нагружения	0,05106	0,2106	0,8106	2106	5106 и более
	3,15	2,25	1,57	1,25	4

3.11. При расчете креплений строительных конструкций усилие предварительной затяжки и площадь сечения болтов следует определять как для статических нагрузок, если в проекте нет специальных указаний.

3.12. При групповой установке болтов для крепления оборудования (рис. 7) величина расчетной нагрузки Р, приходящаяся на один болт, должна определяться для наиболее нагруженного болта по формуле

,                                                         (3)

где N - расчетная нормальная сила; М - расчетный изгибающий момент; n - общее количество болтов; y₁ - расстояние от оси поворота до наиболее удаленного болта в растянутой зоне стыка; y_i - расстояние от оси поворота до i-го болта, при этом учитываются как растянутые, так и сжатые болты.

0386S10-06880

Рис. 7. Расчетная схема определения усилий при групповой установке болтов для крепления технологического оборудования

Ось поворота, допускается принимать проходящей через центр тяжести опорной поверхности оборудования.

3.13. Для сквозных стальных колонн, имеющих раздельные базы, величину расчетной растягивающей нагрузки, приходящейся на один болт, следует определять по формуле

Р = (М - Nв)/nh,                                                              (4)

где М и N - изгибающий момент и продольная сила в сквозной колонне на уровне верха фундамента; h - расстояние между осями ветвей колонны; n - количество болтов крепления ветви колонны; в - расстояние от центра тяжести сечения колонны до оси сжатой ветви.

3.14. Для баз стальных колонн сплошного типа (рис. 8) величину расчетной нагрузки, приходящейся на один растянутый болт, следует определять по формуле

Р = (R_в в_s x - N)/n,                                                           (5)

где N - продольная сила в колонне; R_в - расчетное сопротивление бетона фундамента осевому сжатию, принимается в зависимости от класса бетона по табл. 7; n - количество растянутых болтов, расположенных с одной стороны базы колонны; в_s - ширина опорной плиты базы колонны; x - высота сжатой зоны бетона под опорной плитой базы колонны, определяется по формуле

0386S10-06880

,                                             (6)

где l_a - расстояние от равнодействующей усилий в растянутых болтах до противоположной грани плиты; С - расстояние от оси колонны до оси болта; е₀ - эксцентриситет приложения нагрузки.

0386S10-06880

0386S10-06880

Рис. 8. Расчетная схема усилий в опорном сечении для стальных колонн сплошного типа

Таблица 7

Класс бетона	В10	В12,5	В15	В20	В25	В30
Rв, МПа	5,8	7,3	8,7	11,5	14,5	17

Высота сжатой зоны х ограничивается условием

х  _R l_a,                                                                 (7)

где

0386S10-06880

.                                       (8)

В формуле (8) R_в и R_ва в МПа.

В тех случаях, когда х > _R l_a, следует повысить класс бетона фундамента либо увеличить опорную плиту, либо предусмотреть косвенное армирование.

3.15. Величину усилия предварительной затяжки болтов - для восприятия горизонтальных (сдвигающих) усилий в плоскости сопряжения оборудования с фундаментом для сдвигоустойчивых соединений (не допускающих смещения опорной конструкции на величину зазора между стержнем болта и стенками отверстия в стакане) следует определять по формуле

F₁ = к (Q - Nf)/nf,                                                          (9)

где Q - расчетная сдвигающая сила, действующая в опорной плоскости; N - нормальная сила; f - коэффициент трения, принимаемый равным 0,25; n - количество болтов; к - коэффициент стабильности затяжки, принимаемый по табл. 4.

3.16. При совместном действии вертикальных и горизонтальных (сдвигающих) сил величину усилия затяжки F₀ следует определять по формуле

F₀ = F + F₁/к.                                                                (10)

Площадь поперечного сечения болта по резьбе в этом случае определяется по формуле

А_sa = (к к_о Р + F₁)/к R_ва,                                                      (11)

где к - коэффициент стабильности затяжки, принимаемый по табл. 4.

3.17. В сдвигодопускающих соединениях сдвигающая сила Q воспринимается за счет сопротивления стержня болта срезу и определяется по формуле

Q  0,6 А_sa R_ва n.                                                         (12)

При совместном действии осевых Р и сдвигающих Q усилий их допустимые величины могут быть определены по формулам:

Р  0,6 А_sa R_ва n;                                                          (13)

Q  0,4 А_sa R_ва n;                                                         (14)

где n - количество болтов.

Величина усилия предварительной затяжки болтов F₂ в этом случае должна назначаться по формуле

F₂ = к А_sa R_ва/2.                                                             (15)

3.18. Сдвигающую силу Q, действующую в плоскости изгибающего момента, для сквозных стальных колонн, имеющих раздельные базы под ветви колонны, допускается воспринимать силой трения под сжатой ветвью колонны и определять из условия

Q  f [M + N (h - в)]/h,                                                       (16)

где обозначения те же, что в формуле (4).

Сдвигающую силу стальных колонн сплошного типа, а также для сквозных колонн при действии сдвигающей силы перпендикулярно плоскости изгибающего момента (связевые колонны) допускается воспринимать силой трения от действия продольной силы и силы затяжки болтов и определять по формуле

Q  f (п А_sa R_ва/4 + N),                                                        (17)

где N - минимальная продольная сила, соответствующая нагрузкам, от которых определяется сдвигающая сила; п - количество болтов для крепления сжатой ветви колонны или количество сжатых болтов, расположенных с одной стороны базы колонн (для колонн сплошного типа); f - коэффициент трения, принимаемый равным 0,25; А_sa - площадь сечения одного болта.

3.19. Болты необходимо затягивать, как правило, с контролем величины крутящего момента М_кр, Нм, значение которого следует определять по формуле

М_кр = F ,                                                                  (18)

где F - усилие предварительной затяжки болтов;  - коэффициент, учитывающий геометрические размеры резьбы, трение на торце гайки и в резьбе, принимаемый по табл. 8.

Таблица 8

Диаметр болта, мм	, м	Диаметр болта, мм	, м
10	210-3	20	4,410-3
12	2,410-3	24	5,810-3
16	3,210-3	30	7,510-3
36	910-3	80	2,110-2
42	1,110-2	90	2,310-2
48	1,210-2	100	2,510-2
56	1,410-2	110	2,810-2
64	1,710-2	125	3,210-2
72	1,910-2	140	3,510-2

3.20. Минимальную глубину заделки болтов из стали марки ВСт3кп2 в фундаменте (размер Н) для бетона класса В12,5 следует принимать по табл. 4.

Таблица 4

Конструкции болтов	С отгибом	С анкерной плитой		Прямые	Конические (распорные)
Диаметр болтов (по резьбе) d, мм	12-48	Глухих 12-140	Съемных 56-125	12-48	6-48
1	2	3	4	5	6
Эскизы
	Глубина заделки Н принята из условия Rва = 145 МПа
Минимальная глубина заделки Н	25 d	15 d	30 d	10 d	10 d (8d)*
Минимальное расстояние между осями болтов	6 d	8 d	10 d	5 d	8 d
Минимальное расстояние от оси болтов до грани фундамента	4 d	6 d	6 d	5 d	8 d
Коэффициент нагрузки 	0,4	0,4	0,25	0,6	0,55
Коэффициент стабильности затяжки к	1,9 (1,3)**	1,9 (1,3)	1,5	2,5 (2)	2,3 (1,8)

* В скобках дана глубина заделки для болтов диаметром менее 16 мм.

* В скобках даны значения коэффициента к статических нагрузок.

При других марках сталей болтов или другом классе бетона глубину заделки Н_о следует определять по формуле

,                                                                (19)

где т₁ - отношение расчетного сопротивления растяжению бетона класса В12,5 к расчетному сопротивлению бетона принятого класса; т₂ - отношение расчетного сопротивления растяжению металла болтов принятой марки стали к расчетному сопротивлению растяжению стали марки ВСт3кп2 (  МПа).

Для болтов диаметром 24 мм и более, устанавливаемых в скважинах готовых фундаментов, коэффициент т₁ следует принимать равным единице.

Значения расчетных сопротивлений бетона растяжению R_вt в зависимости от класса бетона даны в табл. 9.

Таблица 9

Класс бетона			В10		В12,5		В15		В20		В25		в30		B35		В40
Rвt, МПа	Тяжелый	0,56		0,66		0,75		0,90		1,05		1,15		1,30		1,40
	Легкий	0,56		0,66		0,75		0,90		1,05		1,15		1,30		1,40
	Ячеистый	0,39		0,44		0,46		-		-		-		-		-

Для тех же материалов минимальную глубину заделки дюбель-втулки распорной (см. рис. 6, в) следует принимать H = 6 d, с учетом величин следующих расчетных параметров: коэффициента нагрузки  = 0,4; коэффициента стабильности затяжки к = 1,3 (при динамических воздействиях к = 1,9); расстояния между осями дюбелей - не менее 5 d, от края фундамента до оси дюбеля - 6 d.

3.21. Глубина заделки распорных дюбелей, устанавливаемых в мягкие материалы (кирпич, керамзитобетон), должна быть увеличена на 2 d по сравнению с глубиной заделки аналогичных дюбелей, устанавливаемых в конструкции из бетона класса В12,5.

3.22. Для конструктивных болтов с отгибами глубину заделки в бетон допускается принимать равной 15 d, для болтов с анкерными плитами - 10 d, а для болтов, устанавливаемых в скважины, - 5 d.

3.23. Наименьшие допустимые расстояния между осями болтов и от оси крайних болтов до граней фундамента приведены в табл. 4.

Расстояния между болтами, а также от оси болтов до грани фундамента допускается уменьшать на 2 d при соответствующем увеличении глубины заделки на 5 d.

Расстояния от оси болта до грани фундамента допускается уменьшить еще на один диаметр при наличии специального армирования вертикальной грани фундамента в месте установки болта.

Во всех случаях расстояние от оси болта до грани фундамента не должно быть меньше 100 мм для болтов диаметром до 30 мм включительно, 150 мм для болтов диаметром до 48 мм и 200 мм для болтов диаметром более 48 мм.

3.24. При установке спаренных болтов, например для закрепления несущих стальных колонн зданий и сооружений, должна предусматриваться общая анкерная плита с расстоянием между отверстиями, равным проектному размеру между осями болтов, или следует устанавливать одиночные болты с "разбежкой" по глубине. Глубину заделки спаренных болтов при расстоянии между их осями 8 d и более следует назначать 15 d, при расстоянии менее 8 d - равной 20 d.

Расстояние от края плиты до оси болта следует назначать не менее 2 d, при этом площадь анкерной плиты должна быть не менее 32 d².

3.25. Расчетные площади поперечных сечений болтов (по резьбе) в зависимости от их диаметра приведены в табл. 10 (в соответствии с ГОСТ 24705).

Таблица 10

Номинальный диаметр резьбы шпильки d, мм	Расчетная площадь поперечного сечения Fр, см2	Номинальный диаметр резьбы шпильки d, мм	Расчетная площадь поперечного сечения Fр, см2
М 10	0,57	М 56	20,29
М 12	0,84	М 64	26,75
М 16	1,57	М 72х6	34,60
М 20	2,45	М 80 х6	43,44
М 24	3,52	М 90 х6	55,91
М 30	5,60	М 100 х6	69,95
М 36	8,16	М 110 х6	85,56
М 42	11,20	М 125 х6	111,91
М 48	14,72	М 140 х6	141,81

3.26. Диаметры конструктивных болтов должны быть указаны в задании на проектирование фундаментов. При отсутствии указаний диаметры конструктивных болтов назначаются в соответствии с диаметром отверстий в опорных частях оборудования.

Примеры расчета болтов даны в прил. 2 настоящего Пособия.