1.3 Методика расчета заклепочных швов

Расчет заклепочного шва заключается в определении диаметра и числа заклепок, шага заклепочного шва, расстояния заклепок до края соединяемой детали и расстояния между рядами заклепок.

При расчете заклепочного шва предварительно определяют раз­меры площади сечения соединяемых заклепками деталей. В зависимости от толщины этих деталей принимают диаметр заклепок. По диаметру заклепок вычисляют шаг и другие размеры заклепочного шва. Затем производят проверочный расчет заклепок на прочность. Толщину соединяемых деталей определяют расчетом на прочность по соответствующим формулам сопротивления материалов. Детали, соединяемые заклепками, в большинстве случаев находятся под действием сил, стремящихся сдвинуть одну деталь относительно другой. Следовательно, если бы соединяемые детали не были сжаты между закладными и затяжными головками заклепок, то заклепки работали бы в поперечном сечении на срез и по поверхности — на смятие. В действительности в заклепочных швах происходит следующее.

После клепки шва соединенные детали оказываются сжатыми за­клепками. При этом заклепки работают на растяжение, а между сое­диненными деталями возникают силы трения. Для отсутствия сдвига деталей и, следовательно, обеспечения необходимой герметичности при работе прочноплотного заклепочного шва силы, действующие на соединенные детали, должны целиком восприниматься силами тре­ния.

Так как при проектировочном расчете прочноплотного шва силу, растягивающую заклепку и одновременно сжимающую соединенные детали, а соответственно и силу трения, возникающую между этими деталями, определить невозможно, то заклепки прочноплотных швов условно рассчитывают на срез. При этом расчете герметичность шва обеспечивается выбором соответствующего допускаемого условного напряжения на срез для заклепок.

В прочных швах герметичность соединения не требуется, поэтому силы, действующие на соединенные детали, могут быть больше сил трения, развиваемых между ними. Таким образом, при работе проч­ного шва возможен и допустим сдвиг одной соединяемой детали отно­сительно другой. Поэтому заклепки прочных швов рассчитывают на срез и на смятие.

1.4 Расчет прочных заклепочных швов

Рассмотрим простейший шов — однорядный односрезный нахлесточный (рис. 6 где d₀ — диаметр поставленной заклепки;  —тол­щина листов; р — шаг заклепочного шва; е — расстояние заклепок по края листа: F — сила, действующая на участок шва шириной t; [_c] — до­пускаемое напряжение на срез для зак­лепок; [σ_р] — допускаемое напряжение на растяжение для листов; [σ_см] — до­пускаемое напряжение на смятие между заклепками и листами и [’_c] — допускае­мое напряжение на срез для листов).

Рисунок 6 – К расчету заклепочного шва

Для данного заклепочного шва мож­но написать следующие условия проч­ности: на срез для заклепки:

; (a)

а на смятие между заклепкой и листом:

; (б)

на растяжение листа по сечению 1—1:

; (в)

на срез листа одновременно по двум сечениям 3—3 в предположении, что срез происходит по длине ed₀/2:

. (г)

Из уравнений (а) и (б) при [σ_см]=1,6[_c] следует, что , соответственно принимают:

. (1)

Из уравнений (а) и (в) при [σ_р]= [_c] и следует, что , на практике обычно принимают:

. (2)

Из уравнений (а) и (г) при [’_c]= 0,8[_c] и получим , на практике обычно принимают:

. (3)

Таким же образом получают соотношения для определения d₀, p и e для других типов прочных заклепочных швов.

После определения по вышеуказанным соотношениям размеров заклепочного шва заклепки определяют на срез:

(4)

и на смятие:

(5)

где и  соответственно расчетное и допускаемое напряжения на срез для заклепок; и  соответственно расчетное и допускаемое напряжения на смятие между заклепками и соединяемыми листами; F  сила, действующая на одну заклепку; k  число плоскостей среза заклепок; d₀  диаметр поставленной заклепки;  наименьшая толщина соединяемых элементов.

Необходимое число заклепок Z в шве при симметрично действующей нагрузке F₀ определяют расчетом заклепок на срез по формуле:

Z = F₀ / (k∙(π∙ /4) ∙ [_c]) (6)

Полученное по формуле (6)число заклепок Z проверяют расче­том заклепок и соединяемых частей на смятие по формуле:

(7)

При действии на заклепочный шов эксцентрично приложенной нагрузки F (рис. 7) расчет на прочность по указанным выше формулам производят лишь для наи­более нагруженной заклепки. На рис. 7 наиболее нагруженные за­клепки — верхняя и нижняя. Силу F_max , действующую на наиболее наг­руженную заклепку, определяют следующим образом.

На заклепки данного шва дей­ствуют сила F и момент M=Fl. Мо­мент М вызывает в заклепках гори­зонтальные силы F₁, F₂ и F₃. При­нимаем, что нагрузка на заклепки распределяется пропорционально расстоянию от нейтрального слоя, следовательно,

M=Fl=2(F₁l₁+ F₂l₂+ F₃l₃),

где соответственно вышеуказанному F₁/ F₂ = l₁/ l₂ и F₁/ F₃ = l₁/ l_3.

Рисунок 7  К расчету заклепочного шва, нагруженного эксцентрично

Таким образом, Fl=2F₁(l₁+ l₂/ l₁₊ l₃/ l₁), откуда

F₁= Fl l₁/ .

От силы F на каждую заклепку шва действует вертикальная сила F/z, где z — число заклепок шва. Таким образом, сила, действующая на наиболее нагруженную заклепку данного шва (верхнюю или ниж­нюю):

.

По полученному значению силы, действующей на наиболее нагруженную заклепку и производят дальнейшие расчеты на прочность по выше выведенным формулам.

При расчете прочных заклепочных швов стальных конструкций при статическом нагружении допускаемые напряжения для заклепок, выполненных из Ст0 и Ст2 принимают [т_с]=140 МПа и [σ_см1=280 МПа и для закле­пок из, выполненных из СтЗ — [т_с1=140 МПа и [σ_см]=320 МПа. При знакопеременных нагрузках указанные допускаемые напряжения получают умноже­нием на коэффициент γ:

γ = l/[(ab)F_mln/F_max]  1,

где F_mln и F_max — наименьшая и наибольшая по абсолютному зна­чению силы, действующие на заклепки, взятые со своими знаками; a и b — коэффициенты; a=1 и b=0,3 для низкоуглеродистых сталей и а=1,2 и b=0,8 для среднеуглеродистых.

Из рисунка 6 следует, что расчетное напряжение в листе, ослабленном сечением 11 равно:

(8)

а в неослабленном сечении 22:

(9)

Отношение  = σ_р2/ σ_р1 называется коэффициентом прочности шва. Из формул (8) и (9) следует, что:

(10)

Так как расчет соединяемых заклепками деталей производят по сечению, ослабленному отверстиями, то при этом учитывают коэффициент прочности шва . Так, например, площадь поперечного сечения детали, работающей на растяжение от силы F₀ равна:

, (11)

а момент сопротивления сечения детали , работающей на изгиб от изгибающего момента М:

(12)

где допускаемый коэффициент прочности шва;

и допускаемые напряжения на растяжение и изгиб соответственно для рассчитываемой детали

При проектном расчете детали по формулам (11) и (12) допускаемым значением коэффициента прочности шва задаются в пределах =0,6…0,85.