5. Болтовые и заклепочные соединения. Расчет их. Общая характеристика заклепочных и болтовых соединений

Заклепочные и болтовые соединения осуществляют путем постановки металлических стержней в совмещенные отверстия соединяемых элементов. Заклепочные соединения в настоящее время не применяют при изготовлении строительных стальных конструкций вследствие своей нетехнологичности. Однако инженеру приходится сталкиваться с этими соединениями при анализе работы эксплуатируемых конструкций. Имеются примеры высокой долговечности заклепочных соединений как при работе на статические нагрузки (более 100 лет), так и при динамических нагрузках (мосты, подкрановые балки - 50...75 лет). Эти факты являются предметом исследований механизмов износа заклепочных соединений и причин их высокой надежности.

В заклепочном соединении заклепки ставят в горячем состоянии (800...850°С) и выполняют вторую замыкающую головку, при этом в результате осадки стержня происходит заполнение отверстия.. Клепку ведут специальной клепальной скобой (на заводах металлических конструкций) или клепальным молотком (на монтажных площадках). Заканчивают клепку при температуре заклепки ниже распада аустенита, что обеспечивает качественное соединение. При остывании заклепка стягивает пакет соединяемых элементов, обеспечивая передачу внешних усилий через силы трения. Материал заклепок должен обладать высокими пластическими свойствами, так как их изготовление и работа связаны с большими пластическими деформациями, а форма - с концентрацией напряжений в точках перехода от стержня к головке. Поэтому для заклепок применялись специальные стали: заклепочная Ст 2 и Ст 3 или низколегированная 09Г2С. Эти стали подвергаются специальным испытаниям (проба на осаживание), гарантирующим требуемую пластичность. Болтовые соединения в строительных конструкциях начали применять несколько раньше заклепочных - одновременно с появлением чугунных конструкций (примерно с половины XVIII в.), а практика использования болтовых соединений также показала их надежность в работе.

Болтовые соединения широко применяют при монтаже конструкций. Это объясняется простотой выполнения соединения и отсутствием сложного оборудования. В соединениях стальных конструкций применяют обычные болты (ГОСТ 22356 - 70*), высокопрочные болты (ГОСТ 22356 - 77) и болты анкерные (фундаментные) (ГОСТ 24379.1 - 80). Болты обычные и высокопрочные используют для соединения элементов стальных конструкций друг с другом, а болты анкерные - для присоединения конструкций к фундаменту. Обычные болты изготовляют грубой. нормальной и повышенной точности или классов точности С. В и А соответственно. Для нерасчетных монтажных соединений следует применять болты класса точности С. а для соединений, воспринимающих расчетные усилия, - болты класса точности В и А. Болты класса точности С ставят в отверстия, диаметр которых на 2...3 мм больше диаметра стержня болта. При этом достигается легкость постановки болтов в отверстия с небольшой "чернотой", т.е. с некоторым несовпадением стенок отверстий смежных соединяемых элементов конструкции. При приложении к такому соединению внешнего усилия имеют место значительные перемещения, обусловленные разностью в диаметрах болта и отверстия, а также неодновременностью вступления в работу всех болтов соединения. По этой причине болты класса точности С ставятся конструктивно без расчетов. Болты класса точности В устанавливают в отверстия, диаметр которых на 1-1,5 мм больше диаметра стержня болта. Поэтому такие соединения менее деформативны по сравнению с соединениями на болтах класса точности С и требуют более высокой точности при образовании отверстий в соединяемых элементах конструкций.Болты класса точности А устанавливают в отверстия, которые просверлены на проектный диаметр в собранных элементах и их диаметр больше диаметра стержня болта на 0,25 - 0,30 мм, а сами болты имеют только минусовой допуск на диаметр стержня. Такие болты изготовляют точением и поэтому имеют высокую стоимость. При приложении нагрузки к такому соединению все болты практически одновременно вступают в работу и поэтому соединение мало-деформативно, однако требует высокой точности исполнения отверстий в соединяемых деталях.

По прочности болты подразделяют на классы прочности. Класс прочности болта обозначают двумя цифрами, разделенными точкой, например 4.6, 5.8, 6.6. В обозначении класса прочности болта закодированы механические свойства материала болта:

- первая цифра, умноженная на 10, обозначает минимальное временное сопротивление материала болта в кН/см²;

- произведение чисел - предел текучести материала болта в кН/см²;

- вторая цифра, умноженная на 10, обозначает соотношение σ_y / σ_u в %.

Класс прочности указывают на головке болта выпуклыми цифрами. В зависимости от условий эксплуатации требования к классу прочности болтов дифференцированы.

Как рассчитываются болтовые и заклепочные соединения? Такие соединения воспринимают нагрузки на срез, смятие и растяжение. При расчете на центрально-приложенную в отношении соединения силу принимается равномерное распределение ее между всеми заклепками или болтами. В соединениях внахлестку в расчет включают полное число заклепок или болтов, а в соединении с накладками - число заклепок или болтов, расположенных по одну сторону от оси стыка. Проверка прочности соединения, работающего на силу, приложенную вне центра соединения, производится на усилие, воспринимаемое наиболее напряженным болтом (заклепкой). Соединения, работающие одновременно на срез и растяжение, проверяют отдельно на каждое из этих воздействий. В креплениях одного элемента к другому через прокладки или иные промежуточные элементы, а также в соединениях с односторонними накладками, число заклепок или болтов принимается на 10% больше против необходимого по расчету. При креплении выступающих полок уголков или швеллеров с помощью коротышей число заклепок или болтов, прикрепляющих одну из полок коротыша, должно быть увеличено против расчета на 50%.