ГИА 2020 Металлоконструкции / 9
.docx4.2.2.1.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: gс - 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.
gb – коэффициент условий работы соединения табл. 35 СНиП II-23-81*. Для одноболтовых соединений элементов конструкций gb =0,8 ( для элементов из стали, которая имеет R y до 285 МПа), иначе – gb =0,75. Для многоболтовых соединений при классе точности А значение gb =1,0, иначе – gb = 0,9.
А – расчетная площадь сечения стержня болта, вычисленная по его диаметру. Значение А помещены в таблице 62 СНиП II-23-81*.
ns – 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 gс, значение которого изменяется в пределах 1,05... 1,1 (табл.6 СНиП II-23-81*).