4. Болтовые соединения

Для соединения металлических конструкций помимо сварки применяют болты и заклепки. Простота соединения и надежность в работе способствовали распространению в строительстве при монтаже металлических конструкций.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 часть стержня, на которую надевается шайба и навинчивается гайка. Болты грубой и нормальной точности различаются допусками на отклонения диаметра болта от номинала. Для болтов грубой и нормальной точности отклонения диаметра могут достигать соответственно 1 мм и 0,52 мм (для болтов d?30 мм). Изготовляют болты из углеродистой стали горячей или холодной высадкой, иногда с последующей термообработкой. В зависимости от процесса изготовления различают несколько классов прочности болтов от - 4,6 до 8,8. Класс прочности болтов обозначен числами. Первое число, умноженное на 10,.обозначает временное сопротивление кгс/мм²), а произведение первого числа на второе - предел текучести материала (кгс/мм²).Болты в соединении ставят в отверстия на 2-3 мм больше диаметра болта, образованные продавливанием или сверлением в отдельных элементах. Они находят широкое применение в монтажных соединениях, где болты работают на растяжение или являются крепежными элементами.Болты повышенной точности . Изготавливают также из углеродистой стали, и они имеют те же классы прочности, что и болты нормальной точности.Высокопрочные болты  (сдвиго-устойчивые) изготовляют из легированной стали, готовые болты термически обрабатывают. Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности, их ставят в отверстия большего, чем болт, диаметра, но их гайки затягивают тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами, именно 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, огневой очисткой и не окрашивают.Самонарезающие болты отличаются от обычных наличием резьбы полного специального профиля на всей длине стержня для нарезания резьбы и завинчивания в ранее образованные отверстия соединяемых деталей. Материалом для них служит сталь Ст10кп термоупрочненная. Применяются они в основном d = 6 мм для прикрепления профилированного настила к прогонам и элементам фахверка, и их большим преимуществом является необходимость доступа к конструкции только с одной стороны.Фундаментные (анкерные) болты ) служат для передачи растягивающих усилий с колонн на фундамент.

5. Работа и расчет болтовых соединений на сдвиг при действии статической нагрузки.

В соединениях на болтах класса точности В и С силы стягивания невелики и неопределимы. Основу работы таких болтов составляет непосредственная передача сдвигающего усилия со стержня болта на стенки отверстия. Работа эта осложнена неправильностью формы болта и стенки отверстия, а также зазором между диаметрами болтов отверстий. Поэтому расчет соединения носит условный характер. Рассмотрим работу обычных болтов на сдвиг.

Болты класса точности В и С за счет зазора 2…3 мм работают неравномерно. 1 этап работы соединения – преодоление силы трения. Затем болты касаются стенок отверстия и работают частично на срез и частично на смятие. Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения – по срезу болта (при толстых листах) или по смятию поверхности отверстия (при тонких листах). Болты класса точности В и С за счет зазора 2…3 мм работают неравномерно. 1 этап работы соединения – преодоление силы трения. Затем болты касаются стенок отверстия и работают частично на срез и частично на смятие. Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения – по срезу болта (при толстых листах) или по смятию поверхности отверстия (при тонких листах).

Более равномерно работают болты класса точности А. Различие между работой болтов класса точности А, В, С учитывается в расчетах коэффициентом условия работы соединения (γb), величиной расчетного сопротивления. Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним болтом (несущая способность болта) на срез, определяется по формуле на смятие, определяется по формуле

Здесь Rbs, Rbр, Rbt – расчетные сопротивления болтовых соединений на срез, смятие и растяжение; Rbs, Rbt – зависят от класса прочности болта; Rbp – зависят от класса точности болта и временного сопротивления стали (Run); А – расчетная площадь сечения стержня болта; d – наружний диаметр стержня болта; ns – число расчетных срезов одного болта; γb – коэффициент условий работы соединения; min∑t - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении. Несущая способность болта на растяжение (9.3) принимая, что силы между болтами распределяются равномерно. Аbn – площадь сечения болта нетто (т.е. без учета резьбы) .Количество болтов в соединении определяют по формуле: Nmin – меньшее из значений расчетного усилия для одного болта; γс – коэффициент условий работы.

Расчет болта на смятие стенки отверстия носит условный характер, так как в местах передачи усилия с болта на соединяемые листы отмечается сложное напряженное состояние. Трудность учета действительного напряженного состояния привела к тому, что в расчете принимается равномерное давление болта на стенку отверстия по всему диаметру болта. Следует проверять также и соединяемые элементы по ослабленному сечению: При действии на соединение момента, вызывающего сдвиг соединяемых элементов, распределение усилий следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта. Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, следует проверять отдельно на срез и на растяжение. Болты, работающие на срез от одновременного действия продольной силы и момента, следует проверять на равнодействующее усилие от осевой сдвигающей силы и изгибающего момента. Соединения на высокопрочных болтах следует рассчитывать в предположении передачи действующих в стыках и прикреплениях усилий через трение, возникающее по соприкасающимся плоскостям соединяемых элементов от натяжения высокопрочных болтов. При этом распределение продольной силы между болтами следует принимать равномерным. Расчетное усилие Qbh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, следует определять по формуле где Rbh – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; µ – коэффициент трения, принимаемый по табл. 36* СНиП; γh – коэффициент надежности, принимаемый по табл. 36* СНиП; Abn – площадь сечения болта нетто, определяемая по табл. 62* СНиП; γb – коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества n болтов, необходимых для восприятия расчетного усилия, и принимаемый равным: 0,8 при n < 5; 0,9 при 5 ≤ n < 10; 1,0 при n ≥ 10. Количество n высокопрочных болтов в соединении при действии продольной силы следует определять по формуле

где k – количество поверхностей трения соединяемых элементов. Натяжение высокопрочного болта следует производить осевым усилием