Болтовые и заклепочные соединения. Соединения на обычных и высокопрочных болтах, их расчет и конструирование. Лекция 4

1.

1. Болтовые и заклепочные соединения
2. Соединения на обычных и
высокопрочных болтах, их расчет и
конструирование.
Лекция 4

2.

Соединения металлических конструкций предназначены для
сопряжения отдельных элементов между собой. Выбор вида
соединения зависит от вида напряженного состояния соединяемых
элементов; величины и характера действующей нагрузки; формы
сопрягаемых элементов; условий работы соединения и др.
В металлических конструкциях применяют
сварные, болтовые и заклепочные соединения.

3.

Болтовые
соединения
применяют
преимущественно
при
монтаже
металлических конструкций. Болтовые и
заклепочные
соединения
не
рекомендуется в конструкциях из сталей
высокой прочности, поскольку отверстия
не
дают
возможности
полностью
использовать прочность стали.
Обычные болтовые соединения менее
плотны, чем заклепочные и дают большие
сдвиги, но они более просты в
постановке,
широко
применяют
в
монтажных соединениях.

4.

Заклепочные соединения в стальных конструкциях
в связи с развитием сварки применяются в
отдельных случаях при наличии знакопеременных
и вибрационных нагрузок. Широко применяются
заклепочные
соединения
в
алюминиевых
конструкциях
при
применении
сильно
разупрочняющихся при сварке сплавов. На
монтаже
заклепочные
соединения
могут
применяться только в исключительных случаях, так
как клепка в монтажных условиях очень неудобна
и трудоемка.

5.

Виды болтовых соединений
фланцевые
анкерные
срезные
фрикционные
другие виды: фрикционно-срезные;
клееболтовые; болто-заклепочные
5

6.

Виды соединений по месту выполнения
Заводские
Монтажные
• преимущественно сварные
• преимущественно болтовые
6

7.

Материалы болтовых соединений
Обычные болты
• ГОСТ Р 52627
• классы прочности:
• 5.6
• 5.8
• 8.8
• 10.9
• 12.9
Высокопрочные
болты
• ГОСТ Р 52643
• Классы
прочности/марки
стали:
• 6.8/40Х
• 8.8/40Х
• 9.8/40Х, 30Х3МФ
• 10.9/40Х,
30Х3МФ,
30Х2НМФА
• 12.9/20Х2НМТРБ
Фундаментные
болты
• ГОСТ 535
• Ст3пс2
• Ст3пс4
• Ст3сп2
• Ст3сп4
• ГОСТ 1050
• 20
• ГОСТ 19281
• 09Г2С-4
• 09Г2С-6
7

8.

Расчетные сопротивления болтовых соединений
Расчетные сопротивления болтов срезу и растяжению
Расчетное сопротивление в Н/мм2 болтов классов прочности
Напряженное
состояние
5.6
5.8
8.8
10.9
12.9
-
Срез Rbs
210
210
330
415
425
0,4Rbun
Растяжение Rbt
225
-
450
560
-
0,7Rbun
Расчетные сопротивления растяжению фундаментных
болтов
8

9.

Нормативные и расчетные сопротивления растяжению
высокопрочных болтов из стали 40Х по ГОСТ Р 52643
9

10.

Маркировка болтов
обычные по ГОСТ Р 52627
высокопрочные по ГОСТ Р 52643
Торговая марка
Класс прочности
• 8.8 – маркировка класса прочности
• 8*10=80 кгс/мм2 – нормативное временное сопротивление стали
болта;
• 8*8=64 кгс/мм2 – нормативное сопротивление по пределу текучести
• S – обозначение высокопрочного болта с шестигранной головкой с
увеличенным размером под ключ
• U – обозначение болтов с уменьшенной резьбой
10

11.

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
минимальный предел прочности материала болта в
кН/см2;
- произведение чисел – предел текучести материала
болта в кН/см2;
- вторая цифра, умноженная на 100, обозначает
соотношение Ryn/Run в %.
Класс прочности указывают на головке болта
выпуклыми цифрами.

12.

Болты класса точности С (грубой точности) ставят в
отверстия, диаметр которых на 2 – 3 мм больше диаметра стержня
болта. Отклонение диаметра болта от номинала 1 мм. Такие
соединения обладают наибольшей деформативностью.
Болты класса точности В (нормальной точности)
устанавливают в отверстия, диаметр которых на 1 – 1,5 мм больше
диаметра стержня болта. Отклонение диаметра болта от номинала
0,52 мм. 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 (повышенной точности)
устанавливают в отверстия, которые просверлены на проектный
диаметр в собранных элементах, и их диаметр больше диаметра
стержня болта на 0,25 – 0,3 мм, а сами болты имеют только
минусовый допуск на диаметр стержня. Такие болты изготовляют
точением и поэтому они имеют высокую стоимость.

13.

Области применения видов болтовых соединений
Группы конструкций
Фрикционные
соединения
Срезные
соединения
Фланцевые
соединения
1-ая группа –
работающие в особо
тяжелых условиях
(балки
подкрановые,
фермы, колонны с
фрезерованными
торцами, балки
перекрытий, стыки
балок и растянутых
поясов ферм)
2-ая группа –
подвергающиеся
действию
статических
нагрузок (балки и
настилы покрытий,
прогоны, колонны)
3-ья группа –
вспомогательные
конструкции (связи,
фахверк)
на высокопрочных болтах и болтах класса 10.9
М16, М20, М24, М27
-
на болтах классов 5.6, 5.8, 8.8, 10.9
М16, М20, М24, М27
на высокопрочных болтах
М20, М24, М27
13

14.

Расчет болтовых соединений. Основной вид работы болтовых (заклепочных)
соединений – работа на сдвиг. При этом болты могут разрушаться от
перерезывания их стержней по плоскости среза или смятия поверхностей
отверстий сопрягаемых элементов. Силы смятия могут вызвать выкол между
отверстием и краем элемента. Кроме того, болтовые соединения могут работать
на растяжение, рисунки 2.1, 2.2.
Рисунок 2.2 – Схема работы болтовых
соединений на растяжение
а – срез болта в односрезном соединении
б – то же, в двухсрезном
Рисунок 2.1 – Схема работы болтовых соединений

15.

Работа болтового соединения
а – болты грубой и нормальной
точности; б – болты повышенной
точности; в – высокопрочные болты; 1,
2, 3, 4 – этапы работы соединений
Работу соединения можно разбить на четыре этапа:
- на 1 этапе, пока силы трения между соединяемыми
элементами не преодолены, сами болты не испытывают
сдвигающих усилий и работают только на растяжение, все
соединение работает упруго;
-при увеличении внешней сдвигающей силы, силы внутреннего
трения оказываются преодоленными и наступает 2-й этап –
садвиг всего соединения на величину зазора между
поверхностью отверстия и стержнем болта;
- на 3-м этапе сдвигающее усилие в основном передается
давлением поверхности отверстия на стержень болта; стержень
болта и края отверстия постепенно обминаются; болт
изгибается, растягивается, так как головка и гайка препятствуют
свободному изгибу стержня;
- постепенно плотность соединения расстраивается, силы
трения уменьшаются и соединение переходит в 4-й этап
работы, характеризующийся его упругопластической работой.
Разрушение соединения происходит от среза болта, смятия
и выкола одного из соединяемых элементов или отрыва
головки болта.

16.

Расчет срезных болтовых соединений
несущая способность срезного одноболтового соединения
- на срез
- на смятие
условие прочности срезного болтового
соединения
16

17.

Расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом, определяется
по формуле
-из условия работы на срез
;
-из условия работы на смятие
;
- из условия работы на растяжение
,
где
- расчетные сопротивления болтовых соединений,
определяемые по таблицам 58, 59 (СНиП РК.5.04.23-2002 Нормы
проектирования. Стальные конструкции.- Астана, 2003.-118с);
- расчетная площадь сечения стержня болта, таблица 62;
- площадь сечения болта нетто, таблица 62;
- наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в
одном направлении;
- число расчетных срезов одного болта (на единицу меньше
количества сопрягаемых элементов);
- коэффициент условий работы соединения, принимаемый для
многоболтовых соединениях класса точности А – 1,0, класса
точности В и С – 0,9.

18.

Количество болтов в соединении определяют по формуле
,
где
- наименьшее значение расчетного усилия,
воспринимаемого одним болтом, определенного выше, в
зависимости от условий его работы;
- коэффициент условий работы элементов конструкций,
таблица 6.

19.

20.

21.

Особенности работы и расчет фрикционных
соединений на высокопрочных болтах
Высокопрочные болты (сдвигоустойчивые) изготовляют из
легированной стали, готовые болты термически обрабатывают.
Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности
(класс В), их ставят в отверстия большего диаметра, чем болт, но
гайки затягиваются тарировочным ключом, позволяющим создавать
и контролировать силу натяжения болтов. Большая сила натяжения
болта плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает
монолитность соединения. При действии на такое соединение
сдвигающих сил между соединяемыми элементами возникают
силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно
друг друга. Т.о. высокопрочный болт, работая на осевое
растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между
соединяемыми элементами, именно поэтому подобное соединение
часто называют фрикционным.

22.

Особенности работы фрикционных соединений
Во фрикционных (сдвигоустойчивых) соединениях усилие
воспринимается за счет предварительного натяжения болтов P
и обжатия поверхностей деталей, между которыми возникают
силы трения
Срезное соединение
Фрикционное соединение
смятие
срез
силы трения
22

23.

Для увеличения сил трения поверхности элементов места
стыков очищают от грязи, масла, ржавчины и окалины
металлическими щетками, пескоструйным или дробеструйным
аппаратом, огневой очисткой и не окрашивают. Иногда между
соединяемыми поверхностями, очищенными металлическими
щетками, вставляют тонкую стальную прокладку, имеющую с двух
сторон покрытие полимерным клеем с корундовым порошком.
Такое решение позволяет выравнивать перепад плоскостей
стыкуемых деталей и одновременно дает высокий коэффициент
трения.
Для улучшения работы соединения иногда применяют
комбинированное
клееболтовое
соединение,
в
котором
соединяемые поверхности склеивают специальными клеями, а
затем стягивают высокопрочными болтами. Преимущества
соединений на высокопрочных болтах в простоте устройства
соединения; по качеству работы они не уступают сварным
соединениям, но уступают по расходу металла.

24.

Соединения на высокопрочных болтах рассчитывают 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, воспринимаемое поверхностью трения под
одним высокопрочным болтом определяют по формуле
,
где
- расчетное сопротивление растяжению
высокопрочного болта;
μ - коэффициент трения, таблица 37, / СНиП /;
γh - коэффициент надежности, таблица 37;
- площадь сечения болта нетто, таблица 62, / СНиП /;
γb - коэффициент условий работы соединения, принимаемый
равным 0,8 при п < 5; 0,9 при 5 < п < 10 и 1 при п ≥ 10.

25.

Технология устройства фрикционных соединений
• Виды обработки поверхностей:
• дробеметная, дробеструйная
• стальными щетками
• газопламенная
• без обработки
• Способы консервации поверхностей:
• без консервации
• металлизация распылением цинка или алюминия
• полимерным клеем и посыпкой корундовым
порошком
25

26.

27.

• Инструменты для постановки болтов
• индикаторные динамометрические ключи
• сигнальные динамометрические ключи
27

28.

• Тарировка динамометрических ключей
Величина крутящего момента
M кр ndKP
n=1,06 – коэффициент запаса;
d – диаметр болта;
K – коэффициент закручивания
(при отсутствии
экспериментальных данных
K=0,18);
P – осевое натяжение болта по
проекту
d, мм
P, кН
20
167
P Rbh Abn
24
239
27
312
Rbh 0, 7 Rbun
28

29.

Расчетные сопротивления смятию элементов,
соединяемых болтами
29

30.

условие прочности срезного болтового соединения на
действие момента
N max Nb ,min
где
M amax
N max
2
a
i
30

31.

несущая способность болтового соединения на растяжение
Nbt Rbt Abn c
Условие прочности болтового
соединения на растяжение
n N / Nbt
расчет болтового соединения на совместное действие усилий
растяжения и среза
( Ns / Nbs ) ( Nt / Nbt ) 1
2
2
31

32.

Расчет фланцевых болтовых соединений
При расчете фланцевых соединений
следует проверять:
• несущую способность болтового
соединения на растяжение
• прочность фланцевых листов при изгибе
• прочность сварных швов, соединяющих
фланец с основным металлом
• несущую способность фрикционного
соединения (при действии сил сдвига)
32

33.

• расчетное усилие предварительного
натяжения болтов во фланцевом
соединении
P 0,9 Rbt Abn
где
Rbt 0,7 Rbun
несущая способность и условие
прочности фланцевого болтового
соединения
Nbt 0,9 Rbt Abn
N max Nbt
33

34.

Материал и толщина фланцев во фланцевых соединениях
Материал фланцев:
- листовая сталь по 19903-74* с гарантированными
характеристиками по толщине проката;
- низколегированная сталь марок 09Г2С-15, 14Г2АФ-15, С345,
С375
Рекомендуемые сочетания диаметров болтов и толщин
фланцев
34

35.

Расчет фрикционных соединений
условие прочности фрикционного соединения
N Qbh kn b c
где Qbh - расчетное усилие, которое
может быть воспринято одной
поверхностью трения соединяемых
элементов, стянутых одним болтом
Qbh
Rbh Abn
h
где - коэффициент трения, =0,25÷0,58;
h – коэффициент надежности, h=1,02÷1,30
35

36.

Расчет фрикционного соединения в монтажном стыке балки
Усилие в поясах балки -
Nf
M If
hef I
Требуемое количество
болтов на поясной
полунакладке -
n
Nf
Qbh k b c
36

37.

Усилие в крайних болтах по
стенке балки от M -
M w amax
N max
m ai2
Усилие от Q -
V Q/n
Равнодействующее усилие в
крайнем болте по стенке
2
Nt Nmax
V 2
условие прочности для болтового соединения по стенке балки
Nt Qbh k b c
37

38.

Конструктивные требования к болтовым соединениям
Конструктивные требования к соединениям на обычных
болтах
кромочное -
4d
amax
8t
между болтами -
8d
smax
12t
38

39.

Конструктивные требования к соединениям на
высокопрочных болтах
amin 1,3d
4d
amax
8t
smin 2,5d
8d
smax
12t
39

40.

40

41.

4. Узлы металлических конструкций
Конструкции срезных соединений
41

42.

42

43.

Конструкции фланцевых соединений
43

44.

45.

ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Заклепочные соединения при изготовлении строительных стальных
конструкций в настоящее время не применяются вследствие своей
нетехнологичности. При изготовлении же конструкций из алюминиевых
сплавов
заклепочные
соединения
выполняют
в
элементах,
подвергающихся
значительным
статическим
и
динамическим
воздействиям.
Заклепки с круглой, потайной или полупотайной головками
изготовляют из алюминиевых сплавов с большей пластичностью, чем
соединяемые элементы. Соединения выполняют холодной клепкой, при
которой достигается лучшее заполнение отверстия стержнем заклепки и не
снижается прочность основного металла. Процесс клепки состоит в
плотном заполнении отверстий в соединяемых элементах и образовании
второй головки заклепки, называемой замыкающей.
Расчет заклепочных соединений производится так же, как и
болтовых соединений.

46.

а – заклепка с круглой головкой
б – заклепка с потайной головкой
в – заклепка с полупотайной
головкой