15 Типи болтів і їх характеристики робота з’єднань на болтах розрахунок болтів на зріз смятие і
15. Типи болтів і їх характеристики. Робота з'єднань на болтах. Розрахунок болтів на зріз, зминання і розтяг.
Для з'єднання металевих конструкцій крім зварювання застосовують болти і заклепки. Болтові з'єднання конструкцій з'явилися раніше зварних. Простота з'єднання і надійність в роботі сприяли їх широкому поширенню в будівництві при монтажі металевих конструкцій.
Однак болтові з'єднання більш металомістких, ніж зварні, так як мають стикові накладки і послаблюють перетину елементів отворами для болтів. Остання обставина частково компенсовано допущенням пружно-пластичної роботи елементів і введенням коефіцієнта умов роботи, а для елементів стику на високоміцних болтах - зменшенням фактичного ослаблення за рахунок сприйняття частини чинного зусилля тертям між сполучаються елементами за межами ослабленого перерізу.
У будівельних конструкціях застосовують болти грубої, нормальної і підвищеної точності, високоміцні, самонарезающие і фундаментні (анкерні). Болт для з'єднання конструкцій має головку, гладку частину стержня довжиною на 2-3 мм менше товщини з'єднується пакета і нарізну частину стрижня, на яку надівається шайба і нагвинчується гайка (рис. 6.1, а).
Болти грубої (ГОСТ 15589-70 з зм.) І нормальної (ГОСТ 7798- 70 з ізм.) Точності розрізняються допусками на відхилення діаметра болта від номіналу. Для болтів грубої і нормальної точності відхилення діаметра можуть досягати відповідно 1 мм і 0,52 мм (для болтів мм). Виготовляють болти з вуглецевої сталі гарячої або холодної висадкою, іноді з наступною термообробкою. Залежно від процесу виготовлення розрізняють кілька класів міцності болтів від-4,6 до 8,8 (табл. 6.1). Клас міцності болтів позначений числами. Перше число, помножене на 10, позначає тимчасовий опір (, кгс / мм2), а твір першого числа на друге - межа плинності матеріалу (, кгс / мм2) '.
Болти в з'єднанні ставлять в отвори на 2-3 мм більше діаметру болта, утворені продавлювання або свердлінням в окремих елементах. В результаті неповного збігу отворів в окремих елементах отвір під болт має негладку поверхню- «чорноту» (тип С), що виключає щільну посадку болта в отвір. Різниця в діаметрах болта і отвори полегшує посадку болтів і спрощує освіту з'єднання; це велика перевага таких болтів. Однак
неплотная посадка болта в отворі підвищує деформативность з'єднання при роботі на зсув і збільшує нерівномірність роботи окремих болтів в з'єднанні. Тому болти нормальної (і особливо грубої) точності не рекомендується застосовувати в конструкціях із сталі з межею текучості більше 380 МПа і в відповідальних з'єднаннях, які працюють на зрушення. Вони знаходять широке застосування в монтажних з'єднаннях, де болти працюють на розтягнення або є кріпильними елементами.
Болти підвищеної точності (ГОСТ 7805-70 з ізм.) Виготовляють також з вуглецевої сталі, і вони мають ті ж класи міцності, що і болти нормальної точності.
Поверхня ненарізний частини тіла болта обточується і має строго циліндричну форму. Діаметр отвору для таких болтів не повинен відрізнятися більш ніж на +0,3 мм від діаметра болта (плюсовий допуск для діаметра болта і мінусовий допуск для отвори не допускаються); поверхню отвору повинна бути гладкою, що може бути досягнуто свердлінням отворів в з'єднуються елементах через спеціальні кондуктори-шаблони, розсвердлюванням отворів до розрахункового діаметра після складання елементів з раніше утвореними отворами меншого діаметра і, нарешті, свердлінням отворів на проектний діаметр в зібраних елементах (тип В ).
Болти в таких отворах сидять щільно і добре сприймають зсувні сили; проте недостатність сил, що стягають пакет, погіршує його роботу в порівнянні з сполуками з високоміцних болтах або на заклепках. Складність виготовлення та постановки болтів підвищеної точності привела до того, що з'єднання на таких болтах застосовуються рідко
Високоміцні болти (ГОСТ 22353-77 і ГОСТ 22356-77) (Здвиг-стійкі) виготовляють з легованої сталі, готові болти термічно обробляють (табл. 6.2). Високоміцні болти є болтами нормальної точності, їх ставлять в отвори більшого, ніж болт, діаметра, але їх гайки затягують тарувального ключем, що дозволяє створювати і контролювати силу натягу болтів. Велика сила натягу болта щільно стягує сполучаються елементи і забезпечує монолітність з'єднання. При дії на таке з'єднання сил, що зсувають між сполучаються елементами виникають сили тертя, що перешкоджають зсуву цих елементів відносно один одного. Таким чином, високоміцний болт, працюючи на осьовий розтяг, забезпечує передачу сил зсуву тертям між сполучаються елементами, саме тому подібне з'єднання часто називають фрикційним. Для збільшення сил тертя поверхні елементів в місці стику очищають від бруду, масла, іржі і окалини металевими щітками, піскоструминним або дробеструйним апаратом, вогневої очищенням і не фарбують.
Щоб з'єднання з накладками з двох сторін працювало надійно, необхідна суворо однакова товщина з'єднувальних елементів, так як навіть при невеликій різниці їх товщини щільного прилягання елементів домогтися не вдається і сили тертя, а отже, і несуча здатність болта різко зменшуються. Іноді між сполучаються поверхнями, очищеними металевими щітками, вставляють тонку сталеву прокладку, що має з двох сторін покриття полімерним клеєм з корундовим порошком. Таке рішення дозволяє вирівнювати перепад площин стикуються деталей і одночасно дає високий коефіцієнт тертя.
Крім зсувостійкість, фрикційних з'єднань на високоміцних болтах існують сполуки з «несучими» високоміцними болтами, що відрізняються передачею зсувних зусиль спільною роботою сил тертя, зминання і зрізу болта. Ці сполуки будуть мати залишкові переміщення, що з'являються при подоланні початкового тертя і залежні від щільності посадки болтів в отвори, але зате їх несуча здатність істотно в 1,5-2 рази збільшується і спрощується підготовка контактних поверхонь. Однак такі з'єднання не можуть бути рекомендовані в конструкціях, де залишкові переміщення небажані, і при вібраційних навантаженнях.
Для поліпшення роботи з'єднання іноді також застосовують комбіноване клееболтовое з'єднання, в якому сполучаються поверхні склеюють спеціальними клеями, а потім стягують високоміцними болтами. З'єднання на високоміцних болтах мають переваги звичайних болтових з'єднань по простоті пристрою з'єднання; за якістю роботи вони не поступаються зварних з'єднань, але поступаються їм по витраті металу. Застосовуються вони в монтажних з'єднаннях, що мають великі зсувні сили, і при дії динамічних і вібраційних навантажень.
Самонарізаючі болти (ТУ 34-5815-70) відрізняються від звичайних наявністю різьблення повного спеціального профілю на всій довжині стрижня для нарізування різьблення і загвинчування в раніше утворені отвори деталей, що з'єднуються (рис. 6.1,6). Матеріалом для них служить сталь Ст10кп термоупрочнение. Застосовуються вони в основному мм для прикріплення профільованого настилу до прогонів і елементів фахверка, і їх великою перевагою є необхідність доступу до конструкції тільки з одного боку.
Фундаментні (анкерні) болти (ГОСТ 24379.1-80) служать для передачі розтягуючих зусиль з колон на фундамент. Їх конструкція показана на рис. 6.1, е, а матеріалом служать стали марок ВСтЗкп2, 09Г2Сі 10Г2С1,
2. Робота і розрахунок болтових з'єднань.
Робота на зрушення є основним видом роботи більшості з'єднань.
1. У з'єднаннях на болтах нормальної і підвищеної точності з неконтрольованою силою затягування болтами з'єднуються сили стягування і сили тертя при зрушеннях невеликі і невизначені.
Вони не можуть бути сильно збільшені через недостатню міцність матеріалу болта на скручування і розтягування. Такі сполуки працюють так:
1 етап - сили тертя між сполучаються елементами не подолано, болти не відчувають зсувних зусиль і працюють тільки на розтягування (робота з'єднань на високоміцних болтах).
2 етап - сили тертя подолані, відбувається зрушення всього з'єднання на величину зазору між поверхнею отвори і стрижнем болта.
3 етап - передача зсувного зусилля, тиском поверхні отвори на стрижень болта; стрижень і краю отвори поступово обминаються; болт згинається, розтягується, тому що його утримує гайка і головка болта.
4 етап - настає пружнопластичних робота болта. Робота сильно ускладнена неправильність форми болта і стінки отвору; тому розрахунок з'єднання носить умовний характер. Розрізняють також роботу одноболтлвого і многоболтового з'єднання. У многоболтовом з'єднанні ці ж неправильності форми болта і отвори, а також можливі зазори між болтом і отвором неминуче призводять до нерівномірного роботі окремих болтів з'єднання, що враховують зниженням розрахункових опорів матеріалу болтів в многоболтовом з'єднанні, а правильніше було б враховувати відповідним призначенням коефіцієнта умов роботи з'єднання .
Розрахунок ведуть виходячи з можливого виду руйнування з'єднання по зрізу болта при товстих з'єднуються листах або по зім'яту поверхні отвору при тонких аркушах:
а) розрахункове зусилля, яке сприймає одним болтом по зрізу:
- розрахунковий опір болтів зрізу;
- коеф-т умов роботи з'єднань (для болтів грубої і нормальної точності; для болтів підвищеної точності); - площа перерізу болта по неразрезанной частини; - число розрахункових зрізів одного болта;
б) розрахунок болта на зминання стінки отвори носить умовний характер, так як в місцях передачі зусилля з болта на сполучаються листи
відзначається сложнонапряженное стан.
На малюнку видно, що в точці, а різко зростають мнеться стінку отвори напруги і напруги, що розтягують.
матеріалу, а розтягують напруги -
розрив (розкол) з'єднується елемента, тоді болт «проріже» його. У той же час в точці б
болт практично не передає зусиль на стінку отвори, і в цьому місці зростання напружень пояснюється лише звичайною концентрацією напружень по краях отвору. Нерівномірність роботи матеріалу поблизу отвору збільшується в з'єднаннях групи С. Труднощі обліку дійсного сложнонапряжённого стану призвела до того, що в розрахунку приймається рівномірний тиск болта на стінку отвори по всьому діаметру болта. Ця невідповідність розрахунку дійсної роботі враховується умовним характером розрахункових опорів. Розрахункове зусилля, яке може бути сприйнято одним болтом по смятию стінки,
- розрахунковий опір зім'яту
стінки отвору; -наіменьшая сумарна товщина елементів, м'ятих в одному напрямку;
Необхідна кількість болтів у з'єднанні визначають за формулою
- менше зі значень розрахункового зусилля для одного болта; - коеф-т умов роботи конструкції;
Робота і розрахунок з'єднань на розтяг
Якщо зовнішня сила, що діє на з'єднання, спрямована паралельно поздовжньої осі болтів або заклепок з'єднання, то вони будуть працювати на розтягування; така робота з'єднання називається роботою на розтягнення або роботою на відрив головок. Оскільки розтяжне зусилля направлено вздовж осі болта або заклепки, то при статичній роботі з'єднання якість отворів і поверхні
болта не має ніякого значення і болти нормальної і підвищеної точності працюють на розтягнення, однаково (їх розрахункові
опору рівні). Звідси висновок, що болти підвищеної точності для роботи на розтягнення використовувати недоцільно як більш дорогі; рідко використовують для роботи на розтягування і болти високоміцні, так як підвищена міцність їх матеріалу не може бути повністю використана через недостатню міцність матеріалу з'єднуються під головкою болта.
Цікаво відзначити, що початкові натягу болтів і заклепок не позначаються на їх несучої здатності на розтягнення. Пояснюється це тим, що початкові напруги болтів і заклепок є напруженнями внутрішніми, врівноваженими силами стиснення між сполучаються елементами.
Прикладаючи зовнішні сили
N до з'єднувальних елементів, будемо поступово замінювати ними сили стиснення між елементами, не порушуючи рівноваги болт-елемент. При цьому щільність з'єднання порушена не буде. Тільки коли зовнішні сили N почнуть перевищувати внутрішні початкові зусилля стягування болта або заклепки, монолітність з'єднання порушиться, і розтяжне зусилля в болті почне збільшуватися. Таким чином, міцність з'єднання визначається міцністю матеріалу болтів на розтягнення незалежно від сил початкового натягу болта або заклепки. У з'єднаннях, які працюють на відрив, зусилля до болтів часто бувають включені з ексцентриситетом, що змушує приймати коефіцієнт умов роботи з'єднання менше одиниці і знижувати розрахункові опори.
Розрахункове зусилля по розтягуванню, яке може бути сприйнято одним болтом або заклепкою, визначають за формулою
- розрахунковий опір болтів розтягуванню; -площа перетину болта нетто;
Необхідна кількість болтів у з'єднанні, що працює на дію сили, що розтягує N, яка додається до центру з'єднання, визначають за формулою
При одночасній дії сил, що зсувають і розтягують з'єднання, міцність його перевіряють окремо на зрушення, а потім на розтягнення.