Б1.В.ОД.9 «Металлические конструкции,

Конспект лекций

По дисциплине

Б1.В.ОД.9 «Металлические конструкции,

Включая сварку»

Профиль: ПГС

В конце каждой темы даны контрольные вопросы к экзамену в 7 семестре.

При подготовке к экзамену рекомендуется пользоватьтя не только данными лекциями, но и дополнительной литературой. При сдаче экзамена можно будет пользоваться только СНиП 11-23-81^* «Стальные конструкции»

Дополнительная литература:

1. СНиП 11-23-81^*.Стальные конструкции/Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.

2. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия

3. Металлические конструкции: В 3т. Т.1. Элементы стальных конструкций: Учеб. пособие для строительных вузов/ В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Уваров, В.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В.Горева. – М.: Высш.шк., 1997.

4. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов/ Е.И.Беленя, В.А.Балдин, Г.С.Ведеников и др.; Под общ. ред. Е.И. Беленя. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1986.

Основные понятия и термины.

А – площадь сечения брутто;

А_bn – площадь сечения болта нетто;

А_f – площадь сечения пояса (полки) балки;

А_w – площадь сечения стенки;

А_n – площадь сечения нетто;

А_wf – площадь сечения по металлу углового шва;

А_wz – площадь сечения по металлу границы сплавления;

Е – модуль упругости;

F – сила;

G – модуль сдвига;

I_x, I_y – моменты инерции сечения брутто относительно осей, соответственно (х – х) и (у – у) проходящих через центр тяжести сечения;

I_xn, Y_yn – то же, сечения нетто;

М – изгибающий момент;

М_х, М_у – моменты относительно осей соответственно (х – х), (у – у);

N – продольная сила;

Q – поперечная сила;

R_bp – расчетное сопротивление смятию одноболтового соединения;

R_bs – расчетное сопротивление срезу одноболтового соединения;

R_bt – расчетное сопротивление растяжению одноболтового соединения;

R_P – расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки);

R_u – расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению;

R_un – временное нормативное сопротивление стали разрыву;

R_y – расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести;

R_yn – предел текучести стали, принимаемый равным значению предела текучести – по государственным стандартам и техническим условием на сталь;

R_wf – расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва;

R_wz – расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу границы сплавления;

R_wy – расчетное сопротивление стыковых, сварных соединений сжатию, растяжению, изгибу по пределу текучести;

S – статический момент сдвигаемой части сечения;

W_x, W_y – моменты сопротивления сечения брутто относительно осей, соответственно (х – х), (у – у);

b – ширина;

b_ef – расчетная ширина;

b_f – ширина полки (пояса) балки;

b_h – ширина выступающей части ребра за стенку;

с_х, с_у – коэффициенты для расчета на прочность с учетом развития пластических деформаций при изгибе относительно осей, соответственно (х – х), (у – у);

е – эксцентриситет приложения силы относительно центра тяжести сечения;

h – высота;

h_ef – расчетная высота стенки;

h_w – высота стенки;

i_x, i_y – радиусы инерции сечения относительно осей, соответственно (х – х), (у-у);

k_f – катет углового шва;

l – длина;

l_ef – расчетная длина;

l_w – длина сварного шва;

l_x, l_y – расчетные длины элемента в плоскостях, соответственно (х – х), (у – у);

m = (eA/W) – относительный эксцентриситет;

m_ef = mη – приведенный относительный эксцентриситет;

t – толщина;

t_w – толщина стенки;

t_f – толщина полки (пояса);

β _f, β _z – коэффициенты для расчета углового шва, соответственно по металлу шва и металлу границы сплавления;

γ _b – коэффициент условий работы болтового соединения;

γ _с – коэффициент условий работы всей конструкции;

γ _n – коэффициент надежности по назначению конструкции;

γ _m – коэффициент надежности по материалу;

η – коэффициент влияния формы сечения;

λ – гибкость;

- условная гибкость ( = λ );

λ _е_f – приведенная гибкость стержня сквозного сечения;

_ef – условная приведенная гибкость стержня сквозного сечения;

λ _f – условная гибкость поясного листа;

_w – (h_w / t_w) ( ) – условная гибкость стенки;

λ _х, λ _у – расчетные гибкости элемента в плоскостях (х – х), (у – у);

υ – коэффициент поперечной деформации стали (Пуассона);

σ _loc – местное напряжение;

σ _х, σ _у – нормальные напряжения, параллельные осям, соответственно (х–х)(у-у);

τ _ху – касательные напряжения;

φ _(х, _у) – коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии;

φ _b – коэффициент устойчивости при изгибе;

φ _е – коэффициент устойчивости при сжатии с изгибом;

φ _еху – коэффициент устойчивости при сжатии с изгибом в двух плоскостях;

Нагрузки и воздействия

Снеговые, ветровые, гололедные нагрузки, температурные воздействия устанавливаются по соответсвующшим главам СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия».

В. Расчетные нагрузки и коэффициент надежности по нагрузке (перегрузке). Нагрузки, которые действуют на конструкцию в процессе ее эксплуатации, обладают определенной изменчивостью и могут отличаться от значений, установленных нормами.

Возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную (большую или меньшую) сторону от их нормативных значений вследствие изменчивости нагрузок или отступлений от условий нормальной эксплуатации учитывается коэффициентами перегрузки γ _f, устанавливаемыми с учетом назначения зданий и сооружений и условий их эксплуатации.

Расчетные нагрузки для расчета конструкций на прочность и устойчивость (по первой группе предельных состояний) определяют умножением нормативных нагрузок на коэффициент перегрузки γ _f (обычно больший единицы, за исключением специально оговоренных случаев).

Расчетные нагрузки при расчете конструкций по деформациям и перемещениям (по второй группе предельных состояний) принимают равными нормативным значениям (если не указаны иные значения).

Нормативные и расчетные сопротивления стали

Основными прочностными характеристиками металла являются временное сопротивление σ _u и предел текучести σ _y. Прочностные характеристики определяются испытанием стандартных образцов (круглого или прямоугольного сечения) на статическое растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением σ и относительным удлинением ε (рис. 1.6, а).

Временное сопротивление – предельная сопротивляемость материала разрушению, равная разрешающей нагрузке, отнесенной к первоначальной площади поперечного сечения образца.

Предел текучести – нормальное напряжение, практически постоянное, при котором происходит текучесть материала (деформирование при постоянном напряжении). Горизонтальный участок диаграммы, называемый площадкой текучести, у малоуглеродистых сталей находится в пределах относительных удлинений от ε = 0, 2 до ε = 2, 5%.

Для сталей, не имеющих площадки текучести (низколегированные стали), вводится понятие условного предела текучести σ _{0, 2}, величина которого соответствует напряжению, при котором остаточная деформация достигает ∆ ε = 0, 2% (рис. 1.6, б).

За предельное сопротивление сталей принимают предел текучести или условный предел текучести, так как при дальнейшем росте нагрузки развиваются чрезмерные пластические деформации и недопустимо большие перемещения конструкций. В тех случаях, когда допускается работа конструкции при развитии значительных пластических деформаций (например, трубопроводы, находящиеся в земле), за предельное сопротивление стали может быть принято временное сопротивление.

Механические свойства материалов изменчивы (имеют разброс своих значений при испытании стандартных образцов), поэтому государственными стандартами и техническими условиями установлены гарантированные пределы их изменения.

Основными характеристиками сопротивления материалов силовым воздействиям являются нормативные сопротивления по пределу текучести R_yn и по временному сопротивлению R_un.

За нормативные сопротивления стали растяжению, сжатию и изгибу R_yn и R_un принимают соответственно наименьшие значения предела текучести и временного сопротивления, гарантированные ГОСТами и установленные с учетом условий контроля и статистической изменчивости свойств стали, выпускаемой промышленностью.

Возможные отклонения прочностных и других характеристик материалов в неблагоприятную сторону от их нормативных значений учитываются коэффициентами надежности по материалуγ _m.

Кроме того, коэффициентом надежности по материалу учитываются факторы, которые могут привести к снижению фактических характеристик прочности и геометрических характеристик сечений по сравнению с гарантированными заводом-изготовителем:

– значение механических свойств металлов проверяется на заводах выборочными испытаниями;

– механические свойства металлов контролируют на малых образцах при кратковременном растяжении, фактически металл работает длительное время в большеразмерных конструкциях при сложном напряженном состоянии;

– в прокатных профилях могут быть минусовые допуски.

Коэффициент надежности по материалу γ _m устанавливается на основании анализа кривых распределений результатов испытаний стали и ее работы в конструкции. При поставке сталей по ГОСТ 27772-88 для всех сталей (кроме С590 и С590К) γ _m = 1, 025; для сталей С590 и С590К γ _m = 1, 05.

При расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления R_u, установленного по временному сопротивлению, учитывают повышенную опасность такого состояния (приближение к напряжению разрыва), вводят дополнительный коэффициент надежности γ _u = 1, 3.

Основной расчетной характеристикой стали является расчетное сопротивление, значение которого получается делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу:

– по пределу текучести R_y = R_yn/γ _m;

– по временному сопротивлению R_u = R_un/γ _m.

Расчетные сопротивления сдвигу и смятию получают, умножая базовое расчетное сопротивление (при растяжении, сжатии и изгибе) на коэффициент перехода, равный 0, 58 для сдвига, для смятия торцовой поверхности (при наличии пригонки) - 1, 0, для местного смятия (при плотном касании) - 0, 5, причем для сдвига в качестве базового используют расчетное сопротивление R_у, а для смятия - расчетное сопротивление R_u.

Значения нормативных и расчетных сопротивлений проката для стальных конструкций приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Нормативные и расчетные сопротивления проката

Изгибаемые элементы

Одним из наиболее распространенных элементов, работающих на изгиб, являются металлические балки, загруженные равномерно распределенной, сосредоточенной или комбинированной нагрузкой. Балки применяются в междуэтажных перекрытиях гражданских, общественных и производственных зданий, в элементах рабочих площадок, при строительстве эстакад, мостов и др. различных сооружений.

Балки можно классифицировать по статической схеме работы и поперечному сечению. Балки могут быть однопролетные (статически определимые), многопролетные (неразрезные, статически неопределимые) и консольные (с заделкой одного конца или консолями в обычных схемах) (рис. 1.3).

Рис. 2.2. Статические схемы балок.

а – разрезная однопролетная; б – неразрезная двухпролетная; в – то же, многопролетная.

По типу сечения балки могут быть из прокатных элементов или составными (сварные, болтовые). Наиболее часто в строительстве применяют балки двутаврового сечения. (2.3).

При нагружении балок вертикальными нагрузками в них
возникают изгибающие моменты и поперечные силы. (2.2).

Расчет изгибаемых элементов ведут по предельным состояниям обеих групп. Предельные состояния первой группы для изгибаемых элементов определяются вязким, хрупким или усталостным разрушением (т.е. исчерпанием прочности) или же потерей устойчивости; второй группы - развитием чрезмерных деформаций, нарушающих нормальные условия эксплуатации конструкций. Основной вид расчета изгибаемых элементов - по прочности, применительно к случаю вязкого их разрушения. Он производится по формулам: М/W_{n min} < Ry·γ с ;

τ = QS/(It) < R_sγ _с, (2.8)

где М и Q - изгибающий момент и поперечная сила; Wn min - момент сопротивления нетто, т.е. ослабленного сечения, определенный по упругой стадии работы элемента; S - статический момент (брутто) сдвигающейся части сечения относительно нейтральной оси; t - толщина стенки; R_y, R_s - расчетные сопротивления стали изгибу и сдвигу.

Расчет изгибаемых элементов при развитии пластических деформаций производится в предположении, что сталь является идеальным упругопластичным материалом и что несущая способность исчерпывается тогда, когда во всех волокнах напряжения достигнут предела текучести.

Рис. 2.3. Типы сечения балок

а – прокатный двутавр с уклоном внутренних граней полок; б – то же, тонкостенный с узкими параллельными полками; в – сварной с широкополочными таврами; г – сварной из листов; д, е – клепаные или на высокопрочных болтах.

В рассматриваемом состоянии все волокна сечения находятся в стадии текучести, поэтому длина их может изменяться при постоянном напряжении. Изгибаемый элемент может поворачиваться вокруг нейтральной оси, как вокруг оси шарнира, который поэтому называется шарниром пластичности, или пластическим шарниром. Шарнир пластичности действует только в направлении предельного момента; при действии изгибающего момента в обратном направлении напряжения уменьшаются, отдельные волокна сечения возвращаются, к упругому состоянию и шарнир пластичности прекращает свое существование.

Пластический момент сопротивления W_рl существенно выше упругого момента сопротивления W_el. Соответствующие коэффициенты с₁, с_х и с_у перехода от упругого к пластическому моменту сопротивления приведены в СниП II – 23 - 81 (п. 5.18 и табл. 66). Для прямоугольного сечения W_рl = 1, 5 W_еl, для прокатных двутавровых и швеллерных сечений W_рl = 1, 12 W_еl при изгибе в плоскости стенки и W_рl = 1, 2 W_еl при изгибе в плоскости, параллельной полкам; для трубчатого профиля W_рl = W_еl. Расчет ведут по формуле

σ _max=Мсl/W_{n min} < R_уγ _с , (2.9)

где М - изгибающий момент, определенный по расчетным нагрузкам; R_у - значение расчетного сопротивления, установленного по пределу текучести.

При приложении нагрузки в зоне верхнего пояса и в опорных сечениях балки по формуле

Δ _loc=F/t· _ef≤ R_yγ _c (2.11)

где -условная длина распределения нагрузки.

Расчет изгибаемых элементов по деформациям производят по нормативным нагрузкам. В соответствии с недопустимостью черезвычайных прогибов

f≤ f_u

где f – f_u соответственно относительный прогиб конструкции по расчету и предельно допустимый, определяемый нормами.

Расчет на устойчивость. До исчерпания несущей способности элемента он может потерять устойчивость, т.е. начнет закручиваться и выходить из плоскости изгиба. Снижение несущей способности балки вследствие возможной потери устойчивости учитывают в расчетных формулах коэффициентом φ _b < 1 (зависящим от высоты сечения, длины пролета, характера приложения нагрузки и т.д.), принимая момент сопротивления для сжатого пояса сечения, равным W_с (без учета ослаблений). Последнее обусловлено тем, что местные ослабления не влияют на критическую нагрузку, вызывающую потерю устойчивости. Проверку общей устойчивости ведут по формуле

М/(φ _bW_c) < R_уγ _с, (2.10)

где φ _b - коэффициент, принимаемый СниП II-23 - 81, прилож. 7; W_c - момент сопротивления, определяемый для сжатого пояса.

Местную устойчивость полки проверяют по следующему условию

b_ef/t_f≤ [b_ef/t_f]

где b_ef – ширина сжатой полки; t_f – толщина полки, [b_ef/t_f] – нормативная характеристика (по табличным данным).

В том случае, когда на сжатый пояс изгибаемого элемента (балки) опирается жесткий настил (железобетонные плиты, металлические листы, волнистая сталь и т.д.), передающий на балку распределенную статическую нагрузку, устойчивость балок заведомо обеспечена. В этом случае расчет на устойчивость проводить не требуется. Для двутавровых балок, когда отношение свободной длины балки l_еf к ширине сжатого пояса b не превышает определенного значения (СниП II-23 - 81^*, табл. 8), расчет на устойчивость также не проводится. Расчетом на устойчивость обычно определяется сечение монорельсов, подкрановых балок и других подобных конструкций, сжатый пояс которых не закреплен на большой длине.

Подбор сечений прокатных балок ведут в таком порядке: подсчитывают изгибающий момент М, затем определяют требуемый момент сопротивления. Если балка может быть рассчитана с учетом образования пластического шарнира, то проводят соответствующий расчет. Затем по сортаменту подбирают необходимый профиль, для которого по сортаменту же находят величину W, определяют прогиб и проводят сравнение найденного прогиба с предельно допускаемым по нормам.

Сварные соединения

При изготовлении сварных конструкций наибольшее применение нашла электродуговая сварка: ручная, автоматическая, полуавтоматическая и электрошлаковая. Применение контактной и газовой сварки ограничено.

Ручная сварка выполняется при помощи электродов, тип и марка которых зависит от марки стали свариваемых элементов, рода сварочного тока и пространственного положения шва (ГОСТ 9467-75*).

Преимущество ручной электродуговой сварки заключается в ее универсальности. Она может выполняться в нижнем, вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях (рис. 3.1), а также в труднодоступных местах. Это обусловило ее широкое распространение на монтаже, где затруднено применение механизированных способов сварки. Однако ручная сварка обладает рядом недостатков - малой глубиной проплавления основного металла, малой производительностью по сравнению с автоматической сваркой под флюсом. Для компенсации этих недостатков применяют тугоплавкие обмазки, которые повышают производительность сварки и увеличивают глубину проплавления шва (сварка с глубоким проплавлением).

Основные типы электродов для сваривания стальных конструкций:

- с пределом текучести до 500 МПа: Э-42, Э-42А, Э-46, Э-46А, Э-50, Э-50А (А - металл шва имеет повышенные пластические свойства);

- с пределом текучести более 500 МПа: Э-60, Э-70, Э-85.

Автоматическая сварка выполняется под слоем флюса, который, расплавляясь в процессе нагревания, надежно защищает расплавленный металл от соприкосновения с воздухом; сам металл остывает несколько медленнее, освобождается от пузырьков газа, шлака и различных примесей. Большая сила тока, допустимая при автоматической сварке, и лучшая теплозащита шва обеспечивают глубокое проплавление свариваемых элементов и большую скорость сварки. Этот вид сварки затруднителен для вертикальных и потолочных швов.

Рис. 3.1. Положение швов в пространстве:

1 - потолочный угловой шов; 2 - нижний угловой шов;

3 - горизонтальный стыковой шов; 4 - вертикальный угловой шов.

Электрошлаковая сварка (разновидность автоматической сварки) удобна для вертикальных стыковых швов металла толщиной от 20 мм и более. Она осуществляется под слоем расплавленного шлака; сварочная ванна защищена с боков медными ползунами, охлаждаемыми проточной водой. Сварка в среде углекислого газа не требует приспособлений для удержания флюса, может выполняться в любом пространственном положении, обеспечивает получение высококачественных сварных соединений, хотя при этой сварке поверхность шва получается менее гладкой, чем при сварке под флюсом; к недостаткам относятся также необходимость защищать рабочих от излучения дуги и от скопления газа.

Сварка порошковой проволокой, выполняемая автоматическим способом, марок ПП-АН8 и ПП-АН3 (ГОСТ 26271-84) устраняет недостатки ручной сварки. Порошковая проволока состоит из металлической оболочки толщиной 0, 2...0, 5 мм, которая заполнена шихтой специального состава.

Кроме указанных видов сварки, применяется контактная сварка, осуществляемая путем нагрева и пластического деформирования элементов. Она может быть точечной, шовной и стыковой.

Сварные швы. По своей форме сварные швы подразделяются на стыковые и угловые (валиковые). Стыковые швы служат для стыкования элементов, лежащих в одной плоскости. Они весьма эффективны, так как дают наименьшую концентрацию напряжений, хотя и требуют дополнительной разделки кромок. По форме разделки кромок стыковые швы бывают U-образными. Для U- и V-, V- и K-образных швов, завариваемых с одной стороны, обязательна подварка корня шва с другой стороны - для устранения возможных непроваров (рис. 3.2, а, поз. 1), являющихся источником концентрации напряжений. Различные варианты стыковых швов показаны на рис. 3.2, б. Валиковые (угловые) швы навариваются в угол, образованный элементами, расположенными в разных плоскостях. Создаваемый при этом шов имеет форму валика (рис. 3.2, в).

Сварные швы по положению в пространстве при их выполнении могут быть вертикальными, горизонтальными и потолочными (см. рис 3.1). Наиболее легко поддается механизации и дает лучшее качество шва сварка нижних швов. Вертикальные, горизонтальные и потолочные швы трудно механизировать, а при выполнении их вручную качество шва относительно невысоко, поэтому применения этих швов следует по возможности избегать.

Рис. 3.2. Типы сварных швов и соединений:

1 - непровар; 2 - лобовой шов;

3 - фланговый шов; 4 - подкладки (выводные планки);

t_min - минимальная толщина соединяемых элементов

Сварные соединения. Существуют следующие виды сварных соединений: стыковые, внахлестку, угловые и тавровые (впритык). (Табл 3.1) В стыковых соединениях элементы соединяются торцами или кромками, т.е. один элемент как бы является продолжением другого (рис.3.2, г). Стыковые соединения дают наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий; они экономичны, могут быть наиболее надежно проконтролированы. Толщина свариваемых элементов в соединениях такого вида практически не ограничена. Стыковые соединения применяются в основном для листового металла и могут быть выполнены прямым или косым швом (соответственно слева и справа на рис. 3.2, г) и табл 3.1.

В соединениях внахлестку поверхности свариваемых листов частично находят друг друга (рис. 3.2, д). Их широко применяют при сварке листовых конструкций из стали небольшой толщины (3...6 мм), в решетчатых и некоторых других видах конструкций. К соединениям внахлестку относятся также соединения с накладками (рис. 3.2, г, е), применяемые для соединения элементов из профильного металла и для усиления стыков. Соединения внахлестку и с накладками отличаются простотой, хотя вызывают резкую концентрацию напряжений, что ограничивает их применение при действии динамических нагрузок или низких температур; кроме того, они более металлоемки, чем стыковые.

В сварных соединениях расчетную длину сварного шва l_w принимают равной его полной длине l, уменьшенной с учетом возможного непровара по концам: l_w = l - 2t, где t - наименьшая толщина соединяемых элементов; в случае вывода концов шва за пределы стыка на временные подкладки 4 (рис. 3.2, ж), которые затем отрезаются, расчетная длина шва l_w принимается равной его полной длине. Прочность сварных швов характеризуется их расчетными сопротивлениями (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Расчетные сопротивления металла

Болтовые соединения

В металлических конструкциях для рабочих и монтажных соединений элементов применяют болты нормальной, грубой и повышенной точности, а также высокопрочные диаметром от 16 до 30 мм. Для крепления конструкций и различных элементов к фундаменту используют анкерные (фундаментные) болты диаметром до 90 мм (ГОСТ 24379.1-80).

Обычные болты (ГОСТ 22356-77) изготавливают различных классов точности А, В и С соответственно для болтов повышенной, нормальной и грубой точности.

Для рабочих соединений, воспринимающих расчетные усилия, применяют болты класса А и В, для монтажных - класса С.

Болты грубой и нормальной точности (и гайки к ним) изготавливают из углеродистой стали и вводят в отверстия, просверленные в соединяемых элементах. Для болтов классов С, В и А обычно отверстия в элементах по отношению к диаметру болта делают больше соответственно на 2-3, 1-1, 5, 0, 25-0, 35 мм.

Разница в диаметрах болта и посадочного отверстия повышает деформативность соединения и упрощает установку болта и образование соединения.

С повышением класса точности болтов снижается деформативность соединения, однако повышает требования увеличения точности исполнения отверстий.

Кроме того, болты различаются по прочности. Класс прочности обычно указан на головке болта выпуклыми цифрами.

Для болтов повышенной точности (из углеродистой или легированной стали) поверхность ненарезной части обтачивается строго цилиндрической формы, а отверстия сверлятся в собранных элементах с помощью специальных шаблонов - кондукторов.

Высокопрочные болты изготавливают из углеродистой стали 35 или легированных сталей 40Х, 40ХФА, 38ХС. (табл. 3.8). Они подвергаются термической обработке уже в готовом виде. Высокопрочные болты ставят в отверстия элементов большего диаметра, чем у болта; гайка должна плотно стягивать элементы, препятствовать их сдвигу. Это достигается путем затягивания гайки до большего натяжения болтов.

Заклепочные соединения в настоящее время применяются в ограниченном количестве. В основном приходится сталкиваться с уже ранее построенными сооружениями (мосты и др.). Заклепки изготавливают из круглой калиброванной стали диаметром 13-31, 5 мм с интервалом 2 мм. Форма головки зависит от назначения заклепки. В соединениях заклепки ставят горячим (800⁰С) и холодным способом. Работа ведется с помощью специального оборудования (на заводах) или наскального молотка (на монтажных площадках). При остывании заклепка стягивает соединяемые элементы и обеспечивает передачу внешних усилий через трение. Для заклепок применяют специальные стали: заклепочная Ст2 и Ст3 или низколегированная 09Г2С с пределом текучести 300 МПа.

Рис. 3.4.

Вид болта нормальной точности

Рис. 3.5. К работе высокопрочного болта.

Схема работы болтов

Рис. 3.6. Работа заклепок на срез и смятие.

До тех пор, пока не преодолены силы трения между местами соединяемых элементов (рис.3.6), конструкция работает упруго как одно целое. Стержень заклепки более пластичен, чем материал соединяемых элементов. После преодоления сил трения происходит сдвиг соединяемых элементов, стержень искривляется и разрушается от среза при незначительном растяжении. Кроме того, стержень заклепки работает на смятие.

Расчет болтовых соединений (кроме высокопрочных) производится для двух случаев работы. Когда внешнее усилие направлено поперек оси болта, соединение работает на сдвиг, а болты работают на срез и смятие. Если же усилие действует вдоль оси стержня болта, то болты работают на растяжение, а разрушение соединения наступает после больших пластических деформаций, в результате чего усилие распределяется поровну между всеми болтами. Число болтов, необходимое для прикрепления какого-либо элемента, определяется из условия

n ≥ N/(γ _c·N_min), (3.11)

где N - усилие в элементе; N_min - меньшее из значений расчетных усилий для одного болта, определенное по формулам (3.12...3.14) (односрезные болты рассчитывают только на срез).

Расчетное усилие на один болт по срезу, по смятию и по растяжению вычисляют соответственно по формулам:

N_ob = R_bs·γ _bAn_s, (3.12)

N_b = R_bp·γ _c·dΣ t, (3.13)

N_b = R_bt A_bn, (3.14)

где R_bs, R_bp, R_bt - соответственно расчетные сопротивления болтовых соединений на срез, смятие и растяжение, зависящие от марки сталей болтов и соединяемых элементов, от вида болтов; (опр. по табл 3.6; 3.7); для болтов класса 4.6 R_bs = 150 МПа, R_bt = 175 МПа. Расчетные сопротивления на смятие элементов, соединяемых болтами нормальной и грубой точности при марках сталей соединяемых элементов соответственно будут равны: ВСт32кп R_bp = 365 МПа, ВСт3пс6 и ВСт3сп5 R_bp = 370 МПа, 09Г2С R_bp = 535 МПа, γ _b - коэффициент условий работы (табл. 3.5) соединения принимается в соответствии со СНиП II-23-81*, табл. 35. Для многоболтового соединения в расчетах на срез и смятие при болтах повышенной точности γ _b = 1, при болтах грубой и нормальной точности γ _b = 0, 9; d - наружный диаметр стержня; n_s - число расчетных срезов одного болта; Σ t - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении; А = π ·d²/4 - расчетная площадь сечения стержня болта; А_bn - площадь сечения болта нетто (табл. 3.4) (для болтов с метрической резьбой это значение принимается в соответствии с ГОСТ 22356-77 по СниП II-23-81*, для остальных А_bn ~ 0, 79А).

Подсчет необходимого количества болтов производится для соединения согласно рис. 1.9. и 1.11 а, б, на основании формул (3.12) и (3.13) и принимается большим из значения

n = N/(n_s R_bs·γ _b·γ _c) или

n = N/(dΣ tR_bp·γ _b·γ _c). (3.15)

Обычно в расчете диаметрами болтов задаются, имея в виду, что наиболее употребительные диаметры - 20, 24, 30 мм.

Соединения на высокопрочных болтах (рис 3.5) работают за счет трения поверхностей соединяемых элементов, и расчетное усилие, которое может быть воспринято поверхностями трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяют по формуле

Q_bn = , (3.16)

где R_bn = 0, 7 R_bun - расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; R_bun - временное сопротивление разрыву (принимается по табл 3.8) (напри-мер, для болтов из стали 40Х “селект” R_bun = 1100 МПа); А_bn - площадь сечения болта (по табл 3.4) нетто; n - количество поверхностей трения; - коэффициент трения (принимается по табл 3.9) (при обработке соединяемых поверхностей стальными щетками = 0, 35); _h - коэффициент надежности (табл. 3.9) (при номинальной разности диаметров болтов и отверстий 5...6 мм _h = 1, 25); _b - коэффициент условий работы, зависящий от количества n болтов, необходимых для восприятия расчетного усилия; γ _b = 0, 8 при n ≤ 4, γ _b = 0, 9 при n = 5...9, у_b = 10 при n ≥ 10.

При действии момента на соединение распределение усилий на болты следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта. Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, рассчитываются отдельно на срез и на растяжение. Болты, работающие на срез от одновременного действия силы и момента, рассчитываются на равнодействующее усилие. Количество n высокопрочных болтов в соединении определяют по формуле

Необходимое осевое усилие высокопрочного болта, проверяемое при затяжке тарировочным ключом, равно

Болты в соединениях размещают в рядовом или шахматном порядке в соответствии с рис. 1.12.

Болты размещают в соответствии со следующими требованиями.

1. Минимальное расстояние между центрами болтов в любом направлении должно быть равно 2, 5 d (3d для элементов из стали с пределом текучести свыше 380 МПа), максимальное - в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков при растяжении и сжатии 8d или 12t.

2. Минимальное расстояние от центра болта до края элемента вдоль усилия должно быть равно 2d, минимальное - поперек усилия при прокатных кромках - 1, 2d; максимальное - 4d или 8t (d - диаметр отверстия для болта, t - толщина наиболее тонкого наружного элемента); минимальное для высокопрочных болтов при любой кромке и любом направлении усилий - 1, 3d.

3. В расчетных стыках и узлах следует размещать болты на
минимальных расстояниях.

4. При размещении болтов в шахматном порядке расстояния между их центрами вдоль усилия принимают минимально (а + 1, 5d), где d - диаметр отверстия для болта, а - расстояние между рядами поперек усилия.

5. В соединениях с болтами грубой, нормальной и повышенной точности необходимо предусмотреть постановку пружинных шайб или контргаек для предупреждения развинчивания гаек.

Контрольные вопросы к главе 3

22. Виды соединений стальных конструкций. От чего зависит выбор соединения?

23. Сварные соединения. Какие бывают виды сварки?

24. Сварные швы. Какие бывают виды сварных швов?

25. Виды сваоных соединений.

26. Расчетная длина сварного шва. Чем характерезуется прочность сварных швов?

27. Расчет стыковых соединений. Конструктивные требования к швам.

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒