Известия высших учебных заведений. Строительство 10-2009

УДК 624.072.2:624.014

А. В. Коротких, А.Н. Кретинин, И. И. Крылов

Особенности работы одноболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений тонкостенных оцинкованных профилей

Приводятся результаты экспериментального и численного исследований одноболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений тонкостенных оцинкованных профилей на предварительно напряженных высокопрочных болтах, с целью изучения напряженно-деформированного состояния и выявления особенностей работы таких соединений.

Соединения, тонокстенные оцинкованные профили, одноболтовые фрикционные сдвигоустойчивые соединения

Тонкостенные оцинкованные профили (ТОП) – профили, полученные путем холодного гнутья стальных оцинкованных листов толщиной от 0,7 мм до 2,5 мм.

Характерные особенности ТОП (рис.1):

1. При сравнительно малой толщине проката, а так же относительно малой массе такие профили обладают достаточными жесткостными характеристиками для использования в качестве элементов несущих конструкций.
2. ТОП обладают хорошей сопротивляемостью коррозии за счет сплошного слоя цинкового покрытия. При этом отсутствует необходимость регулярного восстановления защитного покрытия.
3. Значительно ограничено и затруднено применение электро- и газо- сварки, вследствие неизбежного разрушения защитного цинкового покрытия.
4. Необходимость выполнения узлов сопряжения элементов несущих конструкций с применением значительного количества болтов и самонарезающих винтов.

Благодаря первым двум вышепериведенным характеристикам данные профили (рис.1) получили широкое распространение в зарубежном строительстве и со второй половины прошлого века начали внедряться в нашей стране.

Рис. 1. Тонкостенные оцинкованные профили

Область применения ТОП – несущие и ограждающие конструкции зданий гражданского и производственного назначения с пролетами преимущественно до 20 м. На сегодняшний день несущие конструкции из ТОП разрабатываются как за рубежом, так и в России:

1. Из зарубежных конструкций наибольшее распространение в России получили несущие конструкции зданий непромышленного назначения с покрытиями из стропильных ферм треугольного очертания и соединениями на самонарезающих винтах, разработанные шведской фирмой «Lindab»[1].
2. Российский рынок предлагает ряд быстровозводимых несущих каркасов здания из ТОП. Одним из первых предложений являются конструкции зданий складского назначения (пролеты до 18м) со сплошностенчатыми ригелями высотой сечения h=300 мм, предложенные Челябинским заводом «ИНСИ»[2].
3. Стропильные конструкции (балки, арки) из ТОП, разработанные в НГАСУ (Сибстрин) в 2006 г. [3].

Отличительной особенностью и недостатком указанных выше конструкций [1] и [2] является весьма ограниченный шаг стропильных систем (составляющий 1…2м). Для конструкций [3] шаг составляет 2…3м. Такой малый шаг обусловлен, главным образом, необходимостью снижения усилий в элементах каркаса с целью возможности их восприятия тем количеством болтов или самонарезающих винтов, которые возможно расположить в соединении. Так, например, для отапливаемого здания, состоящего из поперечных рам из ТОП (колонны и стропильные фермы треугольного очертания), пролетом 15м и шагом 3м для IV снегового района, усилия в верхнем и нижнем поясах будут достигать 15тс. Для передачи узловых усилий в этом случае необходимо установить (в опорном узле) около 250 (!) самонарезающих винтов (d=6.3мм) или около 50 болтов М8,что сложно и малоэффективно. Это означает, что несущая способность узловых соединений ограничивает генеральные размеры, шаг и пролет элементов каркаса здания. Это обстоятельство в значительной степени ограничивает их более широкое применение и делает конструирование несущих систем из ТОП в большинстве случаев не рациональным.

На основании вышесказанного возникает необходимость разработки, исследования и применения узловых соединений ТОП с большей несущей способностью, в сравнении с традиционно использующимися на сегодняшний день.

Одним из возможных решений поставленной задачи является применение в соединениях ТОП фрикционных сдвигоустойчивых соединений. Передача усилий в таких соединениях происходить не по тонким торцевым поверхностям кромок отверстий соединяемых элементов, а по плоскостям их соприкосновения в пакете за счет сил трения [4]. То есть основным критерием несущей способности соединения становится не прочность соединяемых элементов на смятие кромок отверстий, а преодоление сил трения по соприкасающимся поверхностям.

Экспериментом в работе [5] было установлено:

1. Для ТОП более рационально, с точки зрения несущей способности, применять фрикционные сдвигоустойчивые соединения, по сравнению с обычными болтовыми соединениями, работающими на смятие элементов.
2. Сдвигоустойчивые соединения ТОП обладают значительно большей (примерно в 5 раз для болтов M8 класса прочности 8.8) несущей
3. На основании первичных экспериментов в работе [5] установлено значение коэффициента трения соприкасающихся оцинкованных поверхностей, равное μ=0,45.

Следует отметить, что в методике регистрации взаимного сдвига деталей соединения в работе [5] не была исключена продольная деформация основного металла элементов деталей, что создавало сложности для точного определения момента срыва соединения и, как следствие, вносило искажения в значения коэффициента трения. Для его уточнения авторами настоящего исследования выполнены дополнительные уточнения работы одноболтовых сдвигоустойчивых соединений на преднапряженных высокопрочных болтах. Целью настоящего исследования является изучение особенностей работы и перехода в предельное состояние одноболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений ТОП.

Задачи исследования:

1. Уточнение значения коэффициента трения оцинкованных поверхностей на экспериментальных образцах с последующим его использованием в конечно-элементном моделировании.
2. Разработка конечно-элементной модели одноболтового фрикционного соединения ТОП.
3. Изучение особенностей НДС и перехода в предельное состояние одноболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений ТОП экспериментальными и численными методами.

Следует отметить, что за условное предельное состояние фрикционных сдвигоустойчивых соединений авторами принят момент преодоления сил трения, т.е. взаимный сдвиг (срыв) деталей соединения.

Для экспериментального определения коэффициента трения собирались образцы из двух оцинкованных листов t=2 мм (как наиболее часто применяемых в строительстве). Предел текучести оцинкованных листов σ_t=2944кгс/см², временное сопротивление σ_в=3928кгс/см² , соединения выполнялись на оцинкованных болтах М10 класса прочности 8.8 (рис.2).

Болты М10 приняты на основании условий минимального усилия натяжения (N=2000кгс), при наиболее четкой границе сдвига соединения (рис.4 [5]). Для изучения напряженного состояния на образец №3 были наклеены тензорезисторы типа КФ-5П1-10-100-Б-12 количеством 3 шт. на границе шайбы болта. (рис.2). Тензорезисторы были подключены к тензометрической системе СибНИА ММТС-64.01. Натяжение болтов соединений производилось при помощи динамометрического ключа на расчетное продольное усилие (N=2000кгс) по [6].

В настоящем исследовании применен уточненный метод регистрации взаимных сдвигов деталей соединения в процессе нагружения. Он заключается в уменьшении базы регистрации сдвигов деталей соединения. Для чего на соединяемые детали напаивались специальные выпуски из стальной проволоки в зоне, максимально приближенной к средней линии болта, через которые к индикаторам часового типа (точность шкалы 0,01мм) протянута нихромовая нить (рис.2). Данный метод позволяет максимально исключить влияние продольных деформаций основного металла деталей соединения на регистрацию момента срыва элементов относительно друг друга.

В качестве силовой установки была использована электромеханическая разрывная машина Р-5. Индикаторы часового типа крепились непосредственно на неподвижную раму силовой установки.

Испытания проводились на растягивающие усилия, до развития значительного взаимного сдвига деталей соединения (5-6мм). Нагрузка прикладывалась с переменным шагом: шаг 100 кг до нагрузки 800 кг, с последующим уменьшением шага нагружения до 50кг. Контроль взаимного сдвига деталей соединения производился на каждом шаге приложения нагрузки. Всего испытано 4 образца. Четкий сдвиг (срыв) соединений в момент преодоления сил трения (наступление условного предельного состояния), происходил при нагрузке от 1100кгс до 1300 (рис 5), что почти на порядок больше чем соединений на самонарезающих винтах 6,3 и болтах М8 (класса прочности 8.8) [5]. Разброс полученных результатов можно объяснить тем, что крутящий момент, задаваемый на динамометрическом ключе, в силу его конструкции, может незначительно отклоняться в процессе натяжения болта, но только в большую сторону (минимальное заданное значение крутящего момента ограничено фиксатором). По графикам результатов испытания видно незначительное увеличение нагрузки (после достижения условного предельного состояния), которое сопровождается значительными деформациями. Увеличение нагрузки можно объяснить сменой механизма передачи усилия в соединении, с передачи - за счет сил трения соприкасающихся поверхностей на передачу за счет смятия торцевых поверхностей кромок деталей соединения. Величина увеличения нагрузки соответствует значениям несущей способности болтовых соединений полученным в [5].

В результате проведенных испытаний и их анализа были установлены уточненные значения коэффициента трения «μ» для оцинкованных элементов из листовой стали. Принимая за основу полученное минимальное значение усилия преодоления сил трения (срыва) (N=1100 кгс) - значение μ= 0,55 при условии, что поверхности соединяемых элементов очищены от масел и воды. Полученное значение коэффициента трения “μ” лежит между значением μ=0,5 для стали (в случае обработки поверхности дробью с консервацией) [6] и μ=0,6- для цинка [7].

Распределение напряжений в зоне болта происходит не равномерно (рис.3), с концентрацией напряжений на границе шайбы со стороны приложения усилия. Коэффициент концентрации напряжений k=1.58.

На основании экспериментально установленного значения коэффициента трения “μ” с помощью программы cosmosworks было выполнено численное исследование работы вышеуказанного соединения. Для численного эксперимента создавалась расчетная схема соединения, геометрические размеры которой соответствовали размерам образцов физического эксперимента (рис.2). Расчетная схема создавалась объемными оболочными элементами. Сетка разбиения объемных элементов принималась -2,5 мм на основании указаний (рекомендаций) [8, с.55]. Сопряжение элементов соединения в расчетной схеме по всей контактной зоне принималось «узел к узлу», коэффициент трения назначался μ=0,55. Зона соединения, обжимаемая преднапряженным болтом, моделировалась при помощи функции программы cosmosworks. Данная функция позволяет имитировать болтовое соединение с учетом геометрических характеристик самого болта (болт М10) и усилий возникающих от его преднапряжения (N=2000кгс) без ввода в расчетную схему модели самого болта. Это позволяет значительно упростить расчетную схему соединения и ускорить процесс ее решения. Усилие, прикладываемое к одноболтовому соединению, было принято равным минимальному значения сдвигающей силы по результатам физического эксперимента, равное 1100кгс (рис.3).

В численном эксперименте работа стали задавалась с учетом фактической нелинейности деформаций, полученной при испытании образцов на растяжение [5].

Рис.3. Напряженное состояние одноболтового фрикционного соединения:

а) экспериментальные напряжения в околоболтовой зоне испытанного образца №3; б) расчетная модель соединения; в) напряжения в околоболтовой зоне расчетного образца;

Рис.4.Сводный график результатов испытаний одноболтовых фрикционных соединений: Образцы №1-№4-образцы физического эксперимента; Образец №5– численный эксперимент;

Анализируя результаты исследований, представленные на рис.3,4, можно отметить, что наступление предельного состояния и напряженно-деформированное сосотояние соединения в численном эксперименте достаточно точно совпадают с результатами физического эксперимента. В физических экспериментах предельное состояние соединений наступало при нагрузке на 9-18% большей, чем в численном эксперименте, а значения напряжения в околоболтовой зоне в физическом эксперименте были меньше на 4-5%, чем при численном эксперименте, что говорит о достаточной корректности принятой расчетной модели.

Выводы по результатам исследования:

1. Экспериментально установлено уточненное значение коэффициента трения оцинкованных поверхностей, составляющее μ=0,55.
2. Разработана корректная конечно-элементная модель одноболтового фрикционного соединения ТОП в программе cosmosworks, которая позволяет определять напряженное состояние деталей соединения и момент наступления предельного состояния для одноболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений.
3. При переходе в условное предельное состояние происходит неравномерное распределение напряжений по нормальному сечению на границе шайб со стороны приложения усилия, с концентрацией в средней зоне, где k=1,58.

4.Установлено, что наступление предельного состояния фрикционных сдвигоустойчивых соединений ТОП описывается общепринятыми законами и методиками расчета приведенными в [6].

Библиографический список

1. Информационный сайт [Электронный ресурс]/Информационный сайт фирмы “Lindab”.-Режим доступа: http://lindab.ru/ свободный.
2. Информационный сайт [Электронный ресурс]/ Информационный сайт группы заводов ИНСИ .-Режим доступа: http://insi.ru/ свободный.
3. Эффективные балки из тонкостенных профилей/ Крылов И.И., Кретинин А.Н. // Известия вузов. Строительство. – 2005, №6. С. 11-14.
4. Сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах/ Чесноков А.С., Княжев А.Ф.//М., Стройиздат, 1974.
5. Развитие конструктивной формы балочных систем из тонкостенных оцинкованных профилей/ Крылов И.И., Кретинин А.Н. // Известия вузов. Строительство. – 2007, №2. С. 88-92.
6. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. - М., Стройиздат, 1990.
7. Информационный сайт [Электронный ресурс]/ -Режим доступа: http://www.roymech.co.uk/Useful_Tables/Tribology/co_of_frict.htm свободный
8. Вовкушевский А.В., Шойхет Б.А. Расчет массивных гидротехнических сооружений с учетом раскрытия швов.-М.:Энергия,1981.-136с.

А. В. Коротких, асп.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

А.Н. Кретинин, канд. техн. наук

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

И. И. Крылов, канд. техн. наук, проф.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

Korotkich A.V., Kretinin A.N., Krylov I. I.

Features of work one bolt frictional not shifted connections of the thin-walled zinced profiles

Results of experimental and numerical researches one bolt of frictional not shifted connections of the thin-walled zinced profiles on preliminary intense high-strength bolts, for the purpose of studying of the intense-deformed condition and revealing of features work of such connections are resulted

Connections, the thin-walled zinced profiles, one bolt frictional not shifted connections