Известия высших учебных заведений. Строительство 3-2014

УДК 624.078.492

Коротких А.В., Просяников Б.Д.

Особенности работы болтовых соединений с взаимным продавливанием соединяемых тонкостенных оцинкованных профилей

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований соединений тонкостенных профилей, образованных взаимным продавливанием соединяемых элементов при помощи пакетов из шайб по ГОСТ и высокопрочных болтов.

Соединения тонкостенных оцинкованных профилей, соединения образованные взаимным продавливанием

Тонкостенные оцинкованные профили (ТОП) на сегодняшний день получили широкое распространение в строительной практике. Несмотря на все их достоинства, они обладают рядом недостатков, одним из которых является малая несущая способность узловых соединений, выполняемых, преимущественно, с применением обычных болтов и самонарезающих винтов.

В работах [1,2] предложено повышать несущую способность соединений ТОП за счет применения фрикционных сдвигоустойчивых соединений. К основным недостаткам оговоренных соединений можно отнести необходимость подготовки поверхности соединяемых элементов.

Другим существующим решением по повышению несущей способности соединений ТОП является применение соединений с взаимным продавливанием соединяемых профилей (СВП). Данные типы соединений были впервые предложены сотрудниками Казанского государственного архитектурно строительного университета (КГУСА) (рис.1 а, в) и сотрудниками Сибирского федерального университета (СФУ) (рис.1 б, г) [4]. Такой тип соединения создаётся за счет продавливания соединяемых профилей друг в друга при помощи шайб специальной конструкции и натяжения болтов соединения. По заявлению авторов соединения СВП обладают несущей способностью до 2,5 раз большей по сравнению с соединениями на обычных болтах того же диаметра. [4]

Особенностью такого типа соединений являются шайбы специальной конструкции, для которых необходимо определять оптимальные параметры. Данная научная задача, указанными авторами СВП не решалась. В современной нормативной и технической строительной документации не существует методики расчета и конструирования такого типа соединений.

На основании вышесказанного, авторами была поставлена цель по поиску эффективного решения соединений СВП и экспериментально-теоретическое обоснование методики их конструирования и расчета. Для начального поиска, а также для возможного первоначального применения в условиях современной отечественной индустрии авторами настоящей статьи предлагается отказаться от применения специальных шайб в пользу стандартных шайб по ГОСТ, собранных в пакеты (рис.2).

Рис. 2 Схема СВП с применением стандартных шайб

а) соединение до сборки б) соединения в собранном виде

1 – соединяемые элементы; 2 – болт; 3 – гайка; 4 – выравнивающая шайба;

5 – внутренняя шайба; 6 – силовой пакет шайб; 7 – наружная шайба.

В соответствии с рисунком 2, шайбы, входящие в пакет, имеют следующее предназначение:

1. Внутренняя шайба (5) – обеспечивает продавливание профилей во внутрь пакета;
2. Наружная шайба (7) – обеспечивает необходимое приемное углубление для продавливаемого металла;
3. Силовой пакет шайб (6) – обеспечивает передачу на металл профиля усилия, необходимого для продавливания;
4. Выравнивающая шайба (4) – служит критерием правильности сборки соединения (полное касание кромки шайбы с поверхностью профиля свидетельствует о равномерном продавливании), препятствует преждевременному искривлению положения внутренней шайбы в процессе работы соединения.

В соответствии с рисунком 2, сборка узла осуществляется следующим образом:

- на болт (2) собирается пакет из обычной (5) и увеличенной шайбы (4). Собранный пакет устанавливается в отверстие соединяемых элементов (1). С обратной стороны на болт собирается ответный пакет из обычной шайбы большого диаметра (7) и пакета из нескольких увеличенных шайб (6), после чего на болт накручивается гайка (3). Далее производится натяжение высокопрочного болта до момента соприкасания выравнивающей шайбы (4) с поверхностью соединяемого элемента, в результате чего происходит выштамповка соединяемых элементов друг в друга.

Разновидность соединения СВП с применением стандартных шайб, собранных в пакеты может также использоваться в особых условиях строительства, где применение специальных шайб для СВП, в случае если такие будут внедрены, невозможно.

Целью настоящих исследований является определение рационального состава пакетов шайб, входящих в состав соединений с взаимным продавливанием.

Для экспериментального изучения были собранны образцы одноболтовых соединений из оцинкованного (t=1,5 мм) и не оцинкованного (t=2 мм) листового проката. Соединения собирались с применением болтов М10 и М12 класса прочности 8.8.

Таблица 1 - Составы пакетов шайб

1. Для силовых пакетов шайб в скобках указанно количество шайб в пакете

Критерием при выборе пакетов шайб служила величина зазора, равная половине разности внутреннего и внешнего диаметров наружной и внутренней шайб (0,5Δd, рис.2). Данный зазор обеспечивает приемное пространство для сминаемых элементов. Соответственно, указанная величина принималась в 1,01 – 1,5 раза больше суммарной толщины соединяемых элементов [0,5Δd=(1,01 – 1,5) Σt] (рис.2).

Для исключения влияния сил трения на работу соединения, при изготовлении экспериментальных образцов соприкасающиеся поверхности соединяемых элементов были обработаны твердым смазывающим составом. Натяжение болтов осуществлялось при помощи динамометрического ключа. Критерием сборки являлось соприкосновение выравнивающей шайбы (рис.2, п.4) с поверхностью элемента. При сборке экспериментальных образцов проводился только визуальный контроль качества сборки.

В качестве силовой установки была использована гидравлическая машина ГМС-50. Для регистрации деформаций в околоболтовой зоне соединения устанавливались прогибомеры (рис.3).За предельное состояние соединений принимались суммарные деформации равные 3 мм.

Рис. 3 Модель испытываемых соединений

Испытания проводились на растягивающие усилия до полного исчерпания несущей способности соединения. Всего было испытано по 3 образца соединений для каждого типа пакетов шайб. Для качественного сравнения наравне с соединениями СВП проводились испытания обычных срезных соединений на болтах того же диаметра. Экспериментальные и расчетные усилия для испытанных соединений приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение экспериментальных и расчетных усилий одноболтовых соединений ТОП

В результате качественного сравнения первоначальных экспериментальных исследований установлено:

Для соединений на болтах М10

1. Экспериментально определено, что рациональными являются пакеты шайб с наружными шайбами М24 и М27.
2. Экспериментальное значение нагрузки соответствующее наступлению предельного состояния (D=3мм.) для соединений СВП на болтах М10 и с наружными шайбами М24 и М27 при толщине проката t=1,5 мм в 3,5 – 4,2 раза больше расчетного значения по критерию смятия по [5] для соединений на обычных болтах М10мм.
3. Экспериментальное значение нагрузки соответствующее наступлению предельного состояния (D=3мм) для соединений СВП на болтах М10 и с наружными шайбами М27 при толщине проката t=2,0 мм в 1,9 раза больше расчетного значения по критерию смятия по [5] для соединений на обычных болтах М10мм.

Для соединений на болтах М12

1. Экспериментально определено, что рациональными являются пакеты шайб с наружными шайбами М30.
2. Экспериментальное значение нагрузки соответствующее наступлению предельного состояния (D=3мм.) для соединений СВП на болтах М12 и с наружными шайбами М30 при толщине проката t=1,5 мм в 1,7 раз больше расчетного значения по критерию смятия по [5] для соединений на обычных болтах М12мм.
3. Экспериментальное значение нагрузки соответствующее наступлению предельного состояния (D=3мм.) для соединений СВП на болтах М12 и с наружными шайбами М30 при толщине проката t=2,0 мм в 0,51 раз меньше расчетного значения по критерию смятия по [5] для соединений на обычных болтах М12мм.

Увеличение несущей способности соединений СВП по сравнению с обычными соединениями на болтах М10 и М12 предположительно связано с передачей усилий в зоне взаимного гиба соединяемых элементов по внутреннему диаметру наружных шайб (п.7, рис.2), а не в зоне соприкосновения тонких кромок отверстия с телом болта. В связи с этим было проведено качественное сравнение результатов экспериментальных исследований с расчетными значениями по критерию смятия [5] одноболтовых болтовых соединений М24, М27, М30 и М36, соответственно наружным шайбам (п.7, рис.2):

Для соединений на болтах М10

1. Экспериментальное значение нагрузки соответствующее наступлению предельного состояния (D=3мм.) для соединений СВП на болтах М10 и с наружными шайбами М24 и М27 при толщине проката t=1,5 мм в 1,5 – 1,7 раз больше расчетного значения по критерию смятия по [5] для соединений на обычных болтах М24 и М27мм.
2. Экспериментальное значение нагрузки соответствующее наступлению предельного состояния (D=3мм) для соединений СВП на болтах М10 и с наружными шайбами М27 при толщине проката t=2,0 мм в 0,5 раза меньше расчетного значения по критерию смятия по [5] для соединений на обычных болтах М27мм.

Для соединений на болтах М12

1. Экспериментальное значение нагрузки соответствующее наступлению предельного состояния (D=3мм.) для соединений СВП на болтах М12 и с наружными шайбами М30 при толщине проката t=1,5 мм в 0,7 раза меньше расчетного значения по критерию смятия по [5] для соединений на обычных болтах М30мм.
2. Экспериментальное значение нагрузки соответствующее наступлению предельного состояния (D=3мм.) для соединений СВП на болтах М12 и с наружными шайбами М30 при толщине проката t=2,0 мм в 0,3 раза меньше расчетного значения по критерию смятия по [5] для соединений на обычных болтах М30мм.

Выводы:

1. Экспериментально определены рациональные пакеты шайб для болтов М10 и М12 для проката толщиной 1,5 и 2,0 мм.
2. На основании экспериментальных данных предполагается, что увеличение несущей способности соединений СВП по сравнению с обычными соединениями на болтах М10 и М12 связано с передачей усилий в зоне взаимного гиба соединяемых элементов по внутреннему диаметру наружных шайб (п.7, рис.2), а не в зоне соприкосновения тонких кромок отверстия с телом болта.
3. При увеличении внутреннего диаметра наружной шайбы значительно увеличивается деформативность соединения и снижается нагрузка соответствующая наступлению предельного состояния.
4. Необходимо разработать точные критерии контроля качества сборки.
5. Результаты проведенных первичных исследований подтверждают актуальность исследования соединений образованных продавливанием соединяемых элементов при помощи пакетов из шайб по ГОСТ, а также необходимость в разработке инженерной методики их расчета.

Список использованной литературы.

1. Коротких А.В. Особенности работы одноболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений тонкостенных оцинкованных профилей [Текст]/ А.В. Коротких, А.Н. Кретинин, И.И. Крылов//Изв.вузов. Строительство.-2009.-№10.-С.117-122.
2. Коротких А.В. Особенности работы двух- и трехболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений тонкостенных оцинкованных профилей [Текст] / А.В. Коротких, И.И. Крылов, В.Г. Черкасов // Изв.вузов. Строительство.- 2011.- № 2.- С. 3-14.
3. Кузнецов И.Л. Разработка и исследование новых типов соединений тонкостенных элементов [Текст]/ И.Л. Кузнецов, В.А. Вишневский//Тезисы докладов научно-практической конференции.-2005.-С.24.
4. Патент Пат. RU 2 264 507 C1, МПК Е 04 В 1/58, опубликованный 20.11.2005. Бюл. №32.
5. СНиП II.23-81*. "Стальные конструкции". – М.: ФГУП ЦПП, 2005. – 90 с.