Болтовые соединения металлоконструкций

Болты для соединения металлических конструкций начали использовать с середины XVIII века, когда конструкции изготавливались из чугуна. К концу XIX века они были вытеснены заклепками, но сегодня болтовые соединения вновь популярны в строительстве.

Преимущества болтовых соединений:

• Низкая трудоемкость и простота монтажа.

• Исключение сварки, качество которой сложно контролировать.

• Высокая надежность.

• Разнообразие конструктивных форм.

Недостатки:

• Большая металлоемкость, так как требуются дополнительные элементы (болты, гайки, шайбы), что может удорожать конструкции.

• Ослабление сечений соединяемых элементов из-за отверстий для болтов, что требует учета в расчетах.

• Необходимость высокой культуры производства, что возможно только на современном оборудовании.

Типы болтов:

• Высокопрочные болты с контролируемым натяжением.

• Обычные болты (грубой, нормальной и повышенной точности).

• Анкерные болты для соединения с фундаментами.

Стержень болтов имеет гладкую часть и нарезную. Болты повышенной точности (класс А) требуют больших допусков и внимания при изготовлении, так как диаметр отверстий должен быть на 0,2-0,3 мм больше диаметра болта. Эти болты изготавливаются из углеродистых сталей и подходят для соединений, подвергающихся значительным сдвигающим усилиям.

Выбор и использование болтов в стальных конструкциях

Для расчетных монтажных соединений стальных конструкций оптимально использовать болты класса В (нормальной точности). Для конструктивных соединений подойдут болты класса В или С (грубой точности), однако класс С рекомендуется применять только в конструктивных соединениях.

Изготовление и характеристики:

• Болты классов В и С изготавливаются из углеродистых сталей.

• Повышение прочности достигается горячей или холодной высадкой (штамповкой) или термообработкой.

• Для класса В диаметр отверстий должен быть на 1-2 мм больше диаметра болта, а для класса С - на 2-3 мм.

В настоящее время использование болтов класса С не рекомендуется. Отверстия под болты выполнят сверлением или продавливанием, что может привести к несовпадению осей и затруднить плотную посадку болта.

Начальное напряжение и надежность соединения: Для эффективной работы болтового соединения начальное напряжение должно быть максимальным, желательно около 170 МПа. При недостаточном натяжении растягивающие напряжения от нагрузки могут превышать начальные, что приводит к щелям и ослаблению болтов.

Чтобы предотвратить ослабление, используют:

• Вторые гайки (контргаеки)

• Пружинные шайбы

• Засечки резьбы

• Приварку гаек

Классы прочности: При изготовлении и монтаже болты различают не только по классам точности, но и по классам прочности (от 5.6 до 12.9). Первое число в обозначении, умноженное на 100, указывает на временное сопротивление в МПа, а произведение первого и второго чисел, умноженное на 10, - на предел текучести.

Высокопрочные болты (класс В) изготавливаются из легированной стали и проходят термообработку для повышения прочности. Они затягиваются с определенным усилием с помощью тарировочного ключа, что приводит к их растяжению и созданию давления в соединении. Передача усилия при сдвигающей нагрузке происходит благодаря силам трения, которые препятствуют сдвигу элементов. Такие соединения называют сдвигоустойчивыми или фрикционными. Сила трения зависит от шероховатости поверхностей, поэтому элементы очищают от грязи и ржавчины, используя дробеструйную или газопламенную обработку.

Для надежности соединения элементы должны иметь одинаковую толщину. Высокопрочные болты рекомендуется использовать в соединениях с большими сдвигающими и динамическими нагрузками. Также возможны фрикционно-срезные соединения, где усилия передаются силами трения, среза и смятия болта, с остаточными перемещениями, зависящими от плотности посадки.

Работа и расчет болтовых соединений

Болтовые соединения делятся на одноболтовые и многоболтовые в зависимости от количества болтов. По способу передачи усилия различают:

• Несдвигоустойчивые соединения - с неконтролируемым натяжением болтов, где силы трения не участвуют в передаче нагрузки.

• Сдвигоустойчивые соединения - на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением, где силы трения играют важную роль.

Если натяжение высокопрочных болтов не контролируется, соединения также считаются несдвигоустойчивыми.

Болтовые соединения без контролируемого натяжения

Болтовые соединения без контролируемого натяжения могут работать в нескольких режимах:

• На сдвиг - усилие направлено перпендикулярно осям болтов.

• На растяжение - усилие параллельно осям болтов.

• На совместное действие среза и растяжения - усилие направлено под углом к осям болтов.

Схемы работы этих соединений представлены на рисунке.

Схемы работы болтового соединения:
а) на сдвиг; б) на растяжение; в) на сдвиг с растяжением

В соединениях с неконтролируемым натяжением болты не создают определенных сил сжатия, и считается, что силы трения недостаточны для передачи сдвиговых усилий. Работа таких соединений условно делится на четыре этапа:

1. Первый этап: Нагрузки не превышают силы трения, болты работают только на растяжение, и сдвигающие усилия отсутствуют. Работа соединения напоминает сдвигоустойчивое соединение.

2. Второй этап: При увеличении сдвигающей нагрузки силы трения преодолеваются, и происходит сдвиг соединения на величину разницы в диаметрах отверстия и болта.

3. Третий этап: Болты начинают передавать усилие по поверхности контакта. Возникает смятие стержня и краев отверстий, болт изгибается, срезается и растягивается.

4. Четвертый этап: Развиваются пластические деформации. Разрушение соединения может произойти по нескольким причинам: срез болта, разрыв, смятие или вырыв части элемента.

Неидеальная форма стержня и отверстия усложняет работу соединения, особенно в многоболтовых системах, что приводит к неравномерности нагружения. Для учета неопределенностей вводится коэффициент условий работы соединения γb.

Расчет болтового соединения на сдвигающее усилие учитывает два варианта разрушения - срез болта и смятие отверстия. Смятие исключается с помощью соответствующего класса прочности болтов, а вырыв кромки предотвращается правильным размещением отверстий.
Усилие, которое один болт может воспринять из условия прочности на срез, определяется как:

1. Сопротивление болта на срез:

   • Rbs - расчетное сопротивление болта на срез, определяемое по таблице в зависимости от класса прочности.

   • Ab - площадь поперечного сечения болта (брутто), без учета ослабления резьбой.

   • ns - число расчетных срезов одного болта.

   • γb - коэффициент условий работы болтового соединения.

   • γc - коэффициент условий работы конструкции.

1. Сопротивление на смятие:

   • Rbp - расчетное сопротивление соединения на смятие, определяемое по прочностным свойствам стали.

   • db - наружный диаметр стержня болта.

   • Σt - наименьшая суммарная толщина соединяемых элементов, сминаемых в одном направлении.

1. Многоболтовые соединения:

   • При действии силы N, приложенной в центре тяжести соединения, усилие распределяется поровну между болтами. Требуемое количество болтов определяется по формуле, где Nbmin - наименьшая несущая способность одного болта (на срез или смятие). Если используется односторонняя накладка, количество болтов увеличивают на 10%.

1. Соединения на растяжение:

   • В этих соединениях разница в диаметрах отверстия и болта не влияет на работу. Прочность зависит только от прочности материала болта на растяжение.

   • Rbt - расчетное сопротивление материала болта на растяжение.

   • Abn - площадь поперечного сечения болта (нетто), с учетом ослабления резьбой.

При действии силы N, приложенной в центре тяжести, усилие также распределяется поровну между болтами, требуемое количество которых определяется аналогичной формулой.

Болтовые соединения с контролируемым натяжением

При затягивании болтов на контактирующих поверхностях соединяемых элементов возникают силы трения. В соединениях без контроля натяжения высокопрочные болты работают на срез, как обычные, и передача усилия происходит за счет сопротивления болтов срезу и смятию соединяемых элементов.
Фрикционные (сдвигоустойчивые) соединения на высокопрочных болтах имеют контролируемое усилие натяжения. Для обеспечения надежности натяжение болта не должно превышать 70% прочности сечения на растяжение:

• Rbun - временное сопротивление болта на растяжение.

• Abn - площадь поперечного сечения болта (нетто).

Усилие, воспринимаемое каждой плоскостью трения, определяется через:

• μ и γh - коэффициенты трения и надежности соединения.

Для многоболтовых фрикционных соединений предполагается, что все болты работают одинаково. При действии силы N, приложенной в центре тяжести, сила трения, создаваемая натяжением, пропорциональна количеству болтов. Требуемое количество болтов рассчитывается по формуле:

• k - число плоскостей трения.

• γc - коэффициент условий работы конструкции.

• γb - коэффициент условий работы соединения, зависящий от числа болтов (0,8 при n < 5; 0,9 при 5 ≤ n < 10; 1,0 при n ≥ 10).

Сдвигающее действие в соединении может вызывать и изгибающий момент, в этом случае расчет соединения выполняют, принимая, что усилия в болтах пропорциональны расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта:
Работа болтового соединения при действии изгибающего момента
Из условия равновесия соединения следует, что момент, действующий на соединение, уравновешивается суммой моментов усилий в болтах относительно центра тяжести соединения:
С учетом формулы (N1 | P1 = N2 | P2) усилия в болтах можно выразить через усилие в самом нагруженном болте и переписать уравнение (6.2.10) в виде:

Используя выше указанное уравнение можно проверить прочность болтового соединения на действие момента.

Конструирование болтовых соединений

Болтовые соединения используются для создания узлов, соединяющих различные элементы, а также для стыковки двух частей одной конструкции.

Стык листового металла можно выполнить с помощью накладок: двусторонних или односторонних. Двусторонние накладки обеспечивают симметричную передачу усилия, что предпочтительнее для надежности соединения.
Стык листовой детали с двухсторонними (а) и односторонними (б) накладками
В стыках с односторонней накладкой передача усилия происходит с эксцентриситетом, что вызывает изгибающие моменты. Поэтому расчетное количество болтов необходимо увеличить на 10%.
При проектировании важно передавать усилия по короткому пути. Оптимальное расположение болтов - по прямым линиям, параллельным усилию. Расстояние между соседними рисками называется дорожкой, а между болтами - шагом.
1 - уголковая накладка, 2 - фаска, 3 - прокладка, 4 - листовая накладка
Расстановка может быть рядовой или шахматной. В фасонном прокате указаны положения рисок и максимальные диаметры отверстий в специальных нормалях.
Размещение болтов по рискам: а) рядовое; б) шахматное
При размещении следует учитывать минимальные и максимальные расстояния между центрами отверстий, чтобы избежать разрушения на вырыв и обеспечить устойчивость элементов.
Крепление уголка одной полкой с шахматным размещением болтов должно учитывать, чтобы отверстие, удаленное от конца, находилось на риске, ближайшей к обушку. В соединениях на растяжение применяют болты класса точности В или высокопрочные, а на скошенных поверхностях устанавливают косые шайбы.
При проектировании болтовых соединений следует обеспечивать возможность свободного доступа для установки болтов, плотного стягивания пакета болтами и закручивания гаек с применением динамометрических ключей:

Примечания.
1. В таблице приняты следующие обозначения: d - диаметр отверстия для болта;t - толщина наиболее тонкого наружного соединяемого элемента; u - расстояниепоперек усилия между рядами отверстий.
2. Диаметр отверстий для болтов класса точности А следует принимать равным номинальному диаметру болта, для болтов класса точности В в конструкциях опор ВЛ,ОРУ и КС - на 1мм больше диаметра болта, в остальных случаях на 1, 2 или 3ммбольше диаметра болта.
Требования к компоновке болтовых соединений с учетом габаритов для применения гаечных ключей или гайковерта указаны в ГОСТ 13682