План лекции : - сварные соединения ; - болтовые и заклепочные соединения ; - особенности работы и расчет фрикционных соединений на высокопрочных болтах

Соединения металлических конструкций предназначены для сопряжения отдельных элементов между собой. Выбор вида соединения зависит от вида напряженного состояния соединяемых элементов; величины и характера действующей нагрузки; формы сопрягаемых элементов; условий работы соединения и др. В металлических конструкциях применяют сварные, болтовые и заклепочные соединения. Сварные соединения – наиболее распространенные соединения. Они требуют на изготовление меньше времени и металла по сравнению с заклепочными и болтовыми соединениями.

Недостатки сварных соединений : 1. Возникновение при сварке внутренних остаточных напряжений, что усложняет работу соединения при динамических нагрузках и при низких температурах, способствует хрупкому разрушению. 2. Выполнение сварки часто бывает затрудненно при монтаже конструкций и соединение нескольких листов в пакеты. соединение нескольких листов в пакеты. Виды сварки. Сварка является основным видом соединений металлических конструкций. Она широко применяется как в заводских условиях, так и при монтаже на строительной площадке. Сварка упрощает конструктивную форму соединения, дает экономию металла. Применение сварных соединений значительно уменьшает трудоемкость изготовления конструкций. В строительстве применяется главным образом электродуговая сварка: ручная, автоматическая и полуавтоматическая, а также электрошлаковая. Ручная электродуговая сварка – универсальна и широко распространена, так как может выполняться в любом пространственном положении. Она часто применяется при монтаже в труднодоступных местах, где механизированные способы сварки не могут быть применены.

Электроды применяемые для ручной сварки, делятся на несколько типов по значению временного сопротивления металлического шва. Например: электрод Э42 позволяет получить шов имеющий σ в 410 МПа и применяется для сварки сталей имеющих σ в 430 МПа, Э50 – дает соответственно σ в 490 МПа и применяются для сварки сталей с σ в 520 МПа. Добавление к названию электрода А – данные электроды дают металл, обладающий повышенной пластичностью, характеризуемой относительным удлинением и повышенной ударной вязкостью.

В таблице 55 СНиП РК «Стальные конструкции. Нормы проектирования» помещены рекомендуемые сварочные материалы для сварки различных марок стали. Из таблицы видно, что сталям различной прочности рекомендуются различные марки сварочной проволоки и типы электродов, имеющих разное сопротивление металла шва.

Расчетные сопротивления сварных соединений для различных видов соединений и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в таблице 3.

Автоматическая и полуавтоматическая сварка – под флюсом осуществляется автоматом с подачей сварочной проволоки d = 2÷5 мм без покрытия. Дуга возбуждается под слоем флюса, флюс расплавляется легирует расплавленный металл с содержащимся в нем примесями и надежно защищает его от соприкосновения с воздухом. Металл получается чистым с меньшим количеством вредных примесей – О 2, N.

Электрошлаковая Благодаря хорошей теплозащите, расплавленный металл под слоем флюса остывает медленно, хорошо освобождается от пузырьков газов и шлака, и отличается значительной плотностью и частотой. Большая сила тока, хорошая теплозащита шва обеспечивают глубокое проплавление и большую скорость сварки. К недостаткам этой сварки относятся: затрудненность выполнения швов в вертикальном и потолочном положении в стесненных условиях. Электрошлаковая – разновидность сварки плавлением, этот тип сварки удобен для вертикальных стыковых швов толщиной 20 мм и более. Процесс сварки ведется голой электродной проволокой под слоем расплавленного шлака, сварочная волна защищена с боков медными формирующими шов ползунами, охлажденными проточной водой. Качество шва выполняемого этим способом получается высоким. Сварка в среде CO 2 ведется голой электродной проволокой d = 1,4÷2 мм, CO 2 при высоких температурах активно взаимодействует со сталью, окисляет её, что компенсируется повышенным содержанием раскислителей в электродной проволоке. Сварка в среде CO 2 может выполнятся в любом пространственном положении. Производительность этой сварки на 15 – 20% выше полуавтоматической под флюсом.

Виды сварных соединений. Различают следующие виды сварных соединений: стыковые, внахлестку, угловые, тавровые (впритык), таблица 2.1. Таблица Виды сварных соединений

Таблица 2.2 – Виды швов и пределы толщин свариваемых элементов в зависимости от вида сварки, мм

Работа и расчёт стыковых швов. Напряжение в стыковом шве, расположенном перпендикулярно оси элемента σ = N/ t·l w R wy ·γ c, где N – расчетное усилие; t – наименьшая толщина соединительных элементов; l w – расчетная длина шва, равная его полной длине, если начало и конец шва выведены за пределы стыка, или l w = l – 2·t, где l – фактическая длина шва; R wy – расчетное сопротивление сварного стыкового соединения сжатию или растяжению; γ c – коэффициент условий работы. Расчетное сопротивление стыкового шва при сжатии и при растяжении соединения, проверенного физическими методами контроля R wy = R y ; при растяжении не проверенного физическими методами контроля R wy = 0,85·R y ; при сдвиге соединения R ws = R s.

Если расчетное сопротивление сварки R wy меньше расчетного сопротивления основного металла и в стыкуемом элементе действующие напряжения превышают R wy – для увеличения шва его делают косым. Косые швы с наклоном реза tgα = 2:1, как правило, равнопрочный с основным металлом и не требуют проверки. Если приходится рассчитывать косые швы (при вибрационной нагрузке), то, расположив действующие усилие на направления перпендикулярно оси шва и вдоль шва, находим напряжения: перпендикулярно шву вдоль шва где - расчетная длина косого шва.

При действии изгибающего момента на соединение, где - момент сопротивления шва. Сварные стыковые соединения, работающие одновременно на нормальные напряжения и срез, проверяют по формуле, где σ wx и σ wy – нормальные напряжения в сварном соединении по двум взаимно перпендикулярным направлениям; τ wxy –касательное напряжение в сварном соединении.

Расчет соединений, выполненных угловыми швами. Ввиду сложности действительной работы угловых швов, рассматривается возможность разрушения шва от условного среза по двум сечениям: по металлу шва и по металлу границы сплавления. По металлу шва, где k f – катет шва; β f и β z – коэффициенты глубины проплавления шва; l w – расчетная длина шва, принимаемая меньше его фактической длины на 10 мм за счет непровара на концах шва; γ wf ; γ wz – коэффициент условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в районах I 1, I 2, II 2, II 3 – где γ wf = γ wz =0,85 для металла шва R wun = 410 МПа, γ wz =0,85 – для всех сталей; R wf - расчетное сопротивление условному срезу металла шва; R wz – расчетное сопротивление условному срезу металла границы сплавления R wz = 0,45 R un

Часто удобнее определять необходимую длину швов, задаваясь их толщиной k f – табл. 39 /5/.,, тогда фактическая длина l = l w +1 см. Необходимо иметь ввиду, что расчетная длина флангового шва должна быть не более, за исключением швов, в которых усилие действует на всем протяжении шва (поясные у главной балки). Если по расчету l w превышает 85β f k f, то приходится определять толщину шва k f, при котором необходимо иметь ввиду, что, t – наименьшая толщина соединяемых элементов. Исходя из возможной его расчетной длины, k f – принимать по табл. 39, /5/, по толщине более толстого из свариваемых элементов.

Расчетная длина углового сварного шва должна быть не менее 4k f и не менее 40 мм. При действии силы на элемент, прикрепленный двумя швами к другому элементу, на швы будут действовать сдвигающая сила и изгибающий момент. Напряжения от силы сдвига и момента должны суммироваться: по металлу шва: по металлу границы:, здесь γ wf = γ wz =1.

При прикреплении угловыми швами несимметричных профилей, например уголков, желательно, чтобы линия действия усилия проходила через центр тяжести соединения, то есть площади швов должны быть распределены обратно пропорционально расстояниям от шва до оси элемента. Таким образом, общая требуемая площадь швов Площадь большего шва на обушке ; Площадь меньшего шва на пере При равных k f по перу и на обушке соотношения следующие для равнополочных уголков: ;

Расчет комбинированных соединений. При расчете комбинированного соединения условно принимается, что напряжение в стыковом шве и в накладке одинаково. Тогда, при двухсторонней накладке, где А л – площадь сечения соединяемых листов; - суммарная площадь сечения накладок; - суммарная площадь сечения накладок; R wy – расчетное сопротивление шва сжатию или растяжению. R wy – расчетное сопротивление шва сжатию или растяжению. Требуемая длина угловых швов, приваривающих накладку с одной стороны стыка:, где N н – усилие в накладке.

Болтовые соединения широко применяются при монтаже конструкций. Их отличают простота выполнения и отсутствие сложного оборудования. В соединениях стальных конструкций применяют обычные болты ГОСТ *, высокопрочные болты ГОСТ и болты анкерные (фундаментные) ГОСТ Кроме обычных и высокопрочных болтов широкое распространение получили самонарезающие болты с окончанием, выполненным в виде сверла. С помощью таких болтов можно одновременно сверлить отверстие и нарезать резьбу. Болты обычные и высокопрочные используют для соединения элементов стальных конструкций друг с другом, а болты анкерные – для присоединения конструкций к фундаменту. Обычные болты бывают грубой, нормальной и повышенной точности или, соответственно, классов точности С, В и А, различаются допусками на отклонения диаметра болта от номинала. Для монтажных соединений применяют без расчета болты класса точности С, а для соединений, воспринимающих расчетные усилия, - болты класса точности В и А. Болты изготовляют диаметром 12 – 48 мм с длиной стержня 25 – 300 мм. Болтовые и заклепочные соединения

Болты класса точности С (грубой точности) ставят в отверстия, диаметр которых на 2 – 3 мм больше диаметра стержня болта. Отклонение диаметра болта от номинала 1 мм. Такие соединения обладают наибольшей деформативностью. Болты класса точности В (нормальной точности) устанавливают в отверстия, диаметр которых на 1 – 1,5 мм больше диаметра стержня болта. Отклонение диаметра болта от номинала 0,52 мм. Такие соединения менее деформативны по сравнению с соединениями на болтах класса точности С и требуют более высокой точности при образовании отверстий в соединяемых элементах конструкций. Болты класса точности А (повышенной точности) устанавливают в отверстия, которые просверлены на проектный диаметр в собранных элементах, и их диаметр больше диаметра стержня болта на 0,25 – 0,3 мм, а сами болты имеют только минусовый допуск на диаметр стержня. Такие болты изготовляют точением и поэтому они имеют высокую стоимость.

По прочности болты подразделяют на классы прочности. Класс прочности болта обозначают двумя цифрами, разделенными точкой, например, 4.6, 5.8, 6.6. В обозначении класса прочности болта закодированы механические свойства материала болта: - первая цифра, умноженная на 10, обозначает минимальный предел прочности материала болта в кН/см 2 ; - произведение чисел – предел текучести материала болта в кН/см 2 ; - вторая цифра, умноженная на 100, обозначает соотношение R yn /R un в %. Класс прочности указывают на головке болта выпуклыми цифрами.

Расчет болтовых соединений. Основной вид работы болтовых (заклепочных) соединений – работа на сдвиг. При этом болты могут разрушаться от перерезывания их стержней по плоскости среза или смятия поверхностей отверстий сопрягаемых элементов. Силы смятия могут вызвать выкол между отверстием и краем элемента. Кроме того, болтовые соединения могут работать на растяжение, рисунки 2.1, 2.2. а – срез болта в односрезном соединении б – то же, в двухсрезном Рисунок 2.1 – Схема работы болтовых соединений Рисунок 2.2 – Схема работы болтовых соединений на растяжение

Работу соединения можно разбить на четыре этапа: - на 1 этапе, пока силы трения между соединяемыми элементами не преодолены, сами болты не испытывают сдвигающих усилий и работают только на растяжение, все соединение работает упруго; - при увеличении внешней сдвигающей силы, силы внутреннего трения оказываются преодоленными и наступает 2-й этап – садвиг всего соединения на величину зазора между поверхностью отверстия и стержнем болта; - на 3-м этапе сдвигающее усилие в основном передается давлением поверхности отверстия на стержень болта; стержень болта и края отверстия постепенно обминаются; болт изгибается, растягивается, так как головка и гайка препятствуют свободному изгибу стержня; - постепенно плотность соединения расстраивается, силы трения уменьшаются и соединение переходит в 4-й этап работы, характеризующийся его упругопластической работой. Разрушение соединения происходит от среза болта, смятия и выкола одного из соединяемых элементов или отрыва головки болта. Работа болтового соединения а – болты грубой и нормальной точности; б – болты повышенной точности; в – высокопрочные болты; 1, 2, 3, 4 – этапы работы соединений

Расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом, определяется по формуле - из условия работы на срез ; - из условия работы на смятие ; - из условия работы на растяжение, где - расчетные сопротивления болтовых соединений, определяемые по таблицам 58, 59 (СНиП РК Нормы проектирования. Стальные конструкции.- Астана, с); - расчетная площадь сечения стержня болта, таблица 62; - площадь сечения болта нетто, таблица 62; - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении; - число расчетных срезов одного болта (на единицу меньше количества сопрягаемых элементов); - коэффициент условий работы соединения, принимаемый для многоболтовых соединениях класса точности А – 1,0, класса точности В и С – 0,9.

Количество болтов в соединении определяют по формуле, где - наименьшее значение расчетного усилия, воспринимаемого одним болтом, определенного выше, в зависимости от условий его работы; - коэффициент условий работы элементов конструкций, таблица 6.

Высокопрочные болты (сдвигоустойчивые) изготовляют из легированной стали, готовые болты термически обрабатывают. Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности (класс В), их ставят в отверстия большего диаметра, чем болт, но гайки затягиваются тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. Большая сила натяжения болта плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. При действии на такое соединение сдвигающих сил между соединяемыми элементами возникают силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно друг друга. Т.о. высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами, именно поэтому подобное соединение часто называют фрикционным. Особенности работы и расчет фрикционных соединений на высокопрочных болтах

Для увеличения сил трения поверхности элементов места стыков очищают от грязи, масла, ржавчины и окалины металлическими щетками, пескоструйным или дробеструйным аппаратом, огневой очисткой и не окрашивают. Иногда между соединяемыми поверхностями, очищенными металлическими щетками, вставляют тонкую стальную прокладку, имеющую с двух сторон покрытие полимерным клеем с корундовым порошком. Такое решение позволяет выравнивать перепад плоскостей стыкуемых деталей и одновременно дает высокий коэффициент трения. Для улучшения работы соединения иногда применяют комбинированное клееболтовое соединение, в котором соединяемые поверхности склеивают специальными клеями, а затем стягивают высокопрочными болтами. Преимущества соединений на высокопрочных болтах в простоте устройства соединения; по качеству работы они не уступают сварным соединениям, но уступают по расходу металла.

Соединения на высокопрочных болтах рассчитывают в предположении передачи действующих в стыках и прикреплениях усилий через трение, возникающее по соприкасающимся плоскостям соединяемых элементов от натяжения высокопрочных болтов. При этом распределение продольной силы между болтами следует принимать равномерным. Расчетное усилие Q bh, воспринимаемое поверхностью трения под одним высокопрочным болтом определяют по формуле, где - расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; μ - коэффициент трения, таблица 37, / СНиП /; γ h - коэффициент надежности, таблица 37; - площадь сечения болта нетто, таблица 62, / СНиП /; γ b - коэффициент условий работы соединения, принимаемый равным 0,8 при п < 5; 0,9 при 5 < п < 10 и 1 при п 10.

Количество высокопрочных болтов в соединении при действии продольной силы определяют по формуле, где k – количество поверхностей трения соединяемых элементов; N – действующее усилие. Натяжение высокопрочного болта следует производить осевым усилием. Расчет на прочность соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под высокопрочные болты, следует выполнять с учетом того, что половина усилия, приходящегося на каждый болт, в рассматриваемом сечении уже передана силами трения. А п А, При этом проверку ослабленных сечений следует производить при динамических нагрузках – по площади сечения нетто А п, при статических нагрузках – по площади сечения брутто А, если А п 0,85А либо по условной площади А с =1,18А п, если А п <0,85А.

Все болты следует размещать в соответствии с таблицей Характеристика расстояния Расстояния при размещении болтов 1. Расстояния между центрами болтов в любом направлении: а) минимальное б) максимальное в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков при растяжении и сжатии в) максимальное в средних рядах, а также в крайних рядах при наличии окаймляющих уголков: при растяжении при сжатии 2,5d* 8d или 12t 16d или 24t 12d или 18t 1. Расстояния от центра болта до края элемента: а) минимальное вдоль усилия б) то же, поперек усилия: при обрезных кромках при прокатных кромках в) максимальное г) минимальное для высокопрочных болтов при любой кромке и любом направлении усилия 2d 1,5d 1,2d 4d или 8t 1,3t * В соединяемых элементах из стали с пределом текучести свыше 380 МПа минимальное расстояние между болтами следует принимать равным 3d. Обозначения, принятые в таблице: d – диаметр отверстия для болта; t – толщина наиболее тонкого наружного эл-та.

ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Заклепочные соединения при изготовлении строительных стальных конструкций в настоящее время не применяются вследствие своей нетехнологичности. При изготовлении же конструкций из алюминиевых сплавов заклепочные соединения выполняют в элементах, подвергающихся значительным статическим и динамическим воздействиям. Заклепки с круглой, потайной или полупотайной головками изготовляют из алюминиевых сплавов с большей пластичностью, чем соединяемые элементы. Соединения выполняют холодной клепкой, при которой достигается лучшее заполнение отверстия стержнем заклепки и не снижается прочность основного металла. Процесс клепки состоит в плотном заполнении отверстий в соединяемых элементах и образовании второй головки заклепки, называемой замыкающей. Расчет заклепочных соединений производится так же, как и болтовых соединений.

а – заклепка с круглой головкой в – заклепка с полупотайной головкой б – заклепка с потайной головкой