Федеральное агентство по образованию иркутский государственный технический университет
Скачать 7.53 Mb.
|
Расчетные сопротивления срезу и растяжению болтов
П р и м е ч а н и е. В таблице указаны значения расчетных сопротивлений для одноболтовых соединений. Таблица 10.25 Расчетные сопротивления смятию Rвр элементов, соединяемых болтами
При действии на соединение момента, вызывающего сдвиг соединяемых элементов, распределение усилий на болты следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта (см. рис. 10.38, б). Усилие в наиболее нагруженном болте Nb,max не должно превышать меньшего из значений Nbs или Nbp. Таблица 10.26 Площади сечения болтов согласно СТ СЭВ 180-75, СТ СЭВ 181-75 и СТ СЭВ 182-75
* Болты указанных диаметров применять не рекомендуется. Таблица 10.27 Коэффициенты условий работы соединения
Обозначения, принятые в таблице: a – расстояние вдоль усилия от края элемента до центра ближайшего отверстия; b – то же, между центрами отверстий; d– диаметр отверстия для болта. Примечания: 1. Коэффициенты, установленные в поз. 1 и 2, следует учитывать одновременно. 2. При значениях расстояний a и b, промежуточных между указанными в поз. 2 и в табл. 2.2, коэффициент b следует определять линейной интерполяцией. При одновременном действии на болтовое соединение силы и момента, действующих в одной плоскости и вызывающих сдвиг соединяемых элементов, определяют равнодействующее усилие в наиболее нагруженном болте (рис. 10.39), которое не должно превышать меньшего из значений Nbs или Nbp. Рис. 10.39. Усилия в болтах при одновременном действии N и M При одновременном действии на болтовое соединение усилий, вызывающих срез и растяжение болтов, наиболее напряженный болт наряду с проверкой на растяжение проверяется по формуле где Ns иNt– усилия, действующие на болт, срезывающее и растягивающее соответственно; Nbs и Nbt – расчетные усилия (с заменой в формулах Abn на Аb). Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, проверяются отдельно на срез и растяжение. Болты, работающие на срез от одновременного действия продольной силы и момента, проверяются на равнодействующее усилие. В соединениях внахлестку и посредством односторонних накладок возникает не учитываемый расчетом дополнительный изгибающий момент, поэтому количество болтов в соединении увеличивается на 10% сверх расчетного. То же относится к соединениям, где передача усилия осуществляется через прокладки. При креплении выступающих полок уголков или швеллеров с помощью коротышей количество болтов, прикрепляющих одну из полок коротыша, должно быть увеличено против расчета на 50%. Пример 10.11. Рассчитать и законструировать болтовое соединение двух центрально-растянутых листов сечением b×t = 300×20 мм посредством двусторонних накладок. Расчетное усилие N = 1000 кН (рис. 10.40). Материал листов и накладок – сталь С255 с расчетным сопротивлением Ry = 240 МПа и нормативным сопротивлением Run = 370 МПа. Болты класса прочности 5.6. Рис. 10.40. Соединение на болтах нормальной точности Назначаем толщину каждой накладки tн = 12 мм (из условия равнопрочности со стыкуемыми листами принимается не менее половины толщины листов t). Число срезов ns = 2. Наименьшая толщина элементов, сминаемых в одном направлении, Σtmin = t= 20 мм. Принимаем болты с наружным диаметром d = 20 мм и отверстия под них dо = 23 мм. Площадь болта А = 3,14 см2. Определяем расчетные сопротивления болтов: – срезу Rbs = 190 МПа = 19 кН/см2 (см.табл. 10.24); – смятию элементов из стали класса С255 Rbp= 450 МПа = 45 кН/см2 (см. табл. 10.25). Коэффициент условий работы соединения γb = 0,9 (см. табл. 10.27). Требуемое количество болтов: – из условия среза n ≥ N/ (Rbs γb А ns) = 1000 / (16 · 0.9 · 3,14 · 2) = 11,06; – из условия смятия n ≥ N/ (Rbp γbd Σtmin) = 1000 / (45 · 0.9 · 2 · 2) = 6,17. Принимаем количество болтов из условия среза n = 12. Располагаем болты в рядовом порядке. Минимальное расстояние между болтами в любом направлении a = 2,5dо = 2,5 · 23 = 57,5 мм. Принимаем a = 70 мм (k = 4 – по ширине листа). Минимальные расстояния от центра болта до края элемента: – вдоль усилия c ≥ 2 do= 2 · 23 = 46 мм, принимаем c = 50 мм; – поперек усилия c1 ≥ 1,5do= 1,5 · 23 = 34,5 мм. Принимаем c1 = (b– 3a) / 2 = (300 – 3 · 70) / 2 = 45 мм. Проверяем прочность листа по ослабленному отверстиями сечению, для чего определяем площадь сечения листа нетто: An = (b – kdo) t= (30 – 4 · 2,3) · 2 = 41,6 см2. Проверка прочности по нормальным напряжениям: σ = N/ A = 1000 / 41,6 = 24,04 кН/см2 = 240,4 МПа ≈ Ry γc = 240 МПа. Определяем длину накладки: lн = 2 (2a+ 2c +Δ) = 2 (2 · 70 + 2 · 50 + 10) = 490 мм. 10.2.3. Фрикционные соединения на высокопрочных болтах Прочность соединений на высокопрочных болтах зависит от сил трения, величина которых определяется натяжением болта P и коэффициентом трения μ. Осевое усилие натяжения Pвысокопрочного болта определяют из выражения: P = RbhAbn, где – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; Rbun – наименьшее временное сопротивление (браковочный минимум по σu) высокопрочного болта разрыву (табл. 10.28); – площадь сечения болта нетто (см. табл. 10.26). Контролируют натяжение болтов при помощи специальных динамометрических ключей (с контролем крутящего момента М) или тарированным гайковертом (с контролем угла поворота гайки ) Для изготовления высокопрочных болтов применяют легированные стали, так как они обладают хорошей прокаливаемостью, что обеспечивает более равномерное распределение механических свойств по сечению болта после его термической обработки (закалки и отпуска). Таблица 10.28 Механические свойства высокопрочных болтов по ГОСТ 22356 – 77*
Диаметры болтов во фрикционном соединении принимают не менее толщины наиболее толстого из соединяемых элементов. При большом количестве болтов в соединении их диаметр назначают возможно большим. Расчетное усилие Qbh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяется по формуле где – коэффициент трения, принимаемый по табл. 10.29 в зависимости от способа обработки поверхности (огневую обработку поверхности разрешают применять при толщинах металла не менее 5 мм); – коэффициент надежности соединения (табл. 10.29), зависящий от характера нагрузки, воспринимаемой соединением, разности номинальных диаметров отверстий и болтов, способов контроля натяжения болтов и обработки поверхностей соединяемых деталей; b – коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества n болтов, необходимых для восприятия расчетного усилия, и принимаемый равным 0,8 при n< 5; 0,9 при 5 n< 10; 1,0 при n 10. Таблица 10.29 Коэффициенты трения и надежности h
П р и м е ч а н и я: 1. Способ регулирования натяжения болтов по М означает регулирование по моменту закручивания, а по – по углу поворота гайки. 2. Допускаются другие способы обработки соединяемых поверхностей, обеспечивающие значения коэффициентов трения не ниже указанных в таблице. Необходимое количество n высокопрочных болтов в соединении для восприятия продольной силы N определяют по формуле где k– количество поверхностей трения соединяемых элементов. с – коэффициент условий работы элемента конструкции. Площади сечения накладок должны быть не меньше площади сечения перекрываемых ими элементов. Высокопрочные болты и их площади сечения, рекомендуемые к применению в конструкциях средней мощности, приведены в табл. 10.26. Расчет на прочность соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под высокопрочные болты, следует выполнять с учетом того, что половина усилия, приходящаяся на каждый болт, в рассматриваемом сечении уже передана силами трения. При этом проверку ослабленных сечений следует производить: при динамических нагрузках – по площади сечения нетто An, при статических нагрузках – по площади сечения брутто А при An 0,85Aлибо по условной площади Ac = 1,18Anпри An < 0,85A. Пример 10.12. По исходным данным примера 10.11 рассчитать фрикционное болтовое соединение на высокопрочных болтах. Стык осуществляем высокопрочными болтами из стали 40Х «селект», имеющей наименьшее временное сопротивление Rbun = 1100 МПа = 110 кН/см2 (см. табл. 10.28). Болты db = 20 мм, диаметры отверстий подболты – d = 22 мм. Способ регулирования натяжения высокопрочных болтов – по моменту закручиванияM. Способ обработки поверхностей – стальными щетками без консервации. Расчетное усилие Qbh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом: Qbh = RbhγbAbnμ/ γh = 77 ∙ 1 ∙ 2,45 ∙ 0,35 / 1,17 = 56,43 кН, где Rbh = 0,7Rbun = 0,7 ∙ 110 = 77 кН/см2 – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; – площадь сечения нетто болтаdb = 20 мм (см. табл. 10.26); – коэффициент трения (см. табл. 10.29); – коэффициент надежности (см. табл. 10.29); b = 1,0 – коэффициент условий работы соединения (см. табл. 10.27). Количество болтов n на каждую сторону от центра стыка где k = 2 – количество поверхностей трения соединяемых элементов. Принимаем 9 болтов. 2.4. Монтажный стык балки на высокопрочных болтах Пример 10.13. Рассчитать монтажный стык на высокопрочных болтах в середине разрезной сварной балки (рис. 10.41), изготовленной из стали класса С255, имеющего расчетное сопротивление материала Ry = 240 МПа = = 24 кН/см2. Балка двутавровая составлена из трех прокатных листов следующего сечения: стенка – 1500×12 мм с площадью Аw = 180 см2; два пояса – 450×25 мм с площадью Аf = 112,5 см2 каждый. Максимальный изгибающий момент в середине балки Mmax= 4651,14 кН·м, поперечная сила отсутствует (Q= 0). Момент сопротивления балки Ix = 1645664 см4; момент инерции стенки Iw = 337500 см4. Способ регулирования натяжения высокопрочных болтов – по моменту закручиванияM. Способ обработки поверхностей – газопламенный. Рис. 10.41. Монтажный стык сварной балки на высокопрочных болтах Монтажные стыки на высокопрочных болтах выполняются с накладками (по три на каждом поясе и по две на стенке). Площади сечения накладок должны быть не меньше площадей сечения перекрываемых ими элементов. Рекомендуемые к применению в конструкциях средней мощности высокопрочные болты с диаметрами 16; 20; 24 и 30 мм. Принимаем болты db = 24 мм. Диаметр отверстия d под болт делается на 2…3 мм больше db. Назначаем отверстие d= 26 мм. Размещение болтов производится согласно требованиям (см. табл. 10.23). Минимальное расстояние между центрами болтов (шаг болтов) в расчетных соединениях определяется условиями прочности основного металла и принимается в любом направлении равным amin = 2,5d = 2,5 · 26 = 65 мм. Принимаем а = 70 мм. Максимальное расстояние между болтами определяется устойчивостью сжатых частей элементов в промежутках между болтами (в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков amax ≤ 12tmin = 12 · 10 = 120 мм, где tmin– толщина наиболее тонкого наружного элемента) и обеспечением плотности соединения: Минимальное расстояние от центра болта до края элемента для высокопрочных болтов в любом направлении усилия сmin ≥ 1,3d = 1,3 · 26 = 33,8 мм. Принимаем с = 50 мм. Ширина верхней накладки пояса принимается равной ширине пояса балки bnf =bf= 450 мм. Ширина каждой нижней накладки пояса определяется: b′nf = [bf – (tw + 2kf + 2Δ)] / 2 = [450 – (12 + 2 ∙ 7 + 2 ∙ 10)] / 2 = 202 мм, где Δ = 10…15 мм – конструктивный зазор. Толщина каждой накладки пояса tnf= tf / 2 + 2 = 25 / 2 + 2 = 14,5 мм. Принимаем верхнюю накладку из листа 45014 мм с площадью сечения Аnf = 63 см2 и две нижних накладки из листа 20014 мм с площадью сечения А′nf = 28 см2. Суммарная площадь накладок Аn = Аnf + 2А′nf = 63 + 2 ∙ 28 = 119 см2 > Аf = 112,5 см2. Горизонтальные болты располагаем в 4 ряда на одной полунакладке. Определяем длину (высоту) двух вертикальных накладок: lnw = hw– 2(tnf + Δ) = 1500 – (14 + 10) = 1450 мм. Ширина вертикальных накладок bnw = 2а + δ + 4c = 2 · 70 + 10 + 4 · 50 = 350 мм, где δ = 10 мм – зазор между элементами. Толщину одной вертикальной накладки tnw принимаем равной толщине стенки tw за вычетом 2 мм (tnw = 10 мм). Максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов (с учетом расстояния до края элемента с = 50 мм) а1= 1450 – 2 ∙ 50 = 1350 мм. Стык осуществляем высокопрочными болтами db = 24 мм из стали 40Х «селект», имеющей наименьшее временное сопротивление: Rbun = 1100 МПа = 110 кН/см2 (см. табл. 10.28). Расчетное усилие Qbh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяется по формуле где – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; Abn = 3,52 см2 – площадь сечения нетто болта db = 24 мм (см. табл. 10.26); – коэффициент трения при газопламенном способе обработке поверхностей (см. табл. 10.29). – коэффициент надежности, принимаемый при статической нагрузке и разности номинальных диаметров отверстий и болтов с использованием регулирования натяжения болтов по М при газопламенном способе обработки поверхностей; b – коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества болтов в соединении. Определяем: Расчет стыков поясов и стенки производим раздельно. Приравнивая кривизну балки в целом (здесь – радиус кривизны) кривизне ее составляющих – стенки Mw / (EIw) и поясов Mf/ (EIf), находим изгибающие моменты в стенке Mw и поясах Mf, которые распределяются пропорционально их жесткостям, соответственно EIw и ЕIf. Момент инерции стенки Iw = 337500 см4. Момент инерции поясов Изгибающий момент в стенке Изгибающий момент в поясах Расчет стыка пояса. Расчетное усилие в поясе определяется по формуле Количество болтов n на каждую сторону от центра стыка балки для прикрепления накладок пояса определяем по формуле где ks = 2 – количество поверхностей трения соединяемых элементов. Принимаем 12 болтов и размещаем их согласно рис. 10.41. Длина горизонтальных накладок назначается конструктивно из условия размещения болтов: lnf = 2 (n1a + 2c) + δ = 2 (2 70 +2 ∙ 50) + 10 = 490 мм, где n1 = (3 – 1) – количество рядов болтов на полунакладке за минусом 1. Расчет стыка стенки. Расчетный момент, приходящийся на стенку, уравновешивается суммой внутренних пар усилий, действующих на болты. Максимальное горизонтальное усилиеNmax от изгибающего момента, действующее на каждый крайний наиболее напряженный болт, не должно быть больше несущей способности Qbhks. Условие прочности соединения Nmax = Mwamax / (mΣ ai2) ≤Qbhksγс, где аi– соответствующее расстояние между парами сил в болтах; amax = a1 – максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов; m – число вертикальных рядов болтов на полунакладке. Для определения числа рядов болтов по вертикали k и назначения их шага а вычисляем коэффициент стыка: = Mw/(mamaxQbhks) = 95543 / (2 135 101,64 2) = 1,74. Принимаем по табл. 10.30 число горизонтальных рядов болтов k = 8. Определяем шаг болтов по вертикали: a = amax/(k – 1) = 135 / (8 – 1) = 19,29 см. Таблица 10.30 Коэффициенты стыка стенки балок
Шаг a округляется до 5 мм и должен укладываться целое число раз в расстояние между крайними рядами болтов a1. Окончательно принимаем по высоте накладки 8 рядов болтов с шагом а = 200 мм, что меньшеamax = 208 мм. Максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов а1 = (8 – 1) ∙ 200 = 1400 мм и а2 = 1000 мм, а3 = 600 мм, а4 = 200 мм (см. рис. 10.41). Длина вертикальных накладок (при с = 35мм > сmin = 33,8 мм) lnw =(k – 1) a + 2c = (8 – 1) 200 + 2 ∙ 35= 1470 мм. Проверяем стык стенки по прочности наиболее нагруженного болта: Nmax = 953,88 · 1,4 / [2 (1,42 + 12 + 0,62 + 0,22)] = = 198,73 кН <Qbhksγс = 101,64 · 2 · 1 = 203,28 кН. Условие выполняется. При наличии в месте стыка поперечной силы Q стык стенки рассчитывается на совместное действие поперечной силы Q и части изгибающего момента, воспринимаемого стенкой Mw. Наиболее напряженный крайний болт рассчитывается на равнодействующую усилий по формуле где V = Q/n – вертикальная составляющая усилия, действующая на один болт в предположении, что поперечная сила Q полностью передается на стенку и принимается распределенной равномерно на все болты n, расположенные на полунакладке с одной стороны стыка. Проверяем элементы, ослабленные отверстиями под болты d = 26 мм. Пояс ослаблен по краю стыка четырьмя отверстиями (nas = 4) сечением Adf = 2 dtf = 4 · 2,6 · 2,5 = 26 см2. Площадь сечения нетто пояса определится: An,f = Af – Adf = 45 · 2.5 – 26 = 86,5 см2 < 0.85Af = 0,85 ∙ 112,5 = 95,63 см2 Проверку ослабленного сечения пояса производим по условной площади Ac,f = 1,18An,f = 1,18 ∙ 86,5 = 102,07 см2. Полагая, что половина усилия, приходящегося на каждый болт, воспринимается силами трения, расчетное усилие в поясе и накладках, ослабленных четырьмя болтами в крайнем ряду, определяем по формуле Производим проверку прочности ослабленного пояса: Прочность пояса в месте монтажного стыка обеспечена. Ослабление накладок четырьмя отверстиями (nas = 4) по крайнему ряду Adn = nas nn d tnf= 4 · 2 · 2,6 · 1,4 = 29,12 см2. Площадь сечения нетто накладок Условная площадь Ac,n = 1,18An,nf = 1,18 ∙ 89,88 = 106,06см2. Производим проверку прочности накладок: Прочность накладок обеспечена. При необходимости увеличивается толщина накладок tnf. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Металлические конструкции: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений / Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева [и др].; Под ред. Ю.И. Кудишина. – 9-е изд., стер. – М.: ИЦ «Академия», 2007. – 688 с.: ил. Металлические конструкции: в 3 т.: учеб. для строит. вузов / В.В. Горев [и др.]; под ред. В.В. Горева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2001. – Т. 1: Элементы конструкций. – 551 с. Металлические конструкции. в 3 т.: учеб. для строит. вузов / В.В. Горев [и др.]; под ред. В.В. Горева. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002. – Т. 2. Конструкции зданий. – 528 с. 4. Металлические конструкции. Справочник проектировщика: в 3 т. / под общ. ред. В.В. Кузнецова. – М.: Изд-во АСВ, 1998. – 3 т. ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. – М.: Стройиздат, 1998. – 6 с. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2005. – 90 с. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой России. – М.:, 2003. – 44 с. СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2003. – 132 с. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах. – М.: ГП ЦПП, 2003. – 52 с. 10.СНиП III-18-75. Металлические конструкции. Правила производства и приемки работ. – М.: Стройиздат, 1996. – 103 с. 11.ГОСТ 9467-75*. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы. – М.: ИПК Изд - во стандартов, 1997. – 23 с. 12. Сварка строительных металлоконструкций: учеб. для вузов / В.М. Рыбаков, Ю.В. Ширшов, Д.М. Чернавский [и др.]. – М.: Стройиздат, 1993. – 268 с. |