несущая способность винтовых и заклепочных соединений

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВИНТОВЫХ И ЗАКЛЕПОЧНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Катранов Иван Георгиевич
1
В мировой практике строительства значительно увеличилось применение тонкостенных гнутых
профилей из оцинкованной стали, использующихся в качестве несущих и ограждающих
конструкций зданий и сооружений различного назначения. Годовой выпуск таких конструкций в
России приближается к 1 млн. т.
Рис. 1. Область применения ЛСТК по конструктивному назначению.
2
Существенным отличием ЛСТК, является применение специальных типов крепежа
для соединения профилей, в основном вытяжных заклепок и винтов.
Рис. 3. Вытяжные заклепки.
Рис. 2. Основные типы узлов ЛСТК.
Рис. 4. Самосверлящие самонарезающие винты.
3
В связи с гармонизацией российской и европейской систем нормирования, существует
необходимость в разработке обоснованной инженерной методики для расчета соединений
ЛСТК, что подчеркивает актуальность настоящей работы.
Рис. 5. Неоправданно большое количество
крепежных элементов в узлах ЛСТК.
Рис. 6. Недостаточное количество крепежных
элементов, приводящее к обрушению конструкции.
Цель диссертационной работы – разработка методики испытания и расчета соединений на вытяжных
заклепках и винтах в легких стальных тонкостенных конструкциях, с учетом оценки влияния
конструктивных особенностей на несущую способность соединений применительно к российским
особенностям производства и эксплуатации.
На защиту выносятся:
- методика проведения испытаний соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и винтах;
- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности соединений;
- рекомендации по назначению расчетных коэффициентов надежности в зависимости от характера
работы и типа соединения;
- инженерная методика расчета соединений на вытяжных заклепках и винтах;
- результаты моделирования работы винтового соединения в программном расчетном комплексе;
- рекомендации по применению различных типов крепежных элементов с учетом условий
4
работы и их конструктивных особенностей.
Особенности работы соединений легких стальных тонкостенных конструкций
Рис. 7. Соединения, работающие на срез.
Рис. 8. Соединения, работающие на растяжение.
Рис. 9. Типы отказов соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и винтах.
5
Методика испытания соединений ЛСТК
Образцы для испытаний соединений
изготавливались из тонколистовой
оцинкованной стали марки С255.
Толщины испытываемых образцов были
приняты равными от 0,5 до 2,0 мм.
Соединение образцов осуществлялось
вытяжными заклепками диаметрами 4,8
мм и 6,4 мм и самосверлящими
самонарезающими винтами диаметрами
4,2; 4,8; и 5,5 мм производства фирмы
Гарпун.
Для испытания образцов была
разработана методика,
включающая
подготовительный этап и этап
нагружения, описанная в
публикациях и вошедшая в в
Стандарт организации. Для
испытания образцов на
растяжение была разработана
специальная оснастка.
Рис. 10. Образцы для испытания соединений на срез
и растяжение.
Испытания проводились в лаборатории «Сектора испытаний строительных конструкций»
МГСУ на универсальных испытательных машинах Instron.
6
Особенности работы и характер отказа соединений на вытяжных заклепках и
самосверлящих самонарезающих винтах
Рис. 11. Диаграмма нагрузка/удлинение
соединений работающих на срез.
Рис. 12. Диаграмма нагрузка/удлинение
соединений работающих на растяжение.
7
Предельные состояния работы соединений на срез и растяжение в
зависимости от характера работы и типа отказа
Для прочностных расчетов соединений была принята система предельных состояний
в соответствии с ГОСТ 27751-88:
1a – исчерпание несущей способности соединения от полного среза или разрыва
крепежного элемента;
1f –недопустимое развитие полных перемещений в соединении.
Предельные состояния в зависимости от типа
отказа соединения.
8
Область эффективного применения заклепочных и винтовых
соединений
Рис. 13. Эффективность применение заклепок и винтов.
Рис. 15. Характер отказа специальных типов крепежа.
Рис. 14. Работа вытяжных заклепок увеличенного
диаметра (6,4 мм), усиленных вытяжных заклепок и
стандартных 4,8 мм.
Рис. 16. Сравнение работы стандартного винта
и винта с продавливающим наконечником.
9
Особенности работы нахлесточных, двухсрезных и многовинтовых соединений ЛСТК
Рис. 19. Испытания многовинтовых соединений на срез.
Рис. 17. Испытания соединений с односторонним а) и
разносторонним б) расположением винтов.
Рис. 18. Испытания соединений двухсрезных
образцов на самосверлящих самонарезающих
винтах.
Рис. 20. Приведенные значения несущей
способности многовинтовых соединений.
10
Методика расчета соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и винтах
Сравнение результатов эксперимента и расчета
Рис. 21. Для соединений на вытяжных заклепках
диаметром 4,8 мм, при работе на срез.
Рис. 22. Для соединений на самосверлящих
самонарезающих винтах диаметром
4,2 мм, при работе на срез.
Рис. 23. Для соединений на самосверлящих самонарезающих
винтах диаметром 4,8 мм, при работе на срез.
Рис. 24. Для соединений на самосверлящих
самонарезающих винтах диаметром
5,5 мм, при работе на срез.
12
Сравнение результатов эксперимента и расчета
Рис. 25. Для соединений на винтах диаметром 4,2 мм,
при работе на вырыв из листа.
Рис. 26. Для соединений на винтах диаметром 4,8 мм,
при работе на вырыв из листа.
Рис. 27. Для соединений на винтах диаметром 5,5 мм,
при работе на вырыв из листа.
Рис. 28. Для соединений на винтах, при работе на
отрыв через пресс шайбу. а) – винтов 4,2 мм;
б) – винтов 4,8 мм; в) – винтов 5,5 мм.
13
Методика расчета соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и винтах
Моделирование работы соединения в программном расчетном комплексе
Рис. 29. Граничные условия задачи моделирования
винтового соединения.
Рис. 32. График сравнения результатов
эксперимента и численного
моделирования
Рис. 33. НДС в сечении
соединения по оси винта с
моделированием и без
моделирования резьбы.
Рис. 30. Картина напряжений полученная в результате
расчета №1.
Рис. 31. Картина напряжений в середине нижней а) и
середине верхней б) пластин соединения.
Рис. 34. Картина деформаций в сечении при
удлинении 0,5 мм.
15
Рисунок 4.3 Сравнение диаграмм нагрузка/удлинение при статическом и
циклическом нагружении
Нагрузка, Н.
Оценка малоцикловой прочности винтовых соединений ЛСТК
6000
5500
5000
Статика
Циклика 10
Циклика 100
Циклика 500
Циклика 1000
Циклика 5000
Циклика 10000
4500
4000
3500
3000
0,00
0,25
1,00
0,75
0,50
Удлинение, мм.
Рис. 35. Испытательная установка, образец для
циклических испытаний на срез в захватах.
Рис. 36. Обобщенная диаграмма циклических испытаний.
Деформация, мм.
Рисунок 4.1 Сравнение диаграмм нагрузка/удлинение при статическом и циклическом
нагружении
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
Приращение деформаций N=5200 Н
Приращение деформаций N=4800 Н
Приращение деформаций N=4400 Н
Приращение деформаций N=3000 Н
0.1
0.0
0
5
10
15
20
25
30
Количество циклов.
а
б
в
Рис. 37. Накопление деформаций при последовательном нагр
винтового соединения на участке: а) до 30 циклов; б) до 120 циклов; в) до 10000 циклов.
16
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
В результате проведенных экспериментально-теоретических исследований работы
винтовых и заклепочных соединений легких стальных тонкостенных конструкций, решены
следующие задачи и сформулированы следующие выводы:
1. Разработана методика испытаний на срез и растяжение соединений на вытяжных заклепках
и самосверлящих самонарезающих винтах.
2. На основании большого количества испытаний (388 шт):
- выявлены и классифицированы возможные типы отказов соединений ЛСТК;
- дана оценка работы соединения во всем диапазоне нагружения вплоть до разрушения;
- предложена, подтвержденная в результате экспериментальных исследований, классификация
предельных состояний соединений ЛСТК;
- установлена предельная несущая способность соединений при различном характере
нагружения и типах соединений, разграничена область эффективного применения каждого
типа соединений.
3. Разработана инженерная методика расчета соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и
самосверлящих самонарезающих винтах на основании Еврокод, с внесением следующих
изменений:
- введены различные, в зависимости от типов крепежных элементов и возможных типов отказа
соединения, коэффициенты надежности по материалу ;
- скорректированы расчетные формулы оценки прочности при разрыве по сечению «нетто»
путем замены fu на f02;
- введен понижающий коэффициент β=0,8 для многовинтовых соединений, ввиду
неравномерности включения в работу крепежных элементов;
17
- введен повышающий коэффициент k=1,2 для двухсрезных соединений;
-введены поправочные коэффициенты в расчетную формулу прочности на вырыв винта, при
различных соотношениях толщины скрепляемого материала и шага резьбы винта 1  tsup / s  1,5;
1,5  tsup / s  2 и tsup / s  2;
4. Решена методом компьютерного моделирования задача оценки НДС винтового соединения.
Предложенная расчетная схема, а также способ моделирования и способ задания нагружения, дают в
результате сравнения с экспериментом разницу от 0,5 до 5%, что говорит о высокой точности
результатов численного моделирования.
5. Анализ картины деформаций в сечении при перемещении захвата на величину 0,5 мм, показал
незначительные деформации смятия материала под нитями резьбы винта (0,1 мм), что подтвердило
обоснованность принятого критерия предельного состояния.
6. Анализ результатов циклических испытаний винтовых соединений подтвердил обоснованность
значений расчетной прочности соединения по достижению предельных деформаций 0,5 мм при
работе соединения на срез при циклическом нагружении.
7. Предложены практические рекомендации для проведения сертификационных испытаний
заклепочных и винтовых соединений ЛСТК на срез и растяжение, инженерная методика расчета и
рекомендации по подбору крепежных элементов и монтажу соединений ЛСТК на вытяжных
заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах.
18
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВИНТОВЫХ И ЗАКЛЕПОЧНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Благодарю за внимание
Катранов Иван Георгиевич
19