ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ИМЕНИ Н.П. МЕЛЬНИКОВА

	ЦНИИПСК им. МЕЛЬНИКОВА (Основан в 1880 г.)
		УТВЕРЖДАЮ Директор института ______ В.В. Ларионов «11» 07 2003 г.

 

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ В ПРОЕКТАХ МОНТАЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
НА БОЛТАХ M16, М20 И М24 (В ТОМ ЧИСЛЕ КОНИЧЕСКИХ)
КЛАССОВ ПРОЧНОСТИ 5.6, 8.8, 10.9
С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ИХ НАТЯЖЕНИЕМ

 

Заместитель директора института                       А.Б. Павлов

Заведующий ОГС                                                     В.В. Болтрукевич

Руководитель и ответственный

исполнитель работы,

главный специалист ОГС                                      В.М. Бабушкин

Исполнители:

Главный специалист ОПГС                                  Ю.В. Купцов

Главный специалист ОГС                                     И.Г. Грудев

Главный специалист ОГС                                     Л.И. Гладштейн

 

Москва, 2003 г.

 

Настоящие рекомендации разработаны в дополнение СНиП II-23-81 «Нормы проектирования. Стальные конструкции» Москва, 1991 г. и «Справочника проектировщика. Металлические конструкции», ЦНИИПСК им. Мельникова, М., 1998 г. [8] с целью расширения областей применения монтажных соединений на болтах и более эффективного использования болтов классов прочности 5.6, 8.8 и 10.9 за счет предварительного их натяжения.

В рекомендациях приведены области применения и расчетные характеристики фрикционно-срезных соединений на болтах диаметром 16, 20 и 24 мм (в том числе конических), усилия предварительного натяжения, основные положения по расчету и конструированию, требования к точности образования отверстий и монтажной сборке конструкций.

При составлении рекомендаций использованы результаты экспериментальных исследований, выполненных в ЦНИИПСК им. Мельникова, ВНИПИпромстальконструкция, ЦНИИС транспортного строительства, а также материалы отечественных и зарубежных исследований соединений на болтах.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие рекомендации распространяются на расчет и проектирование стальных конструкций зданий и сооружений с фрикционно-срезными соединениями на болтах, в которых внешние усилия воспринимаются сопротивлением болтов срезу, а соединяемых элементов смятию с учетом сил трения на соприкасающихся поверхностях, возникающих от предварительного натяжения болтов.

1.2. Расчет фрикционно-срезных соединений предусмотрен с учетом критерия деформативности, исходя из условия ограничения жесткости соединений величиной пластических деформаций соединяемых элементов, не превышающих 1,0 мм при воздействии динамических и 3,5 мм статических нагрузок.

1.3. Фрикционно-срезные соединения наиболее эффективны в конструкциях, элементы которых изготовлены из углеродистых сталей толщиной до 12 ÷ 15 мм и низколегированных толщиной до 8 ÷ 10 мм, а также при воздействии циклических нагрузок, в том числе знакопеременных воспринимаемых за счет фрикционного эффекта.

1.4. Фрикционно-срезные соединения рекомендуются к применению в стальных конструкциях, которые по эксплуатационным функциям соединяемых элементов относятся к 1 и 2 группам по классификации табл. 3.12 «Справочник проектировщика. Металлические конструкции» ЦНИИПСК им. Мельникова, М. 1998 г. [8].

1.5. Фрикционно-срезные соединения рекомендуются для применения в конструкциях, в которых перемещения сдвига в соединениях регламентированы разностью номинальных диаметров отверстий и болтов δ £ 2 мм в случае воздействия усилий одного знака с коэффициентом асимметрии напряжений ρ > 0, а также при воздействии знакопеременных усилий, когда меньшее из которых может быть передано только силами трения. В конструкциях в которых перемещения сдвига не ограничены, допускается принимать δ = 3 мм.

1.6. Для конических болтов, изготовленных по ТУ 128001-001-011394544-01 «Болты конические высокопрочные с полукруглыми головками. Шайбы», ОАО «Спецмонтажизделие» [4] и при δ = 0,3 мм сопротивления смятию приняты по СНиП II-23-81 как для болтов класса точности А. (приложение 2)

1.7. Расширение областей применения фрикционно-срезных соединений с предварительным натяжением болтов возможно за счет узлов балок перекрытий технологических и рабочих площадок, тормозных конструкций, горизонтальных и вертикальных связей, колонн, стыков балок между собой и других конструкций.

1.8. Фрикционно-срезные соединения на высокопрочных болтах в настоящих Рекомендациях не рассматриваются, так как методики их расчета приведены в «Справочнике проектировщика» [8] и в «Рекомендациях по проектированию работающих на сдвиг болтовых соединений стальных строительных конструкций», Москва, 1990 г. [5].

2. МАТЕРИАЛЫ

2.1. Для элементов конструкций с болтовыми фрикционно-срезными соединениями следует применять стальной прокат в соответствии с требованиями главы СНиП II-23-81* [1].

2.2. Для фрикционно-срезных соединений элементов стальных конструкций следует применять болты, гайки и шайбы в соответствии с табл. 2.1.

Таблица 2.1. Болты, гайки и шайбы для фрикционно-срезных соединений.

3. РАСЧЕТ ФРИКЦИОННО-СРЕЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. При действии продольной силы, проходящей через центр тяжести соединения, распределение этой силы между болтами следует принимать равномерным. При действии на соединение изгибающего момента распределение усилий между болтами следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до оси рассматриваемого болта (при треугольных эпюрах распределения усилий между болтами).

3.2. Болты, работающие на срез от одновременного действия продольной силы и изгибающего момента, необходимо проверять на равнодействующее усилие.

3.3. Проверку прочности болтов на срез следует выполнять без учета влияния трения, а расчетное усилие одного болта на срез N_bs в соединении определяется по формуле:

N_bs = γ_bs ´ R_bs ´ A_bs ´ n_s,                                         (1)

где g_bs -коэффициент условий работы соединения, принимаемый по табл. 3.1;

R_bs - расчетное сопротивление болтов срезу, принимаемое по табл. 3.2 (см. табл. 58* [1];

A_b - расчетная площадь сечения болта в плоскости среза, принимаемая по прил. 1 (см. табл. 62* [1]);

n_s - число расчетных срезов одного болта.

3.4. Расчетное усилие предварительного натяжения болта P принимается по табл. 3.3 или по следующей формуле:

P = K_p ´ R_bun ´ A_bn,                                                     (2)

где:

R_bun - наименьшее временное сопротивление болта разрыву, принимаемое по приложению 1;

A_bn - площадь сечения болта нетто, принимаемая по приложению 1 (см. табл. 62* [1]).

3.5. Расчетное усилие от трения Q_bh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним болтом, вычисляется по формуле:

                                                                    (3)

где: μ - коэффициент трения, принимаемый по табл. 3.4;

g_b - коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества болтов n, принимаемый равным

0,8 при n < 5

0,9 при 5 £ n £ 10

1,0 при n ³ 10

g_h - коэффициент надежности, принимаемый по табл. 3.4;

P - усилие предварительного натяжения болта, принимаемое по табл. 3.3 и рассчитанное по формуле (2).

3.6. Расчетное усилие смятия соединяемых элементов N_bp на один болт вычисляется по формуле:

N_bp = R_bp ´ γ₁ ´ g₂ ´ Σt ´ d_b,                                       (4)

где: R_bp - расчетное сопротивление болтового соединения смятию, принимаемое по табл. 3.5;

g₁ - коэффициент условий работы, зависящий от разности номинальных диаметров отверстий и болтов и принимаемый по табл. 3.1;

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

d_b - номинальный диаметр стержня болта, расположенного в плоскости среза;

g₂ - коэффициент условий работы, учитывающий расстояние вдоль усилия от края элемента до центра ближайшего отверстия и между центрами отверстий, принимаемый по табл. 3.6.

3.7. Несущая способность одного болта Q_bn с учетом одновременно действующих в соединении смятия и трения, вычисляется по формуле:

Q_bn = Ku ´ Q_bh ´ n_f +N_bp                                            (5)

где K_u - коэффициент, учитывающий снижение предварительного натяжения болтов после общего сдвига в соединении, принимаемый по табл. 3.1;

Q_bh - расчетное усилие воспринимаемое трением и вычисляемое по формуле (3);

n_f - число расчетных плоскостей трения;

N_bp - расчетное усилие смятия, вычисляемое по формуле (4).

3.8. Количество болтов п в соединении при действии продольной силы N следует определять по формуле:

п ³ N/N_min                                                                    (6)

где: N_min - меньшее из расчетных усилий для одного болта Q_bn и N_bs, вычисленных по формулам (5) и (1).

В односрезных соединениях количество болтов должно быть увеличено против расчета на 10 %.

Допускается применять в проектах соединения на болтах без контролируемого натяжения болтов. Расчет таких соединений следует производить по формуле (5) без учета влияния трения (Q_bn = N_bp) при условии выполнения п.п. 4.11 - 4.19 СНиП 3.03.01-87.

Прочность элементов, ослабленных отверстиями под болты, следует проверять с учетом полного ослабления сечений.

3.9. Предельные усилия на болты по срезу N_bs, смятию N_bp, трению K_u Q_bh ´ n_f и смятию с учетом трения в двух срезных фрикционно-срезных соединениях при μ = 0,35, δ = 2,0 мм, Σt = 10 мм, числе болтов в соединении п = 10, при статической нагрузке, приведены в приложении 2, по трению и смятию в приложениях 3 и 4.

Таблица 3.1. Коэффициенты условий работы g₁, зависящий от разности номинальных диаметров отверстий и болтов, K_u, учитывающий снижение предварительного натяжения болтов после общего сдвига в соединении и g_bs

Таблица 3.2. Расчетные сопротивления болтов срезу

Таблица 3.3. Усилия предварительного натяжения болтов

Таблица 3.4. Коэффициенты трения и надежности

Примечание: Допускаются другие способы обработки соединяемых поверхностей, обеспечивающие значения коэффициента трения μ не ниже указанных в таблице.

Таблица 3.5. Расчетные сопротивления R_bp болтовых соединений смятию.

Обозначения, принятые в табл. 3.5: а - расстояние вдоль усилия от края элемента до центра ближайшего отверстия, do - номинальный диаметр отверстия, R_un - временное сопротивление стали соединяемых элементов разрыву.

Таблица 3.6.

4. ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ОТВЕРСТИЙ

4.1. Все монтажные отверстия должны быть выполнены в соответствии с проектом КМ на предприятии-изготовителе металлоконструкций с учетом требований ГОСТ 23118-99 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия», СП 53-101-98 «Изготовление и контроль качества стальных строительных конструкций», дополнительных технических требований монтажной организации и настоящих рекомендаций.

4.2. Образование отверстий меньшего диаметра с последующей рассверловкой допускается в случае, если это указано в проекте КМ.

4.3. Отверстия в расчетных болтовых соединениях следует выполнять по шаблону со втулками, на поточных линиях или станках с ЧПУ. При этом предельные отклонения диаметров и расстояний между центрами отверстий в группе не должны превышать указанных в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Предельные отклонения отверстий

4.4. Допускается прочистка 20 % отверстий сверлом, диаметр которого равен номинальному диаметру отверстия. Калибр диаметром на 0,5 мм меньше номинального диаметра отверстий, должен проходить в 100 % отверстий соединяемых элементов при контрольной сборке конструкций (кроме отверстий под конические болты).

5. КОНСТРУКТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

5.1. Рекомендуемые области применения фрикционно-срезных соединений при разности номинальных диаметров отверстий и болтов до 3 мм приведены в табл. 5.1.

5.2. При назначении диаметров отверстий необходимо учитывать влияние остаточных перемещений сдвига на поведение конструкций (см. п. 1.5).

Таблица 5.1. Области применения фрикционно-срезных соединений

Условные обозначения:

«+» - допускается;

«-» - не допускается.

5.3. Номинальные диаметры отверстий приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

5.4. Резьба болта, воспринимающего сдвигающее усилие, как правило не должна находиться в плоскости среза и отстоять от нее на расстоянии, равном не менее половины толщины прилегающего к гайке элемента.

5.5. Болты следует размещать в соответствии с табл. 5.3.

Таблица 5.3. Условия размещения болтов

d₀ - диаметр отверстия для болта

t - толщина наиболее тонкого наружного элемента.

6. ТРЕБОВАНИЯ К МОНТАЖНОЙ СБОРКЕ КОНСТРУКЦИЙ

6.1. Монтажную сборку конструкций с расчетными фрикционно-срезными соединениями необходимо осуществлять в соответствии с требованиями настоящих рекомендаций и СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» п.п. 4.20 ÷ 4.35. Заданное усилие натяжения болтов следует обеспечивать затяжкой гаек до расчетного момента закручивания (п. 4.28 СНиП 3.03.01-87).

6.2. Выполнение соединений и их приемку следует производить под руководством лица, назначенного ответственным за выполнение этого вида соединений приказом по организации, производящей эти работы.

6.3. К выполнению соединений допускается персонал, прошедший соответствующую подготовку и имеющий удостоверение о допуске к указанным работам.

6.4. Технологический процесс выполнения соединений [7] включает следующие операции:

- подготовку контактных поверхностей элементов;

- подготовку болтов, гаек и шайб;

- сборку соединений;

- натяжение болтов на проектное усилие;

- контроль качества выполнения соединений с занесением результатов контроля в журнал (приложение 5 СНиП 3.03.01-87);

- герметизацию соединений.

6.5. Расконсервацию метизов и нанесение смазки на резьбу болтов и гаек рекомендуется производить путем кипячения их в воде (не менее 10 минут) с добавлением моющего средства, с последующей промывкой в горячем виде в смеси, состоящей из 15 ÷ 25 % неэтилированного бензина и 75 ÷ 85 % машинного масла.

6.6. В собранном пакете фрикционно-срезного соединения, зафиксированном пробками, допускается чернота, не препятствующая свободной, без перекоса, постановке болтов в 100 % отверстий каждого соединения. Допускается прочистка 20 % отверстий сверлом, диаметр которого равен номинальному диаметру отверстия.

6.7. Под головки болтов и гайки следует устанавливать по одной круглой шайбе (см. табл. 2.1).

6.8. Закрепления гаек от самоотвинчивания при натяжении болтов на усилия, указанные в табл. 3.3, не требуется.

Приложение 1

Площадь сечения болтов согласно СНиП II-23-81 и минимальное временное сопротивление болтов разрыву согласно ГОСТ 1759.4-87

* - для болтов диаметром 16 мм.

Приложение 2

Предельные усилия на болты по срезу Nв_s смятию Nв_p, трению Ku ´ Qв_h ´ hf и смятию с учетом трения Qв_n в двухсрезных (n_s = n_f = 2) фрикционно-срезных соединениях при μ = 0,35, δ = 2 мм, Σt = 10 мм, a = 2,0d₀ числе болтов в соединении n ³ 10 при статической нагрузке

Приложение 3

Расчетные усилия Q_bh которые могут быть восприняты одной поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним болтом при μ = 0,35 и δ = 1 ÷ 2 мм

Приложение 4

Расчетные усилия N_bp, которые могут быть восприняты одним болтом М20 на смятие при Σt = 10 мм, а = 2d₀ и R_un = 390 МПа (4000 кг/см²)

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП II-23-81* «Строительные нормы и правила. Нормы проектирования. Стальные конструкции», Москва, 1991.

2. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81*), Москва, 1989.

3. Отчет по НИР выпуск 4151 «Проведение исследований болтовых монтажных соединений, работающих на срез, растяжение и смятие и разработка предложений по изменению и дополнению СНиП II-23-81» ЦНИИПСК, Москва, 1985.

4. СТП 20.22100111-2001 «Устройство соединений на конических высокопрочных болтах в стальных конструкциях мостов», НИЦ «Мосты», ЦНИИС, Москва, 2001.

5. «Рекомендации по проектированию работающих на сдвиг болтовых соединений стальных строительных конструкций» ВНИПИПСК, ЦНИИПСК, Москва, 1990.

6. СП 53-101-98 «Изготовление и контроль качества стальных строительных конструкций», Госстрой РФ, Москва, 1999.

7. «Рекомендации и нормативы по технологии постановки болтов в монтажных соединениях металлоконструкций», ЦНИИПСК им. Мельникова, Москва, 1988.

8. «Справочник проектировщика. Металлические конструкции» ЦНИИПСК им. Мельникова, М., 1998 г.

9. «Экспериментально-теоретическое исследование и совершенствование методов проектирования болтовых монтажных соединений стальных строительных конструкций». Каленов В.В., диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, М., 1995 г.

10. Specification for Structural Joints Usinq ASTM A325 and A490 Bolts, 1972.

11. СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции».

 

СОДЕРЖАНИЕ