Особенности работы соединений металлических элементов на заклепках различных типов

ВЕСТНИК .

МГСУ_3/2014

УДК 624.014

В.В. Мысак, О.А. Туснина, А.И. Данилов, А.Р. Туснин

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ЗАКЛЕПКАХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

В строительстве зданий и сооружений широко используются стальные тонкостенные конструкции. Для соединения тонкостенных элементов между собой применяются, как правило, самонарезающие болты. В ряде случаев в соединениях таких конструкций удобно использовать заклепки. Рассмотрены некоторые типы заклепок, применяемые для соединения плоских металлических элементов между собой. Описаны особенности рассматриваемых типов заклепок, влияющие на их работу в соединении. Приведены результаты экспериментального исследования соединения стальных элементов на заклепках различных типов.

Ключевые слова: вытяжные заклепки, резьбовые заклепки, соединение, тонкостенные элементы, металлические элементы, стальные конструкции.

Широкое распространение в практике строительства получили легкие стальные тонкостенные конструкции, применяемые при возведении сооружений различного назначения [1, 2]. Для соединения тонкостенных элементов между собой используются самонарезающие болты или заклепки [3, 4]. Успешное применение заклепок обусловлено рядом преимуществ по сравнению с самонарезающими винтами [5]:

при применении заклепок получается более плотное, герметичное соединение, соответственно повышается несущая способность на сдвиг; значительно меньшая стоимость;

большое разнообразие применяемого инструмента для установки заклепок: ручной, пневматический, аккумуляторный;

простота установки, доступ к соединяемым элементам требуется только с одной стороны.

Многие отечественные [5—8] и зарубежные [9, 10] исследователи занимались изучением особенной работы вытяжных заклепок в соединении. В [6] рассмотрены основные типы вытяжных заклепок, описаны их составные части и приведена классификация применяемых вытяжных заклепок. Исследования, проведенные авторами [7], показали, что на несущую способность соединений, выполненных на заклепках, влияет толщина соединяемых элементов.

В [8] представлены рекомендации по установке вытяжных заклепок, рассмотрены факторы, влияющие на точность установки заклепки.

Зарубежные авторы в [9, 10] описали экспериментальные и численные исследования работы соединения на вытяжных заклепках.

Таким образом, в литературе имеется достаточно большой обзор существующих и применяемых на практике в настоящее время вытяжных заклепок.

В данной статье описаны особенности различных типов заклепок, которые, по мнению авторов, влияют на работу заклепки в соединении, но недостаточно широко представлены в литературе.

Описание рассматриваемых заклепок. Авторами статьи рассмотрено 3 типа заклепок:

1) вытяжные комбинированные (стальной вытяжной стержень и алюминиевая гильза) заклепки со стандартным бортиком (рис. 1);

2) вытяжные заклепки из оцинкованной стали со стандартным бортиком (рис. 2);

3) резьбовые заклепки из оцинкованной стали, рифленые с цилиндрическим бортиком (рис. 3).

Рис. 1. Вытяжная комбинированная заклепка со стандартным бортиком

Как видно, у вытяжной комбинированной заклепки головка вытяжного стержня круглая.

У вытяжной заклепки как из оцинкованной, так и из нержавеющей стали головка вытяжного стержня более развита в одном направлении. Это вызвано необходимостью обеспечить достаточное усилие, позволяющее смять стальную гильзу заклепки.

Такая особенность стальных вытяжных заклепок вносит некоторое отличие в работу соединения на стальных вытяжных заклепках в сравнении с соединением на комбинированных заклепках.

В частности, при соединении двух элементов, обладающих значительно отличающейся толщиной (что имеет место при креплении ограждающих конструкций к несущим — например, крепление профилированного листа к прогонам покрытия и т.д.) происходит смятие тонкого элемента вблизи заклепки и частичное его проникновение внутрь отверстия. Смятие под головкой комбинированной заклепки происходит равномерно, и тонкий элемент со всех сторон одинаково плотно прижимается заклепкой к более толстому. Под головкой стальной заклепки смятие происходит неравномерно относительно центра отверстия — вдоль более развитой стороны вытяжной головки.

В связи с этим местные изгибные деформации тонкого элемента вблизи заклепки при применении стальных заклепок происходят неравномерно, что необходимо учитывать при использовании их в соединениях.

Рис. 2. Вытяжная заклепка из оцинкованной стали со стандартным бортиком

Рис. 3. Резьбовая заклепка из оцинкованной стали, рифленая, с цилиндрическим бортиком

ВЕСТНИК

МГСУ-

3/2014

Резьбовая заклепка из оцинкованной стали имеет больший диаметр и соответственно большую поверхность соприкосновения с соединяемыми элементами, в связи с этим локальные эффекты вблизи заклепки в этом случае будут проявляться меньше, чем у вытяжной заклепки.

Экспериментальное исследование. Авторами статьи было выполнено экспериментальное исследование работы на сдвиг соединений элементов различной толщины с использованием вытяжных и резьбовых заклепок.

Рассмотрены следующие типы заклепок:

1) вытяжная комбинированная заклепка диаметром 4,8 мм, стандартный бортик;

2) вытяжная заклепка из оцинкованной стали диаметром 4,8 мм, стандартный бортик;

3) резьбовая стальная заклепка, рифленая, с резьбой М5, стандартный бортик.

В табл. 1 приведены заявленные производителями заклепок величины несущей способности для каждого типа заклепок.

Табл. 1. Несущая способность заклепки

Тип заклепки Усилие Усилие

Наименование Б, мм на срез, Н на растяжение, Н

Вытяжная заклепка комбинированная со стандартным бортиком 4,8 1580 2230

Вытяжная заклепка из оцинкованной стали со стандартным бортиком 4,8 2900 3100

Резьбовая заклепка из оцинкованной стали с цилиндрическим бортиком М5 2800 11300

В ходе эксперимента моделировалось соединение профилированного листа толщиной 0,4 мм с полкой прогона толщиной 3 мм.

Образец 1 (рис. 4) представляет собой лист из оцинкованной стали толщиной 0,4 мм. Образец 2 (рис. 5) — стальная пластина толщиной 3 мм.

11

Рис. 4. Схема образца 1

4

1-1

, к »

Рис. 5. Схема образца 2

Для увеличения жесткости тонкого образца (образец 1) в нем предусмотрены ребра с целью уменьшить влияние на результат локальных эффектов изгиба образца вблизи заклепки.

Отверстия в образцах устраивались с учетом рекомендаций производителей и замечаний автора [8] — для вытяжных заклепок диаметром 4,8 мм — отверстие выполнено диаметром 5 мм, для резьбовых заклепок М5 — диаметром 7 мм.

Образцы исследовались на растяжение на испытательной машине 1п81хоп 3382 в лаборатории сектора испытания строительных конструкций МГСУ (рис. 6). Скорость нагружения принята 0,5 мм/мин. Деформации измерялись по перемещению траверсы.

Для уменьшения эксцентриситета приложения нагрузки при испытании использована подкладка — пластина толщиной 3 мм, вместе с которой листовая сталь зажималась губками траверсы. Схема проведения испытаний показана на рис. 7.

Рис. 6. Испытания на Instron 3382

ВЕСТНИК

МГСУ-

3/2014

Рис. 7. Схема проведения эксперимента

Результаты. Получены следующие экспериментальные зависимости между нагрузкой и деформациями (рис. 8—10).

Свдш^чшч I

Наг рука, чН ЛА

\2

о.е м

ОА

Ф.2

V

( \

\

1

¿1, адц

Рис. 8. Диаграмма нагрузка — деформация для вытяжной комбинированной заклепки

СйЙДИ№ЕХ|4 2

Нйгруий »Л

1.В

т.4

1.2 1

ОД

од

ОА

а

1

и 1 : 1 5

£•1.

Рис. 9. Диаграмма нагрузка — деформация для вытяжной заклепки из оцинкованной стали

СЬсдансшч 2

На грузы, «И 2,5

Рис. 10. Диаграмма нагрузка — деформация для резьбовой заклепки из оцинкованной стали

Характер диаграмм нагрузка — деформация схож для всех образцов. Первый участок диаграммы показывает линейную зависимость между нагрузкой и деформацией, далее при достижении максимального значения происходит смятие оцинкованной стали и развиваются пластические деформации. После этого рост перемещений траверсы сопровождается уменьшением нагрузки, причем наиболее резкое уменьшение нагрузки было получено у соединения на резьбовой заклепке (см. рис. 10).

Затем с ростом перемещений нагрузка, воспринимаемая соединением, увеличивается, происходит упрочнение соединения. В некоторых случаях максимальная нагрузка на участке упрочнения превосходит максимальную нагрузку на участке 1 (для вытяжных заклепок). После достижения второй максимальной нагрузки происходит резкое падение нагрузки и соединение разрушается. Перемещения траверсы при этом велики (3-4 мм), что исключает использование соединения при этих нагрузках.

В табл. 2 показано сравнение предельной нагрузки для каждого из испытанных соединений, полученной в результате эксперимента и предельного для заклепки усилия на срез, представленным в каталогах производителей заклепок.

Табл. 2. Сравнение несущей способности соединения, полученной в результате эксперимента с несущей способностью заклепки на срез

Тип заклепки Предельное усилие, Н Разница, %

Наименование D, мм Для заклепки, заявленное в каталоге Эксперимент

Вытяжная заклепка комбинированная со стандартным бортиком 4,8 1580 1200 24,1 %

Вытяжная заклепка из оцинкованной стали со стандартным бортиком 4,8 2900 1320 54,5 %

Резьбовая заклепка из оцинкованной стали с цилиндрическим бортиком М5 2800 2280 18,6 %

ВЕСТНИК .

МГСУ_3/2014

Несущая способность соединения определялась по максимальной нагрузке, полученной на 1 участке.

Как видно из табл. 2 несущая способность соединения во всех случаях меньше предельного усилия, которое может воспринять заклепка. При этом наибольшая разница между результатами была выявлена у соединения на вытяжной заклепке из оцинкованной стали.

Такие результаты можно интерпретировать следующим образом. Местные деформации в оцинкованном листе, возникающие в окрестности заклепки, в данном случае из-за малого размера образца, влияют на работу всего соединения. Смятие образца под заклепкой вызывает выгиб всего элемента. При проведении эксперимента это проявлялось в изгибе тонкого образца (рис. 11).

Рис. 11. Деформация тонкого образца при действии нагрузки

Лист наиболее неравномерно обжат заклепкой из оцинкованной стали, что обусловлено ее конструкцией. Под стальной вытяжной заклепкой оцинкованный лист деформируется сильнее вдоль вытянутого направления головки заклепки, в связи с этим возникают неравномерные деформации. Для комбинированных и резьбовых заклепок формируются круглые зоны смятия в районе головки, и тонкий лист более равномерно прижат к присоединенному элементу.

Выводы. Проведенные испытания образцов соединений показали, что заклепки можно применять в несущих соединениях тонколистовых конструкций. При этом несущая способность соединения на заклепках зависит не только от материала и диаметра заклепок, но и от местных деформаций элемента вблизи вытяжной заклепки. Работоспособность такого заклепочного соединения определяется главным образом поведением тонкого оцинкованного листа обшивки в окрестности отверстия при взаимодействии с заклепкой. При этом критерии прочности материала листа на смятие и заклепок на срез оказываются не актуальными. Локальные эффекты в виде перемещений из плоскости листа существенно зависят от конструкции и диаметра ствола заклепки. Например, в случае применения резьбовых заклепок эффективность их применения может возрастать при некотором увеличении диаметра ствола заклепки и уменьшении толщины его стенки.

Библиографический список

1. Ватин Н.И., Синельников А. С. Большепролетные надземные пешеходные переходы из легкого холодногнутого стального профиля // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 1. С. 47—53.

2. Мезенцева Е.А., Лушников С.Д. Быстровозводимые здания из легких стальных конструкций // Вестник МГСУ 2009. Спецвып. № 1. С. 62—64.

3. Куражова В.Г., Назмеева Т.В. Виды узловых соединений в легких стальных тонкостенных конструкциях // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 3. C. 47—53.

4. Toma A., Sedlacek G., Weinand K. Connections in cold-formed steel // Thin-walled structures. 1993, vol. 16, pp. 219—237.

5. Айрумян Э.Л., Камынин С.В., Ганичев С.В. Вытяжные заклепки или самонарезающие винты? // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2009. № 3. C. 2—9.

6. Катранов И.Г., Кунин Ю.С. Вытяжные заклепки в узлах соединений легких стальных тонкостенных конструкций. Ассортимент и область применения // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 3. C. 41—43.

7. Кунин Ю. С., Катранов И.Г. Оптимизация применения вытяжных заклепок и самосверлящих винтов в соединениях ЛСТК // Строительные материалы, оборудование технологии XXI века. 2010. № 7. С. 35—37.

8. Орлов И.В. Заклепки: типичные ошибки и контроль качества // Технологии строительства. 2005. № 7(41). С. 5.

9. Moss S., Mahendran M. Structural Behaviour of Self-Piercing Riveted Connections in Steel Framed Housing // Sixteenth International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures, Orlando, Florida USA, October 17-18, 2002, pp. 748—762.

10. Holmstrom P.H., Sonstabo J.K. Behaviour and Modelling of Self-piercing Screw and Self-piercing Rivet Connections // Master thesis. Norwegian University of Science and Technology. 2013, 158 p.

Поступила в редакцию в январе 2014 г.

Об авторах: Мысак Владимир Васильевич — кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры металлических конструкций, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ts.ip.g@rambler.ru;

Туснина Ольга Александровна — аспирант кафедры металлических конструкций, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, lazoltus@mail.ru;

Данилов Александр Иванович — кандидат технических наук, доцент кафедры металлических конструкций, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, alenk904@mail.ru;

Туснин Александр Романович — доктор технических наук, профессор кафедры металлических конструкций, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, valek-sol@mail.ru.

Для цитирования: Особенности работы соединений металлических элементов на заклепках различных типов / В.В. Мысак, О. А. Туснина, А.И. Данилов, А.Р. Туснин // Вестник МГСУ. 2014. № 3. С. 82—91.

ВЕСТНИК o/ofVI/l

МГСУ_3/2014

V.V. Mysak, O.A. Tusnina, A.I. Danilov, A.R. Tusnin

THE FEATURES OF RIVETED CONNECTIONS OF METAL ELEMENTS

The steel thin-walled structures are widespread in civil and industrial engineering nowadays. Self-drilling screws or rivets are used to interconnect thin-walled elements. Blind rivets and nuts as connectors are considered in the frames of this paper. Rivets have some benefits over self-drilling screws. They are:

we can obtain more dense connection when using rivets. So we can increase bearing capacity of connection;

a lower cost of riveted connection;

a large variety of installation tools for riveted connection: manual, pneumatic, battery;

an easy installation: access to the connected element is required only from one

side;

These benefits provide increasingly growling popularity to rivets. In the paper 4 types of rivets are considered: combined (aluminum/steel) blind rivets, zinc-coated steel blind rivets, stainless steel blind rivets and blind nuts. The features of each type of rivets are described in the paper. The influence on the behaviour of connections is revealed.

The results of experimental research performed by the authors are presented in the paper. A bearing capacity shear of riveted connections is studied in the experiment. There are 3 types of riveted connections subjected to experiment: connection made by blind combined rivets; connection made by zinc-coated steel blind rivets; connection made by blind nuts.

A connection between elements with significantly different thicknesses is modeled in the experiment. In reality this situation takes place, for example, in the roofing of buildings, where trapezoidal sheet can be fastened to purlin by rivets.

As a result of the experiment the authors found out that the local deformations oc-curing under rivet head in the thick element significantly affect the behaviour and bearing capacity of the connection. That's why the results of connection's bearing capacity obtained in tests were lower than the bearing capacity of rivet declared by manufacturers.

Key words: blind rivets, blind nuts, connection, thin-walled element, metal element, steel structure.

References

1. Vatin N.I., Sinel'nikov A.S. Bolsheproletnye nadzemnye peshekhodnye perekhody iz legkogo kholodnognutogo stal'nogo [Long Span Footway Bridges: Cold-Formed Steel Cross-Section]. Stroitelstvo unikalnykh zdaniy i sooruzheniy [Construction of Unique Buildings and Structures]. 2012, no.1, pp. 47—53.

2. Mezentseva E.A., Lushnikov S.D. Bystrovozvodimye zdaniya iz legkikh stal'nykh kon-struktsiy [Prefabricated Buildings of Light Steel Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2009, no. 1, pp. 62—64.

3. Kurazhova V.G., Nazmeeva T.V. Vidy uzlovykh soedineniy v legkikh stal'nykh tonkostennykh konstruktsiyakh [Types of Node Connections of Cold-formed Steel Structures]: Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2011, no.3, pp. 47—53.

4. Toma A., Sedlacek G., Weinand K. Connections in Cold-formed Steel. Thin-walled Structures. 1993, vol. 16, pp. 219—237.

5. Ayrumyan E.L., Kamynin S.V., Ganichev S.V. Vytyazhnyye zaklepki ili samonarezay-ushchiye vinty? [Rivets or Self-tapping Screws]. Montazhnyye i spetsialnyye raboty v stroitel-stve [Erecting and Special Works in Construction]. 2009, no. 3, pp. 2—9.

6. Katranov I.G., Kunin Yu.S. Vytyazhnye zaklepki v uzlakh soedineniy legkikh stal'nykh tonkostennykh konstruktsiy. Assortiment i oblast' primeneniya [Rivets in the Junctions of Light Steel Thin-walled Structures. Range and Scope]. Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitelstvo [Industrial and Civil Engineering]. 2010, no. 3, pp. 41—43.

7. Kunin Yu.S., Katranov I.G. Optimizatsiya primeneniya vytyazhnykh zaklepok i samos-verlyashchikh vintov v soyedineniyakh LSTK [Optimizing the Use of Rivets and Self-drilling Self-tapping Screws in the Compounds of LSTC.]. Stroitelnyye materialy, oborudovaniye, tekhnologii XXI veka [Construction Materials, Equipment, Technologies of 21st Century]. 2010, no. 7, pp. 35—37.

8. Orlov I.V. Zaklepki: tipichnye oshibki i kontrol' kachestva [Rivets: Typical Errors and Quality Control]. Tekhnologii stroitelstva [Construction Technologies]. 2005, no. 7(41), p. 5.

9. Moss S., Mahendran M. Structural Behaviour of Self-Piercing Riveted Connections in Steel Framed Housing. Sixteenth International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures. Orlando, Florida USA, October 17-18, 2002, pp. 748—762.

10. Holmstrom P. H., Sonstabo J.K. Behaviour and Modelling of Self-piercing Screw and Self-piercing Rivet Connections. Master thesis. Norwegian University of Science and Technology, 2013, 158 p.

About the authors: Mysak Vladimir Vasil'evich — Candidate of Technical Sciences, Senior lecturer, Department of Metal Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ts.ip.g@ rambler.ru;

Tusnina Olga Aleksandrovna — postgraduate student, Department of Metal Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; lazoltus@mail.ru;

Danilov Aleksandr Ivanovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Metal Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; alenk904@mail.ru;

Tusnin Aleksandr Romanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Metal Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; valeksol@mail.ru.

For citation: Mysak V.V., Tusnina O.A., Danilov A.I., Tusnin A.R. Osobennosti raboty soedineniy metallicheskikh elementov na zaklepkakh razlichnykh tipov [The Features of Re-vited Connections of Metal Elements]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 3, pp. 82—91.