Влияние толщины соединяемых элементов на несущую способность многоболтового фрикционного соединения

ВЕСТНИК 9/2012

УДК 624.042

Л.В. Енджиевский, А.В. Тарасов

ИСИ ФГОУ ВПО «СФУ»

ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СОЕДИНЯЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ МНОГОБОЛТОВОГО ФРИКЦИОННОГО СОЕДИНЕНИЯ

Рассмотрен вопрос влияния на несущую способность фрикционных многоболтовых соединений толщины применяемых пластинчатых элементов. Разномасштабность толщин конструктивных элементов фрикционного болтового соединения приводит к изменению напряженно-деформированного состояния соединения как в количественном, так и в качественном отношении. Представлены результаты экспериментальных испытаний образцов с соединяемыми пластинами толщиной от 1,5 до 5 мм.

Ключевые слова: многорядные болтовые сдвигоустойчивые соединения, тонкостенные оцинкованные профили, нахлесточные болтовые соединения, накладка под шайбы болтов.

Известны исследования фрикционных болтовых соединений, применяемых для соединения несущих элементов легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК).

Среди зарубежных работ по исследованию соединений можно выделить результаты таких авторов, как K.F. Chung, W.K. Yu, L. Lau, M.F. Wong [1, 2]. В этих работах исследована и доказана возможность применения в ЛСТК жестких узловых соединений на болтах, а также рассмотрена методика их расчета.

В [3] обращается внимание на особенности работы фрикционных болтовых соединений в зависимости от толщины соединяемых элементов. В [4, 5] рассматриваются особенности работы болтовых соединений тонколистовых элементов, в т.ч. фрикционных. Однако в данных исследованиях авторы ограничиваются изучением одно-, двух- и трехболтовых соединений. Влияние толщины соединяемых элементов в этих работах не является предметом исследований.

Актуальность исследования таких соединений обусловлена активным развитием и внедрением в строительство технологии ЛСТК (Легкие стальные тонкостенные конструкции). Исследуемые соединения применяются в соединениях несущих элементов ЛСТК (ригелей, стоек, элементов решетки ферм) между собой посредством соединительных фасонок; соединениях элементов по длине; креплениях связей к несущим элементам; креплениях соединительных планок и т. п. Однако на сегодняшний день в России отсутствуют нормативные документы, учитывающие в расчете фрикционных болтовых соединений толщину или разность толщин соединяемых элементов. Более того, отсутствуют нормативные документы для расчета фрикционных соединений ЛСТК вообще. Несмотря на это, существуют типовые решения каркасов здания из тонкостенных холодногнутых оцинкованных конструкций, выпускаемых российскими производителями, например Челябинским заводом «ИНСИ» [6], Омским предприятием «Термощит» [7], Новосибирской фирмой «Канадский дом» [8]. Среди зарубежных производителей наибольшее распространение в России получили конструкции шведской фирмы Lindab [9].

В данной работе авторы расширяют область экспериментальных исследований соединений элементов из тонколистовой оцинкованной стали [3—5], варьируя не только количество болтов, но и толщину соединяемых элементов. Целью работы является:

экспериментальное подтверждение влияния толщины или разницы толщин соединяемых элементов на несущую способность фрикционных соединений;

определение несущей способности высокопрочных болтов с контролируемым натяжением в однорядном болтовом соединении в зависимости от толщины соединяемых элементов.

Принципиальная схема сборки образцов представлена на рис. 1. Соединяемые пластины 1 и 2 во всех типах образцов выполнены из стали с пределом текучести 300 МПа и временным сопротивлением 350 МПа. Болты 3 класса прочности 8.8 с цинковым покрытием выполнены по DIN 933, соответствующему ГОСТ 7805—70, ISO 4017. Контролирование натяжения болтов осуществлялось динамометрическим ключом по моменту закручивания. Для исключения влияния коэффициентов трения, отличающихся для каждой пластины, обработка соединяемых поверхностей образцов производилась шлифовальным кругом средней зернистости и принята по табл. 42 [10] как обработка «Стальными щетками двух поверхностей без консервации».

Улучшение сдвигоустойчивых характеристик фрикционных соединений тонколистовых элементов с применением накладок 4 обоснована в [3]. Рекомендация к применению обжимающих накладок также приведена в [11], однако какие-либо конкретные условия их применения не уточняются.

Экспериментально установлено, что применение накладки в соединениях пластин толщиной более 5 мм не оказывает значимого влияния, поэтому во всех образцах, за исключением образцов 3-го типа (табл. 1), применены накладки 4, размерами 50x250x4 мм, установленные между шайбами с уширенным по- Рис. 1. Принципиальная схема сбор-лем 5 и стальной пластиной 2. ки образцов

Табл. 1. Сведения об исследуемых образцах

Тип Толщина пластины 1 <1 Толщина пластины 2 <2 Количество болтов в ряду, шт. Обработка поверхностей Расстояния между болтовыми отверстиями, мм Тип шайб Дополнительная накладка под шайбы Класс прочности болтов Количество образцов, шт.

1 1,5 + 17

2 2 5 <D л О с + 16

3 3 + 15

4 5 Металлическими щетками без § 3 — 18

5 н-1 1,5 1,5 1, 2...5 25 н н и + 8.8 15

6 2 2 консер- ш + 16

7 3 3 вации с 3 б й а э + 16

8 н-2 1,5 1,5 Накладки с обеих сторон 15

Примечание. Номера пластин в скобках соответствуют позициям на рис. 1.

9/2012

Свободные края пластин соединены со стальными траверсами 6 толщиной 8 мм. Траверсы предназначены для закрепления образцов в зажимах силовой установки и более равномерного распределения усилий. В качестве силовой установки использована разрывная машина 1п81;гоп. При загружении траверс, зафиксированных в зажимах разрывной машины, нагрузка передается к образцу и стремиться сдвинуть пластины, соединенные между собой болтами, относительно друг друга.

Исследуемые образцы разделены на 8 типов в зависимости от толщины соединяемых пластин (см. табл. 1), каждый тип разделен на 5 подтипов по количеству болтов в соединении. В ходе экспериментальных исследований толщина соединяемых элементов 1 и 2 варьировалась от 1,5 до 5 мм, а количество болтов 3 в ряду — от одного до пяти.

Для регистрации напряженного состояния многоболтового соединения использовались тензорезисторы типа КФ 5П1-10-100-А-12, подключенные к тензометриче-ской системе ММТС-64.01, которая в автоматическом режиме переводит полученные с датчиков данные в напряжения. Тензорезисторы были установлены в наиболее характерных местах образов таким образом, что бы фиксировать напряжения в области каждого болта.

Также были установлены индикаторы часового типа (ИЧ) для регистрации величины взаимного сдвига соединенных пластин. Они замеряли перемещение свободной от траверсы грани пластины 1 относительно траверсы, установленной на пластине 2; и наоборот — смещение свободной грани пластины 2 относительно траверсы пластины 1.

Тензометрическая система в данной работе применялась для контроля однородности выборки результатов для каждого типа образцов. При значительном несоответствии распределения напряжений в конкретном образце (вследствие, например, дефектов болта(ов), некачественной обработки поверхностей или недостаточного натяжения болта(ов)), результаты этого испытания исключались из выборки. В общем числе за вычетом исключенных образцов, количество испытаний каждого подтипа соединений составило не менее трех.

Для контроля характера сдвига пластин и исключения погрешностей, данные, получаемые с ИЧ, сопоставлялись с показаниями перемещения захватов разрывной машины 1ш1;гоп при соответствующих нагрузках с учетом продольных упругих деформаций образцов.

При испытании образцов нагрузку прикладывали этапами по 250 кгс, со скоростью 150 кг/мин до значения соответствующего значительным деформациям пластин, их разрыву и потере несущей способности соединения в целом (рис. 2). Показания приборов записывали в журнал испытаний после каждого этапа приложения нагрузки.

За предельное значение несущей способности (НС) исследуемых соединений принято значение, при котором происходит преодоление сил трения поверхностей

Рис. 2. Образец 3-го типа после испытаний упругая стадия работы соединения,

соединяемых деталей, происходит взаимный сдвиг элементов, и усилия сдвига передаются на торцевые по -верхности кромок отверстий многоболтового соединения, либо начало текучести металла образцов.

Для определения условий потери несущей способности фрикционного соединения представим его работу в общем виде (рис. 3). Участок АВ —

когда прикладываемая сдвиговая нагрузка воспринимается фрикционным соединением. На участке ВС происходит взаимный сдвиг пластин. Причем сдвиг может происходить не по всей длине соединения, а лишь в области первого болтоконтакта и сопровождаться упругими или пластическими деформациями в этой области. На участке СБ соединение работает как фрикционно-срезное, при этом видно, что на данном участке график более пологий по сравнению с участком ^В. Это объясняется тем, что, наряду с упругими деформациями образца в целом, происходит смятие болтовых отверстий. Участок БЕ характеризуется выраженными пластическими деформациями в области первого болтоконтакта. Данного участка может не быть или он может быть менее выраженным, если взаимный сдвиг пластин сопровождался пластическими деформациями на участке ВС. Участок ЕЕ — упрочнение, ГО — разрыв образца.

F

-Sta^-

D —Es

к л -

1

it A—

Относительные деформации соединения, %

Рис. 3. Зависимость относительных деформаций фрикционного соединения от нагрузки на образец

Согласно расчету по [10], НС всех рассматриваемых в работе пятиболтовых образцов одинакова и равна 12,15 тс. Однако по результатам экспериментальных испытаний видно, что, в зависимости от разницы толщин соединяемых элементов, усилия сдвига, которые может воспринимать каждый тип соединений, значительно отличаются (рис. 4). Например, НС пятиболтового соединения пластин различной толщины 1,5 и 5 мм составляет 9,3 тс. При всех тех же условиях, за исключением одинаковой толщины пластин 5 мм, НС больше на 44 % и составляет 13,4 тс (табл. 2), что не меньше значения, полученного расчетом по [10].

35000

>30000

330 00

-Тип 1

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Взаимный сдвиг пластин, мм

Рис. 4. Графики зависимости сдвига пластин от прикладываемой нагрузки на образы типа 1, 2 и 4, при пяти болтах в ряду соединения

0

Тип образца Количество болтов в ряду

1 2 3 4 5

1 (1,5+5) 4 4,6 5,8 7,8 9,3

2 (2+5) 3,9 4,5 6,1 8,2 11,2

3 (3+5) 3,5 4,3 6,2 8,5 12,1

4 (5+5) 3 4,4 6,5 9,4 13,4

5 (1,5+1,5) н-1 1,8 3 5 7,5 10,7

6 (2+2) 2,4 3,3 5,6 8,5 11,4

7 (3+3) 2,6 3,6 5,9 9,1 12,2

8 (1,5+1,5) н-2 2,8 4,3 6,2 8,2 11,1

Количество болтов в ряду

1

4,6

7,8

9,3

2

3,9

4,5

6,1

8,2

11,2

3

3,5

4,3

6,2

8,5

12,1

4

4,4

6,5

9,4

13,4

5 (1,5+1,5) н-1

1,8

7,5

10,7

6

2,4

3,3

11,4

7

2,6

3,6

5,9

9,1

12,2

8 (1,5+1,5) н-2 2,8 4,3

Примечание. Для удобочитаемости в скобках

6,2 8,2 11,1 указана толщина соединяемых деталей, мм.

Интерес представляет сложная непропорциональная зависимость НС соединений от количества болтов в образцах с различной толщиной пластин. Например, из рис. 5 видно, что увеличение количества болтов в ряду оказывается не одинаково эффективным для образцов типа 1 и 4. При увеличении количества болтов, соединяющих пластины толщинами 1,5 и 5 мм с одного до пяти, НС соединения увеличиваются в 2,3 раза, а в случае соединения пластин одинаковой толщины 5 мм — в 4,5 раза.

14 13 12

о 11 10

£ 9

-Тип 1 (1,5+5) Тип 3 (3+5) -Тип 4 (5+5) Тип 5 (1,5+1,5) н-1 -Расчет по СП

2 3 4

Количество болтов в соединении, шт

Рис. 5. Зависимость несущей способности образцов от количества болтов в ряду

4

3

3

5

0

5

В случае, когда толщина обеих пластин равна 1,5 мм, НС такого соединения меньше по сравнению с соединением пластин толщинами 5 мм. Однако снижение несущей способности происходит пропорционально уменьшению толщины пластин независимо от количества болтов в соединении (см. рис. 5, тип 4 и 5).

Во фрикционном соединении толщины соединяемых элементов имеют особое значение. Тонколистовая сталь под действием внешних нагрузок более подвержена депланации, что оказывает существенное влияние на несущую способность фрикционного соединения. Локальные искривления поверхностей соприкосновения деталей, концентрация напряжений и пластические деформации вблизи болтоконтактов приводят к уменьшению предварительного натяжения болтов. В данных условиях более толстый металл сдерживает депланацию и способствует равномерному распределению напряжений в пластине и, как следствие, сохранению натяжения болта и фактической площади контакта при внешних воздействиях на соединение. Например, при установке накладок под шайбы болтов с обеих сторон соединения пластин одинаковой толщины 1,5 мм, несущая способность выше по сравнению с односторонним применением накладки (рис. 6, тип 8 и 5 соответственно).

1-

о—

0 2 3 4 5

Количество болтов в соединении, шт

Рис. 6. Зависимость несущей способности образцов от количества болтов в ряду

Установлено, что расчет фрикционных соединений по [10] справедлив для пластин толщиной от 5 мм и более. В расчете соединений, где толщина хотя бы одной из пластин менее 5 мм необходимо применять коэффициенты, учитывающие изменение несущей способности при конкретных толщинах.

Большая несущая способность одноболтовых соединений 1 и 2-го типов по отношению к 4-му и 5-му типам (см. рис. 5) объясняется тем, что в первом случае тонколистовой материал обжимается накладкой (см. рис. 1, поз. 4) с одной стороны и пластиной толщиной 5 мм с другой, что обеспечивает равномерное распределение напряжений в пластине от обжатия болтами. Это подтверждается однородностью полученных экспериментальных результатов: при множественном испытании образцов каждого типа наибольшей сходимостью результатов обладали образцы, в которых одна из пластин имела толщину 1,5 мм, а вторая 5 мм. С увеличением количества болтов влияние этого фактора снижается, так как усилия от сдвига концентрируются в области первого болта и, в конечном счете (при увеличении количества болтов в ряду и нагрузки на соединение) становятся выше предельного значения, после чего происходит потеря несущей способности болтоконтакта. Под потерей несущей способности здесь понимается резкое увеличение нормальных напряжений в тонкой пластине в области первого болта, что означает невозможность сдерживания сдвига данным болтоконтактом.

Исходя из этого, авторы полагают, что п. 14.3.4 [10], согласно которому распределение силы между болтами следует принимать равномерным, не может быть применен для соединений, в которых толщина хотя бы одного из элементов меньше 5 мм.

В соединениях пластин значительно отличающихся по толщине (в пределах 1...5 мм), например, 1,5 и 5 мм, требуется вводить дополнительный коэффициент, учитывающий неравномерное распределение усилий между болтами.

Сравнивая вычисленные по [10] значения несущей способности фрикционных соединений с экспериментальными значениями, составим таблицу их отношений в процентах (табл. 3).

Табл. 3. Отношение фактической несущей способности образцов к расчетной, %

Тип образца Количество болтов в ряду

1 2 3 4 5

1 (1,5+5) 185 106 90 90 77

2 (2+5) 181 104 94 95 92

3 (3+5) 162 100 96 98 100

4 (5+5) 139 102 100 109 110

5 (1,5+1,5) н-1 83 69 77 87 88

6 (2+2) 111 76 86 98 94

9/2012

Окончание табл. 3

Тип образца Количество болтов в ряду

1 2 3 4 5

7 (3+3) 120 83 91 105 100

8 (1,5+1,5) н-2 130 100 96 95 91

Примечание. Для удобочитаемости в скобках указана толщина соединяемых деталей, мм.

Выводы. 1. Установлено, что на несущую способность фрикционных соединений стальных пластин значительное влияние оказывает их толщина и разность толщин. Так, при различном сочетании толщины пластин в пределах 1.. .5 мм несущая способность соединений может различаться на 130 %.

2. В соединениях пластин, значительно отличающихся по толщине, наблюдается непропорциональное изменение несущей способности в зависимости от количества болтов в соединении, не соответствующее [10].

3. Установлено, что расчет фрикционных соединений по [10] справедлив для элементов толщиной от 5 мм и более и не может быть корректно применен для расчета тонколистовых элементов толщиной 1.2 мм.

Библиографический список

1. Chung K.F., Lau L. Experimental investigation on bolted moment connections among cold-formed steel // Engineering Structures. 1999. no. 21. pp. 898—911.

2. Yu W.K., Chung, K.F., WongM.F. Analysis of bolted moment connections in cold-formed steel beam-column sub-frames // Journal of Constructional Steel Research. 2005. no. 61. pp. 1332—1352.

3. Енджиевский Л.В., Тарасов А.В. Экспериментальные и численные исследования болтовых соединений стальных пластин при разных соотношениях их толщин // Изв. вузов. Строительство. 2011. № 7. С. 98—107.

4. Коротких А.В. Фермы из тонкостенных оцинкованных профилей с перекрестной решеткой на сдвигоустойчивых соединениях : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2012.

5. Кретинин А.Н. Тонкостенные балки из гнутых оцинкованных профилей: составных поясов коробчатого сечения и гофрированных стенок : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2008.

6. Информационный сайт группы заводов ИНСИ. Режим доступа: http://insi.ru/. Дата обращения: 07.04.12.

7. Информационный сайт завода «Термощит». Режим доступа: http://zoko.ru/. Дата обращения: 08.04.12.

8. Информационный сайт компании ООО «Канадский дом». Режим доступа: http://www. kanadskiy-dom.ru/. Дата обращения: 16.03.12.

9. Информационный сайт фирмы Lindab. Режим доступа: http://lindab.ru/. Дата обращения: 26.03.12.

10. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции (Актуализированная редакция СНиП II-23— 81*). М., 2011.

11. МоскалевН.С., ПоповаР.А. Стальные конструкции легких стальных зданий. М. : Изд-во АСВ, 2003. С. 56.

Поступила в редакцию в июне 2012 г.

Об авторах: Енджиевский Лев Васильевич — доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН, профессор кафедры строительных конструкций и управляемых систем, ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет Инженерно-строительный институт» (СФУ ИСИ), 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, д. 82, корп. А, каб. 4-05, 8 (391) 206-27-59.

Тарасов Алексей Владимирович — аспирант, ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет Инженерно-строительный институт» (СФУ ИСИ), 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, д. 82, корп. А, каб. 4-05, al.vl.tarasov@gmail.com.

Для цитирования: Енджиевский Л.В., Тарасов А.В. Влияние толщины соединяемых элементов на несущую способность многоболтового фрикционного соединения // Вестник МГСУ. 2012. № 9. С. 116—123.

L.V. Endzhievskiy, A.V. Tarasov

INFLUENCE OF THICKNESS OF CONNECTED ELEMENTS ONTO THE BEARING CAPACITY OF THE MULTIPLE-BOLT FRICTION JOINT

The article represents a summarized research of the influence of thickness of elements connected by multiple-bolt friction joints produced onto the bearing ability of the connection. Different thicknesses of structural elements connected by multiple-bolt friction joints produce both qualitative and quantitative influence on the stress-strain state of the connection.

The relevance of the research is driven by the technology of Light Steel Framing Construction (LSFC) that is intensively developed and implemented in the construction industry.

The objectives of the research encompass:

• the experimental study of the influence of the thickness or thickness difference of connected elements produced onto the bearing capacity of friction joints;

• identification of the bearing capacity of high-strength bolts with controlled tension in the bolted connection, depending on the thickness of connected elements.

The results of experimental tests of samples of connected plates, the thicknesses of which vary from 1.5 mm to 5 mm, are presented in the paper.

The analysis of connections that have, at least, one plate the thickness of which is less than 5 mm, should incorporate the coefficients that take account of the bearing capacity fluctuations.

The authors demonstrate that the bearing capacity of friction joints of steel plates is highly dependent on the thickness and thickness difference of connected plates. Different combinations of thicknesses of plates within the range of 1...5 mm cause the bearing capacity of the joints to vary within the range of 130 %.

Key words: multiple-bolt friction joint, thin-walled zinced profiles, bolted joint, steel strap under washers.

References

1. Chung K.F., Lau L. Experimental Investigation on Bolted Moment Connections among Cold-formed Steel. Engineering Structures. 1999, no. 21, pp. 898—911.

2. Yu W.K., Chung K.F., Wong M.F. Analysis of Bolted Moment Connections in Cold-formed Steel Beam-column Sub-frames. Journal of Constructional Steel Research. 2005, no. 61, pp. 1332—1352.

3. Endzhievskiy L.V., Tarasov A.V. Eksperimental'nye i chislennye issledovaniya boltovykh soe-dineniy stal'nykh plastin pri raznykh sootnosheniyakh ikh tolshchin [Experimental and Numerical Research of Bolted Joints of Steel Plates If Correlations of Their Thicknesses Are Different]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of Higher Education Institutions. Construction]. Novosibirsk, 2011, no. 7, pp. 98—107.

4. Korotkikh A.V. Fermy iz tonkostennykh otsinkovannykh profiley s perekrestnoy reshetkoy na sd-vigoustoychivykh soedineniyakh [Steel Trusses of Thin-walled Galvanized Profiles with Intersecting Bars in Shear-resistant Connections]. Krasnoyarsk, 2012.

5. Kretinin A.N. Tonkostennye balki iz gnutykh otsinkovannykh profiley: sostavnykh poyasov korob-chatogo secheniya igofrirovannykh stenok [Thin-walled Beams of Bent Zinced Steel Sections: Composite Box-section Belts and Corrugated Walls]. Novosibirsk, 2008.

6. "INSI" Information website. Available at: http://insi.ru/. Date of access: April 07, 2012.

7. "Termoshchit" [Thermal Shield] Information site. Available at: http://zoko.ru/. Date of access: April 08, 2012.

8. "Kanadskiy dom" [Canadian House] website. Available at: http://www.kanadskiy-dom.ru/. Date of access: March 16, 2012.

9. "Lindab" website. Available at: http://lindab.ru/. Date of access: Mar 26, 2012.

10. SP 16.13330.2011. «Stal'nye konstruktsii» (Aktualizirovannaya redaktsiya SNiPII-23-81*) [Construction Rules 16.13330.2011. Steel Structures. (Updated version of Construction Norms and Regulations II-23-81*]. Moscow, 2011.

11. Moskalev N.S., Popova R.A. Stal'nye konstruktsii legkikh stal'nykh zdaniy: Uchebnoe posobie. [Steel Structures of Light-weight Steel Buildings: Manual]. Moscow, ASV Publ., 2003.

About the authors: Endzhievskiy Lev Vasil'evich — Doctor of Technical Sciences, Associate Member of RAACS, Professor, Department of Building Structures, Institute of Civil Engineering of Siberian Federal University (SFU ISI), Office 4-05, 82 Svobodnyy prospekt, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation, +7 (391) 206-27-59;

Tarasov Aleksey Vladimirovich — postgraduate student, Institute of Civil Engineering of Siberian Federal University (SFU ISI), Office 4-05, 82 Svobodnyy prospekt, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; al.vl.tarasov@gmail.com.

For citation: Endzhievskiy L.V., Tarasov A.V. Vliyanie tolshchiny soedinyaemykh elementov na nesu-shchuyu sposobnost' mnogoboltovogo friktsionnogo soedineniya [Influence of Thickness of Connected Elements onto the Bearing Capacity of the Multiple-Bolt Friction Joint]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 9, pp. 116—123.