Испытания и расчет винтовых соединений легких стальных тонкостенных конструкций на растяжение

ИСПЫТАНИЯ И РАСЧЕТ ВИНТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛЕГКИХ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА РАСТЯЖЕНИЕ

И.Г. Катранов

МГСУ

В статье описаны экспериментальные исследования винтовых соединений легких стальных тонкостенных конструкций, на вырыв винта, и на отрыв листа через шайбу, приведены рекомендации по расчету соединений.

The test results ofpull-out andpull-through screw connections of Light Gauge Steel Framing are described. The recommendations for calculation are adduced.

Тонкостенные холодногнутые профили, изготовленные из оцинкованной стали получают в строительстве все большее распространение. В области металлостроения конструкции из гнутых профилей получили название ЛСТК (Легкие Стальные Тонкостенные Конструкции) [1]. ЛСТК имеют ряд существенных особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании и расчете. Такими особенностями являются небольшие толщины соединяемых профилей, а также применение в качестве крепежных элементов вытяжных заклепок и самосверлящих самонарезающих винтов.

Соединения ЛСТК преимущественно работают на срез и растяжение. В статье описаны особенности работы, методики испытаний и расчета винтовых соединений, работающих на растяжение.

На растяжение в ЛСТК работают крепления ограждающих конструкций из сэндвич-панелей и профилированных листов, узлы крепления балочных конструкций, а также конструкции покрытий и обшивок.

Рисунок 1. Узлы ЛСТК работающие на растяжение

Экспериментальные исследования работы винтовых соединений ЛСТК проводились в лаборатории кафедры «Испытания сооружений» (МГСУ), был проведен цикл экспериментальных исследований работы соединений ЛСТК на растяжение. Отказы винтовых соединений, возможно классифицировать по следующим типам: разрыв винта, вырыв винта из базового материала, отрыв материала через шайбу, разрушение резьбы винта, разрушение головки винта (характерно для винтов с потайной головкой, ввиду их малой толщины [2]). Наиболее вероятными типами отказа, применительно к соединениям ЛСТК, с толщинами соединяемых элементов до 2 мм, являются вырыв винта из базового материала и отрыв листа через шайбу.

ВЕСТНИК МГСУ

2/2010

N

Р

а Разрыв винта

I

N

16, Вырыв винта 25. Отрыв через шайбу

и

N

N

в. Разрушение резьбы г. Разрушение головки винта винта

Рисунок 2. Типы отказов винтовых соединений ЛСТК при работе на растяжение.

Для испытания соединений ЛСТК на растяжение была разработана специальная оснастка. Удобство предлагаемой оснастки заключается в том, что с её помощью возможно проведение испытаний соединений ЛСТК на растяжение и определение разрушающих нагрузок при любых типах отказа, при разрушении как по крепежу, так и по базовому материалу [3]. С помощью данной оснастки возможно испытание соединений ЛСТК на различных крепежных элементах, винтах, вытяжных заклепках, болтах, пистолетных дюбелей применяемых при соединении профилей толщиной до 4 мм. Универсальная оснастка была разработана с учетом экспериментальных исследований проводимых в ЦНИиПСК. [4]

В качестве образцов для испытаний использовались П-образные элементы, изготовленные из стальной оцинкованной полосы марки С255 по ГОСТ Р 52246-2004, шириной 30 мм с необходимыми толщинами 11 иИ.

с№

вч

и

4

-

1

Рисунок 3. Универсальная оснастка ОУРК-1 для испытания соединения ЛСТК на растяжение

(чертеж, фото).

1-1

( ü 1 '11

к )

Д Д

r V

J in m

. 30 ,

Рисунок 4. Стандартный образец для испытания на растяжение соединений ЛСТК. (чертеж, фото образца на оснастке).

Образцы соединялись самосверлящими самонарезающми винтами Harpoon диаметром 4,8 х19 мм по DIN 7504K, образуя неразъемное соединение. Диаметр крепежных элементов 4,8 мм был выбран, как наиболее широко распространенные в ЛСТК. Установка винтов производилась в соответствиями с рекомендациями производителя.

Испытания проводились на испытательной машине Instron модели 3382 в комплектации для испытания металлов. Нагрузка при испытании увеличивалась в непрерывном режиме до разрушения образца. Нагружение производилось со скоростью 8 мм/мин. Во время испытания записывалась диаграмм зависимости нагрузка - деформация. В процессе испытания фиксировался характер разрушения.

Испытания проводились сериями по пять образцов. Различия в результатах в серии не превышали 15%, что говорит о стабильной работе крепежных элементов и материала пластин, а также хорошем качестве подготовки образцов. Средние результаты по серии представлены в таблице 1, на основании полученных результатов построены диаграммы нагрузки/удлинения.

Необходимо отметить, что в отечественных методиках расчета особенности работы винтовых соединений на вырыв из листа и отрыв материала через шайбу не учтены и вовсе отсутствуют..

Евронормы, а именно Eurocode 3, Part 1-3 [5], предусматривают расчет винтовых соединений на вырыв и отрыв материала через шайбу.

Согласно нормативу, несущая способность винтового соединения ЛСТК, при работе на вырыв, рассчитывается по следующей формуле:

Если ^ * < 1: Если tsup/ * ^ 1:

Fo,Rd = 0,45 • d  ¿sup • fu,sup/n FoRd = 0,65 • d  ¿sup • fu,sup/ Y.

M 2 '

ВЕСТНИК 2/2010

Где, С - диаметр винта; tsup - толщина базового материала; я - шаг резьбы винта; /и?шр -

предел прочности базового материала.

/и,яир=335 МПа, Согласно таблице 3.1Ь БК для стали С255.

Для соединений, коэффициент надежности по материалу уш=1,25;

Таблица 1. Средние по сериям результаты испытаний и результаты расчета по ЕМ винтовых соединений ЛСТК на растяжение

№ £ -Чг., 3 1 J 6 V

1 Тошщшп скрепляемых шетов, I. ым 0,50 0.70 1.00 U0 1.50 2.00

2 Д| laMtlp викга. it, ш 4,80 1,80 4,80 I.SO 4,80 4,80

3 Шах ретьВы, 1.59 1.59 1.59 1.59 1.59 1.59

1 Дшшщр шайбы. iL. мы 10,4 10.4 10.1 10.4 10.1 10.1

5 Марки етатпг ппсг;1 по НОрЫМШШ Щ-RYIII }. МПа 335.00 J J 5,00 335,00 335.00 335.00 335,00

Й Результат эксперимента (аырьш вппга I Nmax. Н - - 1394,14 IR45J3 24УС2 3423,3:

7 Рас»! на вырыв no Eiuwude 3, Pint 1-3. II - - fS3JS0 tliKMO 1090,40

8 Рей-tttTiti экспсртшента (втрыв ГШС- Д1} NHIEIN., Н - 44" 1.": 6103,44 - - -

я Расчет на оТрМЕ тшстл по EUftKcirte 3. Pail 1*3, Н - 343S.S0 3484.00 - * -

При работе на отрыв через шайбу несущая способность рассчитывается как:

Fp,Rd = dw ' t ' fu / Ум2 ;

Где, dw - диаметр шайбы винта; t - толщина отрываемого через шайбу материала/fU-

предел прочности отрываемого через шайбу материала.

fu?sup=335 МПа, Согласно таблице 3.1b EN для стали С255.

Для соединений, коэффициент надежности по материалу ум2=1,25;

На Диаграмме 1, произведено сравнение несущей способности винтовых соединений ЛСТК при различных типах отказа. Что позволяет представлять соотношение величины несущей способности винтового соединения при работе на вырыв из базового материала и отрыв материала через шайбу.

Необходимо отметить, что при испытании специальных винтов HP2-R, предназначенных для соединения листов с толщиной до 1,5 мм, [6] несущая способность соединения возрастает в среднем на 25% по сравнению с соединениями на обычных винтах DIN 7504K того же диаметра. Что говорит о целесообразности применения специализированного крепежа.

На Диаграмме 1, также приводится сравнение результатов эксперимента и теоретического расчета винтовых соединений ЛСТК при работе на вырыв винта и отрыв через Полученные результаты показывают, что формулы для расчета на вырыв и отрыв согласно Eurocode 3, Part 1-3, обеспечивают достаточный запас с учетом различия в результатах эксперимента по сериям, и могут быть рекомендованы к применению в расчетах узлов легких стальных тонкостенных конструкций.

Диаграмма 1. Сравнение результатов эксперимента и теоретического расчета винтовых соединений ЛСТК при работе на вырыв винта и отрыве через шайбу

В настоящей статье изложена часть результатов первого этапа научной работы. Работа по рассматриваемой тематике продолжается.

Литература

1. Павлов А.Б., Айрумян ЭЛ., Камынин С.В., Каменщиков Н.И. «Быстровозводимые малоэтажные жилые здания с применением легких стальных тонкостенных конструкций», журнал "Промышленное и гражданское строительство" №9/2006.

2. Технический отчет по теме: «Проведение испытаний винтов самосверящих самонарезающих на растяжение при статическом нагружении», ГОУ ВПО МГСУ, Москва 2010.

3. Катранов И.Г., Кунин Ю.С. «Вытяжные заклепки в узлах соединений легких стальных тонкостенных конструкций. Ассортимент и область применения», журнал "Промышленное и гражданское строительство" №3/2010.

4. Айрумян Э.Л., Ганичев С.В., Камынин С.В. «Вытяжные заклепки или самонарезающие винты?», журнал Монтажные и специальные работы в строительстве №3/2009.

5. Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-3: General rules. 2006. Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.

6. Катранов И.Г. «Винты в соединениях легких стальных тонкостенных конструкций. Ассортимент и область применения». Журнал «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», 3(134), 2010.

Ключевые слова: легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК), соединение, винт, испытания, испытательная оснастка, рекомендации по расчету, вырыв, отрыв, растяжение.

Key words: light Gauge Steel Framing (LGSF), connection, screw, tests, tests equipment, recommendations for calculation, pull-out, pull-through, tension.

Рецензент: Туснин Александр Романович, д.т.н., профессор кафедры «Металлические конструкции» ГОУ ВПО МГСУ.

e- mail автора: katranoff@bk.ru