авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Несущая способность винтовых и заклепочных соединений стальных тонкостенных конструкций

На правах рукописи

КАТРАНОВ Иван Георгиевич НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВИНТОВЫХ И ЗАКЛЕПОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Специальность:

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2011 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Кунин Юрий Саулович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белый Григорий Иванович кандидат технических наук Айрумян Эдуард Левонович

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр «Строительство», ОАО;

ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (НИЦ «Строительство», ОАО)

Защита состоится «_» 2011г. в часов на заседании диссертационного совета Д 303.015.01 при ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» по адресу: 117997, г. Москва, ул. Архитектора Власова, 49, комн. 314.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова».

Просим Вас принять участие в защите и направить отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью организации, в секретариат совета по указанному выше адресу.

Телефон/факс +7 (495) 660-79-40.

E-mail: d_council@stako.ru.

Автореферат разослан « _» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 303.015.01, кандидат технических наук Н.Ю. Симон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена значительной потребностью в строи тельстве энергоэффективных, качественных и экономичных зданий и соору жений из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), и возникаю щей в связи с этим проблемой создания нормативной базы и обеспечением е надежности целенаправленными исследованиями в данной области.

Применение в строительстве новых типов крепежа, а также отсутствие обоснованной методики испытания и расчета соединений ЛСТК ограничи вают объемы проектирования и возведения зданий и сооружений из стальных тонкостенных конструкций.

Цель 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 способ ность соединений применительно к российским особенностям производства и эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) Выполнен анализ работы основных типов соединений на вытяжных за клепках и самосверлящих самонарезающих винтах, применяемых в соедине ниях ЛСТК.

2) Проведена систематизация и изучены типы отказа заклепочных и винто вых соединений ЛСТК.

3) Разработана методика испытания соединений ЛСТК на вытяжных заклеп ках и самосверлящих самонарезающих.

4) Проведены испытания соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и само сверлящих самонарезающих винтах, выполнены обработка и анализ их ре зультатов.

5) Определено влияние параметров условий работы соединений, таких как неравномерность распределения усилий в многовинтовом соединении, типа соединений (нахлесточное или двухсрезное), и ряда конструктивных особен ностей, таких как шаг резьбы и соотношение диаметра крепежного элемента и толщины соединяемого материала, влияющих на несущую способность со единения.

6) Проведена адаптация Европейской методики расчета соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах с учетом российских особенностей производства и эксплуатации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- получены новые экспериментальные данные о прочности и деформативно сти основных типов соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосвер лящих самонарезающих винтах при работе на срез и растяжение;

- получены и проанализированы различные типы отказов при работе соеди нений на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах на срез и растяжение;

- экспериментально исследовано влияние циклических нагрузок на работу винтовых соединений на срез;

- по результатам экспериментальных исследований разработана методика ис пытания и расчета соединений на вытяжных заклепках и самосверлящих са монарезающих винтах при работе на срез и растяжение с учетом поправоч ных эмпирических коэффициентов и зависимостей.

Достоверность результатов:

Степень достоверности результатов обеспечена проведением исследова ний с применением научно-обоснованных методик, тарировкой приборов и оборудования. Результаты исследования получены путем проведения обшир ного натурного эксперимента, статистической обработки и вероятностного анализа, подтверждены расчетом с использованием метода конечных элемен тов в расчетном комплексе.

Практическая значимость результатов исследования состоит в следующем:

- по результатам экспериментальных исследований получены данные о не сущей способности соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосвер лящих самонарезающих винтах при различных типах отказов соединения при работе на срез и растяжение;

- предложены коэффициенты и формулы для учета влияния различных кон структивных факторов на работу данных соединений;



- результаты экспериментально-теоретических исследований и предложен ные коэффициенты и зависимости использованы при разработке cтандарта организации (СТО) ЦНИИПСК им. Мельникова по расчету и испытанию винтовых соединений ЛСТК, а также при проектировании легких стальных тонкостенных конструкций на территории РФ.

Внедрение результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы в проектной и практической деятельности организаций ООО «Генезис-Рус» и ООО «Глобал Ривет Инжениринг», а также в учебном про цессе Московского государственного строительного университета. Разрабо тано и изготовлено устройство для испытаний на растяжение соединений тонкостенных металлических конструкций [21]. Разработанная методика ис пытания и расчета соединений ЛСТК использована в стандарте организации (СТО) ЦНИИПСК им. Мельникова. [20] Апробация работы. Основные положения проведенных исследований по теме диссертации докладывались автором на международных научно практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» в 2009-2011г.г.;

традиционной научно-технической конференции профессорско преподавательского состава «Института строительства и архитектуры» ГОУ ВПО МГСУ в 2010 г;

конференции, посвященной 130-летию ЦНИИПСК им.

Мельникова;

на заседаниях кафедр испытания сооружений и металлических конструкций ГОУ ВПО МГСУ в 2009-2011 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа в журналах и сборниках научных статей и материалах научно-технических конференций, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, результаты дис сертации использованы при разработке СТО ЦНИИПСК им. Мельникова, получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библио графического списка (80 наименований) и 3-х приложений. Диссертация со ставляет 197 страниц, в том числе, 75 рисунков и 18 таблиц.

На защиту выносятся:

- методика проведения испытаний соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативно сти соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосверлящих самонаре зающих винтах (общее количество испытаний в сериях составило 388 шт);

- рекомендации по назначению расчетных коэффициентов надежности по ма териалу в зависимости от характера работы и типа соединения;

- инженерная методика расчета соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах при работе на срез и растяжение;

- результаты моделирования работы винтового соединения на срез в про граммном расчетном комплексе;

- рекомендации по применению различных типов крепежных элементов при различных условиях работы и конструктивных особенностях узлов ЛСТК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертации раскрывает актуальность темы работы, определяет цели исследования, научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе диссертации рассмотрена область применения и особен ности ЛСТК из оцинкованных холодногнутых профилей, включающая кар касы зданий и сооружений различного назначения, применение ЛСТК в ка честве несущих и ограждающих конструкций, декоративных и вспомога тельных элементов, а также представлен анализ существующих теоретиче ских и экспериментальных исследований соединений тонкостенных сталь ных конструкций.

Существенным отличием ЛСТК, является применение специальных типов крепежа для соединения профилей, в основном вытяжных заклепок и само сверлящих самонарезающих винтов.

Вытяжные заклепки и винты в настоящее время производятся согласно нормативам ISO и DIN7504K компаниями, «Hilti», «Harpoon», «Bralo» и «SFS» а также рядом менее крупных предприятий. Ассортимент, область применения и конструктивные особенности вытяжных заклепок и винтов подробно изложены в опубликованных работах.

Обобщая исследования, проводимые в области соединений легких сталь ных тонкостенных конструкций, в работе произведен обзор исследований болтовых соединений малых толщин.

Развивая принятую в СССР методику предельных состояний, Н.Н. Стре лецким, В.В. Каленовым и А.Б. Павловым был предложен подход к расчету болтовых соединений, работающих на срез, основанный на деформационных критериях предельного состояния по прочности.

На повышение эффективности болтовых монтажных соединений были на правлены исследования В.М. Бабушкина, В.П. Велихова, В.В. Кармалина.

Влияние цинкового покрытия на работу и долговечность болтовых соедине ний исследовались в работах Т.С. Волковой, Б.В. Остроумова, А.Ф. Княжева и Н.И. Сотского, Г.П. Якубовой, В.Н. Сотского.

Экспериментальная оценка прочности болтовых соединений легких кон струкций из холодногнутых оцинкованных профилей малых толщин приве дена в работах И.И. Ведякова, П.Д. Одесского, Д.В. Соловьева, а также В.В.





Зверева и А.С. Семенова.

Среди исследований заклепочных и винтовых соединений тонкостенных конструкций необходимо отметить работы авиастроительной отрасли С.Л.

Васильева и А.И. Ендогура.

В строительной отрасли исследования соединений тонкостенных конст рукций проводились и рядом зарубежных авторов: La Boube R.A., Wallace James A., Schuster R.M., Yo, Wei-wen, Rogers Colin A., Hancock Gregory J., Robert Cacko и Kaitila O., Kesti J., Makelainen P.

Среди отечественных исследований соединений на вытяжных заклепках большой вклад в исследования соединений тонкостенных конструкций вно сят работы А.В. Грановского, В.Ф. Беляева, З.И. Доттуева, Т.М. Хасанова и А.В. Брызгалова, связанные с проектированием, монтажом и эксплуатацией подсистем навесных фасадов с вентилируемым зазором.

Проблемы качества вытяжных заклепок и винтов, поставляемых на рос сийский рынок, а также качества монтажа активно освещаются в публикаци ях И.В. Орлова, С.В. Ганичева, М.Н. Сорокиной и Т.В. Тараскиной.

Вопросы повышения эффективности использования стальных профилиро ванных листов путем включения их в работу несущих конструкций рассмот рены в работах Э.Л. Айрумяна и Е.С.Маркова, а также В.Г. Себешева и В.И.

Почки.

Циклические испытания дюбельных соединений, проводились Т.Ф. Запо рожцем, В.А. Галичевым и К.В. Кузнецовым. Вопросы повышение надежно сти соединений на самонарезающих болтах в легких ограждающих конст рукциях подробно рассмотрены в работах В.А. Чекалова и И.Д. Грудева.

Проблемы качества вытяжных заклепок и винтов, поставляемых на рос сийский рынок, а также качества монтажа активно освещаются в публикаци ях И.В. Орлова и С.В. Ганичева.

Несмотря на многообразие выполненных работ, обзор состояния вопроса показал, что действительная работа соединений ЛСТК на вытяжных заклеп ках и винтах, изучена недостаточно полно. При этом отсутствует утвержден ная методика испытаний и математической обработки результатов испыта ний соединений легких стальных тонкостенных конструкций. Существую щие расчетные методики и рекомендации не учитывают параметры условий работы соединений, тип соединения и ряд конструктивных особенностей крепежных элементов, что в целом, приводит к удорожанию конструкций и перерасходу крепежных элементов.

Об отсутствии в России достоверной инженерной методики расчета со единений легких тонкостенных конструкций на вытяжных заклепках и вин тах, приводящее к перерасходу крепежных элементов, а в отдельных случаях и к авариям сооружений, отмечается в работах Э.Л. Айрумяна и Г.И. Белого.

В связи с принятым направлением гармонизации российской и европей ской систем нормирования в строительстве, применение инженерной мето дики расчета соединений, предлагаемой в Европейских нормах (EN), ограни чено различием стандартов производства и системы контроля качества. Так же, в Европейских нормах (EN) отсутствуют положения, учитывающие тип соединения, а также неравномерность включения в работу крепежа много винтовых соединений и ряд других факторов.

В заключении первой главы ставятся окончательные цели и задачи пред стоящего исследования.

Вторая глава диссертации посвящена разработке методики и анализу ре зультатов испытаний заклепочных и винтовых соединений ЛСТК. Рассмот рены возможные типы отказов соединений ЛСТК (Рис. 1).

Рис. 1. Типы отказов соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и винтах.

Соединения ЛСТК на заклепках и винтах работают, как правило, на срез и на растяжение крепежного элемента, приводятся примеры узлов, наиболее часто применяемых в строительных конструкциях.

Так, при работе на срез, возможны срез крепежного элемента, смятие ма териала листа, разрыв листа по сечению «нетто» и выкол листа, вследствие несоблюдения краевых расстояний. При работе на растяжение возможны разрыв крепежного элемента, вырыв из базового материала и отрыв прикреп ляемого материала через пресс-шайбу или бурт крепежа.

Для подробного исследования несущей способности соединений необхо димо проведение обширного эксперимента. Испытания проводились в лабо ратории «Сектора испытаний строительных конструкций» МГСУ на универ сальных испытательных машинах «Instron».

Образцы для испытаний соединений изготавливались из тонколистовой оцинкованной стали марки С255. Толщины испытываемых образцов были приняты равными от 0,5 до 2,0 мм, как основные толщины, применяемые в элементах ЛСТК.

Соединение образцов осуществлялось вытяжными заклепками диаметра ми 4,8 мм и 6,4 мм и самосверлящими самонарезающими винтами диаметра ми 4,2;

4,8;

и 5,5 мм производства фирмы Гарпун.

Для испытания образцов разработана методика, включающая подготови тельный этап и этап нагружения, описанная в публикациях и вошедшая в cтандарт организации СТО [20]. Для испытания образцов на растяжение раз работана специальная оснастка и получен патент на полезную модель [21].

а) б) Рис. 2.Оснастка для испытания на растяжение а) и фото графии проведения испытаний на срез и растяжение б).

Эксперимент был обоснован и спланирован в 2 этапа.

На основании 1-го этапа проведенного эксперимента подтверждена эф фективность применения предлагаемой методики испытаний соединений.

Применение оснастки предлагаемой конструкции обеспечивает удобство закрепления образцов соединений в захватах испытательной машины, что сокращает время установки новых образцов, а также позволяет повысить достоверность получаемых результатов за счет исключения возможности вы борки зазоров во вспомогательных элементах захватного приспособления.

Экспериментально были подтверждены классифицированные в настоящей работе типы отказов соединений на вытяжных заклепках и винтах ЛСТК, ра ботающих на срез и растяжение.

Получены данные о несущей способности и деформативности соединений, на основании испытаний 388 образцов. Проведенный анализ диаграмм «на грузка/деформация», а также анализ характера разрушения соединений при различных типах отказов, дает возможность понять адекватную картину про цесса работы соединения. Так на начальной стадии нагружения образца при работе на срез, происходит наклон крепежного элемента, смятие базового материала в виде местной потери устойчивости листа и локального выгиба у стержня крепежного элемента. Отказ соединения по смятию сопровождается при этом значительными пластическими деформациями.

При отказе по срезу крепежного элемента в соединении на вытяжной за клепке могут происходить заметные пластические деформации заклепки (Рис. 3 а), в то время как отказ по винту носит хрупкий характер (Рис. 3 б).

в Рис. 3. Характер разрушения соединения при работе на срез.

При разрыве материала пластины по сечению (Рис. 3 в) характер диаграм мы «нагрузка/деформация» аналогичен характеру диаграммы при испытании образцов стали на растяжение. При работе на растяжение, разрыв винта про исходит хрупко, практически без пластических деформаций. При вырыве из базового материала происходит смятие материала листа под нитями резьбы винта и срыв витков материала, находящегося между нитями резьбы. Отрыв присоединяемого листа через шайбу сопровождается его значительными пластическими деформациями, вызванными обмятием, зарождением трещи ны и последуещим развитием трещины до полного отрыва присоединяемого листа (Рис 4 а,б,в).

а б в Рис. 4. Характер разрушения соединения при работе на растяжение.

В связи с выявленными существенными различиями в работе соединений на срез и растяжение, в соответствии с ГОСТ предложена классификация предельных состояний соединений, при различных типах отказов, для ис пользования в прочностных расчетах.

Так, несущая способность соединения при срезе крепежного элемента должна оцениваться по предельному состоянию 1a - полное исчерпание не сущей способности. Несущая способность соединения при смятии листа, разрыве листа по сечению должна оцениваться по предельному состоянию 1f – недопустимому развитию деформаций, на основе заданных пределов этих деформаций. Несущая способность соединения при разрыве и вырыве кре пежного элемента, а также отрыве листа через пресс-шайбу должна также оцениваться по предельному состоянию 1a.

В процессе исследования было произведено сравнение несущей способно сти соединений на вытяжных заклепках и винтах диаметра 4,8 мм при раз личных толщинах соединяемых элементов. Построенные диаграммы работы соединения позволили установить область эффективного применения закле почных и винтовых соединений, работающих на срез при различных толщи нах соединяемых элементов. Так при толщине скрепляемых пластин от 0,5 до 1 мм большей несущей способностью обладают вытяжные заклепки, а при толщинах свыше 1 мм, эффективнее применение винтов, поскольку при на грузках порядка 3000 H и толщине соединяемых деталей 1 мм происходит исчерпание несущей способности вытяжной заклепки, и, как результат, е срез (Рис. 5).

В связи с этим были произведены испытания вытяжных заклепок увели ченного диаметра и усиленных вытяжных заклепок. На основании сравнения их несущей способности с заклепками диаметра 4,8 мм сделан вывод о неце лесообразности применения усиленных заклепок в тонкостенных (до 2 мм) соединениях, ввиду незначительного увеличения несущей способности со единения.

Рис. 5. Эффективность применения вытяжных заклепок и винтов диаметра 4,8 мм при различных толщинах материала.

Для соединения листов малых толщин была подтверждена эффективность применения самонарезающих винтов с продавливающим наконечником, при работе соединения на растяжение. Так, несущая способность таких соедине ний в среднем на 20% выше несущей способности соединения на стандарт ных винтах, при толщинах базового материала до 1,5 мм.

Задачей 2-го этапа эксперимента было выявление особенностей работы нахлесточных и двухсрезных винтовых соединений, а также исследование несущей способности и деформативности многовинтовых соединений ЛСТК.

Так, испытания соединений, проведенные с односторонним и разносто ронним расположением крепежных элементов, показали их одинаковую не сущую способность.

Установлено, что несущая способность двухсрезного соединения на вин тах, на 20% больше чем несущая способность односрезного.

Также в процессе испытаний выявлено снижение несущей способности многовинтового соединения за счет перераспределения усилий между винта ми при нагружении. При этом установлено, более интенсивное включение в работу винтов первого ряда.

Большое число и качество выполненных испытаний, а также математиче ская обработка полученных результатов позволили, осуществить проверку и дополнение расчетной методики.

Третья глава настоящей работы посвящена разработке методики расчета соединений ЛСТК на основании Евронорм (EN). Расчет соединения, соглас но EN, сводится к серии проверочных расчетов на срез или растяжение при различных типах отказов. Методика предусматривает наличие в каждом го сударстве Национального приложения, регламентрующего различные коэф фициенты надежности по материалу, и возможные дополнения.

Для полного сравнения результатов расчета и эксперимента произведены расчеты по методике всех типов образцов, использовавшихся в эксперимен тальных исследованиях. Значение коэффициента надежности по материалу M 2 было принято равным 1 для всех типов отказов с целью обеспечения удобства сравнения и назначения необходимых коэффициентов.

На (Рис. 6) представлены основные диаграммы, отражающие результаты сравнения эксперимента, его математической обработки и расчета соедине ний при различных толщинах соединяемого материала и диаметрах, при ра боте соединений на заклепках и винтах на срез и растяжение.

а б а б в г Рис. 6. Сравнение результатов эксперимента и расчета соедине ний на а) вытяжных заклепках б) винтах при работе на срез и винтах при работе на вырыв из листа в) и отрыв через шайбу г.

Характер диаграмм результатов эксперимента и расчета близок, что гово рит о достоверности полученных данных и справедливости существующей методики расчета.

C учетом особенностей деформирования и разрушения соединений, вве дены различные критерии предельного состояния при разных типах отказов для соединений на заклепках и винтах.

Так, при смятии базового материала, при работе заклепочного или винто вого соединения на срез, в связи с наличием значительных пластических де формаций, критерием предельного состояния принимается критерий 1f, по достижению предельных деформаций 0,5 мм.

Расчет прочности листа на разрыв по сечению «нетто» необходимо произ водить по достижению условного предела текучести материала листа N02.

Соответственно, в расчетной формуле прочности на разрыв листа по сече нию, при работе соединения на срез, следует учитывать не временное сопро тивление разрыву f u, а значение условного предела текучести N02 материала листа.

При срезе крепежного элемента расчет должен производится по критерию 1a, а именно - достижению разрушающей нагрузки Nmax.

При работе соединения на растяжение, вырыве, отрыве через шайбу и раз рыве винта также следует принимать критерий 1a. При этом необходимо вве дение коэффициента надежности по материалу при расчете прочности ввиду влияния разброса прочностных характеристик крепежа и материала.

Таким образом, для рассматриваемых типов соединений: заклепочных и винтовых, ввиду различий в геометрии, материале, характере работы со единения и типов отказов, в дополнение к методике EN следует принять дифференцированные коэффициенты надежности по материалу M2.

В таблицах 1 и 2 приводится методика расчета соединений ЛСТК на вытяж ных заклепках и винтах, согласно EN, и отмечены коэффициенты и зависи мости, скорректированные в результате проведенных исследований.

Таблица 1.

Расчетная прочность соединений на вытяжных заклепках Вытяжные заклепки, работающие на срез:

Прочность на смятие:

Fb, Rd f u d t / M 2 но Fb, Rd f u e1 t /(1,2 M 2 ) В котором принимается в следующем виде:

3,6 t / d но 2, -если t t1 :

-если t1 2,5t 2, -если t t1 2,5t : принимают по линейной интерполяции.

Прочность сечения нетто:

Fn, Rd Anet f02 / M Прочность на срез: Прочность на срез Fv,Rd определяют испытаниями Fv, Rd Fv, Rk / M Вытяжные заклепки, работающие на растяжение:

Прочность на отрыв листа через бурт: Прочность Fp, Rd определяют испытаниями.

Прочность на вырыв из листа: Не применимо к заклепкам.

Прочность на разрыв заклепки: Прочность Ft, Rd определяют испытаниями.

Диапазон применения:

e1 1,5d ;

p1 3d ;

2,6mm d 6,4mm ;

e2 1,5d ;

p 2 3d ;

f u 550 MPa Таблица 2.

Расчетная прочность соединений на самонарезающих винтах Самонарезающие винты, работающие на срез:1) Прочность на смятие: Fb, Rd f u d t / M В котором принимается в следующем виде:

-если t t1 : 3,2 t / d но 2, -если t1 2,5t и t 1,0 mm: 3,2 t / d но 2, -если t1 2,5t и t 1,0 mm: 2, -если t t1 2,5t : принимают по линейной интерполяции.

Прочность сечения нетто:

Fn, Rd Anet f02 / M Прочность на срез: Прочность на срез Fv,Rd определяют испытаниями Fv, Rd Fv, Rk / M Винты, работающие на растяжение:

Прочность на отрыв листа через пресс-шайбу: 2) -для статических нагрузок: Fp, Rd d w t f u / M -для винтов под действием ветровых и сочетания ветровых и статических нагрузок: Fp, Rd 0,5 d w t f u / M Прочность на вырыв из листа:

Если t sup / s 1 : Fo, Rd 0,45 d t sup f u,sup / M 2 ;

Если 1 t sup / s 1,5 : Fo, Rd 0,65 d t sup f u,sup / M 2 ;

Если 1,5 t sup / s 2 : Fo, Rd 0,85 d t sup f u,sup / M 2 ;

Если t sup / s 2 : Fo, Rd 1,05 d t sup f u,sup / M ( где s - шаг резьбы) Прочность на разрыв винта: Прочность Ft, Rd определяют испытаниями.

Диапазон применения:

Общие: e1 3d ;

p1 3d ;

3,0mm d 8,0mm ;

e2 1,5d ;

p 2 3d ;

Для растяжения: 0,5mm t 1,5mm и t1 0,9mm f u 550 MPa Примечания 1) В данной таблице допускается, что головка винта располагается над наи более тонким из соединяемых листов.

2) Расчет предусматривает, что пресс-шайба или головка винта обладает достаточной жесткостью, чтобы препятствовать е нежелательной дефор мации, и исключить отрыв головки винта.

На основании результатов математической обработки эксперимента и при нятых критериев предельного состояния в таблице 3 приводятся рекомен дуемые значения коэффициентов надежности по материалу M2.

Таблица 3.

Значения коэффициента м M Тип крепежа и характер работы соединения, № тип отказа соединения Вытяжные заклепки, работающие на срез Прочность на смятие 1.1 1, Прочность сечения нетто 1.2 1, Прочность на срез 1.3 1, Самонарезающие винты, работающие на срез 0,5mm t 0,7mm 1, Прочность на смятие 2. 0,7mm t 2mm 1, Прочность сечения нетто 2.2 1, Прочность на срез 2.3 1, Винты, работающие на растяжение 3.1 1, Прочность на отрыв листа через пресс-шайбу Прочность на вырыв из листа 3.2 1, Прочность на разрыв винта 3.3 1, Результаты проведенных исследований позволили сделать следующие вы воды:

1) Методика расчета Eurocode 3, является обоснованной и может быть ре комендована к применению с учетом необходимых корректировок.

2) Предложенные к применению различные значения коэффициентов на дежности по материалу, зависящие от типа соединения и различных типов отказов, позволяют обеспечить надежность работы соединения при сокращении количества крепежных элементов.

3) Введением поправочных коэффициентов условий работы учтено влия ние типа соединения (нахлесточное или двухсрезное) на его несущую способность. На основании проведенных исследований для двухсрез ных соединений введен поправочный повышающий коэффициент k=1,2.

4) С учетом перераспределения усилий в многовинтовом соединении не обходимо введение понижающего коэффициента = 0,8, учитывающе го неравномерность работы винтов и перераспределение усилий.

5) В формулу для расчета прочности винтового соединения на вырыв из листа необходимо введение дополнительных поправочных коэффици ентов при соотношениях толщины и шага резьбы винта 1 tsup / s 1,5 ;

1,5 tsup / s 2 ;

tsup / s 2, равных соответственно 0,65, 0,85 и 1,05, расши ряющих диапазон применения расчетной методики к подобным соеди нениям.

Четвертая глава диссертации посвящена определению напряженно де формированного состояния (НДС) соединения, что в условиях настоящей за дачи целесообразно проводить экспериментально-теоретическим путем, а именно, путем итераций сравнения результатов расчета в программном ком плексе с результатами эксперимента, при последовательном увеличении де тализации модели.

Решение задачи моделирования винтового соединения проводилось в ПК PLM Femap 10.1 Nastran. Для моделирования выбрано винтовое нахлесточное соединение двух пластин из оцинкованной стали, с толщинами 1,2 мм.

На основании анализа методов моделирования соединений принято последовательно увеличивать степень детализации соединения.

В результате последовательных итераций разница между экспериментом и численным моделированием составила от 0,5 до 5% (Рис. 7 а), что говорит о высокой точности моделирования.

Анализ результатов моделирования показал, что работа винта максималь но приближена к реальности – резьба оказывает стягивающее влияние на пластины и препятствует их рассоединению, кроме того, она препятствует повороту самого винта. Деформированная форма отверстия соответствует характеру деформаций, наблюдаемых на реальных образцах – сжатые участ ки теряют устойчивость и выпучиваются, растянутые оказываются практиче ски ненагруженными (Рис. 7б). Одной из задач, решенных в главе, явилось подтверждение необходимости и достаточности принятого предела деформа тивности при расчете на смятие - 0,5 мм. На основании результатов анализа моделирования отмечено, что при перемещении захвата на величину 0,5 мм, удлинение материала нижней пластины составляет 0,1 мм, а общее удлине ние материала перед нитями резьбы 0,2 мм, что указывает на то, что реаль ные деформации смятия материала под нитями резьбы винта в соединении не превышают величины 0,1 мм, что подтверждает принятые положения преде ла деформативности (Рис. 7в).

а б в Рис. 7. Моделирование работы винтового соединения в расчетном комплексе Nastran.

В пятой главе описаны результаты проведенного эксперимента на цикли ческое нагружение и дана оценка малоцикловой прочности винтовых соеди нений, работающих на срез.

Для испытаний выбраны образцы винтовых соединений, работающие на срез с толщинами соединяемых пластин t=2 мм. Для циклических испытаний соединений на срез применялась испытательная установка Instron 8802. Ис пытания образцов проводились с непрерывным нагружением до фиксирован ных величин нагрузки с частотой 1 Гц, с коэффициентом ассиметрии =0, до порога 10000 циклов.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1) Порядка 33% общих деформаций, при нагружении до 10000 циклов, про исходит при первых 25 циклах, независимо от нагрузки на соединение.

2) Циклическое нагружение при количестве циклов n= 10 10000 не значи тельно влияет на несущую способность соединения.

3) В результате проведенных испытаний на циклическое воздействие под тверждена обеспеченность несущей способности винтового соединения по достижению 10000 циклов последовательного нагружения, равная 4400 Н, при достижении предельных деформаций 0,5 мм, что соответствует приня тым положениям и коэффициентам надежности подиаграмм нагрузка/удлинение при статическом и Рисунок 4.3 Сравнение материалу в расчетной циклическом нагружении методике. Это позволяет применить разработанную методику для расчета со единений, подвергаемым малоцикловым нагружениям, например, попере менным воздействиям снеговых нагрузок (Рис. 8).

Нагрузка, Н.

Статика Циклика Циклика Циклика Циклика 3500 Циклика Циклика 0,00 0,25 0,50 0,75 1, Удлинение, мм.

а) б) Рис. 8. Испытательная установка а) и обобщенная диаграмма цикличе ских испытаний б).

В шестой главе диссертации приводятся рекомендации для проведения сертификационных испытаний заклепочных и винтовых соединений ЛСТК на срез и растяжение, а также инженерная методика расчета заклепочных и винтовых соединений ЛСТК на срез и растяжение, предлагаемая к включе нию в национальный стандарт по расчету легких стальных тонкостенных конструкций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ В результате проведенных экспериментально-теоретических исследова ний работы винтовых и заклепочных соединений легких стальных тонко стенных конструкций, решены следующие задачи и сформулированы сле дующие выводы:

1. Разработана методика испытаний на срез и растяжение соединений на вы тяжных 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 исследова ний, классификация предельных состояний соединений ЛСТК;

- установлена предельная несущая способность соединений при различном характере нагружения и типах соединений, разграничена область эффектив ного 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 воз можных типов отказа соединения, коэффициенты надежности по материалу M2;

- скорректированы расчетные формулы оценки прочности при разрыве по се чению «нетто» путем замены fu на f02;

- введен понижающий коэффициент =0,8 для многовинтовых соединений, ввиду неравномерности включения в работу крепежных элементов;

- введен повышающий коэффициент k=1,2 для двухсрезных соединений;

- введены поправочные коэффициенты в расчетную формулу прочности на вырыв винта, при различных соотношениях толщины скрепляемого материа ла и шага резьбы винта 1,5 tsup / s 2 ;

1 tsup / s 1,5 и tsup / s 2.

4. Решена методом компьютерного моделирования задача оценки НДС вин тового соединения. Предложенная расчетная схема, а также способ модели рования и способ задания нагружения, дают в результате сравнения с экспе риментом разницу от 0,5 до 5%, что говорит о высокой точности результатов численного моделирования.

5. Анализ картины деформаций в сечении при перемещении захвата на вели чину 0,5 мм, показал незначительные деформации смятия материала под ни тями резьбы винта (0,1 мм), что подтвердило обоснованность принятого кри терия предельного состояния.

6. Анализ результатов циклических испытаний винтовых соединений под твердил обоснованность значений расчетной прочности соединения по дос тижению предельных деформаций 0,5 мм при работе соединения на срез при циклическом нагружении.

7. Предложены практические рекомендации для проведения сертификацион ных испытаний заклепочных и винтовых соединений ЛСТК на срез и растя жение, инженерная методика расчета и рекомендации по подбору крепежных элементов и монтажу соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосвер лящих самонарезающих винтах.

Рекомендуются следующие направления дальнейших исследований:

Исследование несущей способности специальных типов крепежа для 1) ЛСТК таких, как усиленные вытяжные заклепки, дюбели и пресс соединения.

Исследования несущей способности соединений ЛСТК с крепежными 2) элементами, подвергнутыми воздействию агрессивных сред.

Исследование вопросов циклической прочности винтовых соединений 3) при коэффициенте ассиметрии =-1 и количестве циклов нагружения n 104.

Исследование возможности применения винтовых соединений в каче 4) стве крепежных элементов для покрытий и обшивок, включенных в работу конструкции в качестве жесткого диска покрытия.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Катранов И.Г. Вытяжные заклепки в метизных соединениях легких стальных тонкостенных конструкций. Ассортимент и область применения [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Сборник научных трудов Института строительства и архитектуры МГСУ. -2009.-С.7-9.

2. Катранов И.Г. Вытяжные заклепки в узлах соединений легких стальных тонкостенных конструкций [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Промыш ленное и гражданское строительство.– 2010.- №3.–С.41-43. * 3. Катранов И.Г. Применение холодногнутых профилей в металлострое нии [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Научные труды XII международ ной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и док торантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности».–М.– МГСУ.–2009.–С.62-64.

4. Катранов И.Г. Винты в соединениях легких стальных тонкостенных конструкций. Ассортимент и область применения [Текст] / И.Г. Катранов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. -2010. №3(134), -С.28-31.

5. Катранов И.Г. Экспериментальные исследования работы нового вида крепежа в соединениях ЛСТК [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Проектирование и инженерные изыскания. -2010.-№1.-С.26-29.

6. Катранов И.Г. Испытания и расчет винтовых соединений легких сталь ных тонкостенных конструкций на растяжение [Текст] / И.Г. Катранов // Вестник МГСУ.-2010.-№2.-С.89-93. * 7. Катранов И.Г. Экспериментальные исследования работы вытяжных за клепок и винтов в соединениях ЛСТК [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Сборник научных трудов кафедры «Испытания сооружений» МГСУ, «Об следование, испытание, мониторинг и расчет строительных конструкций зданий и сооружений».- М.-2010.С. 81-87.

8. Катранов И.Г. Экспериментально-теоретические исследования винто вых соединений ЛСТК на растяжение [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Сборник докладов традиционной научно-технической конференции профес сорско-преподавательского состава Института строительства и архитектуры.

–М –МГСУ.– 2010.С.184-189.

9. Катранов И.Г. Эффективность применения вытяжных заклепок и винтов в соединениях ЛСТК [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Научные труды XIII международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедея тельности».–М.–МГСУ.– 2010.– С.108-110.

10. Катранов И.Г. Экспериментальные исследования работы многовинто вых соединений ЛСТК [Текст] / И.Г. Катранов // Промышленное и граждан ское строительство.-2010.- №11.-С.43-45. * 11. Катранов И.Г. Оптимизация применения вытяжных заклепок и само сверлящих самонарезающих винтов в соединениях ЛСТК [Текст] / И.Г. Кат ранов, Ю.С.Кунин // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. -2010.- №7(138), -С.35-37.

12. Катранов И.Г. Экспериментально-теоретические исследования винто вых соединений ЛСТК на растяжение [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С.Кунин // СТРОЙМЕТАЛЛ. –СПб.-2010.-№3(16).С.52-54.

13. Катранов И.Г. Экспериментальные исследования многовинтовых со единений ЛСТК [Текст] / И.Г. Катранов // Сборник докладов, к 100-летию со дня рождения Николая Антоновича Стрельчука. –М.-МГСУ.-2010.-С.145 152.

14. Катранов И.Г. К вопросу расчета винтовых соединений ЛСТК на растя жение [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С.Кунин // Промышленное и гражданское строительство.-2011.-№3.С.9-11. * 15. Катранов И.Г. Безаварийная работа соединений ЛСТК на вытяжных за клепках и винтах [Текст] / И.Г. Катранов // Сборник научных трудов Предот вращение аварий зданий и сооружений.- 2011.-С.168-174.

16. Катранов И.Г. Эффективность применения болтов и самосверлящих са монарезающих винтов в соединениях тонкостенных стальных конструкций [Текст] / И.Г. Катранов // Строительные материалы, оборудование, техноло гии XXI века. -2010.- №5(148), -С.30-31.

17. Катранов И.Г. Испытание и моделирование винтовых соединений лег ких стальных тонкостенных конструкций [Текст] / И.Г. Катранов, В.А.Смирнов // СТРОЙМЕТАЛЛ. –СПб.-2011.-№1(20).С.21-23.

18. Катранов И.Г. Моделирование работы винтового соединения в про граммном комплексе [Текст] / И.Г. Катранов, В.А. Смирнов // Научные труды XIV международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедея тельности».–М.–МГСУ.– 2011.– С.57-60.

19. Катранов И.Г. Болты или самосверлящие винты в соединениях ЛСТК?

[Текст] / И.Г. Катранов // Монтажные и специальные работы в строительст ве.-2011.-№5.С.12-14. * 20. СТО 0065-2010. ЦНИИПСК им. Мельникова. Стандарт организации «Винты самонарезающие и самосверлящие «Harpoon» для крепления стено вых и кровельных конструкций из стального оцинкованного холоднокатано го листа» Проектирование, испытание, изготовление, монтаж соединений. М.-2011.

21. Пат. 103930 Российская Федерация, МПК G01R 19/00. Устройство для испытаний на растяжение механических соединений тонкостенных металли ческих конструкций. [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин;

заявитель и патен тообладатель ГОУ ВПО Моск. гос. строит. ун-т.- № 2010150096/28;

заявл.

06.12.10, опубл. 27.04.11, Бюл. №12.

* - публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.