Повышение надежности соединений на самонарезающих болтах в легких ограждающих конструкциях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Чекалов, Валерий Алексеевич

• Чекалов, Валерий Алексеевич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чекалов, Валерий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

2. ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ.

3. НАТУРНЫЕ ОБСЛЕДОВАНИЯ КРЕПЛЕНИЙ НА САМОНАРЕЗАЮЩИХ БОЛТАХ.

3.1. Характеристика объектов натурных обследований

3.2. Методика проведения натурных обследований

3.3. Результаты натурных обследований.

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВ САМОНАРЕЗАЩИХ

БОЛТОВ.

4.1. Общие сведения и характеристики предмета исследования.

4.2. Методика исследования технологических качеств самонарезающих болтов.

4.3. Методика механических испытаний самонарезающих болтов

4.3.1. Планирование эксперимента.

4.3.2. Методика испытаний самонарезающих болтов на кручение.

4.3.3. Методика испытаний самонарезающих болтов на срез

4.3.4. Методика испытаний самонарезающих болтов на разрыв (растяжение, выдергивание )

4.3.5. Методика испытаний самонарезающих болтов при низкой температуре

4.3.6. Методика испытаний самонарезающих болтов на ударную вязкость.

4.3.7. Методика испытаний самонарезающих болтов на циклические нагрузки.

4.4. Результаты исследований технологических качеств самонарезающих болтов

4.5. Результаты механических испытаний самонарезающих болтов.

4.5.1. Результаты испытаний самонарезающих болтов на кручение.

4.5.2. Результаты испытаний самонарезающих болтов на срез при положительной температуре

4.5.3. Результаты испытаний самонарезающих болтов на срез при температуре -4(л>С.

4.5.4. Результаты испытаний самонарезаклцих болтов на ударную вязкость.

4.5.5. Результаты испытаний самонарезающих болтов на растяжение.

4.5.6. Результаты испытаний самонарезающих болтов на циклические нагрузки.

4.6. Анализ результатов лабораторных исследований самонарезающих болтов.

5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МНОГОБОЛТОВЫХ

СОЕДИНЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ.

5.1. Жесткость болтового соединения на смятие •

5.2. Совместная работа болтов до разрушения хотя бы одного из них в многоболтовом соединении.

5.3. Вывод условия лавинного разрушения многоболтового соединения.

5.4. Использование законов распределения Рэлея и Вейбулла для вычисления нагрузки лавинного разрушения

5.5. Условие слабейшего элемента.

5.6. Анализ теоретических результатов и сравнение с экспериментальными данными.

5.7. Применение выведенных условий лавинного разрушения для расчета несущей способности многоболтовых соединений с самонарезающими болтами при работе их на растяжение.

ШВСДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности соединений на самонарезающих болтах в легких ограждающих конструкциях»

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года сказано: "Планомерно и ускоренно будут осваиваться природные богатства восточных и северных районов страны. Эти районы приобретают все большее значение в обеспечении страны топливом, энергией и минеральным сырьем. Наращивание экономического потенццала страны в решающей мере зависит от состояния капитального строительства. В новой пятилетке к строителям и проектировщикам предъявляются высокие требования. Их долг проектировать и строить качественно, эффективно и быстро, добиваться того, чтобы каждый объект вводился в действие в установленный срок, был современным во всех отношениях"

Применение легких несущих и ограждающих конструкций в строительстве отвечает требованиям современного строительства. Они позволяют уменьшить затраты на транспортные расходы и монтаж конструкций, снизить материалоемкость, сократить сроки и стоимость строительства. К легким конструкциям относятся такие несущие и ограждающие конструкции, суммарная масса которых в расчете на р

I м ограждающей поверхности здания не превышает 100-150 кг,т.е. в 3-4 раза легче традиционных железобетонных и стальных конструкций

Исключительно важную роль в деле организации выпуска легких конструкций, разработке и внедрении эффективных способов их изготовления и монтажа сыграло принятое в 1972 году постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР о развитии производства и комплектной поставки легких металлических конструкций промышленных зданий Сейчас построен ряд заводов по выпуску таких конструкций, а производство легких ограждающих конструкций превра-:жпось в отрасль промышленного строительства £~47*

Снижение веса ограждающих конструкций имеет очень большое значение для снижения веса несущих конструкций зданий за счет уменьшения на них нагрузки. Это стало возможным при использовании в ограждающих конструкциях новых прогрессивных строительных материалов таких как профилированный оцинкованный стальной настил и легкий эффективный утеплитель, обладающий высокими теплотехническими характеристиками и достаточнойпрочностью и жесткостью для обеспечения совместной работы.

Профилированный оцинкованный стальной настил сам по себе может выполнять как ограждающие, так и несущие функции и на примере г.Норильска может применяться в зданиях различного назначения fbj. В зависимости от применения в конструкциях настил может воспринимать снеговые и ветровые нагрузки, а обладая большой жесткостью в своей плоскости настил может выполнять роль связевой диафрагмы и воспринимать на себя еще крановые и сейсмические нагрузки. Благодаря этоьдг, если осуществить надежное крепление настила к несущим конструкциям, то этим можно не только обеспечить устойчивость верхних поясов несущих элементов (прогонов),но и,возможно, отпала бы необходимость постановки связей, воспринимающих нагрузки передаваемые на диск покрытия £~б,1£,£97.

На несущую способность настила в значительной степени оказывает влияние форма гофров. Наиболее распространенной формой гофра является трапециевидная. С целью увеличения жесткости настилов широко применяется дополнительное рифление, позволяющее существенно увеличить их несущую способность £"7-7» Так используя гофры с дополнительным рифлением можно перекрыть пролет до 12 м, причем масса I м2 такого настила не увеличилась бы по сравнению с настилом для пролета б м из обычных профилей ^T^Jf.KpoMe того материал профилированного стального настила толщиной не более I мм, подвергающийся многократной прокатке, приобретает

- б некоторый наклеп и благоприятную мелкозернистую структуру при этом повышение предела текучести достигает 35-50%, повышение временного сопротивления 15-20% J,

Утеплитель, в свою очередь, может повысить эффективность использования материала профилированного листа. Если утеплитель припенить или приклеить к настилу, то он,включаясь в работу, снижает напряжения в сжатых гранях,и нормальные напряжения в профилированном листе распределяются более равномерно, несущая способность настила может быть увеличена до 15% £127, Припе-ненный пенопласт объемной массы 30-80 кг/м3 увеличивает жесткость профилированного настила на 20-40%, а величина критических напряжений увеличивается в 2-2,5 раза

В связи со стремлением предельно снизить собственный вес конструкций необходимо в полной мере использовать конструктивные особенности и несущую способность настилов, а также обеспечить совместную работу профилированных настилов с несущим каркасом. Эту роль призваны выполнять те или иные способы крепления,так как через них передается нагрузка с одного элемента на другой, и чтобы стальной профилированный оцинкованный настил мог отвечать принципу совмещения функций в рациональных конструктивных формах, надо чтобы эти крепления были надежны и долговечны.

Предметом исследований в настоящей работе являются самонарезающие болты, как самый распространенный в строительстве индустриальный метод крепления легких ограждающих конструкций на основе стального профилированного настила к несущему каркасу. Актуальность выбора темы обосновывается еще и тем, что все шире в строительстве применяется оцинкованный профилированный стальной настил, который особенно эффективен в случае применения в труднодоступных и малонаселенных районах с суровыми климатическими условиями /"2J% но крепления, осуществленные с помощью самонарезающих болтов в суровых условиях Крайнего Севера не всегда выполняют свои функции и требуют значительных затрат на их восстановление £"14 J, /~15 J.

Цель работы - дать оценку существующих способов крепления профилированного стального настила, определить роль самонарезающих болтов в производстве легких ограждающих конструкций, выявить прочностные качества самонарезающих болтов применяющихся в строительстве, дать всестороннюю оценку соединений с самонарезающими болтами и определить область их рационального применения, получить расчетные характеристики для расчета креплений на самонарезающих болтах необходимые при проектировании легких металлических и ограждающих конструкций для условий Крайнего Севера,изучить особенности технологии изготовления креплений с различными самонарезающими болтами, установить связь между прочностью одно-болтовых соединений с прочностью многоболтовых соединений.

Чтобы достичь этой цели нужно сделать следующее:

1. Собрать все сведения о способах крепления касающихся настила, иметь их классификацию с тем, чтобы имея полное о них представление определить место самонарезагащих болтов во всем многообразии креплений.

2. Выбрать наиболее индустриальные способы креплений настила к несущему каркасу и сравнить их с самонарезающими болтами.

3. Оценить технологические и прочностные свойства креплений на самонарезающих болтах.

4. Определить влияние низких температур и циклических воздействий на работу соединений с самонарезающими болтами.

5. Обработать результаты исследований с помощью методов математической статистики и теории вероятностей.

6. Вывести условие разрушения многоболтовых соединений и сравнить теоретические выкладки с результатами эксперимента.

7. Определить область рационального использования самонарезающих болтов в легких ограждающих конструкциях.

Сбор сведений по креплениям настила проводился и ранее в виде небольших обзоров касающихся тех или иных видов креплений, как например /~247. Таких отдельных сведений в литературе встречается немало. Если же еще добавить сведения патентного поиска, то наберется большое количество существующих способов креплений касающихся настила, которые можно классифицировать и представить в виде единой системы.

Некоторыми исследователями проводилось и сравнение способов креплений. Например,в /~16J приведены сравнительные характеристики трех индустриальных способов крепления стального профилированного настила к прогонам кровли. Данные о производительности труда при производстве креплений индустриальными способами настила или панелей к несущему каркасу содержатся так же в работах /-I6,I7,I8,I9,47JT.

Изучению технологических и прочностных свойств креплений на самонарезающих болтах посвящено несколько работ, но они касались лишь болтов М6х20 Куйбышевского завода "Электрощит" и не на все виды воздействий /"17,20,21,22J, Изучению прочностных свойств соединений самонарезающими винтами В6х25 ЧЗПСН настила толщиной I мм и пластин толщиной 4 мм посвящена работа /""23J. Исследование же работы самонарезающих болтов в соединениях толстолистовых пластин не проводилось, хотя такие соединения в легких ограждающих конструкциях встречаются, например, в креплениях стеновых панелей к несущему каркасу через закладные детали /Л5,36J и выполняются автором впервые. Исследование влияния низких температур и циклических нагрузок на работу самонарезающих болтов выполнялось автором так же впервые.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты исследований прочностных характеристик самонарезающих болтов, которые свидетельствуют о необходимости их нормирования. На нормированный крутящий момент нужно тарировать инструмент для завертывания болтов, а нормированные прочности самонарезающих болтов на срез и растяжение можно рекомендовать для расчета конструкций.

2. Рекомендации по назначению диаметра сверления отверстий под самонарезающие болты в соединяемых элементах в зависимости от вида самонарезающих болтов и толщины элементов в которые они вворачиваются. 3. Установленная на основании исследования работы самонарезающих винтов В6х25 на вццергивание закономерность, что прочность соединения самонарезающих винтов с пластиной; при работе винта на растяжение, не зависит от толщины пластины, в которую они вворачиваются, если следовать рекомендациям по назначению диаметра отверстий.

4. Утверждение о том, что низкие температуры от -40°С до -70°С, не снижают, а повышают прочностные качества самонарезающих винтов В6х25, причем их пластические свойства, в некоторой мере, сохраняются.

5. Теоретическое обоснование распределения усилий между болтами в многоболтовом соединении,зависящее от соотношения жестко-стей соединяемых элементов, жесткости болтов на смятие, расстояния между болтами и количеством болтов в соединении.

6. Два способа определения несущей способности многоболтовых соединений по теоретическому распределению прочности одно-болтовых соединений: по условию слабейшего элемента и по условию лавинного разрушения.

Научная новизна состоит в том, что впервые результаты исследований были обработаны с помощью методов математической статистики и теории вероятностей, позволяющих наиболее верно оценить прочностные характеристики самонарезающих болтов. В отличие от других исследователей работы самонарезающих болтов здесь применен метод исследования многоболтовых соединений с помощью законов распределения характеристик одноболтовых соединений.

Практическая ценность проведенных исследований заключается в том, что определены прочностные характеристики самонарезающих болтов, выпускающихся в стране для строительства, и их соединений. Получены новые методы расчета многоэлементных креплений, дающие точные результаты без ввода коэффициентов условия работы, с использованием которых можно проектировать легкие металлические и ограждающие конструкции. Внедрение результатов исследований приведет к существенной экономии средств и трудозатрат, в основном, в период эксплуатации ограждений, так как ожидается существенное уменьшение ремонтно-восстановительных работ Z15JT.

Объектом внедрения будет являться предложение о внесении изменений в паспорта и инструкции по применению самонарезающих винтов В6х25 Киреевского и Челябинского заводов по диаметрам сверлений отверстий в зависимости от толщины применяемого материала в стальных конструкциях для установки винта, предложение об изменении времени термообработки самонарезающих болтов М6х20 на Куйбышевском заводе с тем, чтобы они не были хрупкими, а так же составление инструкции по проектированию соединений с самонарезающими болтами для строительства в условиях Крайнего Севера.

Выводы: I. Работа является актуальной, так как касается новой отрасли строительства - производства легких ограждающих конструкций, которые особенно эффективны для строительства в отдаленных районах страны.

2. Ввиду того, что имеется очень мало сведений о надежности узлов и соединений, то исследование креплений, как наиболее слабого звена любых конструкций, может дать для проектирования легких конструкций необходимый материал и повысить их надежность.

3. Повышение надежности креплений за счет правильного подбора диаметров отверстий,просверливаемых для самонарезающих болтов в соединяемых элементах и расчета по данным,учитывающим влияние низких температур и циклических воздействий приведет к значительной экономии средств при ремонтно-восстановительных работах или совсем их исключит.

4. Определение несущей способности многоболтового соединения по условию лавинного разрушения может по новому объяснить природу понижения расчетных характеристик болтов на срез для многоболтовых соединений.

I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Легкие ограждающие конструкции благодаря их все большему применению изменяются, развиваются, совершенствуются и приобретают все более новые, современные и разнообразные формы и конструкции, Например, для металлических стен производственных зданий для определения путей их дальнейшего развития дано уже совокупное представление о них ввиде схемы классификации /~25,26J. Предложенная классификация помогла автору диссертации по мере накопления материала о легких ограждающих конструкциях создать классификацию и легких металлических покрытий /~277. В качестве теплоизоляции для легких ограждающих конструкций применяются утеплители из пенополистирола, пенополиуретана, фенольных пено-пластов плотностью 40-60 кг/м3 с коэффициентом теплопроводности не превышающем 0,058 вт/(м.°С) /~287. Для защиты утеплителя от непосредственных механических и атмосферных воздействий, а так же для придания необходимой прочности и жесткости всего ограждения нужны легкие и прочные обшивки или облицовки, в качестве которых, как раз, и применяется стальной профилированный оцинкованный лист.

В связи с развитием ограждающих конструкций претерпевают изменения и способы их закрепления. (Например, с появлением легких ограждающих конструкций на основе тонколистовых профилированных настилов возникли в строительстве и новые способы креплений - с помощью самонарезающих болтов и комбинированных заклепок). А чтобы совершенствовать крепления и дальше необходимо иметь все сведения о существующих способах крепления настила с их положительными и отрицательными сторонами. С целью накопления таких сведений и был проведен патентный поиск и сбор аналогичных материалов из литературных источников, где выбирались все виды креплений, связанные с профилированным настилом или панелями с его использованием.

В результате, после отбора 144 способов креплений и их разновидностей для лучшего восприятия всего многообразия креплений, они подверглись классификации и объединению единой системой /"27Основой классификации было разделение креплений по назначению на пять классов и на крепления с односторонним и двусторонним доступом к конструкциям,т.к. особый интерес для производства крепежных работ представляют крепления с односторонним доступом.

Пятый класс - крепления настила и панелей к несущему каркасу - самый многочисленный, насчитывает 78 разновидностей и может быть б типов: заклепочные, болтовые, стержневые (дюбели), клеевые, сварные и полойвые (клеммы, ленты зажима и др.). С односторонним доступом насчитывается 55 разновидностей креплений, где доля самонарезающих болтов составляет более 50%.

Самыми индустриальными видами креплений, относящихся к пятому классу, являются крепления,осуществляемые с односторонним доступом - это дюбели, электрозаклепки, контактная сварка и самонарезающие болты. Наиболее общие сравнительные характеристики этих видов креплений, взятых из литературных источников, сведены в табл.1.1.

Соединения дюбелями являются самым автономным, а также довольно прочным и производительным способом крепления. Правда, у этого способа есть некоторые особенности, одна из которых заключается в том, что прочное соединение элементов получается только в случаях, когда верхний по отношению к пистолету элемент тоньше нижнего. Проблема же состоит в том, что нужно создать большую номенклатуру дюбелей и патронов (пригодных для работы с элементами различной толщины), усовершенствовать отечественные пистолеты и уменьшить их стоимость /~33J. ааолица

Физико-механические характеристики креплений настила к несущим металлическим конструкциям

М~п {Бремя уста-jСоотноше-* jHOBKn одно-jние про-jro крепле- {изводи-|ния {тельности j jтруда кгс.м | сек j

Вид крепления

Нормаль

Материал крепежнот на го сред-' ства I

Дж

Диаметр мм | мм |

Средняя прочность I соединения на разрыв кгс

Толщина прогона

Диаметр отверстия мм j мм

Самонарезающий болт М6х20 г.Куйбышев Н34 318-68 ct.IOC ст.20С ст.250 20 п п 6 п п 800 /jrr 1500 /Т7/ 1350 /TTJ 8 12 15 5.4 5,45 5.5 0,9-2,5 20-25 /Т77 tt 100$

Самонарезающий винт В6х25 ЧЗПСН ТУ 67-72-75 ст.Юкп 25 6,25 980 /23/ 5 5,4 1,5 20-25 /17/ 100$

Дюбель Опытный образец ст.70 20-25 4,5 1050 Д§7 14 — - 20 /Тб7 125

Электрозаклепки дутовой сваркой - Материал электродов 15-20 812 /Гб7 500 шш mm 5-6 /Т97 250/16/

Контактная сварка — Материал деталей — 4-6 400 Дб7 — — — 0,6 Д77 330 ы

Соединения электрозаклепками и точечной сваркой являются самыми производительными, но менее прочными видами креплений. Они не такие автономные как дюбельные соединения и,кроме того, здесь возникает необходимость защиты сварных точек (диаметром от 4 до 20 мм) от коррозии, т.к. при сварке выгорает цинковое покрытие настила На строительной площадке эти методы применяются из-за дефицитности самонарезающих болтов.

Наиболее распространенным способом крепления профилированного настила к несущим конструкциям является крепление с помощью самонарезающих болтов, которые и выпускаются как комплектующие настил крепежные метизы. Крепления на самонарезающих болтах являются самым универсальным средством крепления, встречаются во всех пяти классах креплений в легких ограждающих конструкциях. Как видно из табл.1.1 по производительности труда они несколько уступают креплениям дюбелями и сваркой, но по прочности они в 1,5-2 раза выше. Поэтому только они и применяются в строительстве для крепления панелей к несущему каркасу. Далее пойдет речь о самонарезающих болтах, так как, по мнению автора, при помощи их можно "усовершенствовать, крепления панелей к ригелям с исключением из него сквозных болтов" /~35J. С применением пороховых пистолетов для установки самонарезающих болтов производительность труда и автономность не будет уступать дюбельным соединениям. Такой пистолет уже изобретен (Английский патент № 1479600 опубликованный 13.07.77) /~31J.

В 1928 году советским инженером Тишевским В.Н. был подучен патент на новый вид винтов, которые не требовали предварительного нарезания резьбы в отверстии (патент № 13437). В начале тридцатых годов предложенная инженером Тишевским конструкция винтов была усовершенствована и получила название самонарезающий винт ^~487стр.З. Сначала самонарезающие винты нашли применение в вагоностроительной промышленности. Надежность соединений при помощи самонарезающих винтов хорошо проверена при эксплуатации в таких отраслях промышленности, как автомобильная, тракторная, самолетостроительная и др. К первым работам по исследованию самонарезающих винтов можно отнести работы в области машиностроения /"49J и /"507. В них содержатся сведения о видах самонарезающих винтов и выводы о необходимости выбора величины диаметра сверления отверстий в зависимости от толщины и твердости материала соединяемых элементов.

Наиболее изученный вопрос о завинчивании самонарезающих винтов и посадки шпилек в гладкие цилиндрические отверстия встречается так же в машиностроении /~437, /~447, Z~457, /~467. ЗДесъ имеются даже сложные формулы для определения диаметра сверления отверстия,учитывающие многие факторы, влияющие на его величину /~437. Но эти данные не пригодны для использования в строительстве, так как касаются только технологии завинчивания винтов в пластмассы и посадки шпилек в алюминиевые и магниевые сплавы, а в несущих конструкциях зданий и сооружений применяется сталь. В них так же не содержится сведений о прочностных характеристиках соединений и самих крепежных элементов, видимо из-за достаточной их прочности, которые выполнены из стали. В /"48J содержатся некоторые сведения о прочности соединений самонарезающими винтами, но дающие о них лишь "предварительное, ориентировочное представление" стр.55.

Использование самонарезающих болтов в строительстве у нас в стране началось с 1967 года с возведения покрытия на главном корпусе Волжского автомобильного завода в г.Тольятти/~547,/~557.

Сейчас они претерпев некоторые изменения, применяются по всей стране. Изучению свойств соединений на самонарезающих болтах, применяемых в строительстве, посвящены многие исследования у нас в стране и за рубежом. В приводятся некоторые сведения об исследованиях креплений самонарезающими болтами Мб кл.З изготовленных из стали: стЮС, ст.20С, ст.250. Приведенные в таблице данные механических испытаний представлены в виде граничных значений всего интервала разрушающего усилия при работе болта на срез, разрыв, кручение, удар. Этих данных недостаточно, чтобы судить даже о среднем значении разрушающего усилия не говоря уже о расчетных значениях прочности. При испытании качества крепления деталей оценка проводилась путем вьщавливания болта из образца высотой 8, 12 и 15 мм и при этом они вццерясивали довольно большую нагрузку 2-5 т и ни одно из креплений не разрушилось по резьбовой части. В реальных строительных конструкциях болт почти не подвергается такому воздействию, а подвергается выдергиванию, когда он работает на растяжение.

Здесь хорошо, например, сказано о критерии оценки качества соединения и его надежности в работе по величине крутящего момента ввертывания болтов. Это должно говорить о прочности болта на I кручение, на растяжение, на срез и о точном соответствии диаметров болта и просверленного для него отверстия, чтобы не произошло разрушения соединения по резьбовой части. Однако на практике случается другое. Болты, обычно, вворачиваются в отверстия инструментом, оттарированным не на максимальный, а на допустимый, нормированный крутящий момент. Но так как сами болты имеют некоторый разброс диаметров в сторону уменьшения, а отверстия могут иметь отклонения в большую сторону, то крутящий момент, в этом случае, не превысит нормативного значения. Болт при завертывании от такого крутящего момента не выйдет из строя, но стоит это соединение испь тать на растяжение, как оно может разрушиться по резьбовой части или по телу болта при незначительной нагрузке см.приложения УШ, X (стр.211,216). Здесь следует сказать, что крутящий момент не всегда может уловить дефект формования болтов, например, трещины. С теоретической точки зрения ведь для кручения более важная область по краям сечения болта, тогда как для растяжения или среза важно все сечение. Поэтоцу с практической точки зрения крутящий момент не может в полной мере служить единственным критерием для оценки надежности соединения.

Далее в £YlJ говорится, что "для определения работоспособности соединений с самонарезагощими болтами в различных условиях необходимо провести всестороннее их испытание при статических, динамических и вибрационных нагрузках". Хотелось бы добавить и при отрицательных температурах для условий Крайнего Севера.

В p&J приводятся результаты испытания самонарезающих винтов В6х25, выпускаемых Челябинским заводом профилированного стального настила, которые были использованы для составления ТУ 67-72-75. В таблице приведены средние значения предела прочности соединений одним винтом на срез, растяжение и тремя винтами на срез. Дано расчетное значение срезающего усилия на один самонарезающий винт при соединении стальных настилов толщиной I мм со стальными элементами толщиной 4-5 мм при однозначной и знакопеременной нагрузке и расчетное растягивающее усилие на один винт от нагрузок повторного характера, т.е. для тех воздействий, которым подвергаются самонарезающие болты, работая в дисках покрытий из профилированного настила.

Далее сказано, что распределение прочности находится в почти линейной зависимости с увеличением числа крепежных элементов при работе соединений на срез. Из таблицы видно,что в трехболтовом соединении несущая способность приходящаяся на один винт выше, чем на один винт в одноболтовом соединении примерно на 6%. Но здесь нельзя делать такой вывод, что с увеличением количества винтов в соединении несущая способность каждого винта будет возрастать неограниченно. В этом смыоле здесь нехватает испытаний соединений с большим количеством винтов, чтобы сделать более точный вывод, тем более, что крепления настила являются многоболтовыми. Для испытаний возможно применить и более толстые пластины, так как здесь можно отметить, что при соединении настила толщиной I мм разрушение происходит не по тонколистовому элементу -настилу, а по винту, прочность которых и определяет прочность соединения. Тем более, что на практике такие соединения встречаются /~367 стр.142, flbj. Кроме того в работе /""23J испытания самонарезагощих винтов на выдергивание проводились с одной толщиной пластин - 5 мм. Было бы неплохо провести испытания с более толстой пластиной и посмотреть какое влияние оказывает толщина пластин на прочность соединения.

В /~377, /*"38 7. £"397 указания по проектированию креплений самонарезающими болтами сводятся к тому, что болты надо ставить через волну на промежуточных опорах и в каждой волне профилированного настила на крайних опорах. А при нагрузке от ветрового отсоса свыше 150 кг/м^ самонарезающие болты следует устанавливать в каждой волне настила на всех опорах. Это нужно понимать так, что прочности болта вполне хватает для прикрепления настила. Поэтому в этих документах вообще не содержится сведений о прочности самонарезающих болтов и других данных о прочности соединений.

В ТУ 67-72-75 "Винт самонарезающий" говорится, что величина крутящего момента, на который нужно тарировать головку пневмо-инструмента, должна быть равна 1,5 кгс.м, а диаметр сверления под винт должен составлять 5,4+0,1 мм. На практике получается, что винты В6х25 Челябинского завода (на которые распространяются ТУ 67-72-75) уже разрушаются при крутящем моменте равном I кгс.м, а диаметр сверления 5,4 мм для толщин металла более 6 мм уже не подходит, винты не вворачиваются. ТУ 67-269-79, вышедшими взамен ТУ 67-72-75, предусмотрено увеличение диаметра сверления до 5,6+ +0,16 мм /"407 стр.123. Здесь надо сказать, что прочность соединений с самонарезающими винтами В6х25 зависит от диаметра сверления под них отверстий, а этот диаметр, в свою очередь, зависит от толщины металлической детали каркаса. И если пойдет речь о стеновых панелях, где винты, в основном,работают на вццёргивание, то диаметр отверстий надо назначать дифференцированно в зависимости от толщины закладной детали при допуске не более +0,1 мм.

В работе приводятся допускаемые срезающие усилия на один метиз крепления настила (самонарезающий болт) при однозначной и знакопеременной нагрузке к опорным полкам толщиной не менее 5 мм из стали класса С 38/23, а так же допускаемое вццерги-вающее усилие на один метиз крепления настила на опорах. Эти данные несколько ограничены областью применения для проектирования связевых диафрагм из настила и их недостаточно, например, для проектирования стеновых ограждающих конструкций, где основная нагрузка на болты будет вццергивающей, т.к. неизвестна зависимость прочности соединений от толщины прогонов и диаметров сверления отверстий. А эти данные особенно важны для условий Крайнего Севера.

В £WJ стр.113, стр.41 говорится,что кроме крепления профилированного настила самонарезающие болты, в частности болты М6х20, предназначаются для крепления панелей к несущим конструкциям зданий и сооружений, а так же для других видов соединений, применяемых в строительстве. Именно этот вопрос,на взгляд автора, и является неизученным в том числе и для условий Крайнего Севера

Изучению работы самонарезающих винтов, применяемых в строительстве, посвящено ряд зарубежных работ. Вот некоторые из них:

32,51,52,537. В основном здесь изучаются свойства самих самонарезающих болтов или одноболтовых соединений. Работа /~517 посвящена изучению распределения микротвердостей по телу самонарезающего винта, а так же определению крутящего момента при испытании винтов на кручение. В ^"52J даны различные варианты конструкций головок винтов и типов резьбы. Приведены данные экспериментальных исследований по определению максимальных усилий затяжки винта, диаметра сверления и прочности на разрыв. Описана экспериментальная установка по определению крутящего момента. В /~537 приводятся результаты исследований одноболтовых соединений на самонарезающих винтах с шагом резьбы 2,54 мм листов настила между собой, и одноболтовых соединений пакета из одного, двух, трех и четырех листов настила с пластиной толщиной 2,3, 4, 8 мм самонарезающими винтами с шагом резьбы 1,8 мм. Представлена оригинальная установка для испытания образцов на осевое усилие. Приведены результаты выбора диаметров сверлений отверстий под самонарезающие винты для толщины элементов 2,4,6 и 8 мм.

Исследованию многоболтовых соединений посвящены работы £~47J/t но они касаются лишь креплений двумя,тремя и четырьмя болтами тонколистового настила к несущему каркасу. Исследований работы самонарезающих болтов в соединениях с толстолистовыми элементами, какими являются крепления панелей с помощью закладных деталей в иностранной и отечественной литературе не выявлено.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Чекалов, Валерий Алексеевич

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Крепления с помощью самонарезающих болтов являются наиболее эффективным индустриальным способом крепления с односторонним доступом, позволяющим исключить сквозные теплопроводные включения в толще утеплителя легких ограждающих конструкций и произвести надежное крепление без наличия высокой температуры. Однако их работа, а также влияние некоторых факторов на работу соединений еще полностью не изучены, чтобы иметь возможность расчёта конструкций с применением самонарезающих болтов. Результаты натурного обследования на объектах Норильского горно-металлургического комбината подтвердили это и показали, в частности, что самонарезающие болты М6х20, предназначенные и для крепления панелей, имеют гораздо больший цроцент отказов, чем самонарезающие винты В6х25 в работе таких соединений как крепление трёхслойных стеновых панелей к несущему каркасу, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера.

2. В результате исследований были определены прочностные характеристики на кручение, растяжение и срез самонарезающих болтов, выпускающихся на трех заводах, а также прочностные характеристики их соединений с пластинами различной толщины. Разработан набор оптимальных диаметров отверстий под самонарезающие винты, просверливаемые в нижней пластине, в которую вворачивается винт, в зависимости от её толщины. Предложены диаметры сверлений и в верхнем соединяемом элементе. В результате экспериментов выявлена особенность соединений с самонарезающими винтами В6х25 при работе на выдергивание. Если соблюдать требования об оптимальности диаметра сверления в пластине, в которую вворачивается винт, то величина разрушающего усилия такого соединения не зависит от толщины этой пластины и она почти равна прочности самого винта на растяжение. Определено также, что низкие температуры от -40°С до -70°с не снижают, а повышают прочность самонарезающих винтов В6х25, сохраняя при этом их пластические свойства. Кроме того, самонарезающие винты В6х25 обладают большей циклической прочностью, что, в конечном счете, и определяет их предпочтительное применение в ограждающих конструкциях, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера.

3. Вследствие имеющейся существенной зависимости прочности соединений при работе самонарезающих болтов М6х20 на растяжение от толщины элементов и диаметра отверстия в пределах допуска, применение болтов М6х20 в креплениях стеновых; панелей следует ограничить. Область же применения самонарезающих винтов В6х25 следует расширить и для крепления панелей, где основная нагрузка на винты была бы растягивающей. Для расширения области применения и более рационального использования материала винтов предлагается, так же, сортамент длин самонарезающих винтов, где предусматривается вместо одной длины 25 мм выпускать их длиной от 16 до 120 мм в зависимости от вида соединений.

4. Разработана методика испытаний самонарезающих болтов на срез при низких температурах и циклическом воздействии нагрузок, а также способ обработки результатов испытаний с корректировкой закона теоретического распределения для получения уточненных расчетных характеристик. Уточненные характеристики самонарезающих болтов, полученные после корректировки теоретического распределения, являются лучшим отражением их прочностных свойств, так как с использованием этих характеристик погрешность определения несущей способности многоболтового соединения уменьшается в 2-3 раза.

5. Разработана модель работы многоболтового соединения на срез, где показано, что распределение усилий между болтами зависит от жесткости соединяемых элементов, расстояния между болтами, жесткости болтов на смятие и количества болтов в соединении. Согласно этой модели распредреление усилий между болтами можно принять равномерным, если податливость на смятие велика по сравнению с податливостью пластин. На основании этого заключения выведено условие лавинного разрушения многоболтовых соединений, которое по-новому объясняет понижение расчётных нагрузок на один болт в многоболтовом соединении при расчёте их на срез и смятие при равномерном распределении усилий между болтами.

6. Экспериментально доказано, что по выведенному условию лавинного разрушения с помощью распределений прочности одноболтовых соединений по любому закону можно определять с большой точностью наиболее вероятное значение несущей способности многоболтового соединения. Определены два вида лавинного разрушения и на их основе получены два способа расчёта несущей способности многоболтовых соединений: по условию слабейшего элемента, дающего наиболее точные результаты для соединений с небольшим количеством болтов, и по условию лавинного разрушения, когда разрушение соединения начинается не с первого болта, дающего более точные результаты при расчёте соединений с большим количеством болтов. Показано, что точность определения нагрузок лавинного разрушения зависит от правильного подбора теоретического распределения прочности одноболтовых соединений и его уточнения (корректировки).

7. Построены графики, по которым можно определить характер разрушения и способ расчёта многоболтового соединения в зависимости от параметров теоретического распределения прочности одноболтовых соединений и количества болтов в рассчитываемом соединении. На основе условия слабейшего элемента выведена простая формула расчёта малоболтовых соединений по распределению прочности одноболтовых соединений. Она дает надежные результаты для встречающихся в креплениях панелей 2-, 3- 4-, 6-, и 8-болтовых узловых соединений.

8. При использовании результатов диссертационной работы может быть достигнута следующая технико-экономическая эффективность:

При правильном применении самонарезающих болтов в ограждающих конструкциях, соблюдении технологии производства креплений и учета других факторов, влияющих на работу соединений,можно повысить надежность конструкций и избежать больших материальных и трудовых затрат на ремонтно-восстановительные работы. Эффект от применения в креплениях панелей самонарезающих винтов В6х25 достигает 155000 руб. в год см.Приложение ХП. При использовании других рекомендаций можно достичь экономии материала винтов до 10% с одновременным сокращением времени постановки винтов, использования оборудования для изготовления винтов и повышения культуры соединений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чекалов, Валерий Алексеевич, 1984 год

1. Постановление ХХУ1 съезда КПСС по проекту ЦК КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1.8I-I985 годы и на период до 1990 года". 2 марта 1981 г. - В кн.: Материалы ХХ1У съезда КПСС. М., 1981, с.119-120.

2. Клятис Г.Я. Всесоюзное совещание по легким несущим ограждающим конструкциям. Строительные конструкции, строительная физика: Научн.-техн.реф.сборник (ЦИНИС. М., 1976, вып.1, с.4-7.

3. Ищенко И.И. Расширять производство и применение легких несущих и ограждающих конструкций. Промышленное строительство, М.: Стройиздат, 1975, № ю, с.2-3.

4. Косогов В.М., Аронов Б.Л. Новая отрасль промышленного строительства. Промышленное строительство, М.: Стройиздат, 1979, № 2, с.8-12.

5. Чекалов В.А. Применение стального профилированного оцинкованного настила в наружных ограждающих конструкциях зданий Норильского горно-металлургического комбината им.А.П.Завенягина.

6. В сб.: Строительство в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. Красноярск, 1977, № 44, с.37-39.

7. Айрумян Э.Л. Исследования работы эффективных стальных профилей для настилов покрытий. Строительство и архитектура: Научн. -техн.реф.сборник / ЦИНИС.М., 1979, серия 8, вып.7, с.25-29.

8. Новое решение кровельного покрытия с применением профилированных стальных листов большого пролета. Реф.инф. о передовом опыте./ ЦБНТИ. М., 1977, сер.7, № 7, с.26.

9. Кармилов С.С., Беляев В.Ф., Айрумян Э.Л. Учет упрочнения металла при холодном деформировании резерв снижения материалоемкости металлоконструкций. Реф.инф. / ЦИНИС. М., 1978, сер.17, вып. 12(90), с.1-7.

10. Крохалев В.Г. Исследование металлических профилированных листов подкрепленных пенопластом. Дисс. канд.техн.наук, -Свердловск, 1975.- 129 с.

11. Шоболов Н.М. Исследование сдвиговой жесткости покрытий из металлических монопанелей. Строительство и архитектура: Научн.-техн.реф.сборник /ЦИНИС. М., 1979, сер.8, вып.II, с.47-51.

12. Тамплон Ф.Ф., Крохалев В.Г., Скульский В.М. Двухслойные металлические панели. Промышленное строительство, М.: Стройиздат, 1978, № 3, с.38-39.

13. Чекалов В.А. Выбор рациональных способов крепления профилированного стального настила в условиях Крайнего Севера. В сб.: Строительство в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. Красноярск, 1979, № 46, с.88-94.

14. Пикалов Б.И., Кумбриди П.А., Подсобляев Н.Г., Пахоменко А.Н. Крепление стального профилированного листа к металлическое каркасу промышленных сооружений. Энергетическое строительство, М.: Энергия, 1970, № 10(112), с.79-81.

15. Шкуратовский Г.Д. Сварочные работы при монтаже строительных конструкций. Киев: Будивельник, 1977. - 115 с.

16. Айрумян Э.Л. Оценка жесткости диска из профилированного стального настила в покрытиях одноэтажных промышленных зданий. -Дис. . канд.техн.наук. М., 1972. - 202 с.

17. Камышанов В.П. Исследование работы монтажных блоков покрытия с учетом жесткости стального профилированного настила. Дис. . канд.техн.наук. - Харьков, 1975. - 180 с.

18. Беляев В.Ф. Исследование элементов конструкций с использованием стального профилированного настила. Дис. . канд.техн. наук. -М., 1973. - 195 с.

19. Айрумян Э.Л. Элементы крепления профилированных стальных листов в легких ограждающих конструкциях. Реф.инф. /ЦИНИС. М., 1976, сер.8, вып.2,с.32-36.

20. Н. flssernfjEacjES des stzuctuzBS Legezss

21. JJslez StahK stebt , АШ,р. Ш-Ш.

22. Дехтяр А.Ш. Облегченные конструкции металлических стен промышленных зданий. М.; Стройиздат, 1979. - 158 с.

23. Дехтяр А.Ш. Виды конструкций металлических стен производственных зданий и их классификация. Реф.инф. /ЦИНИС. М., 1977., сер.16, вып.1, c.I-II.

24. Хромец Ю.Н. Промышленные здания из легких конструкций. -М.: Стройиздат, 1978. 175 с.

25. Айрумян Э.Л. Учет жесткости профилированного стального настила в пространственной работе конструкций. Промышленное строительство, М.: Стройиздат, 1979, № 12, с.15-16.

26. Вайнберг Дгк., Шумекер Дж. Статистика. М.: Статистика, 1979. - 387 с.

27. Всесоюзный институт научной и технической информации. Реферативный журнал. Технология машиностроения. Сводный том 3. М., 1978. - с.96.

28. MILAN STRMJJtC Sc., YUPS Pzaha,

29. ExpszLmentpPaL vyzkum smykem namahanych spoju Lehkych kavovych p2asVu. — Stave8nL vyzkum, 1978, tl5, с 8.

30. ГУкова М.И., Попелянский Ю.Л., Марков Е.С. Оценка прочности соединений металлических элементов строительных конструкций на дюбелях. Промышленное строительство, М.: Стройиздат, 1978, № 6, с.23-25.

31. ВСН 349-75/ММСС СССР. Инструкция по сварке стального оцинкованного профилированного настила для облегченной кровли. ПИ Промстальконструкция. - 5 с.

32. Дехтяр А.Ш. Применять наиболее эффективные конструкции металлических панельных стен. Промыпленное строительство, М.: Стройиздат, 1976, № 9, с.37-40.

33. Ищенко И.И. Легкие металлические конструкции одноэтажных производственных зданий: Справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1979. 195 с.

34. МСН 232-70 / ММСС СССР. Технические условия на изготовление и монтаж стального профилированного настила для облегченной кровли и метизов для его крепления.

35. Временное руководство по установке метизов креплений профилированных стальных металлов в легких покрытиях / ЦНИИПСК. -М., 1975. 7 с.

36. Руководство по применению гофрированных профилей (стального оцинкованного профилированного настила) в утепленных покрытиях производственных зданий / ЦНИИПСК. М., 1978.

37. Технические условия. Типовые решения. Металлические ограждающие конструкции промышленных зданий. М.: Стройиздат, 1980. -250 с.

38. Рекомендации по учету жесткости диафрагм из стального профилированного настила в покрытиях одноэтажных производственных зданий при горизонтальных нагрузках / ЦНИИПСК. М., 1980. - 37 с.

39. Трофимов В.И. Алюминиевые конструкции: Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1978. - 147 с.

40. Молохов И.В., Оконешников В.А. Ввертывание шпилек в гладкие цилиндрические отверстия. Вестник машиностроения, М., 1975, № 2, с.48-50.

41. Якушев А.И., Мустаев Р.Х., Мавлготов P.P. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений. М.: Машиностроение, 1979. - 92 с.

42. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М.: Машиностроение, 1973. - 193 с.

43. Комаров Г.В. Способы соединения деталей из пластических масс. М.: Химия, 1979. - 263 с.

44. Митрофанов А.А., Васянин П.И. Сборка и контактная сварка карт оцинкованного профилированного настила. Реф.инф. Изготовление металлических и монтаж строительных конструкций / Мин.монт. спец.строй. М., 1977, № I, сер.7, с.6-7.

45. Пегов А.С. Самонарезающие винты. М., 1949, Л., Машгиз, - 70 с.

46. Калачинский B.C. Самонарезающие винты Дарьковский дом техники. Харьков, 1940.

47. Пивоваров И.Н. Самонарезающие винты: Бюллетень технической информации транспортного машиностроения. М., 1938, № 3, с.25-28.

48. Ваивг СЛ BEechschzpudBn aus nlchtzostEndem StahE BEech Mse PzafiEe , 1972, V J 5. 97- №.

49. Сакамото Йосифуми. Кикай сэккей, 1974, № I, с.63-67.

50. GzoflBezndt Н., Knlsse Л. IInt ее such и п^ uBez Quezkzofb — und Zuijkzaft Bennspzuchungen sdutLe HornBLnLESte BEanspzuchungen von SchzauBemrEzBin-dumjen Set StoEpzofiEfiBEch HonstzuntianEn. — StahEBnu, 1975, J10B89-300.

51. Еремеев Д.В., Бодасаров Г.С. Волжский автомобильный завод строится. Промышленное строительство, М.: Стройиздат,1970, № 4, с.29.

52. Бердичевский Н.М., Бычков А.А., Кузнецов В.В., Каплун Я.А. Павлов Б.Г. Легкие покрытия промышленных зданий с применением стального оцинкованного профилированного настила. Промышленное строительство, - М.: Стройиздат, 1970, № 7, с.24-27.

53. Пиховкин В.А. Эксплуатационные качества покрытий промышленных зданий на Крайнем Севере и рекомендации по их проектированию. Дис. . канд.техн.наук. - М., 1974.

54. Березовский Б.И., Васьковский А.П. Проектирование и строительство зданий в условиях сурового климата и вечномерзлых грунтов. Л.: Стройиздат, 1977. - 23Q с.

55. Евтихиев A.JI. Работы нулевого цикла на строительстве в условиях Севера. Л.: Стройиздат, 1977. - 145 с.

56. Малый атлас мира / ГУГК при СМ СССР. М., 1972. - 142 с.

57. Белли Ю.Я., Докучаев В.В., Федоров Н.Ф. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1977. - 551 с.

58. СНиП П-А.6-72. Строительная климатология и геофизика. -М.: Стройиздат, 1973. 319 с.

59. Атлас мира. ГУГК МВД СССР, М., 1959.

60. СНиП П-6-74. Нагрузки и воздействия. М.: Стройиздат, 1976. - 60 с.

61. Чекалов В.А. Обследование состояния ограждающих конструкций из профилированных стальных настилов в промышленных зданиях с нормальным и влажным режимом. Научн.-техн.отчет / Красноярский ПромстройНИИпроект. Норильск, 1976. - 80 с.

62. Владовский М.С. Жесткость дисков из профилированного стального настила в монтажных блоках покрытия. Промышленное строительство, М.: Стройиздат, 1974, № 2.

63. Eastey 1 Stzenijth and stiffness of cozzuijnted metal! sheoz diophsaijms. -PzoceedLnqs of flSCE, 1377, гг.ЮЗ,Нзт. /, p. f69-/80.

64. Айрумян Э.Л. Сдвиговая жесткость стального профилированного настила покрытий. Реф.инф. / ЦИНИС. М., 1976, сер.8, вып.II,с.17-21.

65. Брудка Я., Лубиньски М. Легкие стальные конструкции /Под ред.С.С.Кармилова. М.: Стройиздат, 1974, - с.103.

66. СНиП П-23-81. Стальные конструкции. Нормы проектирования.-М.: Стройиздат, 1982. 90 с.

67. Молоканов Н.М., Новожилов Г.Ф., Рогонский В.А. Использование математических методов в анализе строительных процессов.

68. Д.: Стройиздат, 1971. 102 с.

69. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. /Государственное издательство физико-математической литературы. М., 1962. 560 с.

70. Поливанов П.М. Крепежные детали: Справочник. М.: Машиностроение, 1967. - 246 с.

71. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.: Стройиздат, 1978. - 230 с.

72. Мюллер П., Нойман П., Штром Р. Таблицы по математической статистике. М.: Финансы и статистика, 1982. - 265 с.

73. Ohoua Ц. 1 NutEncK /?. LLoht- op о б sIeeE В ait EdutfozmLno 1 utfdzandB. — SBU STf/LdOO&NRDSINS77TUТЕ Г РиВШпЫппЕп' 39, 1975.

74. SVENSH HfiТЯЬDDj UNITED SHOE MRCHINERU СМРАМЩ1970, s. 1-6.