автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему: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

- 6 ОНТ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

4855635

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образован^ Московском го суда р ст в е [ г г ю м

строительном университете.

!

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Кунин Юрий Саулович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белый Григорий Иванович

Ведущая организация:

кандидат технических наук Айрумян Эдуард Левонович

Научно-исследовательский центр «Строительство», ОАО; ЦНИИСК им. В.Л. Кучеренко (НИЦ «Строительство», ОАО)

Защита состоится «fVJffJ/?Я 2011г. в часов

па 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 « » ee/f/vtfTp я 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 строительстве энергоэффективных, качественных и экономичных зданий и сооружений из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), и возникающей в связи с этим проблемой создания нормативной базы и обеспечением её надежности целенаправленными исследованиями в данной области.

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

Цель работы. Разработка методики испытания и расчета соединений па вытяжных заклепках и винтах в легких стальных тонкостенных конструкциях с учетом оценки влияния конструктивных особенностей на несущую способность соединений применительно к российским особенностям производства и эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) Выполнен анализ работы основных типов соединений па вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах, применяемых в соединениях ЛСТК.

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

3) Разработана методика испытания соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах.

4) Проведены испытания соединений ЛСТК па вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах, выполнены обработка и анализ их результатов.

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

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 самосверлящих самонарезающих винтах при работе на срез и растяжение;

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

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

- по результатам экспериментальных исследований разработана методика испытания и расчета соединений на вытяжных заклепках и самосверлящих са-мопарезающих винтах при работе на срез и растяжение с учетом поправочных эмпирических коэффициентов и зависимостей.

Достоверность результатов:

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

Практическая значимость результатов исследования состоит в следующем:

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

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

- результаты экспериментально-теоретических исследований и предложенные коэффициенты и зависимости использованы при разработке стандарта 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 Ривст Инжениринг», а также в учебном процессе Московского государственного строительного университета. Разработано и изготовлено устройство для испытаний на растяжение соединений тонкостенных металлических конструкций [21]. Разработанная методика испытания 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 диссертации использованы при разработке СТО ЦНИИГТСК им. Мельникова, получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы.

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

На защиту выносятся:

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

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативно-сти соединений JTCTK на вытяжных заклепках и самосвсрлящих самонарс-затощих винтах (общее количество испытаний в сериях составило 388 шт);

- рекомендации по пазпачепию расчетных коэффициентов надежности по материалу в зависимости от характера работы и типа соединения;

- инженерная методика расчета соединений J1CTK на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах при работе на срез и растяжение;

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

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

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 особенности JICTK из оцинкованных холодногнутых профилей, включающая каркасы зданий и сооружений различного назначения, применение ЛСТК в качестве несущих и ограждающих конструкций, декоративных и вспомогательных элементов, а также представлен анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований соединений тонкостенных стальных конструкций.

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

Вытяжные заклепки и випты 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 стальных тонкостенных конструкций, в работе произведен обзор исследований болтовых соединений малых толщин.

Развивая принятую в СССР методику предельных состояний, H.H. Стрелецким, В.В. Калеиовым 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 направлены исследования В.М. Бабушкина, В.П. Велихова, В.В. Кармалина. Влияние цинкового покрытия на работу и долговечность болтовых соединений 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 конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей малых толщин приведена в работах И.И. Всдякова, П.Д. Одесского, Д.В. Соловьева, а также В.В. Зверева и A.C. Семенова.

Среди исследований заклепочных и винтовых соединений тонкостенных конструкций необходимо отметить работы в авиастроительной отрасли С.Л. Васильева и А.И. Ендогура.

В строительной отрасли исследования соединений тонкостенных конструкций 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 вносят работы A.B. Грановского, В.Ф. Беляева, З.И. Доттуева, Т.М. Хасанова и A.B. Брызгалова, связанные с проектированием, монтажом и эксплуатацией подсистем навесных фасадов с вентилируемым зазором.

Проблемы качества вытяжных заклепок и винтов, поставляемых на российский рынок, а также качества монтажа активно освещаются в публикациях И.В. Орлова, C.B. Ганичева, М.Н. Сорокиной и Т.В. Тараскиной.

Вопросы повышения эффективности использования стальных профилированных листов путем включения их в работу несущих конструкций рассмотрены в работах Э.Л. Айрумяна и Е.С.Маркова, а также В.Г. Себешева и В.Н. Почки.

Циклические испытания дюбельных соединений, проводились Т.Ф. Запорожцем, В.А. Галичсвым и К.В. Кузнецовым. Вопросы повышения надежности соединений на самонарсзающих болтах в легких ограждающих конструкциях подробно рассмотрены в работах В.А. Чекалова и И.Д. Грудева.

Проблемы качества вытяжных заклепок и винтов, поставляемых на российский рынок, а также качества монтажа активно освещаются в публикациях И.В. Орлова и C.B. Гапичева.

Несмотря на многообразие выполненных работ, обзор состояния вопроса показал, что действительная работа соединений JICTK на вытяжных заклепках и винтах, изучена недостаточно полно. При этом отсутствует утвержден-

пая методика испытаний и математической обработки результатов испытаний соединений легких стальных тонкостенных конструкций. Существующие 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 соединений легких тонкостенных конструкций па вытяжных заклепках и винтах, приводящее к перерасходу крепежных элементов, а в отдельных случаях и к авариям сооружений, отмечается в работах Э.Л. Айрумяпа и Г.И. Белого.

В связи с принятым направлением гармонизации российской и европейской систем нормирования в строительстве, применение инженерной методики расчета соединений, предлагаемой в Европейских нормах (ЕЫ), ограничено различием стандартов производства и системы контроля качества. Также, в Европейских нормах (Е1Ч) отсутствуют положения, учитывающие тип соединения, а также неравномерность включения в работу крепежа мпого-виптовых соединений и ряд других факторов.

В заключении первой главы ставятся окончательные цели и задачи предстоящего исследования.

Вторая глава диссертации посвящена разработке методики и анализу результатов испытаний заклепочных и винтовых соединений ЛСТК. Рассмотрены возможные типы отказов соединений ЛСТК (Рис. I).

Соединения работакмцие на ерез <С)

Соединенна работающие на растяжение (Р)

2. Смятие листа

3. Разрыв листа по сечению

I Разрыв заклепки / винта

2. Вырыв из листа

3. Отрыв листа через пресс шайбу / бурт

4. Выкол листа

Рис. I. Типы отказов соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и винтах. Соединения ЛСТК па заклепках и винтах работают, как правило, па срез и па растяжение крепежного элемента, приводятся примеры узлов, наиболее часто применяемых в строительных конструкциях.

Так, при работе на срез, возможны срез крепежного элемента, смятие материала 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 прикрепляемого материала через пресс-шайбу или бурт крепежа.

Для подробного исследования несущей способности соединений необходимо проведение обширного эксперимента. Испытания проводились в лаборатории «Сектора испытаний строительных конструкций» МГСУ па универсальных испытательных машинах «й^гоп».

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 диаметрами 4,8 мм и 6,4 мм и самосверлящими самонарезающими винтами диаметрами 4,2; 4,8; и 5,5 мм производства фирмы Гарпун.

Для испытания образцов разработана методика, включающая подготовительный этап и этап нагружения, описанная в публикациях и вошедшая в стандарт организации СТО [20]. Для испытания образцов па растяжение разработана специальная оснастка и получен патент на полезную модель [21].

б)

Рис. 2. Оснастка для испытания на растяжение а) и фото-гпсиЬии проведения испытаний на спел и пастнженне С>).

Эксперимент был обоснован и спланирован в 2 этапа.

На основании 1-го этапа провсдеппого эксперимента подтверждена эффективность 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 выборки зазоров во вспомогательных элементах захватного приспособления.

Экспериментально были подтверждены классифицированные в настоящей работе типы отказов соединений па вытяжных заклепках и винтах ЛСТК, работающих па срез и растяжение.

Получены данные о несущей способности и дсформативпости соединений, па основании испытаний 388 образцов. Проведенный анализ диаграмм «нагрузка/деформация», а также анализ характера разрушения соединений при различных типах отказов, даст возможность понять адекватную картину процесса работы соединения. Так па 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 па вытяжной заклепке 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 диаграммы «нагрузка/деформация» аналогичен характеру диаграммы при испытании образцов стали на растяжение. При работе на растяжение, разрыв впита происходит 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 трещины и последусщим развитием трещины до полного отрыва присоединяемого листа (Рис 4 а,б,в).

тг пг кЙНЁЁЁЁЁЁ**

,, . Сторона I Сторона I Сторона 1 Сторона I

а /,

в

Рис. 4. Характер разрушения соединения при работе на растяжение.

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

Так, несущая способность соединения при срезе крепежного элемента должна оцениваться по предельному состоянию 1а - полное исчерпание несущей способности. Несущая способность соединения при смятии листа, разрыве листа по сечению должна оцениваться по предельному состоянию 1Г - недопустимому развитию деформаций, па основе заданных пределов этих деформаций. Несущая способность соединения при разрыве и вырыве крепежного элемента, а также отрыве листа через пресс-шайбу должна также оцениваться по предельному состоянию 1а.

В процессе исследования было произведено сравнение несущей способности соединений па вытяжных заклепках и винтах диаметра 4,8 мм при различных толщинах соединяемых элементов. Построенные диаграммы работы соединения позволили установить область эффективного применения заклепочных и винтовых соединений, работающих па срез при различных толщинах 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 па-грузках порядка 3000 И и толщине соединяемых деталей 1 мм происходит исчерпание несущей способности вытяжной заклепки, и, как результат, её срез (Рис. 5).

В связи с этим были произведены испытания вытяжных заклепок увеличенного диаметра и усиленных вытяжных заклепок. На основании сравнения

их несущей способности с заклепками диаметра 4,8 мм сделан вывод о нецелесообразности применения усиленных заклепок в тонкостенных (до 2 мм) соединениях, ввиду незначительного увеличения несущей способности соединения.

| -^-Заклепки d=4,8 мм ^Пинты d =4.8 мм ] Толщины скрепляемых материалов, I мм.

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 самонарсзающих винтов с продавливающим наконечником, при работе соединения tía растяжение. Так, несущая способность таких соединений в среднем на 20% выше несущей способности соединения на стандартных винтах, при толщинах базового материала до 1,5 мм.

Задачей 2-го этапа эксперимента было выявление особенностей работы иахлесточных и двухсрезных винтовых соединений, а также исследование несущей способности и деформативности миоговинтовых соединений JICTK.

Так, испытания соединений, проведенные с односторонним и разносторонним расположением крепежных элементов, показали их одинаковую несущую способность.

Установлено, что несущая способность двухсрезпого соединения на винтах, на 20% больше чем несущая способность односрезного.

Также в процессе испытаний выявлено снижение несущей способности многовиптового соединения за счет перераспределения усилий между винтами при нагружении. При этом установлено, более иитепсивпое включение в работу винтов первого ряда.

Большое число и качество выполненных испытаний, а также математическая обработка полученных результатов позволили, осуществить проверку и дополнепие расчетной методики.

Третья глава настоящей работы посвящена разработке методики расчета соединений ЛСТК на основании Евронорм (EN). Расчет соединения, согласно EN, сводится к серии проверочных расчетов на срез или растяжение при

различных типах отказов. Методика предусматривает наличие в каждом государстве Национального приложения, регламентрующего различные коэффициенты надежности по материалу, и возможные дополнения.

Для полного сравнения результатов расчета и эксперимента произведены расчеты по методике всех типов образцов, использовавшихся в экспериментальных исследованиях. Значение коэффициента надежности по материалу /,/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 соединений при различных толщинах соединяемого материала и диаметрах, при работе соединений на заклепках и винтах на срез и растяжение.

®

X Результаты испытаний ■ " Обработка результатов эксперимента (Nmax)

— —Результаты расчета при Yrn2=l

- - - Обработка результатов эксперимента (N05)

- Результаты расчета с учетом корректировки Ym2 (^з) Количество проведенных испытаний

0.4 Û.5 0 6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1 8 1.9 2.0 2.1

Толщины скрепляемых материалов, t, мм.

Результаты испытаний -Обработка результатов эксперимента (Nmax) -Результаты расчета Ym2=l - Обработка результатов эксперимента (N05) ■ Результаты расчета с учетом коррекировкн Ym2

0.4 0,5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1

Толщины скрепляемых материалов, t, мм.

Результаты испытании Обработка результатов эксперимента СЫтпх) Результаты расчета при Уш2~1

- - - -Результаты расчета с учетом корректировка

— - -Результаты расчета с учетом корректировки и Ут2 (7?) Количество проведенных испытаний

1.6 2.8 3.0 3 2 .14 36 3 8 4 0

Толщины скрепляемых материалов, (, мм.

Талшшы Г1рппсмы1 материи», и *

Рис. 6. Сравнение результатов эксперимента и расчета соединений 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 говорит о достоверности полученных данных и справедливости существующей методики расчета.

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

Так, при смятии базового материала, при работе заклепочного или винтового соединения па срез, в связи с наличием значительных пластических деформаций, критерием предельного состояния принимается критерий по достижению предельных деформаций 0,5 мм.

Расчет прочности листа на разрыв по сечению «нетто» необходимо производить по достижению условного предела текучести материала листа N02. Соответственно, в расчетной формуле прочности на разрыв листа по сечению, при работе соединения на срез, следует учитывать не временное сопротивление разрыву , а значение условного предела текучести N02 материала листа.

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

При работе соединения на растяжение, вырыве, отрыве через шайбу и разрыве винта также следует принимать критерий 1а. При этом необходимо введение 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 ЕЙ следует принять дифференцированные коэффициенты надежности по материалу уМз-

В таблицах 1 и 2 приводится методика расчета соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и винтах, согласно ЕЙ, и отмечены коэффициенты и зависимости, скорректированные в результате проведенных исследований.

Таблица 1.

Расчетная ппачппсть спрдинрний на вытяжных чакпрпкпх

Вытяжные заклепки, работающие на срез:_

Прочность на смятие:

Рьм =«•/.•¿•'^110 рьм </„ /(1,2(^))

В котором а принимается в следующем виде: -если ( — : а — но а<2,1

-если tx > 2,5? а = 2,1

-если I <1х< 2,5?: а принимают по линейной интерполяции. Прочностьхечения нетто:

Прочность на.срез: Прочность на срез определяют испытаниями

= Ьш)

Вытяжные заклепки, работающие на растяжение:_

Прочность на отрыв листа через бурт: Прочность определяют испытаниями.

Прочность на вырыв из листа: Не применимо к заклепкам.

Прочность на разрыв заклепки: Прочность Г,м определяют испытаниями.

Диапазон применения:_

е1 > 1,5г/; рх > Ъ(1; 2,6тт <й< 6,4тт;

е2 > 1,5а; р2 > ъа;

/„ < 550 МРа

Таблица 2.

Расчетная прочность соединений на самонарезающих винтах

Самонарезающие винты, работающие на срез

ТТГ

Прочность на смятие: Рьм =<*■/„ ■ с!■ ¡Гу^Л В котором а принимается в следующем вТТде: -если ( = : а = Ъ,14Чйно а < 2,1 -если > 2,5; и I < 1,0 шш: а = 3,2но а < 2,1 -если Г, >2,5/ и I > 1,0 шш: а = 2,1

-если / < /[ < 2,5;: а принимают по линейной интерполяции. Прочность сечения нетто:

Прочное 31 Прочпостьпа срез определяют испытаниями

Км, = F,

Винты, работающие на растяжение:

Прочность на отрыв листа через пресс-шайбу^ -для статических нагрузок: FpJU = d „ - i- f„

-для винтов под действием ветоовых и сочетания ветровых и статических

нагрузок: FpM -0,5-<7„

Прочность tía вырыв из листа:

Если tsap /s < 1: Fo M = 0,45 • d • /sup • s„p / уд/2;

Если(г57^77£1^) f„m=_ o,65 ■ d ■ tsiv ■ ;

■ d ■ t„m -J^Jn^T

( где s - шаг резьбы)

Прочность на разрыв винта: Прочность/^,, определяют испытаниями.

Диапазон применения:

Общие: е, >3d\ р, > 3,0mm <d< 8,0mm ; e2 > 1,5d ; p2 > 3d;

Для растяжения: 0.5mm < t < 1,5mm и í, S 0,9mm

f„ < 550 MPa

Примечания

11 В данной таблице допускается, что головка винта располагается над наиболее тонким из соединяемых листов.

Расчет предусматривает, что пресс-шайба или головка винта обладает достаточной жесткостью, чтобы препятствовать её нежелательной деформации, и исключить отрыв головки винта._

На основании результатов математической обработки эксперимента и принятых критериев предельного состояния в таблице 3 приводятся рекомендуемые значения коэффициентов надежности по материалу уМ2.

Таблица 3.

Значения коэффициента ум2

№ Тип крепежа и характер работы соединения, тип отказа соединения ГМ2

1 Вытяжные заклепки, работающие на срез

1.1 Прочность на смятие 1,5

1.2 Прочность сечения нетто 1,1

1.3 Прочность на срез 1,25

2 Самонарезающие винты, работающие на срез

2.1 Прочность на смятие 0,5тт < 1 < 0,7тт 1,6

0,7тт < / < 2тт 1,45

2.2 Прочность сечения нетто 1,1

2.3 Прочность на срез 1,25

3 Винты, работающие на растяжение

3.1 Прочность на отрыв листа через пресс-шайбу 1,2

3.2 Прочность на вырыв из листа 1,1

3.3 Прочность на разрыв винта 1,25

Результаты проведенных исследований позволили сделать следующие выводы:

1) Методика расчета Еигосос1е 3, является обоснованной и может быть рекомендована к применению с учетом необходимых корректировок.

2) Предложенные к применению различные значения коэффициентов надежности 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 влияние типа соединения (нахлесточное или двухсрезное) на его несущую способность. На основании проведенных исследований для двухсрез-ных соединений введен поправочный повышающий коэффициент к=1,2.

4) С учетом перераспределения усилий в многовинтовом соединении необходимо введение понижающего коэффициента |3 = 0,8, учитывающего неравномерность работы винтов и перераспределение усилий.

5) В формулу для расчета прочности винтового соединения на вырыв из листа необходимо введение дополнительных поправочных коэффициентов при соотношениях толщины и шага резьбы винта 1 </Я1р/$ < 1,5; 1,5</ /«<2; „,,/■?> 2, равных соответственно 0,65, 0,85 и 1,05, расширяющих диапазон применения расчетной методики к подобным соединениям.

Четвертая глава диссертации посвящена определению напряженно деформированного состояния (НДС) соединения, что в условиях настоящей задачи целесообразно проводить экспериментально-теоретическим путем, а именно, путем итераций сравнения результатов расчета в программном комплексе с результатами эксперимента, при последовательном увеличении детализации модели.

Решение задачи моделирования винтового соединения проводилось в ПК РЬМ Регпар 10.1 Кав^ап. 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 максимально 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 участки теряют устойчивость и выпучиваются, растянутые оказываются практически ненагруженными (Рис. 76). Одной нз 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 удлинение материала перед нитями резьбы 0,2 мм, что указывает па то, что реальные деформации смятия материала под нитями резьбы винта в соединении не

превышают величины 0,1 мм, что подтверждает принятые положения предела деформативности (Рис. 7в).

Рис. 7. Моделирование работы винтового соединения в расчетном комплексе Ыах1гап.

В пятой главе описаны результаты проведенного эксперимента па циклическое нагружение и дана оценка малоцикловой прочности винтовых соединений, работающих на срез.

Для испытаний выбраны образцы винтовых соединений, работающие на срез с толщинами соединяемых пластин [=2 мм. Для циклических испытаний соединений па срез применялась испытательная установка ¡пэН-оп 8802. Испытания образцов проводились с непрерывным нагружением до фиксированных величин нагрузки с частотой 1 Гц, с коэффициентом ассиметрии р=0, до порога 10000 циклов.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

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

2) Циклическое нагружение при количестве циклов п= 10 + 10000 не значительно влияет на несущую способность соединения.

3) В результате проведенных испытаний па циклическое воздействие подтверждена обеспеченность несущей способности винтового соединения по достижению 10000 циклов последовательного нагружепия, равная 4400 Н, при достижении предельных деформаций 0,5 мм, что соответствует приня-

тым положениям и коэффициентам надежности по материалу в расчетной методике. Это позволяет применить разработанную методику для расчета соединений, подвергаемых малоцикловым нагружениям, например, попеременным воздействиям снеговых нагрузок (Рис. 8).

а) б)

Рис. 8. Испытательная установка а) и обобщенная диаграмма циклических испытаний в).

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 включению в национальный стандарт по расчету легких стальных тонкостенных конструкций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных экспериментально-теоретических исследований работы винтовых и заклепочных соединений легких стальных топко-стенных конструкций, решены следующие задачи и сформулированы следующие выводы:

1. Разработана методика испытаний на срез и растяжение соединений па вытяжных 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 веем диапазоне пагружепия вплоть до разрушения;

- предложена, подтвержденная в результате экспериментальных исследований, классификация предельных состояний соединений ЛСТК;

- установлена предельная несущая способность соединений при различном характере нагружения и типах соединений, разграничена область эффективного применения каждого типа соединений.

3. Разработана инженерная методика расчета соединений JICTK на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах на основании Еврокод, с внесением следующих изменений:

- введены различные, в зависимости от типов крепежных элементов и возможных типов отказа соединения, коэффициенты надежности по материалу

Ум г ■

- скорректированы расчетные формулы оценки прочности при разрыве по сечению «нетто» путем замены fu на f^;

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

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

- введены поправочные коэффициенты в расчетную формулу прочности на вырыв винта, при различных соотношениях толщины скрепляемого материала и шага резьбы винта 1,5 < /,1|р /л < 2 ; 1 < t¡4¡ / < 1,5 и /snp /s > 2 ■

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

5. Анализ картины деформаций в сечении при перемещении захвата на величину 0,5 мм, показал незначительные деформации смятия материала под нитями резьбы винта (0,1 мм), что подтвердило обоснованность принятого критерия предельного состояния.

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

7. Предложены практические рекомендации для проведения сертификационных испытаний заклепочных и винтовых соединений JICTK на срез и растяжение, инженерная методика расчета и рекомендации по подбору крепежных элементов и монтажу соединений JICTK на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах.

Рекомендуются следующие направления дальнейших исследований:

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

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

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

4) Исследование возможности применения винтовых соединений в качестве 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. Куниц // 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 // Промышленное и гражданское строительство-2010,- №3.-С.41-43. *

3. Катранов И.Г. Применение холодногнутых профилей в металлострос-нии [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Научные труды XII международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятелыюсти».-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 стальных тонкостенных конструкций на растяжение [Текст] / И.Г. Катранов // Вестник МГСУ.-2010.-№2.-С.89-93. *

7. Катранов И.Г. Экспериментальные исследования работы вытяжных заклепок и винтов в соединениях ЛСТК [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Сборник научных трудов кафедры «Испытания сооружений» МГСУ, «Обследование, испытание, мониторинг и расчет строительных конструкций зданий и сооружений».- М.-2010.С. 81-87.

8. Катранов И.Г. Экспериментально-теоретические исследования винтовых соединений ЛСТК па растяжение [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // Сборник докладов традиционной научно-технической конференции профессорско-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-телыюсти».-М.-МГСУ.- 2010,- С. 108-110.

10. Катранов И.Г. Экспериментальные исследования работы миоговинто-вых соединений ЛСТК [Текст] / И.Г. Катранов // Промышленное и гражданское строительство.-2010.- №11.-С.43-45. *

11. Катранов И.Г. Оптимизация применения вытяжных заклепок и самосверлящих самонарезающих винтов в соединениях JICTK [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С.Кунин // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. -2010,- №7(138), -С.35-37.

12. Катранов И.Г. Экспериментально-теоретические исследования винтовых соединений JICTK на растяжение [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С.Кунин // СТРОЙМЕТАЛЛ. -СП6.-2010.-№3( 16).С.52-54.

13. Катранов И.Г. Экспериментальные исследования многовинтовых соединений 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 растяжение [Текст] / И.Г. Катранов, Ю.С.Кунин // Промышленное и гражданское строительство.-2011.-№З.С.9-11. *

15. Катранов И.Г. Безаварийная работа соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и винтах [Текст] / И.Г. Катранов // Сборник научных трудов Предотвращение аварий зданий и сооружений.- 2011.-С. 168-174.

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

17. Катранов И.Г. Испытание и моделирование винтовых соединений легких стальных тонкостенных конструкций [Текст] / И.Г. Катранов, В.А.Смирнов // СТРОЙМЕТАЛЛ. -СП6.-2011.-№1(20).С.21-23.

18. Катранов И.Г. Моделирование работы винтового соединения в программном комплексе [Текст] / И.Г. Катранов, В.А. Смирнов // Научные труды XIV международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедея-телыюсти».-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 «Нагрооп» для крепления стеновых и кровельных конструкций из стального оцинкованного холоднокатаного листа» Проектирование, испытание, изготовление, монтаж соедипений,-М.-2011.

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

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.97 Московский государственный спроительный университет

Подписано в печать 10.08.11. Формат 60x84/16 Печать офсетная

Объём 1,5 п.л. Тираж 140 Заказ 307

Отпечатано в Типографии МГСУ. 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, корпус 8 Качество печати соответствует качеству предоставленных орпгинаюв

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Область применения легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) в строительстве

1.2 Основные типы узлов ЛСТК

1.3 Изготовление холодногнутых профилей из оцинкованной стали для ЛСТК

1.4 Типы крепежных элементов в соединениях ЛСТК

1.4.1 Вытяжные заклепки в соединениях ЛСТК

1.4.2 Винты в соединениях ЛСТК

1.5 Анализ исследований болтовых соединений тонкостенных конструкций

1.6 Анализ исследований заклепочных и винтовых соединений тонкостенных конструкций

1.7 Цели и задачи диссертационной работы

Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ ЗАКЛЕПОЧНЫХ И ВИНТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛСТК

2.1 Типы отказов соединений ЛСТК

2.2 Задачи и программа экспериментальных исследований соединений ЛСТК

2.3 Методика испытаний соединений ЛСТК

2.4 Механические характеристики стали испытываемых образцов

2.5 Результаты 1-го этапа испытаний соединений на вытяжных заклепках и винтах на срез и растяжение

2.6 Анализ результатов 1-го этапа экспериментальных исследований

2.6.1 Анализ результатов испытаний соединений на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах при работе на срез

2.6.2 Анализ результатов испытаний соединений на вытяжных заклепках увеличенного диаметра и усиленных вытяжных заклепках при работе на срез

2.6.3 Анализ результатов испытаний соединений на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах при работе на растяжение

2.6.4 Анализ результатов испытаний соединений на специальных типах самосверлящих самонарезающих винтов

2.7 Задачи и программа 2-го этапа экспериментальных исследований соединений ЛСТК

2.8 Результаты 2-го этапа испытаний соединений на самосверлящих самонарезающих винтах на срез и растяжение

2.9 Анализ результатов 2-го этапа экспериментальных исследований

2.10 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований

2.11 Выводы

Глава 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА

СОЕДИНЕНИЙ ЛСТК НА ВЫТЯЖНЫХ ЗАКЛЕПКАХ И САМОСВЕРЛЯЩИХ САМОНАРЕЗАЮЩИХ ВИНТАХ

3.1 Положения по расчету соединений на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах

3.2 Сравнение результатов расчета и эксперимента

3.3 Вычисление коэффициентов надежности по материалу

3.4 Соотношение толщины скрепляемого материала и диметра крепежного элемента соединения

3.5 Влияние типа винтового соединения на его несущую способность (нахлесточное, двухсрезное)

3.6 Несущая способность многовинтового соединения и характер расположения крепежных элементов

3.7 Влияние шага резьбы винта на выдергивание винта из базового материала, при работе винтового соединения на растяжение

3.8 Выводы

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОГРАММНОМ РАСЧЕТНОМ КОМПЛЕКСЕ ВИНТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СРЕЗ

4.1 Методы моделирования винтовых соединений

4.2 Постановка задачи моделирования винтового соединения

4.3 Проверочный расчет стали на растяжение

4.4 Расчет винтового соединения

В соответствии с уровнем социального, промышленного и экономического развития современной России, а также в соответствии с действующими приоритетными национальными проектами «Доступное и комфортное жилье», «Развитие агропромышленного комплекса» и проектом «Энергоэффективность», существует потребность в проектировании и строительстве качественных, энергоэффективных и экономичных жилых, промышленных и общественных зданий и сооружений на всей территории России.

Наряду с развитием, металлических конструкций из горячекатаных сортовых профилей и листового проката, а также элементов конструкций составных сечений, в последнее время, в отечественной практике строительства значительно увеличилось применение тонкостенных гнутых профилей из оцинкованной стали, использующихся в качестве несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения. Годовой выпуск таких конструкций приближается к 1 млн. т, что свидетельствует о создании в России новой отрасли строительной индустрии, включающей разработку, исследование, проектирование, изготовление и монтаж легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) из гнутых профилей. [1]

Конструкции из тонкостенных оцинкованных профилей обладают рядом существенных преимуществ. При небольшой металлоемкости, существует возможность изготавливать профили эффективной геометрии, обеспечивая при этом достаточную жесткость сечения. Оцинкованное покрытие стального листа, из которого изготавливаются профили, предохраняет сталь от коррозии и воздействий окружающей среды, обеспечивая необходимую долговечность. Небольшая масса элементов конструкций, а также применение специальных типов крепежа предопределяют простоту и высокую скорость монтажа без применения дорогостоящего кранового оборудования и значительных энергозатрат. Кроме того, небольшие масса и энергоемкость оборудования для изготовления профилей, позволяет осуществлять его транспортировку и быстрое развертывание производства в отдаленных районах, в том числе при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.

История применения в строительстве ЛСТК в Европе, США и Канаде насчитывает около 50-ти лет. Из легких стальных тонкостенных конструкций возводят здания и сооружения различного назначения, широко используют при реконструкции. Постепенно ЛСТК выходят и на отечественный рынок, учитывая большой накопленный опыт проектирования и строительства зданий и сооружений из металла в нашей стране.

Одной из причин, сдерживающих развитие этой отрасли, является недостаточное развитие в России нормативной базы для расчета и проектирования ЛСТК. [1] При этом тонкостенные конструкции из гнутых профилей, изготовленные из оцинкованного листа с толщинами до 2 мм, обладают рядом особенностей, учет которых необходим при проектировании.

Существенным отличием ЛСТК, является применение специальных типов крепежа для соединения профилей, в основном вытяжных заклепок и самосверлящих самонарезающих винтов. Особенности и специфика работы этих соединений требует детального исследования. В отечественных нормативных документах и рекомендациях методика расчета соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезющих винтах практически отсутствует. В Европейских нормах [77], предлагается инженерная методика расчета подобных соединений, однако её применение в условиях нашей страны, ограничено различием стандартов производства и системы контроля качества в строительстве.

В связи с гармонизацией российской и европейской систем нормирования [63] и действующим законом о техническом регулировании [49], существует необходимость в разработке обоснованной инженерной методики для расчета соединений ЛСТК, рекомендуемой впоследствии к включению в Национальный стандарт по проектированию и расчету легких стальных тонкостенных конструкций, что в целом, позволит повысить эффективность и уровень безопасности строительства.

Актуальность диссертационной работы обусловлена значительной потребностью в строительстве энергоэффективных, качественных и экономичных зданий и сооружений из легких стальных тонкостенных конструкций, и возникающей в связи с этим проблемой создания нормативной базы и обеспечением её надежности целенаправленными исследованиями в данной области.

Диссертационная работа посвящена выявлению особенностей работы соединений легких стальных тонкостенных конструкций на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах при статических и циклических нагрузках.

Цель диссертационной 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 способность соединений применительно к российским особенностям производства и эксплуатации. 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 самонарезающих винтах (общее количество испытаний в сериях составило 388 шт);

- рекомендации по назначению расчетных коэффициентов надежности по материалу 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 программном расчетном комплексе;

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

- получены и проанализированы все возможные типы отказа при работе соединений 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 испытания и расчета соединений» на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах при работе на срез и растяжение с учетом поправочных эмпирических коэффициентов и зависимостей;

Практическое значение работы:

- по результатам экспериментальных исследований получены данные о несущей способности соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самсвер-лящих самонарезающих винтах при различных типах отказа соединения при работе на срез' и растяжение;

- предложены коэффициенты и зависимости для учета влияния различных конструктивных факторов на работу данного соединения;

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

Апробация работы осуществлена:

Путем обсуждения основных положений проведенных исследований по теме диссертации, которые докладывались на международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», ГОУ ВПО

МГСУ в 2009-2011 г.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, из них 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 статьи в сборниках трудов международных и всероссийских научно-практических и научно-технических конференций, 1 статья в сборниках трудов кафедр МГСУ, результаты диссертации использованы при разработке СТО ЦНИИПСК им. Мельникова, получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка и Приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных экспериментально-теоретических исследований работы винтовых и заклепочных соединений легких стальных тонкостенных конструкций, решены следующие задачи и сделаны следующие выводы:

1. Разработана методика испытаний на срез и растяжение соединений на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах.

2. На основании большого количества испытаний (388 шт),

- Выявлены и классифицированы возможные типы отказов соединений ЛСТК;

- Дается оценка работы соединения во всем диапазоне нагружения вплоть до разрушения;

- Предложена и подтверждена в результате экспериментальных исследований классификация предельных состояний соединений ЛСТК;

- Установлена предельная несущая способность при различном характере нагружения и типах соединений, разграничена область эффективного 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 возможных типов отказа соединения коэффициенты надежности по материалу . 5

- скорректированы расчетные формулы оценки прочности при разрыве по сечению нетто, путем замены 1Ги на 1^2;

- введен понижающий коэффициент (3=0,8, для многовинтовых соединений, ввиду неравномерности включения в работу крепежных элементов;

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

- введены поправочные коэффициенты в расчетную формулу прочности на вырыв винта, при ]'5 , ]'5 ^*«»< 2 и (5ир/*>2.

4. Задача оценки НДС винтового соединения решена методом компьютерного моделирования. Предложенная расчетная схема, а также способ моделирования и способ задания нагружения, дают в результате сравнения с экспериментом разницу от 0,5 до 5%, что говорит о высокой точности результатов численного моделирования.

5. Рассмотрение картины деформаций в сечении при перемещении захвата на величину 0,5 мм, выявило незначительные величины деформаций смятия материала под нитями резьбы винта (0,Г мм), что подтвердило обоснованность принятого критерия предельного состояния.

6. Анализ результатов циклических испытаний винтовых соединений, подтвердил достаточность значений расчетной прочности соединения по достижению предельных деформаций 0;5 мм, при работе соединения на срез при циклическом нагружении.

7. Предложены практические рекомендации для проведения, сертификационных испытаний заклепочных и винтовых соединений ЛСТК на срез и растяжение, инженерная методика расчета и рекомендации по подбору крепежных элементов и монтажу соединений ЛСТК на вытяжных заклепках и самосверлящих самонарезающих винтах.

Возможные направления дальнейших исследований по настоящей тематике

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

2) Количественная оценка влияния на несущую способность винтового соединения характера расположения крепежных элементов.

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

4) Исследование вопросов циклической прочности винтовых соединений при коэффициенте ассиметрии р=-1 и количестве циклов нагружения п > 104.

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

Таким образом, путем непрерывного движения от эксперимента к теории и последовательно от теории к эксперименту возможно решать актуальные задачи в современной строительной науке. Что при достаточном количестве исследователей и предоставленных возможностях приведет к возрождению и укреплению научной и инженерной школы в современной России. Прогноз роста потребления в строительном комплексе России оцинкованных гнутых профилей на 2015 год составляет 4 млн. т./год, что превышает современное потребление в 4 раза и указывает на активное развитие отрасли ЛСТК. Своевременная квалифицированная научная и техническая поддержка данного направления позволит создавать качественные строительные конструкции, здания и сооружения, в которых работает не столько материал, сколько рассчитанное экономически целесообразное конструктивное решение. Подобный подход обеспечит эффективное выполнение федеральных целевых программ при наименьших финансовых затратах, экономии природных ресурсов и в кратчайшие сроки.

1. Айрумян Э.Л. Вытяжные заклепки или самонарезающие винты? Текст. / Э.Л. Айрумян, C.B. Ганичев, C.B. Камынин // журнал Монтажные и специальные работы в строительстве.-2009.- №3.-С.2-9.

2. Айрумян Э.Л. Исследования работы стальной фермы из холодногнутых профилей с учетом их местной и общей устойчивости Текст. / Э.Л. Айрумян, Г.И. Белый // журнал Промышленное и гражданское строительство.-2010.- №5.- С.41-44.

3. Астахов, И.В. Пространственная устойчивость элементов конструкций из холодногнутых профилей Текст.: дис. . канд. техн. наук: 05.23.01: защищена / Астахов Иван Владимирович. — СПб., 2006. — 121 е.: — Библиогр.: с. 102-120.

4. Брудка Я. Легкие металлические конструкции Текст. / Я. Брудка, М. Любиньски; сокр. Перевод с польского Л.Д. Ланкой; по ред. канд. техн. наук С.С. Кармилова. М. :Стройиздат, - 1974. -344 е.: ил.

5. Брызгалов A.B. К расчету несущей способности соединений самосверлящими самонарезающими винтами Текст. / A.B. Брызгалов // Крепеж, клеи, инструмент и. .— 2006. №2 (16). — С. 5-7.

6. Ведяков И.И. Несущая способность болтовых соединений легких конструкций из холодногнутых профилей малых толщин Текст. / И.И. Ведяков, П.Д. Одесский, Д.В. Соловьев // журнал Промышленное и гражданское строительство. 2010- №3 - С. 19-22.

7. Велихов В.П. Проведение исследований болтовых монтажных соединений, работающих на срез, растяжение и смятие, и разработкапредложений по изменению и дополнению СНиП П-23-81 Текст. / В.П. Велихов, В.М. Бабушкин // Отчет ОТИЗМ-872. М.:- 1985.- 24 с.

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей Текст. / Е.С.Вентцель// М.: Физматгиз, - 1969.- 576 с.

9. Ганичев C.B. Выбор вытяжных заклепок для НФС Текст. / C.B. Ганичев // журнал Технологии строительства. 2009. - №3(65). - С. 22.

10. Ганичев C.B. Ошибки применения вытяжных заклепок при монтаже НФС Текст. / C.B. Ганичев // журнал Технологии строительства. 2009. -№2(64). - С. 16.

11. Гиммельфарб А Л. Основы конструирования в самолетостроении Текст. / A.JI. Гиммельфарб // -М.: Машиностроение. 1971.- 310 с.

12. Горев В.В. Математическое моделирование при расчетах и исследованиях строительных конструкций Текст. / В.В. Горев, В.В. Филиппов, Н.Ю. Тезиков // М.:Высшая школа.- 2002.- 208 с.

13. Грановский A.B., К вопросу об оценке надежности заклепочных соединений элементов фасадных конструкций при динамических (сейсмических) воздействиях Текст. / A.B. Грановский, З.И. Доттуев, Т.М. Хасанов // журнал Стройметалл 2010 - №2 (15).-С.12-14.

14. Гуров, А. Россия и Европейский союз: состояние и перспективы развития торговли черными металлами / А. Гуров // М.: Металлоснабжение и сбыт. 1999. - №2. - С. 86-90

15. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Текст. /Н. Джонсон, Ф.Лион//М.: Мир- 1981.- 176 с.

16. Ендогур А.И. Проектирование авиационных конструкций. Проектирование конструкций, деталей, узлов Текст. / А.И .Ендогур // М.:МАИ-Принт.- 2009.- 239 стр.

17. Зверев В.В. Экспериментальное исследование влияния шага самонарезающих винтов на несущую способность, покрытия на основе тонкостенных холодногнутых профилей Текст. / В.В.Зверев, Е.В. Мещерякова, A.C. Семенов // Липецк: 2006. - С. 100-102.

18. Злочевский А.Б. Экспериментальные методы в строительной механике. Текст. / А.Б. Злочевский// М: Стройиздат.- 1983.-32с.

19. Кармалин В.В. Циклическая долговечность срезных соединений на высокопрочных болтах Текст. / В.В. Кармалин // Международный коллоквиум. Болтовые1 и специальные монтажные соединения в, стальных строительных конструкциях. —Т.1.- М.:- 1989: — С. 56-62.

20. Катранов И.Г. Вытяжные заклепки в узлах соединений легких стальных тонкостенных конструкций Текст., / И.Г. Катранов, Ю.С. Кунин // журнал Промышленное и гражданское строительство .-2010.-№3.- С.41-43.

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

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

23. Катранов И.Г. Безаварийная работа соединений JICTK на вытяжных заклепках и винтах Текст. / И.Г. Катранов // Сборник научных трудов Предотвращение аварий зданий и сооружений. 2011.- С. 168-174'.

24. Москалев Н.С. Металлические конструкции Текст. : учебное пособие для вузов / Н.С. Москалев, Я.А. Пронозин. // M.: АСВ.- 2008,- С.28.

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

26. Орлов И.В. Защита от коррозии крепежных элементов в НВФ Текст. / И.В. Орлов // журнал Технологии строительства. -2006. №6(47). - С. 14.

27. Орлов И.В. Использование вытяжных заклепок в строительстве Текст. / И.В. Орлов // журнал*Крепеж, клеи, инструмент и. 2005. - №2.-С.44-47.

28. Орлов И.В. Коррозия узлов крепления, или короткая жизнь оцинкованного крепежа Текст. / И.В. Орлов // журнал Технологии строительства. -2008. №1(56). - С. 2.

29. Павлов А.Б. Быстровозводимые малоэтажные жилые здания с применением легких стальных тонкостенных конструкций Текст. / А.Б. Павлов, Э.Л. Айрумян, C.B. Камынин, Н.И: Каменщиков // журнал Промышленное и гражданское строительство.-2006.- №9.- С.51-53.

30. Павлов А.Б. Болтовые монтажные соединения в стальных строительных конструкциях Текст. / А.Б. Павлов, В IM. Бабушкин // сборник трудов Труды института к 100-летию со дня рождения академика Н.П. Мельникова.-Эдисон.- 2008. С. 153-177.

31. Рыков С.Г. Обработка результатов лабораторных испытаний винтов самонарезающих Текст. / С.Г. Рыков // М.: 2010.- 32 с.

32. Сахаров Л.М. Сопротивление специальных монтажных соединений нагрузкам типа сейсмических Текст. / Л.М. Сахаров // Международный коллоквиум. Болтовые и специальные монтажные соединения в стальных строительных конструкциях. —Т.З.- М.: 1989. - С. 18-24.

33. Сорокина М.Н. Проблемы качества крепежных изделий НФС Текст. / М.Н. Сорокина, Т.В. Тараскина // журнал Технологии; строительства: — М.: -2009. -№2(64). С.П.

34. Сотсков Н.И. Оптимальный метод цинкования элементов металлоконструкций и крепежа для длительной защиты от коррозии Текст. / Н.И. Сотсков- Г.П. Якубова, В.Н. Сотсков // журнал Монтажные и специальные работы в строительстве. М;:— 2005. №11. — С. 34-37.

35. Степнов М.Н; Статистические методы обработки результатов механических испытаний Текст.' / М.Н: Степнов; A.B. Шаврин; // М.: Машиностроение:- 2005.- 399 с.

36. Филимонов С. В. Интенсивное формообразование гнутых профилей Текст. / C.B. Филимонов, В.И. Филимонов // Ульяновск.: УлГТУ.-2008. — С. 8.1. А- * *

37. Семенов A.C. Ферма из холодногнутых профилей повышенной жесткости с болтовыми соединениями Текст. / A.C. Семенов // Автореф дис. . канд. тех. наук: 05.23.01: защищена 24.12.09 / Семенов Алексей Сергеевич /Воронеж.- 2009.- 187 с.

38. Чекалов В.А. Повышение надежности соединений на самонарезающихболтах в легких ограждающих конструкциях Текст. / Чекалов Валерий

39. Алексеевич//автореф дис. . канд. тех. наук : : 05.23.01: /М. 1984-. 24 с.•к -к -к

40. Российская Федерация. Законы. О техническом регулировании Текст.:федер.закон.: [принят ГД ФС РФ 15 декабря 2002 г.: одобр. Советом Федерации 18 декабря 2002 г.] Актуальный закон от 28.09.2010.

41. ГОСТ 11701-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент. Текст. — Введ. 1980-03-31. -М.: Изд-во стандартов, 1984.

42. ГОСТ 14918-80. Сталь тонколистовая оцинкованная с непрерывных линий. Текст. Введ. 1980-03-31. -М.: Изд-во стандартов, 2001.

43. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение Текст. -Введ. 1984-07-16. -М.: Изд-во стандартов, 1990.

44. ГОСТ 27751-88 Надежность строительных конструкций и оснований Текст. Введ. 1988-07-01. -М. : Изд-во стандартов, 1999.

45. ГОСТ Р 52246-2004 Прокат листовой горячеоцинкованный. Технические условия Текст. Введ. 2005-01-01. - М. : ИПК Издательство стандартов, 2005.

46. СНиП П-23-81* Стальные конструкции Текст. Введ. 1982-01-01.- М.: ФГУП ЦПП, 2005. - 90 с.

47. СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций Текст. Введ. 2005-01-01.- М.: ФГУП ЦПП, 2005. - 39 с.

48. Рекомендации по применению самонарезающих винтов в легких ограждающих конструкциях, в том числе в условиях Крайнего Севера Текст. ЦНИИПСК им. Мельникова.- М.: -1984.-8 с.

49. Рекомендации по проектированию работающих на сдвиг болтовых соединений стальных строительных конструкций Текст. -ЦНИИПроектстальконструкция им.Мельникова. ВНИИПроектсталь-конструкция.- М;: -1989.- 17 с.

50. Новые формы легких металлических конструкций Текст.- коллект. Монография / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и др. М.: ИННА- 1993. -287 с.

51. Разработка предложений по улучшению технико-экономических показателей монтажных соединений на высокопрочных болтах Текст. — Отчет по НИР. Тема 315-57-74.- М.: ЦЕЖИПроектстальконструкция. -1974.-65с.

52. Письмо комитета Государственной Думы по строительству и земельным отношениям о проведении «круглого стола» на тему: «Гармонизация российской и европейской систем нормирования в строительстве» Текст.: офиц.текст.- от 10 сентября 2010 г. 2 с.

53. Технический каталог продукции «Harpoon fastening systems», Текст. -М.: 2010. - 58 с.* *

54. Adams, Vince, Askenazi, Abraham, Building Better Products with Finite Element Analysis, OnWord Press: New Mexico, 1999, 1st printing.-159 p.

55. Bickford, John H., An Introduction To The Design and Behavior of Bolted Joints, 3rd edition.- 78 p.

56. Gerald J. Lieberman. Tables for one-sided statistical tolerance limits. Stanford University, Stanford, California, 1977. 44 p.

57. Kaitila O., Kesti J., Makelainen P. Rosette-joints and rosette steel trusses. Research Report and Design Recommendations. Helinki University of Technology, 2001.-103 p.

58. Robert Cacko, Review of different material separation criteria in numerical modeling of the self piercing riveting process. - Archives if Civil and Mechanical Engineering - Vol. VIII, - 2008. - 255 p.

59. Rogers Colin A., Hancock Gregory J. Failure Modes of Bolted Sheet Steel Connections Loaded in Shear. Department of Civil Engineering The University of Sydney. Research Report R772. -1998.- 28 p.

60. Spotts, M. F., Design of Machine Elements, Prentice-Hall: New Jersey-1978.- 5th edition.-198 p.

61. Wallace James A., Schuster R.M., La Boube R.A. Testing of bolted cold-formed steel connections in bearing (with and without washers).- Final report by

62. Canadian old Formed Steel Research Group, Department of Civil Engineering, University of Waterloo. Waterloo, Ontario, Canada. March 2001. -33 p.

63. Yo, Wei-wen. Cold-formed steel design. 2000. - P. 465 - 508.* *

64. EN ISO 14588 : Blind rivets. Terminology and definitions.-2000.- 12 p.

65. EN ISO 15979 : Open end blind rivets with break pull mandrel and protruding head St/St.-2002.- 6 p.

66. DIN 7504K. Drilling screws. Dimensions. Requiraments. Testing.- 1982.- 7 P

67. Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-3. General rules. Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. -2006,- 127 p.

68. VDI 2230 Systematic Calculation of High Duty Bolted Joints with One Cylindrical Bolt.- October 2001.- 34 p.

69. Femap User's Guide. -2010.-356 p.

70. NX Nastran 7 Advanced nonlinear theory and modeling guide. 2010. - 450 p.