§ 3. Соединения со стальными связями
Соединения, в которых усилия отсутствуют или действуют растягивающие, сжимающие или сдвигающие силы, успешно решаются при помощи стальных связей. В число этих связей входят болты, стержни, гвозди, винты, когтевые шайбы, хомуты и некоторые другие связи. Стальные связи в зависимости от характера их работы могут входить в состав стяжных, растянутых или изгибаемых — нагельных соединений. Они являются наиболее универсальными и применяются как при заводском, так и построечном изготовлении деревянных конструкций. Наиболее распространенными стальными связями являются болты и гвозди.
Болтовые соединения. Болты (рис. 4) представляют собой стандартизованные изделия из строительной стали марки С38/23. Болты, применяемые в большинстве деревянных конструкций, называются черными и изготовляются без точной обработки. Они отличаются значительной длиной, соответствующей крупным сечениям деревянных элементов, и снабжаются большими квадратными шайбами, необходимыми для распределения усилия в болте на достаточную площадь древесины. Размеры сечений болтов приведены в приложении V. Наибольшее распространение получили болты диаметром 12, 16 и 20 мм.
Для постановки болтов в соединяемых элементах просверливают отверстия такого же диаметра, как и болт. Для надежного совпадения отверстий при сборке конструкций сверлить отверстия следует одним проходом сверла через соединяемые элементы или в отдельных элементах по шаблонам. Болтовые соединения бывают со стяжными, растянутыми и изгибаемыми болтами.
Соединения со стяжными болтами служат для плотного соединения отдельных элементов при их поперечном сплачивании и в некоторых узлах конструкций. В них могут возникать лишь незначительные усилия, и расчет их не требуется. Сечения стяжных болтов устанавливаются по конструктивным соображениям. Диаметр болтов не должен быть меньше 12 мм и меньше 1 /20 общей толщины соединяемых элементов.
Шайбы стяжных болтов должны иметь ширину не менее 3,5 и толщину не менее 0,25 размера их диаметра. В первые годы эксплуатации стяжные болты нередко ослабевают и нуждаются в подтяжке.
Соединения с растянутыми болтами применяются при анкерном креплении деревянных конструкций к опорам, при подвеске к конструкциям перекрытий и оборудования и в узловых соединениях. Они воспринимают действующие в соединениях растягивающие усилия N.
Болт работает и рассчитывается на растяжение по площади сечения ослабленной нарезкой F. Расчетное сопротивление стали принимается уменьшенным на 20% с учетом концентрации растягивающих напряжений а в зоне нарезки. Расчет производят по формуле
.(3)
По этой же формуле, переписанной относительно требуемой площади сечения болта , с помощью табличных данных можно подобрать сечение болта.
Древесина под шайбами болта работает и рассчитывается на местное смятие. Расчетное сопротивление смятию под шайбами при углах смятия от 90 до 60° принимается с учетом малой площади смятия и значительного поддерживающего действия окружающих участков древесины, с повышенным коэффициентом условий работы 
и составляет 
Расчетное сопротивление смятию под шайбами под углом а к волокнам определяют по формуле (5.14), которая после подстановки числовых значений расчетных сопротивлений имеет вид
(4)
Расчет на смятие под шайбами производят по формуле (5.15).
Шайбы болтов работают и рассчитываются на изгиб от реактивного давления сминаемой древесины как квадратные пластинки шириной b, опертые в центре на гайку болта. Наибольший изгибающий момент М в среднем сечении шайбы, ослабленном отверстием диаметром d, и требуемую толщину шайбы можно приближенно определить из выражений
.
Аналогично рассчитывают растянутые стержни сквозных конструкций круглого сечения с шайбами и гайками на концах. Их максимальная гибкость не должна превышать 400. Если в соединении применен ряд болтов, расчетное сопротивление снижается на 0,85, учитывая возможную неравномерность его распределения между болтами.
Рис. 6.5. Изгибаемые болты:
a — схемы расстановки; б — расчетные схемы; в — схема работы; 1 — прямая расстановка; 2 — шахматная; 3 — в стальных накладках; 4 — в соединениях под углом; 5 — симметричная двухсрезная схема; 6 — несимметричная односрезная; 7 двухсрезная — со стальными накладками; 8 — условные эпюры напряжений смятия
С оединения с изгибаемыми болтами (рис. 6.5) относятся к классу нагельных, в которых связи, в данном случае болты, работают главным образом на изгиб без распора. Эти соединения широко применяются в стыках и узлах деревянных конструкций, препятствуя взаимным сдвигам соединяемых элементов, причем усилия в них могут быть знакопеременными. Шайбы этих болтов не воспринимают расчетных усилий и имеют те же размеры, что и стяжные болты. От продольных усилий, действующих в таком соединении, по площади контакта болта с отверстием в древесине соединяемых элементов возникают неравномерные по периметру и Длине напряжения смятия, а также скалывания и растяжения поперек волокон между отверстиями. В результате реактивного давления древесины в болте возникают усилия изгиба и среза.
Расстановку болтов в соединении производят по правилам, исключающим опасность преждевременного разрушения древесины элементов от скалывания и растяжения поперек волокон. Расстояние между осями болтов вдоль волокон и до торцов элементов должно быть не меньше 7d, а поперек волокон между осями — 3,5 d и до кромок — 3 d.
Болтовые соединения могут быть симметричными, когда продольные силы действуют вдоль одной оси, относительно которой симметрично расположены элементы, и несимметричными, когда оси элементов не совпадают и симметрия соединения отсутствует. Соединяемые элементы могут располагаться по одной оси вдоль волокон или под углом друг к другу.
Срезами в болтовых соединениях называются пересечения болтов с плоскостями сдвига между элементами, от числа которых прямо зависит несущая способность соединения. Однако напряжения среза в болтах незначительны и не определяют их несущей: способности.
Например, наиболее распространенный болтовой стык растянутых стержней с двусторонними деревянными накладками является симметричным «двухсрезным соединением, а стык элементов, расположенных в разных плоскостях, без накладок, — несимметричным односрезным соединением.
Расчет болтового соединения производят по несущей способности в одном срезе болта по изгибу и древесины соединяемых элементов по смятию. Несущая способность болтовых соединений была определена теоретически, причем болт считался балкой, лежащей на упругом основании — древесине соединяемых элементов.
Несущая способность одного среза болта (МН) зависит от размеров (м) его диаметра d, толщины среднего элемента симметричных и более толстого или равного элемента несимметричных соединений с, толщины крайнего элемента симметричных и более тонкого элемента несимметричных соединений а и угла наклона волокон соединяемых элементов а и определяется по следующим формулам:
по изгибу болта
,но не более 
; (5)
по смятию среднего элемента
; (6)
по смятию крайнего и тонкого элемента
; (7)
по смятию более толстого элемента
. (8)
Коэффициенты учитывают меньшую несущую способность болтовых соединений элементов под углом в результате большей податливости древесины при смятии. Они зависят от размеров угла а, диаметра болта d и принимаются по табл. 1 для основных размеров диаметров, а для промежуточных — по интерполяции.
Угол а, град
Коэффициенты при диаметре d
Расчетная несущая способность болта в одном срезе Т является наименьшей из величин, определенных по этим формулам. Несущая способность болтового соединения прямо пропорциональна количеству болтов n, количеству срезов nср и несущей способности одного среза болта. Количество болтов в соединении, где действует усилие N, определяют по формуле
. (9)
В симметричных стыках это количество должно быть удвоено.
Болтовые соединения со стальными накладками применяются в узлах конструкций. Накладки обычно делаются двусторонними из листовой стали. Расстояние от осей болтов до краев накладок должно быть не менее двух диаметров болтов вдоль и полутора — поперек усилия. Эти соединения на изгибаемых болтах являются симметричными и двусрезными. Несущую способность одного среза болта по смятию древесины определяют по формуле (6), а по изгибу болта, учитывая его частичное защемление в накладках,- по формуле
. (10)
Соединения с изгибаемыми стальными стержнями выполняются с применением арматурной стали класса A-I со снятыми фасками. Они тоже относятся к классу нагельных с цилиндрическими нагелями. Эти соединения работают и рассчитываются так же, как соединения с изгибаемыми болтами. Расставляются они по тем же правилам, что и болты. В болтовых соединениях с целью снижения их стоимости может быть заменено до 75% болтов стержнями. Короткие стержни в соединениях со стальными накладками вставляются в несквозные отверстия в древесине. Они работают и рассчитываются как односрезные, несимметричные изгибаемые соединения и называются глухими нагелями.
Подбор сечений болтов, и стержней производят из условия, чтобы сумма допускаемых расстояний между продольными осями и до кромок элемента, зависящих от их диаметра, не превышала высоты сечения элемента. Так, например, диаметр болтов d при расстановке в два продольных ряда в элементе высотой сечения h должен быть не более .
Рисунок 6 — Выдергиваемые гвозди:
а — общий вид; б — схема работы; 1 — шляпка; 2 — стержень; 3 — острие; 4 — соединяемые элементы; 5 — эпюра напряжений трения
Гвоздевые соединения. Гвозди (рис. 6) изготовляют из холоднотянутой проволоки в соответствии с ГОСТ 4028—63. Острие гвоздя имеет четырехгранную форму и длину, равную полутора диаметрам. Круглая шляпка имеет диаметр, равный двум диаметрам гвоздя. Наибольшее применение в, деревянных конструкциях находят гвозди диаметром 3, 4, 5 и 6 мм г и длиной соответственно 80, 100, 150 и 200 мм. Гвозди забивают в цельную древесину ударами ручного или пневматического молотка. Гвоздевые соед-инения являются простыми и общедоступными, но трудо-емкими и применяются главным образом при построечном изготовлении дощатых деревянных конструкций.
Гвоздь при забивке частично разрывает, а частично раздвигает волокна древесины, образуя в ней отверстие с уплотненными стенками. Благодаря этому он прочно зажимается в древесине и хорошо сопротивляется выдергиванию, однако по этой же причине в ней возникают дополнительные усилия растяжения поперек волокон. Кроме того, малая изгибная жесткость гвоздей приводит к повышенной ползучести гвоздевых соединений. Расхождению соединений препятствуют стяжные болты.
Правила расстановки гвоздей в соединениях исключают опасность преждевременного скалывания и раскалывания соединяемых элементов, которая повышается по мере уменьшения их толщины.
Поэтому диаметр гвоздей должен быть не более 1 /4 толщины элементов.
Расстояния между гвоздями диаметром d вдоль волокон соединяемых элементов должны быть не менее: от торцов—15d, между осями в элементах толщиной, равной и большей 10d,— 15d, между осями в элементах толщиной, равной 4d, — 25d, а в элементах промежуточной толщины принимают по интерполяции.
Расстояния между гвоздями поперек волокон и до кромок элементов должны быть при прямой расстановке не менее 4d, а при расстановках шахматной и косыми рядами — не менее 3d.
Соединения с конструктивными гвоздями применяются для крепления дощатых обшивок и настилов. Гвозди в них не несут существенных усилий и не рассчитываются.
Соединения с выдергиваемыми гвоздями (см. рис. 6) относятся к классу соединений с растянутыми связями. Они применяются для крепления досок подшивок потолков, щитов перекрытий и опалубки. От действия нагрузок в этих соединениях возникают растягивающие усилия N, стремящиеся выдернуть гвозди из древесины элемента, к которому прибиты доски. Этому усилию сопротивляются силы трения между поверхностью гвоздей и окружающей древесиной.
Расчетное сопротивление выдергиванию гвоздя, забитого в сухую древесину поперек волокон, составляет 
, а в сырую, учитывая опасность появления трещин усушки в зоне гвоздевого отверстия после высыхания древесины элементов 
. Несущую способность гвоздя диаметром d на выдергивание Тг определяют по формуле (11) как произведение расчетного сопротивления на площадь поверхности трения. При этом рабочую длину гвоздя l1 находят по его общей длине, из которой исключается толщина прибиваемых досок, а также длина острия гвоздя, равная 1,5d, и возможная щель между элементами шириной 0,002 м, не участвующие в работе на трение. Формула имеет вид
(11)
Требуемое количество выдергиваемых гвоздей, необходимых для восприятия растягивающего усилия, находят из выражения
Размеры выдергиваемых гвоздей подбирают из условий, чтобы расчетная длина гвоздя l1 была не меньше 10d и не меньше двойной толщины прибиваемых досок.
Соединения с изгибаемыми гвоздями (рис. 7) относятся к тому же классу нагельных соединений, что и изгибаемые болтовые соединения. Они применяются в стыках и узлах дощатых конструкций, препятствуя взаимным смещениям соединяемых элементов. Соединения с изгибаемыми гвоздями работают и рассчитываются аналогично соединениям с изгибаемыми болтами — гвозди работают на изгиб, а окружающая древесина — на смятие с некоторыми особенностями.
Гвозди имеют повышенное по сравнению с болтами сопротивление изгибу, поскольку их холоднотянутая проволока имеет более высокий предел текучести. Ввиду малой толщины и плотного защемления в древесине несущая способность гвоздевых соединений не зависит от угла действия усилий по отношению к направлениям волокон в соединениях под углом и коэффициент при расчете не учитывается. Если гвоздь пробивает все элементы соединения насквозь, расчетная толщина последнего элемента уменьшается на 1,5, учитывая опасность отщепления крайних волокон при выходе острия. Если гвоздь не пробивает соединения насквозь, учитывается только глубина его защемления a1 в последнем элементе, определяемая так же, как и l1 у выдергиваемых гвоздей, при условии, что она не менее 4d.
Рисунок 7 — Изгибаемые гвозди: а — схемы расстановки; б — расчетные схемы; в — схема — работы; 1 — прямая расстановка; 2 — шахматная; 3 — в стальных накладках; 4 — в соединениях под углом; 5 — симметричная двухсрез ная схема; 5— несимметричная — односрезная; 7 — несимметричная со стальными накладками; 8 — условные эпюры напряжений смятия
Несущую способность гвоздя в одном срезе по изгибу определяют по формуле
Несущая способность одного среза гвоздя по смятию среднего с и крайнего a элемента определяют по формулам (6), (7) и (8), в которых 
. Несущая способность одного среза гвоздя T является наименьшей из вычисленных. Общее требуемое количество гвоздей в соединении находят по формуле (6).
Соединения с изгибаемыми гвоздями и стальными накладками применяют в узлах некоторых конструкций. Гвозди здесь забивают через отверстия, просверленные в стальных листовых накладках. Это соединение по отношению к гвоздям является несимметричным и односрезным. Несущую способность одного среза гвоздя по смятию древесины определяют по формуле (5) с учетом глубины его защемления c1 а по изгибу с учетом его частичного защемления— по формуле
. (13)
Соединения с винтами (рис. 6.8). Винты представляют собой стандартизованные стальные изделия и состоят из головки, ненаре-занной и нарезанной частей. Их диаметр d измеряют по ненарезанной части. Винты диаметром меньше 12 мм называют шурупами. Они имеют сферические или плоские головки с прорезями для завертывания их отверткой. Винты диаметром 12 мм и более называют глухарями, которые имеют шестигранные или квадратные головки для завертывания их ключом.
Винты применяют для крепления стальных накладок и деталей к деревянным элементам в узлах конструкций. Они завертываются через отверстия в накладках в отверстия, просверленные в древесине. Диаметр отверстий в древесине должен быть равным 0,8d ненарезанной части винта, для того чтобы нарезка полностью врезалась в древесину.
Винты расставляют в соединениях на больших расстояниях, чем болты. Вдоль волокон между их осями должно быть не менее 10d,а поперек — 5d, поскольку уменьшенный диаметр отверстия вызывает дополнительные напряжения растяжения поперек волокон. Глубина защемления ненарезанной части винта в древесине должна быть не менее 4d.
Рисунок 8 — Винты и хомуты:
а — винты; 1 — схема работы изгибаемого винта;II — схема работы выдергиваемого винта; б — хомуты; / — глухарь; 2 — шуруп; 3’— прямой хомут; 4 — полугнутый; 5—гнутый
Соединения с выдерги- ваемыми винтами относятся к классу соединений с растянутыми связями. Винты здесь сопротивляются отрыву от древесины накладок или деталей, в которых действуют растягивающие усилия. Выдергиванию винта сопротивляется главным образом древесина винтовых желобков нарезанной части длиной l1 работающая на смятие, благодаря чему расчетное сопротивление выдергиванию винтов выше, чем гвоздей, и составляет . Несущую способность винта на выдергивание определяют по формуле (8).
Соединения с изгибаемыми винтами относятся к классу нагельных соединений. Винты здесь сопротивляются смещению накладок по поверхности
древесины от действия сдвигающих усилий. Винты работают на изгиб, а окружающая древесина — на смятие, как в несимметричных болтовых соединениях со стальными накладками. Несущую способность винта определяют как наименьшую из определенных по формулам (8), и (9).
Соединения с хомутами относятся к классу соединений с растянутыми связями. Они охватывают поверхности соединяемых элементов и применяются главным образом при построечном изготовлении деревянных конструкций. Хомуты бывают проволочными, полосовыми со стяжными болтами и болтовыми с подкладками из листовой или профильной стали. По форме хомуты бывают круговыми в бревенчатых конструкциях и прямоугольными в конструкциях из пиломатериалов. Хомуты работают и рассчитываются на растяжение, а древесина — на местное смятие.
Соединения со скобами относятся к классу конструктивных соединений. Скобы изготовляют из арматурной стали класса A-I диаметром 10—16 мм и имеют образную форму с заостренными и зазубренными концами. Они забиваются в цельную древесину и обеспечивают проектное положение соединяемых элементов при построечном изготовлении деревянных конструкций из бревен и брусьев.
Соединения с когтевыми шайбами относятся к классу соединений на шайбах шпоночного типа. Они представляют собой стальные пластинки, в которых методом штамповки образованы многочисленные односторонние острия — когти. Шайбы забиваются или впрессовываются с двух сторон в древесину соединяемых элементов. Известны два основных типа когтевых шайб — Леннова и «ГЭНГ-НЕЙЛ». Шайбы Леннова имеют круглую форму и центральное отверстие для болта. При сборке конструкций элементы соединяются стальными накладками, прикрепляемыми к гайкам болтами. Шайбы «ГЭНГ-НЕИЛ» имеют прямоугольную форму, впрессовываются одновременно в соединяемые элементы при сборке и не требуют стальных накладок и болтов. Острия шайб работают на изгиб, а окружающая древесина — на смятие. Несущую способность шайб определяют экспериментально.
Болтовые соединения. Пример расчета
![clip_image001[11]](https://verrsus.files.wordpress.com/2019/04/clip_image00111_thumb.jpg?w=453&h=134)
В первую очередь, соединения различаются по технологии крепления: без сдвига между связуемыми элементами и со сдвигом между ними. В первом случае используются высокопрочные болты, а во втором – болты повышенной, нормальной, а также грубой точности. Указанные типы болтов, соответствующие им гайки и шайбы отличаются плотностью, стандартами качества, а также методом образования болтовых отверстий. Вот некоторые из таких характеристик:
· Высокопрочные болты: отклонения по диаметру — до -0,52мм, допустимый зазор отверстия – до +2мм;
· Болты повышенной точности: отклонения по диаметру — до -0,3мм, допустимый зазор отверстия – до +0,5мм;
· Болты нормальной точности: соответствуют высокопрочным болтам;
· Болты грубой точности: отклонения по диаметру — +/-1мм, допустимый зазор отверстия – 3мм.
Наиболее широкое применение получили высокопрочные болты, так как данные крепления очень просты, но при этом они придают конструкции самую высокую степень устойчивости. Прочность соединения болтовых соединений такого типа, в отличие от других, достигается за счет силы трения между соединяемыми поверхностями. Для получения такого эффекта и достаточной силы трения нужно создать усиленное натяжение болтов. Обычные болты с такой нагрузкой справиться не могут, поэтому и применяются высокопрочные – класса 8,8, а также 10,9, изготовленные из стали 40ХФА и 40Х (или некоторые др. марки, сопротивление не менее 800 Мпа).
При монтаже металлоконструкций степень натяжения регулируется ключами с динамометрами (т. н. динамометрическими ключами), что позволяет получить надежное соединение. При этом важно осуществлять проверку корректной работы данных инструментов, так как от их работоспособности зависит качество болтовых соединений и конструкции в целом.
Как правило производство металлоконструкций с болтовыми соединениями осуществляется в соответствии с общепринятыми нормативными документами. Гарантировать качество своих изделий могут лишь сертифицированные компании, поэтому при выборе подрядчика особое внимание уделяйте этому моменту.
Соединения со стальными связями
Соединения, в которых усилия отсутствуют или действуют растягивающие, сжимающие или сдвигающие силы, успешно решаются при помощи стальных связей. В число этих связей входят болты, стержни, гвозди, винты, когтевые шайбы, хомуты и некоторые другие связи. Стальные связи в зависимости от характера их работы могут входить в состав стяжных, растянутых или изгибаемых – нагельных соединений. Они являются наиболее универсальными и применяются как при заводском, так и построечном изготовлении деревянных конструкций. Наиболее распространенными стальными связями являются болты и гвозди.
Рисунок 3.4 – Растянутые болты:
а – общий вид; б – схема работы болта и древесины;
в – схема работы шайбы; 1 – гайка; 2 – стержень;
3 – головка; 4 – шайба; 5 – соединяемые элементы
Болтовые соединения. Болты (рисунок 3.4) представляют собой стандартизованные изделия из строительной стали. Болты, применяемые в большинстве деревянных конструкций, называются черными и изготовляются без точной обработки. Они отличаются значительной длиной, соответствующей крупным сечениям деревянных элементов, и снабжаются большими квадратными шайбами, необходимыми для распределения усилия в болте на достаточную площадь древесины. Наибольшее распространение получили болты диаметром 12, 16 и 20 мм.
Для постановки болтов в соединяемых элементах просверливают отверстия такого же диаметра, как и болт. Для совпадения отверстий при сборке конструкций сверлить отверстия следует одним проходом сверла через соединяемые элементы или в отдельных элементах по шаблонам. Болтовые соединения бывают со стяжными, растянутыми и изгибаемыми болтами.
Соединения со стяжными болтами служат для плотного соединения отдельных элементов при их поперечном сплачивании и в некоторых узлах конструкций. В них могут возникать лишь незначительные усилия, и расчет их не требуется. Сечения стяжных болтов устанавливаются по конструктивным соображениям. Диаметр болтов не должен быть меньше 12 мм и меньше 1 /20 общей толщины соединяемых элементов.
Шайбы стяжных болтов должны иметь ширину не менее 3,5 и толщину не менее 0,25 размера их диаметра. В первые годы эксплуатации стяжные болты нередко ослабевают и нуждаются в подтяжке.
Соединения с растянутыми болтами применяются при анкерном креплении деревянных конструкций к опорам, при подвеске к конструкциям перекрытий и оборудования и в узловых соединениях. Они воспринимают действующие в соединениях растягивающие усилия N.
Болт работает и рассчитывается на растяжение по площади сечения, ослабленной нарезкой Fнт. Расчетное сопротивление тяжей из арматурной стали принимается уменьшенным на 20% с учетом концентрации растягивающих напряжений в зоне нарезки (расчетное сопротивление умножается на коэффициент mа = 0,8). Расчет тяжей из арматурной стали производят по формуле
,
где R – расчетное сопротивление стали.
По этой же формуле, переписанной относительно требуемой площади сечения болта , с помощью табличных данных можно подобрать сечение тяжа.
Древесина под шайбами болта работает и рассчитывается на местное смятие. Расчетное сопротивление смятию под шайбами при углах смятия от 90° до 60° принимается с учетом малой площади смятия и значительного поддерживающего действия окружающих участков древесины, с повышенным коэффициентом условий работы и составляет
Расчетное сопротивление местному смятию под шайбами под углом к волокнам определяют по формуле (2) примечания 2 к таблице 3
Расчет на смятие под шайбами производят по формуле
Шайбы болтов работают и рассчитываются на изгиб от реактивного давления сминаемой древесины как квадратные пластинки шириной b, опертые в центре на гайку болта. Наибольший изгибающий момент М в среднем сечении шайбы, ослабленном отверстием диаметром d, и требуемую толщину шайбы можно приближенно определить из выражений
.
Аналогично рассчитывают растянутые стержни сквозных конструкций круглого сечения с шайбами и гайками на концах (затяжки арок и др.). Их максимальная гибкость не должна превышать 400. Если в соединении применен ряд болтов, расчетное сопротивление снижается на 0,85, учитывая возможную неравномерность его распределения между болтами.
Соединения с изгибаемыми болтами (рисунок 3.5) относятся к нагельным, в которых связи, в данном случае болты, работают главным образом на изгиб без распора. Эти соединения широко применяются в стыках и узлах деревянных конструкций, препятствуя взаимным сдвигам соединяемых элементов, причем усилия в них могут быть знакопеременными.
Рисунок 3.5 – Изгибаемые болты:
a – схемы расстановки; б – расчетные схемы; в – схема работы; 1 – прямая расстановка; 2 – шахматная; 3 – в стальных накладках; 4 – в соединениях под углом; 5 – симметричная двухсрезная схема; 6 – несимметричная односрезная; 7 – двухсрезная со стальными накладками; 8 – условные эпюры напряжений смятия
Шайбы этих болтов не воспринимают расчетных усилий и могут иметь те же размеры, что и у стяжных болтов. От продольных усилий, действующих в таком соединении, по площади контакта болта с отверстием в древесине соединяемых элементов возникают неравномерные по периметру и длине напряжения смятия, а также скалывания и растяжения поперек волокон между отверстиями. В результате реактивного давления древесины в болте возникают усилия изгиба и среза.
Расстановку болтов в соединении производят по правилам, исключающим опасность преждевременного разрушения древесины элементов от скалывания и растяжения поперек волокон. Так расстояние между осями стальных нагелей (в том числе болтов) вдоль волокон и до торцов элементов должно быть не меньше 7d, поперек волокон между осями – 3,5d и до кромок – 3d.
Болтовые соединения могут быть симметричными, когда продольные силы действуют вдоль одной оси, относительно которой симметрично расположены элементы, и несимметричными, когда оси элементов не совпадают и симметрия соединения отсутствует. Соединяемые элементы могут располагаться по одной оси вдоль волокон или под углом друг к другу.
Срезами в болтовых соединениях называются пересечения болтов с плоскостями сдвига между элементами, от числа которых прямо зависит несущая способность соединения. Однако напряжения среза в болтах незначительны и не определяют их несущей способности.
Например, наиболее распространенный болтовой стык растянутых стержней с двусторонними деревянными накладками является симметричным «двухсрезным» соединением, а стык элементов, расположенных в разных плоскостях, без накладок, – несимметричным «односрезным» соединением.
Расчет болтового соединения производят по несущей способности в одном срезе болта по изгибу и древесины соединяемых элементов по смятию. Несущая способность болтовых соединений была определена теоретически, причем болт считался балкой, лежащей на упругом основании – древесине соединяемых элементов.
Несущая способность одного среза нагеля (болта) (кН) зависит от размеров (все размеры в см): диаметра болта d, толщины среднего элемента симметричных и более толстого или равного элемента несимметричных соединений с, толщины крайнего элемента симметричных и более тонкого элемента несимметричных соединений а и угла наклона волокон соединяемых элементов и определяется по следующим формулам:
по смятию в средних элементах
;
по смятию в крайних или более тонких элементах несимметричных соединений при а0,35с
;
по смятию во всех элементах равной толщины, а также в более толстых элементах односрезных соединений
;
по изгибу нагеля
,но не более 
.
Коэффициенты учитывают меньшую несущую способность болтовых соединений элементов под углом в результате большей податливости древесины при смятии. Они зависят от размеров угла , диаметра болта d и принимаются по таблице 1 для основных размеров диаметров, а для промежуточных – по интерполяции.
Таблица 1- Зависимость коэффициентов от угла α
Угол а, град
Коэффициенты при диаметре d, мм
Расчетная несущая способность болта в одном срезе Т является наименьшей из величин, определенных по этим формулам. Несущая способность болтового соединения прямо пропорциональна количеству болтов n, количеству срезов nср и несущей способности одного среза болта. Количество болтов в соединении, где действует усилие N, определяют по формуле
.
Болтовые соединения со стальными накладками применяются в узлах конструкций. Накладки обычно делаются двусторонними из листовой стали. Расстояние от осей болтов до краев накладок должно быть не менее двух диаметров болтов вдоль и полутора – поперек усилия. Эти соединения на изгибаемых болтах являются симметричными и двухсрезными. Несущую способность одного среза болта по смятию древесины определяют по формуле , а по изгибу болта, учитывая его частичное защемление в накладках,– по формуле
.
Соединения с изгибаемыми стальными стержнями выполняются с применением арматурной стали класса A-I со снятыми фасками. Они тоже относятся к нагельным соединениям с цилиндрическими нагелями. Эти соединения работают и рассчитываются так же, как соединения с изгибаемыми болтами. Расставляются они по тем же правилам, что и болты. В болтовых соединениях с целью снижения их стоимости до 75% болтов может быть заменено стержнями. Короткие стержни в соединениях со стальными накладками вставляются в несквозные отверстия в древесине. Они работают и рассчитываются как односрезные, несимметричные изгибаемые соединения и называются глухими нагелями.
Подбор сечений болтов и стержней производят из условия, чтобы сумма минимальных расстояний между продольными осями и до кромок элемента, зависящих от их диаметра, не превышала высоты сечения элемента. Так, например, диаметр болтов d при расстановке в два продольных ряда в элементе высотой сечения h должен быть не более .
Гвоздевые соединения. Гвозди (рисунок 3.6) изготовляют из холоднотянутой проволоки в соответствии с ГОСТ 4028–63 * . Острие гвоздя имеет четырехгранную форму и длину, равную полутора диаметрам. Круглая шляпка имеет диаметр, равный двум диаметрам гвоздя. Наибольшее применение в деревянных конструкциях находят гвозди диаметром 3, 4, 5 и 6 мм и длиной соответственно 80, 100, 150 и 200 мм. Гвозди забивают в цельную древесину ударами ручного или пневматического молотка. Гвоздевые соединения являются простыми и общедоступными, но трудоемкими и применяются главным образом при построечном изготовлении дощатых деревянных конструкций.
Гвоздь при забивке частично разрывает, а частично раздвигает волокна древесины, образуя в ней отверстие с уплотненными стенками. Благодаря этому он прочно зажимается в древесине и хорошо сопротивляется выдергиванию, однако по этой же причине в ней возникают дополнительные усилия растяжения поперек волокон. При этом возникает опасность раскалывания древесины. Уменьшить эту опасность можно более редкой расстановкой забиваемых гвоздей по сравнению с нагелями.
Гвозди образуют более плотные соединения, чем нагели. Для увеличения плотности соединений могут применяться гвозди с негладкой поверхностью. Такие гвозди чаще всего применяют для прикрепления к деревянным элементам стальных накладок. Забивают их в древесину пневматическими молотками.
Малая изгибная жесткость гвоздей приводит к повышенной ползучести гвоздевых соединений при длительно действующих нагрузках, что является их недостатком.
Рисунок 3.6 – Выдергиваемые гвозди:
а – общий вид; б – схема работы; 1 – шляпка; 2 – стержень; 3 – острие; 4 – соединяемые элементы; 5 – эпюра напряжений трения
Правила расстановки гвоздей в соединениях исключают опасность преждевременного скалывания и раскалывания соединяемых элементов, которая повышается по мере уменьшения их толщины. Поэтому диаметр гвоздей должен быть не более 1 /4 толщины элементов.
Расстояния между гвоздями диаметром d вдоль волокон соединяемых элементов должны быть не менее: от торцов – 15d, между осями в элементах толщиной, равной и большей 10d, – 15d, между осями в элементах толщиной, равной 4d, – 25d, а в элементах промежуточной толщины принимают по интерполяции.
Расстояния между гвоздями поперек волокон и до кромок элементов должны быть при прямой расстановке не менее 4d, а при расстановках шахматной и косыми рядами – не менее 3d.
Соединения с конструктивными гвоздями применяются для крепления дощатых обшивок и настилов. Гвозди в них не несут существенных усилий и не рассчитываются.
Соединения с выдергиваемыми гвоздями (рисунок 3.6) относятся к соединениям с растянутыми связями. Они применяются для крепления досок подшивок потолков, щитов перекрытий и опалубки. От действия нагрузок в этих соединениях возникают растягивающие усилия N, стремящиеся выдернуть гвозди из древесины элемента, к которому прибиты доски. Этому усилию сопротивляются силы трения между поверхностью гвоздей и окружающей древесиной.
Расчетное сопротивление выдергиванию гвоздя, забитого в сухую древесину поперек волокон, составляет 
, а в сырую, учитывая опасность появления трещин усушки в зоне гвоздевого отверстия после высыхания древесины элементов
. Несущую способность гвоздя диаметромd на выдергивание Тг определяют как произведение расчетного сопротивления на площадь поверхности трения. При этом рабочую длину гвоздя l1 находят по его общей длине, из которой исключается толщина прибиваемых досок, а также длина острия гвоздя, равная 1,5d, и возможная щель между элементами шириной 0,002 м, не участвующие в работе на трение. Формула определения несущей способности гвоздя на выдергивание имеет вид
Требуемое количество выдергиваемых гвоздей, необходимых для восприятия растягивающего усилия, находят из выражения
Размеры выдергиваемых гвоздей подбирают из условий, чтобы расчетная длина гвоздя l1 была не меньше 10d и не меньше двойной толщины прибиваемых досок.
Соединения с изгибаемыми гвоздями (рисунок 3.7) относятся к нагельным соединениям, что и изгибаемые болтовые соединения. Они применяются в стыках и узлах дощатых конструкций, препятствуя взаимным смещениям соединяемых элементов. Соединения с изгибаемыми гвоздями работают и рассчитываются аналогично соединениям с изгибаемыми болтами, – гвозди работают на изгиб, а окружающая древесина, – на смятие с некоторыми особенностями.
Гвозди имеют повышенное по сравнению с болтами сопротивление изгибу, поскольку их холоднотянутая проволока имеет более высокий предел текучести. Ввиду малой толщины и плотного защемления в древесине несущая способность гвоздевых соединений не зависит от угла действия усилий по отношению к направлениям волокон в соединениях под углом и коэффициент к при расчете не учитывается.
Если гвоздь пробивает все элементы соединения насквозь, расчетная толщина последнего элемента уменьшается на 1,5d, учитывая опасность отщепления крайних волокон при выходе острия. Если гвоздь не пробивает соединения насквозь, учитывается только глубина его защемления a1 в последнем элементе, определяемая так же, как и l1 у выдергиваемых гвоздей, при условии, что она не менее 4d. Если расчетная длина защемления конца гвоздя получается меньше 4d, то его работу в примыкающем шве учитывать не следует.
В соединениях сдвигаемых деревянных элементов возможна постановка гвоздей в предварительно просверленные отверстия (подобно постановке нагелей). Исследования показали повышенную несущую способность таких гвоздей по сравнению с забитыми гвоздями. В этом случае гвозди называют тонкими нагелями и их расчет одинаков с расчетом нагелей.
Рисунок 3.7 – Изгибаемые гвозди:
а – схемы расстановки; б – расчетные схемы; в – схема работы; 1 – прямая расстановка; 2 – шахматная; 3 – в стальных накладках; 4 – в соединениях под углом; 5 – симметричная двухсрезная схема; 6 – несимметричная односрезная; 7 – несимметричная со стальными накладками; 8 – условные эпюры напряжений смятия
Несущую способность гвоздя (кН) в одном срезе по изгибу определяют по формуле
Несущая способность одного среза гвоздя по смятию среднего с и крайнего a элемента определяют по тем же формулам, что и для нагелей, но с коэффициентом к = 1. За расчетную несущую способность гвоздя T в рассматриваемом шве принимается наименьшее из всех значений, вычисленных по вышеуказанным формулам.
Соединения с изгибаемыми гвоздями и стальными накладками применяют в узлах ограниченного вида конструкций. Гвозди здесь забивают через отверстия, просверленные в стальных листовых накладках. Это соединение является несимметричным и односрезным. Несущую способность одного среза гвоздя по смятию древесины определяют с учетом глубины его защемления c1, а по изгибу с учетом его частичного защемления – по формуле
.
Соединения с винтами. Винты представляют собой стандартизованные стальные изделия и состоят из головки, ненарезанной и нарезанной частей. Их диаметр d измеряют по ненарезанной части. Винты диаметром меньше 12 мм называют шурупами. Они имеют сферические или плоские головки с прорезями для завертывания их отверткой. Винты диаметром 12 мм и более, которые имеют шестигранные или квадратные головки для завертывания их ключом, называют глухарями.
Винты применяют для крепления стальных накладок и деталей к деревянным элементам в узлах конструкций. Они завертываются через отверстия в накладках в отверстия, просверленные в древесине. Диаметр отверстий в древесине должен быть равным 0,8d ненарезанной части винта, для того чтобы нарезка полностью врезалась в древесину.
Винты расставляют в соединениях на больших расстояниях, чем болты. Вдоль волокон между их осями должно быть не менее 10d,а поперек – 5d, поскольку уменьшенный диаметр отверстия вызывает дополнительные напряжения растяжения поперек волокон. Глубина защемления ненарезанной части винта в древесине должна быть не менее 4d.
Соединения с выдергиваемыми винтами относятся к соединениям с растянутыми связями. Винты здесь сопротивляются отрыву от древесины накладок или деталей, в которых действуют растягивающие усилия. Выдергиванию винта сопротивляется главным образом древесина винтовых желобков нарезанной части длиной l1 работающая на смятие, благодаря чему расчетное сопротивление выдергиванию винтов выше, чем гвоздей, и составляет .Несущую способность винта на выдергивание определяют по формуле
.
Соединения с изгибаемыми винтами относятся к нагельным соединениям. Винты здесь сопротивляются смещению накладок по поверхности древесины от действия сдвигающих усилий. Винты работают на изгиб, а окружающая древесина – на смятие, как в несимметричных болтовых соединениях со стальными накладками.
Глухари и шурупы лучше всего использовать для крепления к деревянным элементам металлических накладок. При этом винты заменяют не только нагели, но и стяжные болты.
Рисунок 3.8 – Винты и хомуты:
I – схема работы изгибаемого винта; II – схема работы выдергиваемого винта; а – винты; б – хомуты; 1 – глухарь; 2 – шуруп;
3 – прямой хомут; 4 – полугнутый хомут; 5 – гнутый хомут
Соединения с хомутами относятся к соединениям с растянутыми связями. Они охватывают поверхности соединяемых элементов и применяются главным образом при построечном изготовлении деревянных конструкций. Хомуты бывают проволочными, полосовыми со стяжными болтами и болтовыми с подкладками из листовой или профильной стали. По форме хомуты бывают круговыми в бревенчатых конструкциях и прямоугольными в конструкциях из пиломатериалов. Хомуты работают и рассчитываются на растяжение, а древесина – на местное смятие.
Соединения со скобами относятся к классу конструктивных соединений. Скобы изготовляют из арматурной стали класса A-I диаметром 10–16 мм и имеют П-образную форму с заостренными и зазубренными концами. Они забиваются в цельную древесину и обеспечивают проектное положение соединяемых элементов при построечном изготовлении деревянных конструкций из бревен и брусьев.
Соединения с когтевыми шайбами относятся к соединениям на шайбах шпоночного типа. Они представляют собой стальные пластинки, в которых методом штамповки образованы многочисленные односторонние острия – когти. Шайбы забиваются или впрессовываются с двух сторон в древесину соединяемых элементов. Известны два основных типа когтевых шайб – Леннова и «Ганг-Нейл». Шайбы Леннова имеют круглую форму и центральное отверстие для болта. При сборке конструкций элементы соединяются стальными накладками, прикрепляемыми к гайкам болтами. Шайбы «Ганг-Нейл» имеют прямоугольную форму, впрессовываются одновременно в соединяемые элементы при сборке и не требуют стальных накладок и болтов. Острия шайб работают на изгиб, а окружающая древесина – на смятие.
Расчет и проектирование болтового соединения
Стальные конструкции на строительной площадке почти всегда соединяются при помощи болтового соединения и у него есть много преимуществ перед другими способами соединения и прежде всего сварным соединением — это простота монтажа и контроля качества соединения.
Из недостатков можно отметить большую металлоемкость по сравнению со сварным соединением т.к. в большинстве случаев нужны накладки. Кроме того отверстие для болта ослабляет сечение.
Видов болтового соединения великое множество, но в данной статье рассмотрим классическое соединение, применяемое в строительных конструкций.
Нормативные документы и рекомендуемая литература по болтовым соединениям
СНиП II-23-81 Стальные конструкции
СНиП 3.03.01-87 Несущие и ограждающие конструкции
СП 70.13330.2011 Несущие и ограждающие конструкции (Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87)
СТО 0031-2004 Болтовые соединения. Сортамент и области применения
СТО 0041-2004 Болтовые соединения. Проектирование и расчет
СТО 0051-2006 Болтовые соединения. Изготовление и монтаж
Виды болтовых соединений
По числу болтов: одноболтовые и многоболтовые. Думаю смысл объяснять не нужно.
По характеру передачи усилия от одного элемента к другому:
Не сдвигоустойчивые и сдвигоустойчивые (фрикционные). Чтобы понять смысл этой классификации рассмотрим как в общем случае работает болтовое соединение при работе на срез.
Как видим болт сжимает 2-е пластины и часть усилия воспринимается силами трения. Если болты сжимают пластины не достаточно сильно то происходит проскальзывание пластин и усилие Q воспринимается болтом.
Расчет не сдвигоустойчивых соединений подразумевает, что сила затяжки болтов не контролируется и вся нагрузка передается только через болт без учета возникающих сил трения. Такое соединение называют соединение без контролируемого натяжения болтов.
В сдвигоустойчивых или фрикционных соединениях используют высокопрочные болты которые затягивают пластины с такой силой, что нагрузка Q передается посредством сил трения между 2-мя пластинами. Такое соединение может быть фрикционным или фрикционно-срезным, в первом случае при расчете учитываются только силы трения, во втором учитываются силы трения и прочность болта на срез. Хотя и фрикционно-срезное соединение более экономичное, но практически его реализовать в многоболтовом соединении очень трудно — нет уверенности что все болты одновременно смогут нести нагрузку на срез, поэтому фрикционное соединение лучше рассчитывать без учета среза.
При больших сдвигающих нагрузках фрикционное соединение более предпочтительно т.к. металлоемкость данного соединения меньше.
Виды болтов по классу точности и их применение
Болты класса точности А — данные болты устанавливают в отверстия рассверленные на проектный диаметр (т.е. болт встает в отверстие без зазора). Изначально отверстия делают меньшего диаметра и поэтапно рассверливают до нужного диаметра. Диаметр отверстия в таких соединениях не должен быть больше диаметра болта больше чем на 0,3 мм. Сделать такое соединение крайне сложно, поэтому в строительных конструкциях они практически не используются.
Болты класса точности B (нормальной точности) и С (грубой точности) устанавливают в отверстия на 2-3 мм больше диаметров болтов. Разница между этими болтами заключается в погрешности диаметра болта. Для болтов класса точности B фактический диаметр может отклонится не более чем на 0,52 мм, для болтов класса точности C до 1 мм (для болтов диаметром до 30 мм).
Для строительных конструкций как правило применяют болты класса точности В т.к. в реалиях монтажа на строительной площадке добиться высокой точности практически невозможно.
Виды болтов по прочности и их применение
Для углеродистых сталей класс прочности обозначают двумя цифрами через точку.
Существуют следующие классы прочности болтов: 3.6; 3.8; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9.
Первая цифра в классификации предела прочности болтов обозначает предел прочности болта при растяжении — одна единица обозначает предел прочности в 100 МПа, т.е. предел прочности болта класса прочности 9.8 равен 9х100=900 МПа (90 кг/мм²).
Вторая цифра в классификации класса прочности обозначает отношение предела текучести к пределу прочности в десятках процентов — для болта класса прочности 9.8 предел текучести равен 80% от предела прочности, т.е. предел текучести равен 900 х 0.8 = 720 МПа.
Что означают данные цифры? Давайте посмотрим на следующую диаграмму:
Здесь приведен общий случай испытания стали на растяжение. На горизонтальной оси обозначено изменение длины испытуемого образца, по вертикали — прилагаемое усилие. Как видим из диаграммы при увеличении усилия длина болта изменяется линейно только на участке от 0 до точки А, напряжение в этой точке и есть предел текучести, далее при не большом увеличении нагрузки болт растягивается уже сильнее, в точке Д болт ломается — это есть предел прочности. В строительных конструкциях необходимо обеспечить работу болтового соединения в пределах предела текучести.
Класс прочности болта должен быть указан на торцевой или боковой поверхности головки болта
Если на болтах нет маркировки, то скорее всего это болты класса прочности ниже 4.6 (их маркировка не требуется по ГОСТ). Применение болтов и гаек без маркировки запрещается согласно СНиП 3.03.01.
На высокопрочных болтах дополнительно указывается условное обозначение плавки.
Для применяемых болтов требуется применять соответствующие им классу прочности гайки: для болтов 4.6, 4.8 применяются гайки класса прочности 4, для болтов 5.6, 5.8 гайки класса прочности 5 и т.д. Можно заменить гайки одного класса прочности на более высокие (например если удобнее комплектовать на объект гайки одного класса прочности).
При работе болтов только на срез допускается применять класс прочности гаек при классе прочности болтов: 4 – при 5.6 и 5.8; 5 – при 8.8; 8 – при 10.9; 10 – при 12.9.
Для болтов из нержавеющей стали также наносится маркировка на головке болта. Класс стали — А2 или А4 и предел прочности в кг/мм² — 50, 70, 80. Например А4-80: марка стали А4, прочность 80 кг/мм²=800 МПа.
Класс прочности болтов в строительных конструкциях следует определять согласно таблице Г.3 СП 16.13330.2017
Требования к болтам при различных условиях их применения
(таблица Г.3 в ред. Изменения N 2, утв. Приказом
Минстроя России от 04.12.2019 N 769/пр)
Рекомендуется использовать использовать более прочные болты, чтобы уменьшить его диаметр и соответственно меньше ослаблять сечение.
Выбор марки стали болта
Марку стали болтов следует назначать согласно таблице Г.4 СП 16.13330.2017
Таблица Г.4
Марки стали фундаментных болтов и условия их применения
Конструкции, кроме опор воздушных линий электропередачи, распределительных устройств и контактной сети
Для U-образных болтов, а также фундаментных болтов опор воздушных линий электропередачи, распределительных устройств и контактной сети
Подбор диаметра болта для строительных конструкций
Для соединений строительных металлических конструкций следует применять болты с шестигранной головкой нормальной точности по ГОСТ 7798 или повышенной точности по ГОСТ 7805 с крупным шагом резьбы диаметров от 12 до 48 мм классов прочности 5.6, 5.8, 8.8 и 10.9 по ГОСТ 1759.4, шестигранные гайки нормальной точности по ГОСТ 5915 или повышенной точности по ГОСТ 5927 классов прочности 5, 8 и 10 по ГОСТ 1759.5, круглые шайбы к ним по ГОСТ 11371 исполнение 1 класса точности А, а также болты, гайки и шайбы высокопрочные по ГОСТ 22353 — ГОСТ 22356 диаметров 16, 20, 22, 24, 27, 30, 36, 42 и 48 мм.
Диаметр и количество болтов подбираются так, чтобы обеспечить необходимую прочность узла.
Если через соединение не передаются значительные нагрузки, то можно использовать болты М12. Для соединения нагруженных элементов рекомендуется использовать болты от М16, для фундаментов от М20.
Не рекомендуется применение соединений, в которых суммарная толщина соединяемых элементов превышает:
для болтов М12 — 40 мм;
для болтов М16 — 50 мм;
для болтов М20 — 60 мм;
для болтов М24 — 100 мм;
для болтов М27 — 140 мм.
Диаметр отверстия под болт
Для болтов класса точности А отверстия выполняют без зазора, но использовать такое соединение не рекомендуется ввиду большой сложности его изготовления. В строительных конструкциях, как правило, используют болты класса точности B.
Для болтов класса точности В диаметр отверстия можно определить по следующей таблице:
| Вид соединений | Номинальные диаметры отверстий, мм при диаметре стержня болта, мм | |||||
| 12 | 16 | 20 | 22 | 24 | 27 | |
| Фрикционные | 13 | 17 | 21 | 23 | 25 | 28 |
| 14 | 19 | 23 | 24 | 28 | 30 | |
| 15 | 20 | 24 | 26 | 30 | 33 | |
| Срезные и фрикционно-срезные | 13 | 17 | 21 | 24 | 26 | 28 |
| 14 | 18 | 22 | 25 | 27 | 29 | |
| 15 | 19 | 23 | — | 27 | 30 | |
| Фланцевые | — | — | 22 | — | 27 | 30 |
| — | — | 23 | — | 28 | 31 | |
Расстояния при размещении болтов
Расстояния при размещении болтов следует принимать согласно таблице 40 СП 16.13330.2017
Характеристика расстояния и предела текучести соединяемых элементов
Расстояние при размещении болтов
1 Расстояние между центрами отверстий для болтов в любом направлении:
б) максимальное в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков при растяжении и сжатии
в) максимальное в средних рядах, а также в крайних рядах при наличии окаймляющих уголков:
2 Расстояние от центра отверстия для болта до края элемента
а) минимальное вдоль усилия:
б) то же, поперек усилия:
при обрезных кромках
при прокатных кромках
г) минимальное во фрикционном соединении при любой кромке и любом направлении усилия
3 Расстояние минимальное между центрами отверстий вдоль усилия для болтов, размещаемых в шахматном порядке
t — толщина наиболее тонкого наружного элемента;
u — расстояние поперек усилия между рядами отверстий.
1 Диаметр отверстий следует принимать: для болтов класса точности A — d = db; для болтов класса точности B в конструкциях опор ВЛ, ОРУ и КС — d = db + 1 мм, в остальных случаях — d = db + (1; 2 или 3 мм), где db — диаметр болта.
2 В одноболтовых соединениях элементов решетки (раскосов и распорок), кроме постоянно работающих на растяжение, при толщине элементов до 6 мм из стали с пределом текучести до 375 Н/мм 2 расстояние от края элемента до центра отверстия вдоль усилия принимают 1,35d (без допуска при изготовлении элементов в сторону уменьшения, о чем должно быть указано в проекте).
В стыках и узлах болты необходимо располагать ближе друг к другу , а конструктивные соединительные болты (служащие для соединения деталей без передачи значимых нагрузок) на максимальных расстояниях.
Допускается крепить детали одним болтом.
Выбор длины болта
Длину болта определяем следующим образом: складываем толщины соединяемых элементов, толщины шайб и гаек, и добавляем 0,3d (30% от диаметра болта) и далее смотрим сортамент и подбираем ближайшую длину (с округлением в большую сторону). Согласно строительным нормам болт должен выступать из гайки как минимум на один виток. Слишком длинный болт использовать не получится т.к. резьба имеется только на конце болта.
Для удобства можно воспользоваться следующей таблицей (из советского справочника)
В болтовых соединениях работающих на срез, при толщине наружного элемента до 8 мм, резьба должна находиться вне пакета соединяемых элементов; в остальных случаях резьба болта не должна входить вглубь отверстия более чем на половину толщины крайнего элемента со стороны гайки или свыше 5 мм. Если выбранная длина болта не соответствует этому требованию, то необходимо увеличить длину болта так, чтобы это требование выполнялось.
Болт работает на срез, толщина скрепляемых элементов 2х12 мм, согласно расчету принят болт диаметром 20 мм, толщина шайбы 3 мм, толщина пружинной шайбы 5 мм, толщина гайки 16 мм.
Минимальная длина болта равна: 2х12+3+5+16+0,3х20=54 мм, согласно ГОСТ 7798-70 выбираем болт М20х55. Длина нарезаной части болта составляет 46 мм, т.е. условие не удовлетворяется т.к. резьба должна входить вглубь отверстия не более чем на 5 мм, поэтому увеличиваем длину болта до 2х12+46-5=65 мм. Согласно нормам можно принять болт М20х65, но лучше использовать болт М20х70, тогда вся резьба будет вне отверстия. Пружинную шайбу можно заменить на обычную и добавить еще одну гайку (очень часто так делают т.к. применение пружинных шайб ограничено).
Мероприятия про предотвращению отвинчиванию болтов
Для того, чтобы крепление со временем не ослабло требуется использовать 2-ю гайку или стопорные шайбы, предотвращающие отвинчивание болтов и гаек. Если болт работает на растяжение, то необходимо использовать 2-ой болт.
Также есть специальные гайки со стопорным кольцом или фланцем.
Применять пружинные шайбы при овальных отверстиях запрещено.
Установка шайб
Под гайку необходимо устанавливать не более одной шайбы. Также допускается устанавливать одну шайбу под головкой болта.
Прочностной расчет болтового соединения
Болтовое соединение можно разделить на следующие категории:
1) соединение работающее на растяжение;
2) соединение работающее на срез;
3) соединение работающее на срез и растяжение;
4) фрикционное соединение (работающее на срез, но с сильным натяжением болтов)
Расчет болтового соединения, работающего на растяжение
В первом случае прочность болта проверяется по формуле 188 СП 16.13330.2017
где Nbt — несущая способность одного болта на растяжение;
Rbt — расчетное сопротивление болта на растяжение;
Abn — площадь поперечного сечения нетто (принимается согласно таблице Г.9 СП 16.13330.2017);
γc — коэффициент условия работы, принимаемый согласно таблице 1 СП 16.13330.2017.
Расчет болтового соединения, работающего на срез
Если соединение работает на срез, то необходимо проверить 2-а условия:
расчет на срез по формуле 186 СП 16.13330.2017
где Nbs — несущая способность одного болта на срез;
Rbs — расчетное сопротивление болта на срез;
Ab — площадь сечения болта брутто (принимается согласно таблице Г.9 СП 16.13330.2011);
ns — число срезов одного болта (если болт соединяет 2-е пластины, то число срезов равно одному, если 3-и, то 2-а и т.д.);
γb — коэффициент условия работы болтового соединения, принимаемый согласно таблице 41 СП 16.13330.2017 (но не больше 1.0);
γc — коэффициент условия работы, принимаемый согласно таблице 1 СП 16.13330.2017.
и расчет на смятие по формуле 187 СП 16.13330.2017
где Nbp — несущая способность одного болта на смятие;
Rbp — расчетное сопротивление болта на смятие;
db — наружный диаметр стрежня болта;
∑t — наименьшая суммарная толщина соединяемых элементов, сминаемых в одном направлении (если болт соединяет 2-е пластины, то принимается толщина одной самой тонкой пластины, если болт соединяет 3 пластины, то считается сумма толщин для пластин, которые передают нагрузку в одном направлении и сравнивается с толщиной пластины, передающей нагрузку в другом направлении и берется наименьшее значение);
γb — коэффициент условия работы болтового соединения, принимаемый согласно таблице 41 СП 16.13330.2017 (но не больше 1.0)
γc — коэффициент условия работы, принимаемый согласно таблице 1 СП 16.13330.2017.
Расчетные сопротивления болтов можно определить по таблице Г.5 СП 16.13330.2017
Нормативные сопротивления стали болтов и расчетные сопротивления одноболтовых соединений срезу и растяжению, Н/мм 2
Класс прочности болтов