Несущая способность винтовых и заклепочных соединений стальных тонкостенных конструкций

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. гтрадиционной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава «Института строительства и архитектуры», ГОУ ВПО МГСУ в 2010 гконференции, посвященной 130-летию ЦНИИПСК им. Мельникована 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 1²;

— 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.