Стыковое болтовое соединение растянутых поясов ферм на косых фланцах

На объектах, где отправочные элементы конструкции должны быть смонтированы трудом со средней квалификацией, предпочтительны болтовые соединения. Фланцевые соединения рекомендуются для применения как экономичные по расходу стали, высокотехнологичные монтажные соединения, исключающие применение монтажной сварки. Здесь усилия воспринимаются главным образом вследствие преодоления сопротивлению сжатию фланцев от предварительного натяжения высокопрочных болтов. Фланцевые стыки являются одним из самых эффективных видов болтовых соединений, поскольку весьма значительная несущая способность высокопрочных болтов используется впрямую и практически полностью. Область рационального и эффективного применения фланцевых соединений довольно велика. Они охватывают соединения элементов, подверженных растяжению, сжатию, изгибу или совместному их действию.

Фланцевые соединения растянутых поясов могут быть применены при действии растяжения с изгибом, при однозначной эпюре растягивающих напряжений в поясах. Известно стыковое соединение элементов из гнутосварных профилей прямоугольного или квадратного сечения, подверженных воздействию центрального растяжения, которое выполняют со сплошными фланцами и ребрами жесткости, расположенными, как правило, вдоль углов профиля. Ширина ребер определяется размерами фланца и профиля, длина – не менее 1,5 высоты меньшей стороны профиля




Косой стык

С целью повышения надежности, снижения расхода стали и упрощения стыка, было разработано новое техническое решение монтажных стыков растянутых элементов на косых фланцах, расположенных под углом 30 градусов относительно продольных осей стержневых элементов и снабженных смежными упорами. Указанная цель достигается тем, что каждый упор входит в отверстие смежного фланца и взаимодействует с ним.

Сущность изобретения заключается в том, что каждый из двух смежных упоров входит в отверстие смежного фланца и своим торцом упирается в кромку отверстия во фланце так, что смежные упоры друг с другом не взаимодействуют, а только со смежными фланцами, при этом, на упор приходится только половина усилия, действующего на стык в плоскости фланцев, а другая половина усилия передается непосредственно на фланец упором смежного фланца.

На фиг.1 приведен общий вид стыка сверху {применительно к стропильной ферме}, на фиг.2 показано горизонтальное сечение стыка по оси соединяемых элементов, на фиг.3 показаны разомкнутый стык и расчетная схема стыка, на фиг.4 приведен вид фланца в разрезе 1-1 на фиг.3.

Стык состоит из соединяемых элементов 1 со скошенными концами под углом α к своей оси, фланцев 2, приваренных к скошенным концам соединяемых элементов 1, упоров 3, приваренных к фланцам 2, стяжных болтов 4, скрепляющих фланцы 2 друг с другом. Оси стыка 5 и 6 расположены в плоскости фланцев и нормально фланцам соответственно.

Стык растянутых элементов на косых фланцах устраивается следующим образом.

Отправочные марки конструкции {стропильной фермы} изготавливаются известными приемами, характерными для решетчатых конструкций. Фланец 2 в сборе с упором 3 изготавливается отдельно из стального листа на сварке. Из центральной части фланца вырезается участок для образования отверстия, в котором размещается упор смежного фланца.

Вырезанный из фланца фрагмент является заготовкой для упора, на который расходуется дополнительный материал. Благодаря этому экономится до 25% стали на стык. Контактные поверхности упора и кромки отверстия во фланце выравниваются стружкой, фрезерованием или другими способами. Фланец изготавливается с использованием шаблонов и кондукторов. Возможно изготовление фланца способом стального литья, что более предпочтительно. Фланцы крепятся к скошенным концам соединяемых элементов с помощью кондукторов.

Стык работает следующим образом. Усилие N, возникшее в соединяемых элементах 1 под воздействием внешних нагрузок на конструкцию, раскладывается в стыке на две составляющих, направленных по осям 5 и 6 стыка {фиг.2}, то есть в плоскости фланцев $N_b$ и нормально фланцам $N_h$ {фиг.3}, острый угол между фланцем и осью стыкуемых элементов; $$ N_b=N cos \alpha=N cos 30 = 0.866 N $$ $$ N_h=N sin \alpha=N sin 30 = 0.5 N $$

Усилие $N_b$, действующая в плоскости фланцев 2, наполовину воспринимается упором 3, а другая половина – непосредственно фланцем, которая передается на него упором смежного фланца {фиг.4}.

Такое распределение усилия (N_b) между упором и фланцем обусловлено тем, что смежные упоры не взаимодействуют друг с другом, а взаимодействуют только со смежными фланцами. Снижение усилия, действующего на упор, вдвое обеспечивает технический и экономический эффект за счет уменьшения длины торца упора, контактирующего с кромкой отверстия во фланце, и объема сварных швов крепления упора к фланцу. С уменьшением длины торца упора уменьшается эксцентриситет приложения усилия на упор, а равно и крутящий момент в элементах стыка, вызванный этим эксцентриситетом. Все это способствует повышению надежности стыка.

Усилие $N_h$, действующее нормально фланцам, воспринимается частью силами трения на контактных торцах упоров 3 и фланцев 2, а остальная часть – стяжными болтами 4. Расчетное усилие, воспринимаемое болтами $N_b = N_h-N_{\mu}$, где $N_{\mu}=\mu N_c$, $\mu$ – коэффициент трения на контактных поверхностях упоров, равный для необработанных поверхностей 0.25;

Уменьшение болтовых усилий более, чем в два раза, во столько же снижает моменты, изгибающие фланцы, а это позволяет принять для них более тонкие листы, сокращая тем самым расход конструкционного материала. Кроме того, на материалоемкость предлагаемого соединения позитивно влияют возможные уменьшения диаметров стяжных болтов 4, снижение их количества или комбинация первого или второго.

Теоретическое исследование напряжений в зонах узловых соединений классическими методами теории упругости весьма затруднительно. Это вызвано разнообразием конструкций узлов, особенностями внешнего нагружения, а также крайне сложным взаимодействием элементов узла. В связи с этим, расчет напряженно-деформированного состояния модели узла стыка растянутых поясов ферм на косых фланцах выполняется МКЭ. В ввиду ограничения объема публикации, о результатах МКЭ анализа стыка будет рассказано в следующей статье.

Практическое использование

Конструктивное решение болтового соединения растянутых поясов ферм на косых фланцах впервые было апробировано в покрытии каркаса склада металлоконструкций КМК "Корал" Производственная база в промышленной зоне района Рудный в Чкаловском районе г. Екатеринбурга. Для изготовления опытного образца покрытия были разработаны рабочие чертежи стадии КМ и КМД. Изготовление элементов конструкции и контрольная сборка производилась в ремонтно-механических мастерских производственной базы. Инструкция по креплению фланцев к поясу ферм предусматривала такую последовательность производства работ.

  1. Cобрать фланцы, обеспечив плотное примыкание фланцев и упоров друг с другом. Стянуть проектными болтами;
  2. Установить полуфермы в одной плоскости {в плане и по высоте}. Плотно прижать полуфермы к фланцам;
  3. Приварить фланцы к полуфермам;
  4. Выполнить именную маркировку полуферм, разъединить полуфермы

После производились окончательная установка и затяжка всех высокопрочных болтов. На рисунках приведены фотоизображения проектной модели каркаса склада с покрытием с узлами на косых фланцах и узлов стыка после окончательной сборки, перед покраской и подготовкой к монтажу.

В данном случае, когда запроектированная конструкция применяется впервые, очевидна необходимость проведения экспериментальных исследований как конструкции в составе покрытия в целом, так и отдельных элементов узловых сопряжений. При этом проверяется также верность методик расчета, необходимость совершенствования которых диктуется потребностью в надежных результатах при проектировании.

В процессе работы над диссертацией, проводя обзор теоретических и экспериментальных исследований в области существующих узловых сопряжений поясов ферм, замечено, что  первый стык растянутых поясов ферм на косом фланце был изобретен в 1979 году, молодыми учеными Уральского электромеханического института инженеров железнодорожного транспорта, Х. М. Ягофаровым и В. Я. Котовым.

Продолжая исследования в 1986 году, инж. А. Будаевым под руководством к.т.н. Х. М. Ягофарова, с целью подтверждения работоспособности стыка, а также обоснования основных расчетных предпосылок, были изготовлены три стыка с номинальным углом наклона фланцев к осям элементов 45, 30 и 20 градусов. Каждый стык представлен двумя одинаковыми половинами, в которых стыкуемый элемент выполнен из уголка 60х6. Испытания проводились на машине ГСМ – 50 нарастающей статической нагрузкой до разрыва болтов и разрушения фланцев. Эксперимент подтвердил работоспособность стыка, а так же основные расчетные предпосылки. Кроме того, результаты позволили назначить в первом приближении величины расчетных коэффициентов.

В 2010 году, в Уральском государственном университете путей сообщения были изданы методические указания для студентов «Проектирование и изготовление стыков на косых фланцах». А так же, необходимый и достаточный запас несущей способности болтовых стыков растянутых стержневых элементов с косыми фланцами подтвержден итогами  пробной (контрольной) серии исследований опытных образцов, проведенных в лаборатории Пятигорского государственного технологического университета канд. техн. наук, доц. Марутяном А.С в 2011 году. Разрывные усилия опытных образцов, превысили уровень расчетных нагрузок в 1.7…2.5 раза, а экспериментальные и расчетные деформации имели достаточно приемлемую сходимость. Даны рекомендации о внедрении в практику строительства. Работы по исследованию стыка растянутых поясов ферм на косом фланце ведутся и сегодня, изготовлены опытные образцы и трубы 120х5, заглушенной с одной стороны приваренной пластиной толщиной 30мм с 45мм стержнем для захвата в разрывной машине, с другой – фланцем с упором толщиной 25мм. Материал конструкций – малоуглеродистая сталь, электроды типа Э50А. Болты М24 класса 10.9. Идет подготовка эксперимента, целью которого являются анализ напряженно-деформированного состояния узла стыка и уточнения инженерной методики решения.

Таким образом, обобщая результаты исследования работы стыка растянутых элементов на косых фланцах, можно сказать, что предлагаемый стык растянутых элементов на косых фланцах надежен, экономичен и прост в осуществлении.

Библиографический список

  1. Х. Ягофаров, В.Я. Котов, 1979. Описание изобретения к авторскому свидетельству 887748
  2. Х. Ягофаров, А. Будаев Стык растянутых элементов на косых фланцах. Промышленное строительство и инженерные сооружения, 1986, №2
  3. К. Кузнецова, М. Радунцев «Проектирование и изготовление стыков на косых фланцах» Методические указания для студентов всех форм обучения специальности «Промышленное и гражданское строительство» и слушателей Института дополнительного профессионального образования, УрГУПС, 2010
  4. А.С. Марутян «Стыковые болтовые соединения стержневых элементов с косыми фланцами и их расчет» Пятигорский государственный технологический университет, 2011
  5. А.З. Клячин Металлические решетчатые пространственные конструкции регулярной структуры
  6. Н.Г. Горелов Пространственные блоки покрытия со стержнями из тонкостенных гнутых стержней