ГОСТ 33169-2014. Межгосударственный стандарт. Краны грузоподъемные. Металлические конструкции. Подтверждение несущей способности

6.4 Подтверждение прочности болтовых соединений

 

6.4.1 Технические требования и условия расчета

6.4.1.1 Общие требования

Для болтовых соединений должны применяться стальные болты и гайки с характеристиками, соответствующими климатическому исполнению конструкции. Механические характеристики гаек и шайб должны соответствовать характеристикам болтов. Для конструкций категорий размещения 1, 2 и 5 по ГОСТ 15150 необходимо использовать болты и гайки с защитным металлическим покрытием, соответствующим уровню коррозионной агрессивности среды.

В настоящем стандарте представлены методы подтверждения работоспособности фрикционных и срезных болтовых соединений, размещение болтов в которых удовлетворяет следующим требованиям (рисунок 5)

 

a₁ >= 1,5d₀, b₁ >= 1,5d₀, a₂ >= 3d₀, b₂ >= 3d₀,

 

где d₀ - диаметр отверстия под болт.

 

 

Рисунок 5 - Размещение отверстий в болтовом соединении,

нагруженном сдвигающей нагрузкой в направлении А

 

В настоящем стандарте даны методики расчета болтовых соединений, в которых все болты одинаковые. Не рассматриваются соединения, в которых имеется только один болт.

6.4.1.2 Срезные соединения

Соединение используется в тех случаях, когда смещение соединяемых деталей в результате выборки зазора не оказывает негативного влияния на работу конструкции. Не рекомендуется применять срезные болтовые соединения для восприятия реверсивной нагрузки.

В срезных соединениях:

- болты должны быть установлены в отверстия по посадке, соответствующей проектной документации;

- должны быть предусмотрены меры против самоотвинчивания гаек.

6.4.1.3 Фрикционные (сдвигоустойчивые) соединения

Соединения применяются в узлах, для которых недопустим относительный сдвиг соединяемых элементов, воспринимающих статические и переменные, в том числе реверсивные, нагрузки.

В этих соединениях:

- при монтаже соединения должна быть обеспечена контролируемая затяжка болтов на заданное усилие;

- контактные поверхности соединяемых деталей должны быть подготовлены таким образом, чтобы обеспечивалось хорошее прилегание, а также стабильный и высокий коэффициент трения;

- поверхности деталей, на которые опираются головка болта и шайба, должны быть параллельны.

6.4.1.4 Фланцевые соединения

Во фланцевых соединениях:

- расстояния от центра болта до поверхности присоединяемого элемента должны быть минимальными (размеры c₁ и c₂, рисунок 6);

- контактные поверхности фланцев должны обеспечивать плотное прилегание после затяжки болтов;

- болты и гайки должны быть защищены от самоотвинчивания;

- сварное соединение элемента конструкции с фланцем должно быть рассчитано на прочность по указаниям 6.3.

 

 

Рисунок 6 - Пример схемы размещения болтов

во фланцевом соединении

 

В настоящем стандарте представлены методы подтверждения работоспособности фланцевых соединений, в которых фланец имеет толщину не менее диаметра болта.

6.4.2 Условия прочности, предельные силы

6.4.2.1 Срезные соединения

Подтверждение прочности срезного соединения требует проверки по следующим условиям:

а) прочность болта на срез;

б) прочность присоединяемого элемента и болта на смятие;

в) прочность присоединяемого элемента по сечению нетто с учетом ослабления отверстиями.

Все проверки осуществляются в форме сравнения сдвигающей силы, действующей на наиболее нагруженный болт, с предельной или допустимой сдвигающей силой.

а) Проверка прочности болта на срез производится по следующим условиям:

- по предельным состояниям

 

P_bПС <= F_bsПС, (21)

 

- по допускаемым напряжениям

 

P_bДН <= F_bsДН, (22)

 

где P_bПС и P_bДН - расчетная сдвигающая сила, приходящаяся на один болт, вычисляемая по комбинации нагрузок согласно ГОСТ 32579 по предельным состояниям и допускаемым напряжениям;

F_bsПС и F_bsДН - предельная сдвигающая нагрузка на болт по условию прочности на срез, вычисляемая по следующим формулам:

- по предельным состояниям

 

(23)

 

- по допускаемым напряжениям

 

(24)

 

где n_s - число поверхностей среза;

- минимальное значение временного сопротивления материала болта;

A_bs - площадь поперечного сечения стержня болта в плоскости сдвига;

;

.

Коэффициент запаса , коэффициенты и находятся по указаниям 6.2.2.

б) Проверка присоединяемого элемента и болта на смятие производится по условиям:

- по предельным состояниям

 

P_bПБ <= F_bpПБ, (25)

 

- по допускаемым напряжениям

 

P_bДН <= F_bpДН, (26)

 

где F_bpПБ и F_bpДН - предельная сдвигающая нагрузка на болт по условию смятия поверхности, вычисляемая по правилам расчетов по предельным состояниям и допускаемым напряжениям.

Предельная расчетная сила смятия в отверстии рассчитывается по формуле:

- по предельным состояниям

 

(27)

 

- по допускаемым напряжениям

 

(28)

 

где - нормативное значение предела текучести менее прочного из материалов соединяемых деталей или болта;

d_b - диаметр стержня болта без резьбы;

- меньшая суммарная толщина листов, сдвигаемых в одном направлении, контактирующих с ненарезанной частью стержня болта;

;

для соединений с одной поверхностью среза;

для соединений, имеющих более одной поверхности среза.

Коэффициент запаса , коэффициенты и находятся по указаниям 6.2.2.

в) Проверка присоединяемого элемента на прочность производится по сечению нетто по методике, изложенной в 6.2.

6.4.2.2 Фрикционные (сдвигоустойчивые) соединения

Подтверждение прочности фрикционного соединения осуществляется в форме проверки достаточности силы трения, создаваемой предварительной затяжкой болта, для восприятия максимальной сдвигающей нагрузки, приходящейся на один болт.

Проверка производится по следующим условиям:

- по предельным состояниям

 

P_bПС <= F_bhПС, (29)

 

- по допускаемым напряжениям

 

P_bДН <= F_bhДН, (30)

 

где F_bhПС и F_bhДН - предельное значение силы трения, создаваемой болтом между соединяемыми поверхностями, которое вычисляется по правилам расчетов по предельным состояниям и допускаемым напряжениям.

Предельное значение силы трения в расчете на один болт вычисляется следующим образом:

- по предельным состояниям

 

(31)

 

- по допускаемым напряжениям

 

(32)

 

где S_0h - сила предварительной затяжки болта, ;

- минимальное значение временного сопротивления материала болта;

A_b - минимальная площадь сечения болта по резьбе;

n_s - число стыков между соединяемыми частями;

- коэффициент трения, значение которого назначается в зависимости от способа подготовки поверхностей соединения по таблице 3.

 

Таблица 3

 

Значения коэффициента трения для фрикционного соединения

 

Способ подготовки поверхностей	Коэффициент трения
Дробеструйная или пескоструйная обработка при отсутствии неровностей	0,50
Дробеструйная или пескоструйная обработка и алюминизирование	0,50
Дробеструйная или пескоструйная обработка и металлизирование с продуктом на основе цинка	0,50
Дробеструйная или пескоструйная обработка с покрытием щелочно-цинковой силикатной керамикой толщиной 50 - 80 мкм	0,40
Гальваническое покрытие поверхностей с погружением в горячий раствор и слегка подвергнутых дробеструйной или пескоструйной обработке	0,40
Очистка проволочной щеткой, резаком или газовым пламенем до металлического блеска	0,30
Очистка и травление поверхностей	0,25
Очистка от слоев ржавчины, смазки и грязи (минимальное требование)	0,20

 

Коэффициент , значение принимается по таблице 4. Коэффициент запаса , коэффициенты и находятся по указаниям 6.2.2.

 

Таблица 4

 

Коэффициент условий работы для фрикционного соединения

 

Разность диаметров отверстия и болта	Коэффициент условий работы для случаев, в которых принимаются значения коэффициента трения
	Менее 0,25	От 0,25 до 0,35 включ.	Более 0,35
	1,30	1,20	1,10
	1,60	1,30	1,20

 

6.4.2.3 Фланцевые болтовые соединения

Подтверждение работоспособности фланцевого соединения требует проверки по следующим условиям:

а) нераскрытие стыка, то есть обеспечение сжатия фланцев при минимальном возможном предварительном натяжении болта и максимальной внешней растягивающей нагрузке;

б) прочность болта при максимальном возможном предварительном натяжении и максимальной внешней растягивающей нагрузке;

в) отсутствие сдвига в стыке при действии максимальной сдвигающей силы и момента.

Сила натяжения болта под нагрузкой вычисляется с учетом взаимодействия его с фланцем (Б.2, приложение Б).

а) Проверка нераскрытия стыка при максимальной нагрузке производится по следующим условиям:

- по предельным состояниям

 

P_bПС <= F_boПС; (33)

 

- по допускаемым напряжениям

 

P_bДН <= F_boДН, (34)

 

где P_bПС и P_bДН - расчетная растягивающая сила, приходящаяся на один болт, которая вычисляется по комбинации нагрузок согласно ГОСТ 32579 по предельным состояниям и допускаемым напряжениям;

F_boПС и F_boДН - предельное значение силы растяжения болта от внешней нагрузки, вычисляемое по правилам расчетов по предельным состояниям и допускаемым напряжениям.

Предельная растягивающая сила на один болт по условию нераскрытия стыка фланцев вычисляется как

- по предельным состояниям

 

(35)

 

- по допускаемым напряжениям

 

(36)

 

где S₀ - значение предварительного натяжения болта, ;

- коэффициент внешней нагрузки (Б.2, приложение Б).

Если расчетная длина болта и t₁/t_F >= 0,8 (рисунок 7), коэффициент вычисляется как

 

(37)

 

где D_we - эквивалентный диаметр зоны сжатия под болтом, D_we ~= 1,2D_w; если сжимаемые болтом элементы конструкции имеют диаметр D_w1 < 1,2D_we (рисунок 7, в), то в расчетные формулы подставляется значение D_we = D_w1;

D_w - диаметр опорной поверхности, передающей нагрузку от болта на фланец, то есть диаметр шайбы или размер под ключ гайки или головки болта;

d₀ - диаметр стержня болта без резьбы;

- отношение минимальной допустимой силы сжатия фланцев к исходному сжатию от предварительного натяжения болта; меньшие значения допустимы для фланцев, которым не грозит коррозионное повреждение;

.

 

 

Рисунок 7 - Схемы установки болтов во фланцевом соединении

 

Коэффициент в более широком диапазоне параметров может быть вычислен по методике [1], где он обозначен как . Коэффициент запаса находится по указаниям 6.2.2.

б) Проверка прочности болта при максимальной нагрузке производится по следующим условиям:

- по предельным состояниям

 

P_bПС <= F_btПС, (38)

 

- по допускаемым напряжениям

 

P_bДН <= F_btДН. (39)

 

Предельная растягивающая сила от внешней нагрузки на один болт по условию прочности болта вычисляется как

- по предельным состояниям

 

(40)

 

- по допускаемым напряжениям

 

(41)

 

где - предел текучести материала болта;

A_b - минимальная площадь сечения болта;

.

При контроле затяжки по моменту или углу поворота , при контроле по значению силы растяжения или удлинения болта . В формуле (41) следует принимать .

в) Если фланцевое соединение, загруженное сдвигающими силами, снабжено дополнительными элементами, воспринимающими сдвиг (штифтами, втулками, упорными уступами и пр.), то они должны быть рассчитаны на действие максимальных сдвигающих сил и моментов на срез и смятие по методике 6.4.2.1. Если таких устройств нет, то должно быть выполнено условие отсутствия проскальзывания фланцев под действием сдвигающих сил P_y и P_z:

- по предельным состояниям

 

(42)

 

- по допускаемым напряжениям

 

(43)

 

Здесь - общее количество болтов во фланцевом соединении.

Коэффициент трения выбирается по таблице 3. Направления сил соответствуют системе координат на рисунке 6. Сила P_x считается положительной, если она растягивает фланцевое соединение.

6.4.3 Расчетные силы в болтовых соединениях

6.4.3.1 Срезные и фрикционные соединения

Нагрузки, действующие на болтовое соединение, вычисляются по расчетным комбинациям, найденным в соответствии с используемым методом расчета по указаниям ГОСТ 32579. Компонентами нагрузки являются сдвигающие силы P_x и P_y, приложенные в центре тяжести соединения, и момент M_z (рисунок 8). При расчете по методу предельных состояний P_x = P_xПС, P_y = P_yПС и M_z = M_zПС, при расчете по методу допускаемых напряжений P_x = P_xДН, P_y = P_yДН и M_z = M_zДН.

 

 

Указаны сдвигающие силы от момента M_z

 

Рисунок 8 - Схема нагружения болтов в срезном

или фрикционном соединении

 

Положение центра тяжести соединения относительно произвольной системы координат XY определяется координатами (рисунок 8)

 

и (44)

 

где U - количество болтов в соединении, u = 1, 2, ..., U.

Остальные обозначения приведены на рисунке 8.

Многоболтовое соединение является статически неопределимой системой. Для его расчета принимаются следующие схемы распределения сил между болтами в соединении: сдвигающие силы P_x и P_y равномерно распределяются между всеми болтами, а сдвигающая сила от момента распределяется пропорционально модулю радиуса-вектора до болта r_u, проведенному из центра тяжести сечений всех болтов в соединении (рисунок 8).

Сдвигающая сила, действующая на болт, вычисляется как

 

(45)

 

где - угловая координата радиуса-вектора расчетного болта;

r_b - модуль радиуса-вектора расчетного болта;

.

Для случая регулярного размещения болтов на прямоугольном поле и размещении начала координат в центре тяжести

 

 

где I - количество рядов болтов вдоль оси x (на рисунке 8 I = 6);

K - количество рядов болтов вдоль оси y (на рисунке 8 K = 4).

Для проверки прочности следует найти болт, для которого по формуле (45) получается максимальное значение силы P_b.

Расчет максимальных сдвигающих сил, действующих на болты в соединении балок на накладках, представлен в Б.1 (приложение Б).

6.4.3.2 Фланцевые соединения

Нагрузки, действующие на болтовое соединение, вычисляются по расчетным комбинациям, найденным в соответствии с используемым методом расчета по указаниям ГОСТ 32579. Компонентами нагрузки являются продольная сила P_x, приложенная в центре тяжести соединения, и моменты M_y и M_z. Направления нагрузок соответствуют системе координат на рисунке 6. При расчете по методу предельных состояний P_x = P_xПС, M_y = M_yПС и M_z = M_zПС, при расчете по методу допускаемых напряжений P_x = P_xДН, M_y = M_yДН и M_z = M_zДН.

Для расчета фланцевого соединения принимается линейный закон распределения сил между болтами (рисунок 9, а). Суммарная растягивающая сила от внешней нагрузки, приложенная к наиболее нагруженному болту, вычисляется следующим образом

 

(46)

 

где , ;

Y_k и Z_i - координаты центров болтов (рисунок 9, а);

Y_K = max(Y_k) и Z_I = max(Z_i);

v_yk и v_zi - количество болтов в k-ом (отсчитываемом вдоль оси y) и i-ом (отсчитываемом вдоль оси z) ряду.

 

 

Рисунок 9 - Схема нагружения болтов во фланцевом

соединении, загруженном моментом M_y (P_biMy сила,

создаваемая моментом M_y, приходящаяся на i-ый болт)

 

Сила P_x считается положительной, если она растягивает фланцевое соединение.

В соединениях со сплошным прилеганием фланцев начало координат оси Z лежит на уровне кромки присоединяемого элемента в зоне сжатия от момента M_y (рисунок 9, а), а оси Y - на уровне кромки присоединяемого элемента в зоне сжатия от момента M_z. Для болтов, у которых Y_k < 0, следует принимать Y_k = 0, при Z_i < 0 считать Z_i = 0.

Если контакт соединяемых деталей осуществляется только в зонах под болтами, то начало координат осей YZ следует располагать в центре тяжести сечения АА (рисунок 9, б). При этом в расчете по формуле (46) учитываются все болты, как с положительными так и с отрицательными координатами Y_k и Z_i.