Проектирование укрупнительного стыка

Для транспортировки балок используются обычные транспортные средства. Пролеты большинства балок в выполняемом проекте более 12 м, следовательно, их транспортировка «целиком» довольно затруднительна. Именно поэтому рекомендуется каждую главную балку разбить на две части (отправочные марки), которые можно без проблем доставить на строительную площадку.Узел соединения двух отправочных марок называется укрупнительным стыкомУкрупнительный стык должен быть жестким, т.е. воспринимать изгибающий момент так же как и сплошное сечение балки. Поэтому выполняться такой стык может либо на сварке, либо на высокопрочных болтах с контролируемым усилием натяжения болтов (сдвигоустойчивое соединение).

Обычно для укрупнительных стыков на болтах применяют высокопрочные болты диаметром 20 мм или 24 мм из хромистой стали марки 40Х «селект». Площадь сечения болтов нетто (A_bn) определяется по таблице 1 Приложения Л. Диаметр отверстий под болты принимается на 2÷ 3 мм больше диаметра болтов с целью снижения трудоемкости сборки.

Временное сопротивление материала болтов R_bun определяется по таблице 2 Приложения Л в зависимости от марки стали болтов и диаметра болтов.

Наиболее надежным способом контроля усилия натяжения болтов является контроль с помощью динамометрического ключа по углу закручивания α. Контроль по моменту закручивания M является менее надежным, так как обычно осуществляется с помощью рычажных приспособлений. Наименее трудоемкий и наиболее безопасный способ обработки поверхностей элементов в месте стыка с целью увеличения трения - газопламенный. Выбор способа контроля усилия натяжения болтов и способа обработки поверхности остается за Вами.

Коэффициент надежности γ _h и коэффициент трения μ определяется по таблице Приложения Л в зависимости от способа обработки поверхностей (газопламенная), способа регулирования (контроля) усилия натяжения (по углу закручивания α), характера нагрузки (статическая) и разности между диаметром отверстия и диаметром стержня болта (δ = 2 - 3 мм).

Под координатой места стыка понимается расстояние от опоры балки до сечения стыка х₄. Место расположения укрупнительного стыка должно быть рациональным с точки зрения затрат труда на изготовление отдельных отправочных элементов и сокращения числа типоразмеров деталей, используемых для их изготовления.Обычно это середина пролета главной балки (то есть расстояние от опоры до сечения стыка х₄ = L/2). Однако, такое деление балки на две одинаковые отправочные марки возможно лишь в том случае, если с середине пролета балки нет поперечного ребра жесткости. Но это условие выполняется лишь при четном числе балок, опирающихся на главную балку. Если же в середине пролета главной балки такое ребро есть, то место стыка располагается на расстоянии:

(81)

для балочной площадки нормального типа или:

(82)

для балочной площадки усложненного типа.

При проектировании стыков балочных конструкций изгибающий момент, возникающий в сечении балки, обычно заменяется парами продольных сил.Накладки, соединяющие пояса, рассчитываются на продольную силу N_f, проходящую через геометрические оси сечений поясов (то есть, плечо пары сил в этом случае равняется h_f). Изгибающий момент при этом распределяется между элементами сечения балки пропорционально их изгибным жесткостям (или моментам инерции сечений при одинаковом модуле упругости материала сечения всех элементов).Усилие с поясе N_f вычисляется по формуле:

(83)

где M_x4, I_x – соответственно полный расчетный изгибающий момент и момент инерции всего сечения в месте стыка балки;

h_f – расстояние между центрами тяжести поясов;

I_f – суммарный момент инерции поясов, определяемый по формуле:

(84)

Требуемое количество болтов для стыка пояса вычисляется по формуле:

(85)

Расчетное усилие, которое может быть воспринято двумя плоскостями трения соединяемых элементов, стянутых одним болтом, определяется по формуле:

(86)

где R_bn = 0, 7 R_bun – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта;

A_bn – площадь сечения болтов нетто, определяемая по таблице 1 Приложения Л;

γ _b – коэффициент условий работы соединений, назначаемый согласно СНиП [3] и в курсовом проекте принимается равным единице (количество болтов обычно больше десяти) при количестве болтов менее десяти γ _b = 0, 9.

Назначенное количество болтов с одной стороны стыка пояса должно быть четным и не менее требуемого числа:

(87)

Стык поясов осуществляется с помощью трех накладок: одна на наружной грани поясов (ширина этой накладки принимается равной ширине пояса b_f), и две другие на внутренней грани поясов по обе стороны стенки балки в соответствии с рисунком 7.

Рисунок 7 – Укрупнительный стык главной балки

Из условия удобства расположения элементов стыка ширина нижних накладок принимается равной:

(88)

Величина должна быть кратной 5 мм.

Требуемая толщина накладок для стыка пояса t₁ вычисляется из условия прочности по нормальным напряжениям:

(89)

Назначенная толщина накладок должна быть согласована с сортаментом на универсальную сталь (Приложение Е).

Размещение болтов в поясе обычно выполняют в четыре продольных ряда (по два с каждой стороны стенки). В первом от края накладки поперечном ряду болтов размещается два или (если позволяет ширина пояса) четыре болта. Прочность стыка пояса проверяется компьютером по условию

равнопрочности пояса и накладок с учетом их ослабления:

по краю стыка проверяется ослабление пояса (т.к. накладки в этом

сечении ещё не включились в работу):

(90)

где A_{f, n} – площадь сечения пояса с учетом ослабления отверстиями под болты

(91)

n_б1 – количество отверстий в первом от края накладки поперечном ряду;

d_o - диаметр отверстия;

у середины стыка проверяется равнопрочность накладок и ослабленного сечения пояса:

, (92)

где A_{1, n} – суммарная площадь сечения накладок с учетом ослабления отверстиями под болты:

(93)

где n_б – общее количество отверстий в поперечном ряду.

Если не обеспечена прочность пояса то, при наличии в первом поперечном ряду четырех болтов, следует добавить еще один поперечный ряд из двух болтов, разместив их с края, или увеличить толщину пояса t_f (что крайне нежелательно).

Если не обеспечена равнопрочность накладок и пояса, то необходимо увеличить толщину накладок t₁, согласовав её с ГОСТ на универсальную сталь (Приложение Е).

Расстояние между верхним и нижним крайними горизонтальными рядами болтов в стенке y_max в соответствии с рисунком 8 назначается конструктивно с учетом удобства их размещения и технологичности сборки:

y _max ≤ h_w − 2 t ₁ − 5 d ₁, (94)

где d₁ -диаметр отверстия под болт.

Минимальное расстояние между горизонтальными рядами болтов при их диаметре d_b = 20мм рекомендуется принимать 60мм, при d_b = 24мм - 80мм (Приложение Л).

При назначении этого расстояния не стоит прибегать к «крайним» мерам: минимальный шаг болтов в одном ряду удобен только теоретически, а в практическом выполнении стыка такая «скученность» болтов явно не способствует ускорению процесса их установки и закручивания. К тому же и разметка отверстий под болты тоже требует от исполнителя повышенного внимания, так как любая ошибка в этом случае может оказаться фатальной. Наиболее «комфортный» для изготовителя шаг болтов находится в интервале 80 - 120 мм.

Рисунок 8 – Монтажный стык сварной балки

Число вертикальных рядов болтов m с одной стороны стыка принимается не более 3-х (чаще - два). Число горизонтальных рядов болтов k определяется следующим образом:

(95)

где ∆ a – расстояние между горизонтальными рядами болтов.

Прочность стыка стенки оценивается по максимальному усилию, возникающему в наиболее нагруженном болте крайнего горизонтального ряда, и для балки, состоящей из двух одинаковых отправочных марок (стык в середине пролета: х ₄ = 0, 5 L), проверяется по формуле:

(96)

где m – число вертикальных рядов болтов с одной стороны стыка стенки;

y_i – расстояние между симметричными горизонтальными рядами болтов в стыке стенки;

M_w – изгибающий момент в расчетном сечении балки на расстоянии x₄ от опоры, воспринимаемый стенкой балки:

(97)

Прочность стыка стенки для балки, состоящей из двух разных по длине частей (х ₄ ≠ 0, 5 L), проверяется по формуле:

(98)

где Q_{x 4} - поперечная сила в расчетном сечении главной балки на расстоянии х₄ от опоры.

Если прочность стыка стенки не обеспечена, то следует увеличить количество вертикальных рядов (m) или уменьшить расстояние между горизонтальными рядами болтов (но не менее 2, 5d ₁), или увеличить диаметр болтов (вместо 20 мм взять 24 мм), или, наконец, изменить сталь для болтов (вместо 40Х «селект» взять 30Х 3МФ).