ON THE PROBLEM OF LIMITING CAPACITY OF BOLTS DETERMINATION IN FLANGE CONNECTIONS OF BENDING STRUCTURES

Вдовенко Н.В.

Магистрант, Академия строительства и архитектуры, Донской государственный технический университет

К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРЕДЕЛЬНОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БОЛТОВ ВО ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ИЗГИБАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Аннотация

Рассмотрен принцип расчета предельного изгибающего момента возникающего в высокопрочных болтах фланцевых соединений стальных рамных конструкций. Выявлены опечатки в существующей нормативной документации. Выполнена оценка значимости указанных опечаток и их влияние на величину предельного изгибающего момента. Установлено, что погрешность в результатах вычислений по исправленным формулам и выражениям, приведенным в нормативных документах, может достигать 24,24 %. Приведены исправленные формулы расчета предельного. Ключевые слова: изгибающий момент, фланцевое соединений, усилие в болтах, разрушающие усилия, болты наружной зоны, болты растянутой части стенки.

Vdovenko N.V.

Undergraduate student, Don State Technical University

ON THE PROBLEM OF LIMITING CAPACITY OF BOLTS DETERMINATION IN FLANGE CONNECTIONS OF BENDING STRUCTURES

Abstract

The article considers the principle of calculation of the limiting moment of tilt of the flanged joints of steel in frame structures occurring in forced bolts. Misprints in the existing regulatory documentation are identified. The significance of these misprints and their influence on the magnitude of the limiting moment of tilt are estimated. It is established that the misprint in the results of calculations based on the corrected formulas and expressions given in the normative documents can reach 24.24%. Corrected formulas for calculating the limits are given.

Keywords: moment of tilt, flange connections, bolt force, destructive forces, external zone bolts, bolts of the stretched wall section.

Фланцевые соединения элементов рамных конструкций достаточно часто встречаются в современной практике строительства, так как имеют определенные преимущества перед сварными соединениями. Подходы к их проектированию в различных странах отличаются друг от друга, поэтому необходимо рассматривать достоинства и недостатки этих подходов и разрабатывать некоторую интегральную методику расчета фланцевых соединений. В рамках настоящей статьи остановимся на отечественной практике конструирования таких узлов.

В настоящее время расчет таких соединений ведется либо по рекомендациям, либо по серии, таким как: «Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных конструкций» [1]; серия 2.440-2 «Узлы стальных конструкций производственных зданий промышленных предприятий» выпуск 7 «Болтовые фланцевые рамные соединения балок с колоннами стальных каркасов зданий и сооружений» [2].

Так, например, в серии 2.440-2 [2] приведены формулы для расчета предельного момента, который может быть воспринят фланцем. Он может быть определен как минимальный изгибающий момент, который необходимо приложить к соединению, чтобы в каком-либо его конструктивном элементе наступило предельное состояние. Во фланцевом соединении ригелей с колоннами в работе участвуют болты, фланец, полка и стенка колонны.

Соответственно за предельное состояние для этих конструктивных элементов принимаем:

• достижение разрушающих (или расчетных) усилий в стержнях наиболее нагруженных болтов при действии момента M₁(M_1p)
• образование пластического механизма во фланце при действии на соединение момента M₂
• образование пластического механизма в полке колонны при действии на соединение момента M₃
• достижение напряжений текучести на всем участке стенки колонны, воспринимающем растягивающую нагрузку при наличии ребер жесткости в колонне или без них при действии на соединение момента M₄
• достижение напряжений текучести на всем участке стенки колонны, воспринимающем сжимающую нагрузку при наличии ребра жесткости или без него, либо потеря устойчивости стенки колонны, воспринимающей сжимающее усилие, если стенка не ужесточена ребрами жесткости, при действии на соединение изгибающего момента M₅
• достижение напряжений текучести на участке стенки колонны, работающем на сдвиг, при действии момента M₆

Таким образом, величина предельного момента, воспринимаемого соединением, может быть получена по формуле:

 (1)

Кроме того, необходимо учитывать тот факт, что болты во фланцевом соединении нагружены весьма неравномерно и это учтено при разработке расчетов фланцевых соединений на прочность по болтам. Изгибающий момент, действующий на соединение, должен быть таков, чтобы в этих болтах развивались разрушающие (М₁) или расчетные (М_1р), усилия (в зависимости от цели расчета). Нейтральная ось фланцевого соединения при изгибе может, с достаточно большой степенью точности, принята совпадающей с нейтральной осью примыкающего сечения ригеля. В болтах остальных рядов действующие усилия уменьшаются пропорционально отношению расстояния от данного ряда до нейтральной оси двутавра к расстоянию первого ряда болтов до этой же оси. Для фланцевого соединения без ребер жесткости предельные усилия развиваются в болтах первого и второго ряда. В болтах остальных рядов расчетные усилия уменьшаются пропорционально отношению расстояния данного ряда до нейтральной оси к расстоянию второго ряда болтов до этой же оси.

Выражения для определения момента, который может быть воспринят болтами фланцевого соединения, имеют следующий вид:

Для фланцевых соединений с ребрами жесткости:

  (2)

Для фланцевых соединений без ребер жесткости:   (3) Для фланцевых соединений с внутренним расположением болтов:   (4) Для болтов наружной зоны:   (5)

где M₁ – предельный изгибающий момент; N_Hj – усилия, воспринимаемые болтами; n_Hj, n_Hj – число болтов наружной зоны; n – число болтов растянутой части стенки; Bp – разрушающие или расчетные усилия в болтах; λ_j – параметр жесткости болта; h - высота двутавра; b1 – расстояние от оси болта до полки двутавра; t_b – толщина полки двутавра.

Рассматриваемая серия имеет один существенный недостаток – наличие в ней большого количества опечаток.

 

Рис. 1 – Расчетная схема фланцевого соединения 2-го вида

Рассмотрим для примера фланцевое соединение на высокопрочных болтах без ребер жесткости (Рис. 1). Формула в [2] для расчета его предельного момента M₁,  выглядит следующим образом:

 (6)

Для проверки правильности выражения (6) выполним подстановку B_p (формула (5)), а также h_01, h₂, h_n, h_H1 (3), и получим формулу следующего вида:

  (7)

При сравнении численных результатов формул (6) и (7), принимая  b₁=0.045,  h= 0.593 мм, t=0.0155 мм, B_p= 266 кH, λ= 0.577 (Рис.2), получим следующие значения с разницей вычислений 24,24%:

• по (6) M₁₌615,26 кНм;
• по (7) M₁₌466,13 кНм.

Определено, что из всех типов фланцевых соединений, рассматриваемых в серии, опечатки имеются в схемах: 2, 3, 4, 6, 7, 9. В таблице 1 приведены формулы серии и откорректированные выражения для перечисленных соединений.

 

Таблица 1 – Типы фланцев и определение предельного изгибающего момента по наиболее нагруженным болтам

Примечание: а) первоначальная формула серии; б) откорректированная формула серии.

 

Согласно таблице 1 были сделаны расчеты, показывающие разность вычислений по формулам [2] и по полученным выражениям. Числовые результаты представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Сравнения численных результатам по формулам [2] и по откорректированным выражениям

Тип соединения	Предельный момент, кНм		%
	По [2]	По откорректированным формулам
2	615,26	466,13	24,24
3	639,74	633,30	1,01
4	528,99	552,93	4,33
6	873,34	902,71	3,26
7	1280,37	1255,68	1,93
9	354,53	371,53	4,58

 

Проведенный анализ [2] показал необходимость тщательной проверки остальных расчетных формул типовой серии, а также приведенных в ней справочных таблиц с числовыми результатами.

Кроме того в серии рассматривается только изгиб, который в рамных конструкциях встречается крайне редко, поэтому следует также рассматривать сжато-изогнутые элементы.

Список литературы / References

1. Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций. - М.: Госстрой СССР, 1989. - 54 с.
2. Серия 2.440-2. Узлы стальных конструкций производственных зданий промышленных предприятий. Выпуск 7. Болтовые фланцевые рамные соединения балок с колоннами стальных каркасов зданий и сооружений. – Введ. 1994.02.01. – М.:НИПИПпромстальконструкция, 1994. – 83с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rekomendacii po raschetu, proektirovaniju, izgotovleniju i montazhu flancevyh soedinenij stal'nyh stroitel'nyh konstrukcij [Guidelines for calculation, design, manufacture and assembly of flanged joints of steel building structures]. - M.: Gosstroj SSSR, 1989. – 54p. [in Russian]
2. Seriju 2.440-2. Uzly stal'nyh konstrukstij proizvodstvennyh zdanij promyshlennyh predpriyatij. Vypusk 7. Boltovye flantsevye soedineniya balok s kolonnami stal'nyh karkasov zdanij i sooruzhenij [Series 2.440-2. Knots of steel structures of production buildings of the industrial enterprises. Issue 7. Bolt flange frame connections of beams with columns of steel frameworks of buildings and constructions]. - VVed. 1994.02.01. - М.: NIPIPpromstal'konstruktsiya, 1994.-83p. [in Russian]