Болты, особенности расчетов на прочность

Болт — металлический крепеж, который может выступать как самостоятельный крепеж, так и в сочетании с другими изделиями. Анкерный болт уже другое строительное крепление, относящееся к анкерной технике. Однако расчет нагрузки, характерные разрушения будут те же, что для болта прямого, с отгибом или в составе анкера.

Виды разрушений, встречающиеся при участии болтов

Исходя из практики, для болтов важны два вида расчетных нагрузок: на вырыв и на срез. Под прочностью на вырыв, который сопровождается растяжением крепежа, подразумевается устойчивость к разрушению бетона по конусу и краю; вырыв болта из отверстия или разрушение стального тела метиза.

Сдвиг крепежа происходит, когда нет достаточной прочности на срез и сопровождается разрушением бетона по краю и под действием рычага, а также разрушение по стали.

Расчет болтов

Практически все метизы изготовляют из низколегированной стали 09Г2С, которая отлично сохраняет все свои свойства при отрицательных температурах (от -40⁰С до -65⁰С), а значит соответствующие болты применимы для наружных работ.

В ответственном строительстве и работах, регламентированных техзаданием, важно произвести предварительный расчет нагрузок Р.

Р=1,35 Р_стат + 1,5 Р_динам , где 1,35 и 1,5 — коэффициенты частичного запаса прочности при расчетах, достаточных для безопасного крепления, Р_стат — статические нагрузки, Р_динам — динамические нагрузки.

Все болты должны быть затянуты на величину расчетной затяжки F, которая зависит от нагрузки Р, которую планируется прилагать на объект:

для статических нагрузок F=0,75 P,

для динамических F=1,1 P.

Если нет комментариев в техническом задании к условиям по монтажу, можно принять данные ниже в таблице 1:

Таблица 1

Простым расчетом можно принять величину усилия, с которым необходимо производить затяжку резьбового соединения, равной 75-80% от допускаемого крутящего момента.

Возникшее в соединении напряжение немного уменьшится с течением времени, так как узел будет находиться не только в нагруженном состоянии, но и релаксации. Расчет усилия натяжки болта подразумевает и это небольшое снижение.

В расчетах на прочность болта большое значение имеет площадь поперечного сечения А. Зная нагрузку Р, можно вычислить, на какую площадь она может быть распределена или, проще говоря, какой диаметр болта может ее выдержать.

А=k P / R,

где k=1,35 для динамических нагрузок,

k=1,05 для статических нагрузок,

R=185 МПа (или 1,85 кПа) — расчетное сопротивление металла растяжению для болтов диаметром от 10 до 30 мм (Данная величина зависит от материала и соответствует марке стали 09Г2С).

С помощью формулы ниже можно рассчитать также площадь поперечного сечения на выносливость:

А=1,8 χ μ k Р/ α R,

где χ – коэффициент нагрузки для болта в зависимости от его конструкции (см.табл.2 ниже);

μ - коэффициент, учитывающий масштабный аспект, зависящий от диаметра болта: 0,9 — для d=10-12мм, 1,0 - для d=16-18мм, 1,1 - для d=20-24мм;

k=1,35 для динамических нагрузок, k=1,05 для статических нагрузок,

α- коэффициент, учитывающий число циклов нагружения (см.табл.3 ниже)

R=185 МПа (или 1,85х10⁵ кПа) — расчетное сопротивление металла растяжению для болтов диаметром от 10 до 30 мм (Данная величина зависит от материала и соответствует марке стали 09Г2С)

Таблица 2

Таблица 3

Полученные расчетным путем площади сечения болтов в анкере по резьбе на прочность и выносливость можно сопоставить с их диаметрами. Воспользуйтесь таблицей 4 ниже:

Таблица 4 соотношения диаметра болта в анкере и площади сечения по резьбе

^* Анкеры с болтами диаметром от М10 до М20 находятся в ассортиментной матрице на сайте ГОСКРЕП; болты DIN 933 — с М5 до М24.

Пример расчета:

Задана динамическая нагрузка на соединение = 3 кН (или 305 кг);
число циклов нагружения = 0,8 х 10⁶.

Необходимо вычислить диаметр болта в анкере и величину усилия затяжки при установке крепежа.
А=k P / R=1,35 х 3 кН / 1,85 х 10⁵ кПа = 0,0000219 м² = 0,22 см²

Согласно Таблице соотношения диаметра болта в анкере и площади сечения по резьбе (см.выше) принимаем анкерный болт с диаметром резьбы М10 (A = 0,571 см²).
А=1,8 χ μ k Р/ α R=1,8 х 0,55 х 1,1 х 3 кН / 1,57 х 1,85 х 10⁵ кПа = 0,0000112 м² = 0,11 см²
Выбранный диаметр болта в анкере вполне соответствует требованиям и на выносливость.

Усилие затяжки крепежа равно F=1,35 Р = 1,35 х 3 кН = 4,05 кН

Рекомендации при установке болта

В таблице 5 указаны некоторые особенности по установке болтов в основание

При установке болтом важно приложить такое усилие, чтобы крепление было затянуто ни слишком слабо, ни через чур туго. В первом случае в процессе эксплуатации крепеж будет повреждаться (из-за недостаточно прочной фиксации может деформироваться в отверстии); во втором — он может быть испорчен еще во время установки изделия (например, произойдет срыв резьбы).

Если в соединение входят несколько креплений. То следует производить их фиксацию в шахматном порядке симметрично к осям оборудования и в несколько заходов. Напряжение от затяжки в таком случае не будет сконцентрировано в одном определенном месте, чего как раз надо избегать.

Если заведомо известно, что соединение будет подвергаться значительным нагрузкам, то после завершения монтажа и запуска рабочего процесса, в котором задействована конструкция, элемент с установленными болтами, следует подтянуть усилие затяжки до ранее вычисленной.

Инструмент, необходимый для установки болта:

• ключи комбинированные, накидные
• динамометрический ключ — ручной инструмент, включающий в себя гаечный ключ и динамометр для определения крутящего момента при затяжке резьбовых соединений
• ключ-мультипликатор для установки болтов диаметром от 27 мм и более, позволяющий зафиксировать надежно ответственные соединения с регулировкой крутящего момента.