Соединения металлических конструкций: виды, сферы применения

19.05.2022

СОДЕРЖАНИЕ

Соединения металлических конструкций могут быть на заклепках, сварке или болтах. Основные критерии для выбора того или иного вида – назначение конструкции, особенности нагрузки, форма элементов, их роль и условия эксплуатации в целом.

Самые простые и распространенные соединения – сварные. Это быстро и недорого, а правильное выполнение шва обеспечивает высокий уровень прочности. Подробнее, какие соединения металлических конструкций в каких случаях используют, читайте в нашем материале.

Заклепочные соединения металлических конструкций

Мостовые заводы перестали производить пролетные строения с клепаными узлами в 1970-х годах. Однако отдельные клепаные элементы до сих пор востребованны, и многие производственные компании продолжают применять технологию клепки с использованием скобы.

В первую очередь речь идет об узлах и соединениях металлических конструкций, которые показывают высокий уровень выносливости и подвергаются воздействию тяжелых (как правило, северных) условий, ударных и знакопеременных нагрузок.

Заклепочные соединения металлических конструкций

Стоимость заклепочных соединений в разы ниже, чем с использованием болтов высокой прочности (ВПБ), что играет важную роль при составлении сметы на строительство.

Технология такого соединения заключается в изготовлении неразъемной конструкции путем скрепления двух или нескольких листов (деталей), используя заклепки.

Заклепка представляет собой стержень круглой формы с закладной головкой с одной стороны, с другой стороны при клепке образуется замыкающая головка. В процессе происходит сжатие деталей и формирование крепкого и неподвижного неразрывного соединения. Соответствующие стандарты определяют допустимые размеры и формы заклепок.

Заклепочный шов – это тип соединения металлических конструкций с использованием нескольких заклепок.

Читайте также: «Полочные стеллажи»

Отверстия, в которые помещаются заклепки, формируют путем продавливания или сверления. В первом случае по краям отверстий образуются мелкие трещины. Из-за них заклепочный шов может разрушиться в процессе работ. Продавливание осуществляют в том случае, если конструкция не относится к категории ответственных. Процесс сверления характеризуется низкой производительностью и высокими финансовыми затратами. При необходимости диаметр продавленных отверстий увеличивают путем сверления.

Каждой заклепке соответствует определенная зона действия (D), которая подвергается сжиманию в месте стыка листов (деталей). Плотность соединения повышается при пересечении зон действия расположенных рядом заклепок. Пластические деформации приводят к заполнению отверстий заклепочными стержнями и стягиванию стыкуемых деталей между собой. Относительный сдвиг соединяемых деталей подвергается сопротивлению со стороны заклепочных стержней, при этом на поверхности скрепления возникает сила трения.

Тип соединения металлических конструкций

В некоторых случаях плотные швы создают путем чеканки – пластического деформирования области вокруг заклепок и краевых частей листов с помощью пневматических молотков.

Производители выпускают заклепки в виде готовых изделий.

Формирование заклепочного соединения происходит по следующей технологии. Отверстия стыкуемых деталей заполняют заклепками. Далее поддерживающий инструмент помещают под закладную головку. С помощью специального клепального устройства или используя молоток (кувалду) обжимают выступающий конец заклепки (l1 ≈ 1.5d3), опуская его внутрь замыкающей головки.

Стальные заклепки и изделия из цветных металлов или сплавов диаметром, не превышающим 12 мм, закрепляют холодной клепкой; при диаметре от 12 мм заклепки нагреваются до светло-красного состояния (1000–1100 °С). Эти манипуляции позволяют получить более качественный заклепочный шов вследствие уменьшения длины остывших заклепок и стягивания деталей, а высокая сила трения в месте их стыка не дает деталям под нагрузкой сдвигаться относительно друг друга.

В числе основных преимуществ заклепочного соединения элементов металлических конструкций:

  1. оно характеризуется большой надежностью;
  2. качество клепки легко контролировать;
  3. соединения устойчивы к ударам и вибрациям;
  4. можно соединять детали из материалов, которые плохо поддаются сварке (к примеру, алюминий);
  5. изменение температур не вызывает деформирования;
  6. конструкции можно разобрать без разрушения деталей.

Среди минусов данного способа соединения металлических конструкций:

  1. высокие финансовые затраты, вызванные большим количеством операций по разметке, созданию отверстий, нагреванию заклепок, помещению их внутрь отверстий и последующей клепке, для которых необходимы дорогостоящие станки, прессы и машины для клепки;
  2. большое количество расходуемых материалов, обусловленное необходимостью использовать детали большой толщины, накладки и прочие элементы, чтобы избежать слабых мест при создании в деталях отверстий;
  3. ослабление деталей отверстиями;
  4. процесс изготовления сопровождается сильным шумом и высокими ударными нагрузками;
  5. нельзя соединить детали сложной формы.

На сегодняшний день заклепки применяются редко, все чаще соединение металлических конструкций осуществляется сваркой. Заклепочные соединения используются в тех случаях, когда сварка и склеивание будут неэффективны либо технология их применения разработана не до конца. Заклепки применяют в конструкциях, которые в процессе эксплуатации подвергаются воздействию ударов и вибраций, а потому соединения должны отличаться высокой степенью надежности.

Читайте также: «Лестница на металлическом каркасе»

Заклепочные соединения используют также в окончательно обработанных деталях, для которых нельзя допустить деформирования из-за нагрева в процессе сварки. При производстве летательных аппаратов проводится большое число клепально-сборочных работ – ряд моделей самолетов изготавливается с более чем 1 млн заклепочных соединений. Заклепки используют при изготовлении подъемно-транспортных машин, а также в конструкциях железнодорожных мостов, при строении котлов и проч.

Классификация заклепочных швов осуществляется по следующим признакам:

  • по назначению – швы высокой прочности (для мостовых и крановых ферм, летательных аппаратов и проч.), которые необходимы для создания прочных соединений, прочноплотных (котлы и резервуары высокого давления), плотных (резервуары невысокого давления), а также для создания прочных и герметичных соединений;
  • по взаимному расположению склепываемых деталей – швы, создаваемые встык с использованием одной-двух накладок; швы внахлест;
  • по числу рядов (при соединении встык считают количество рядов с одной стороны стыка) – имеющие один ряд или несколько рядов;
  • по расположению заклепок в рядах — швы, в которых заклепки располагаются параллельно или в шахматном порядке;
  • по условиям работы (по числу плоскостей среза) — в односрезных швах каждая заклепка имеет одну плоскость среза, в многосрезных – несколько плоскостей.

Болтовые соединения металлических конструкций

Один из наиболее распространенных видов болтовых соединений металлических конструкций – это фрикционные соединения. При скреплении деталей на болты действуют усилия зажима, что приводит к возникновению трения по поверхностям их контакта, которое является единственной причиной передачи усилий между элементами при их относительном смещении силами напряжения.

Болтовые соединения металлических конструкций

Применение высокопрочных болтов (ВПБ) позволяет увеличить несущую способность одного соединения, поэтому количество скреплений можно сократить. В числе других преимуществ соединения металлических конструкций болтами – возможность улучшить условия труда благодаря снижению степени вибрации, шумов и загрязнения атмосферы в процессе нагревания заклепок, а также меньшее количество проводимых операций и сокращение цикла производства.

При изготовлении металлических конструкций используют следующие типы ВПБ: 110, 110ХЛ, 135. «ХЛ» означает, что болты предназначены для применения в холодных климатических условиях. Цифровой индекс соответствует минимальному сопротивлению изделия разрыву (кН/см2).

Для изготовления ВПБ 110, 110ХЛ используют сталь 40Х «селект», для ВПБ 135 – сталь 30ХЗМФ или 30Х2НМФА. Для изготовления гаек для болтов используют сталь 35, 35Х и 40, 40Х, для изготовления шайб – сталь 35,40, ВСт5пс2 и ВСт5сп2.

Читайте также: «Ограждения пожарных лестниц»

При строительстве мостов применяются болты, диаметр которых составляет 18, 22, 24, 27 мм. Толщина соединяемого пакета определяет необходимую длину ВПБ. Для стыков и сопряжений основных несущих элементов, от которых зависит соответствие конструкции проектному положению, создаются отверстия, номинальный диаметр которых больше на 3-4 мм, чем диаметр используемых болтов.

Для скрепления элементов, которые не влияют на проектное положение, высверливаемые отверстия могут иметь диаметр на 5-6 мм больше, чем диаметр ВПБ. В данном случае ВПБ предназначены исключительно для растяжения, нельзя допускать смятие, срезы или изгибы, поэтому стержни болтов и внутренние поверхности отверстий не должны соприкасаться.

Монтажные соединения металлических конструкций

Прежде чем осуществлять болтовые соединения металлических конструкций, с поверхностей узлов и деталей необходимо удалить ржавчину, отстающую окалину, пятна масла, грунтовку и грязь. Существуют следующие способы очистки: использование металлических щеток; пескоструйная или дробеструйная обработка; огневая (газопламенная) обработка; применение дробеметной установки – металлические поверхности в области отверстий при этом можно нагреть до 250-300 °С путем газопламенной обработки.

Зачастую очищенные поверхности контакта покрывают клеефрикционным составом. Между поверхностями в местах их соприкосновения наносят карбид кремния (карборунд) – использование этого абразивного материала обеспечивает несущую способность соединений. Клеефрикционное покрытие создается путем обработки поверхности эпоксидным клеем с добавлением в него абразивного материала в виде порошка.

Благодаря клею поверхность контакта становится устойчивой к коррозиям, а абразивный материал служит для поддержания стабильно высокого коэффициента трения в области контакта.

Читайте также: «Металлические ограждения для лестниц»

Как правило, такой состав наносится на поверхность одного из скрепляемых элементов (на фасонку или накладку), но им можно обработать и обе соединяемые поверхности. Обычно перед началом монтажа проводят очистку поверхности второго элемента с помощью металлических щеток или газопламенной установки.

Для натяжения болтов на нормативное усилие используют динамометрические ключи либо ручные, пневматические или гидравлические гайковерты. Это делается одним из двух методов: натяжение по крутящему моменту – гайка закручивается с необходимым крутящим моментом; или натяжение по углу поворота – гайке задается необходимый угол поворота относительно фиксированного начального положения.

Сварные соединения металлических конструкций

В настоящее время электрическая сварка является самым распространенным способом изготовления стальных конструкций. С помощью сварки осуществляют монтажные соединения элементов металлических конструкций автодорожных и городских мостов, имеющих балочное пролетное строение со сплошными стенами.

Сварка – это технологический процесс, при котором отдельные части из твердых материалов неразрывно соединяются между собой благодаря действию межатомных сил сцепления. При сварке происходит плавление кромок соединяемых деталей и присадочного металла электрической дугой, в результате чего формируется расплавленная сварочная ванна, которая впоследствии переходит в твердое и кристаллизованное состояние.

Сварные соединения металлических конструкций

Соединение металлических конструкций сваркой отличается тем, что металл в области термической обработки меняет свои свойства, возникают остаточные напряжения и происходят деформации.

Причина востребованности сварки при строительстве мостов кроется в сниженных трудозатратах и уменьшенном расходе металла благодаря тому, что сечения элементов не ослабляются отверстиями для ВПБ. Также в процессе сварки не образуются щели, которые приводят к образованию коррозии, как это происходит при создании заклепочных соединений или при использовании болтов.

Однако сварочные работы требуют большей тщательности, нежели скрепление болтами. При создании сварочных соединений могут образоваться дефекты, в которых концентрируются напряжения, следовательно, производить расчет выносливости конструкций необходимо с их учетом. Эти дефекты выявляются непосредственно в процессе работы.

При строительстве мостов чаще всего пользуются электродуговой и электрошлаковой сваркой. Дуговая электрическая сварка может осуществляться как вручную, так и в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Работы проводятся с помощью плавящегося или неплавящегося электрода. Чаще всего для сварки используют металлический плавящийся электрод. Его материал при этом выступает в роли проводника электрического тока и присадочного металла.

Читайте также: «Металлические перила»

Сварные соединения металлических конструкций бывают следующих видов: соединения встык, внахлест и тавровые соединения. Коробчатые элементы часто соединяют угловыми сварными швами. При строительстве мостов не используются швы внахлест, так как они плохо переносят нагрузки из-за большой концентрации напряжений.

Толщина обрабатываемой металлической детали влияет на форму кромки шва – может отсутствовать скос или скос формируется на одной или обеих кромках. По способу выполнения бывают односторонние и двусторонние швы. Форме кромок соответствует угол скоса α, притупление р и зазор а.

При сварке происходит сильный нагрев и расширение металла шва и обрабатываемой детали. Вокруг области сварки металл сохраняет низкую температуру и не допускает свободного расширения. При нагревании металл становится пластичным и принимает другую форму. При охлаждении возвращается его упругость. Холодный металл вокруг зоны сварки мешает обратному сжатию изделия. Это приводит к возникновению остаточных напряжений в зоне шва и вокруг него после остывания металла.

Вид соединений металлических конструкций

Несущая способность соединений при помощи сварки зависит от дефектов, которые могут проявиться в процессе работ. Речь идет о наплывах, трещинах, подрезах, газовых порах, не проваренных местах, шлаковых включениях и проч. Каждый создаваемый шов проверяется на наличие таких дефектов с целью их устранения прежде, чем изделия будут отправлены в оборот, или до приема готовой конструкции заказчиком.

Комбинированный вид соединений металлических конструкций выполняют с помощью сварки и высокопрочных болтов, используя как можно больше преимуществ каждого из этих типов сопряжения элементов.

Читайте также: «Конструкционная сталь»

Отдельные элементы или детали скрепляются между собой с помощью различных типов соединения металлических конструкций. На выбор того или иного способа влияет напряженное состояние скрепляемых элементов; их форма; условия проведения работ; характер и степень нагрузок, которым будет подвержена готовая конструкция, и множество других факторов.

Соединения металлических конструкций

Оцените, пожалуйста, статью

Всего оценок: 1, Средняя: 5
5
5
1
1