ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАКРУЧИВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО БОЛТОКОМПЛЕКТА ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАТЯЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

для предварительного натяжения

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 624.014.2

DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.379-390

Определение коэффициента закручивания высокопрочного болтокомплекта для предварительного натяжения

Андрей Александрович Василькин, Роман Маратович Ахметзянов

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

(НИУ МГСУ); г. Москва, Россия

АННОТАЦИЯ

Введение. Использование высокопрочных болтокомплектов для предварительного натяжения, работающих во фрикционных соединениях, распространено при проектировании ответственных стальных конструкций и применяется как эффективный способ передачи усилия в условиях динамического воздействия. Предельное состояние соединения наступает, когда достигается расчетное усилие сдвига, которое зависит от коэффициента трения контактных плоскостей и величины усилия зажима, равного усилию натяжения болта. Для обеспечения требуемого усилия натяжения болта следует знать коэффициент закручивания болта, поскольку согласно действующим представлениям о фрикционной схеме работы соединения проектная работа болтового соединения обеспечена при достижении усилия натяжения болта, возникающем при необходимой величине крутящего момента. В противном случае фактическая работа соединения будет отличаться от расчетной, потому что только заданное усилие натяжения обеспечивает расчетную несущую способность болтового соединения с плоскостями трения. Проведены испытания болта на растяжение, определен коэффициент закручивания болтокомплекта из высокопрочной стали марки 10.9 М14. Материалы и методы. Исследуемые болтокомплекты выполнены по немецкому стандарту DIN 931 прочностью 10.9 размера M14 * 220, гайки по немецкому стандарту DIN 934 прочностью 10 размера М14. Для построения диаграммы работы стали болтов использовалась разрывная машина Instron 1000HDX. Определение контроля натяжения гайки e J осуществлялось с помощью динамометрического ключа NOGRAU NTW24-034R, контроль удлинения болта — с при- t 2 менением тензодатчиков FLA-5-11 и системы сбора данных National Instruments. i X

Результаты. На основе проведенных исследований проверен и предложен способ определения коэффициента за- С к кручивания болтокомплекта для предварительного натяжения. G g

Выводы. Предложенный способ установления коэффициента закручивания болтокомплекта может быть исполь- ^ г зован в исследовательской работе и позволяет определить коэффициент в случае отсутствия соответствующего С У сертификата или необходимости уточнения (проверки) заявленной величины коэффициента. • •

о S

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фрикционное соединение, коэффициент закручивания, болтокомплект для предваритель- h N ного натяжения, контролируемое натяжение, коэффициент трения y 1

J 9

o

Благодарности. Авторы выражают благодарность головному региональному центру коллективного пользования на- r -

учным оборудованием и установками НИУ МГСУ, ЛИСМИиК НИИ ЭМ, главному механику НИУ МГСУ В.В. Смелому. a §

— со

o

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Василькин А.А., Ахметзянов Р.М. Определение коэффициента закручивания высоко- — р прочного болтокомплекта для предварительного натяжения // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. Вып. 3. С. 379-390. DOI: О =-10.22227/1997-0935.2023.3.379-390 t I

Автор, ответственный за переписку: Андрей Александрович Василькин, [email protected].

со со "Z. 2 СО О

Identification of the torsion coefficient of bolts in slip-critical connections > 0

о _ о

cn

Andrey A. Vasilkin, Roman M. Akhmetzyanov

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); ® ))

Moscow, Russian Federation < T

H

ABSTRACT 3 ^

Introduction. The article proposes a method for identifying the coefficient of torsion of a high-strength bolt in the laboratory 1 ■

environment. The coefficient is found by determining the relative deformation of a drawn bolt using load cells. This method ® W

requires specialized equipment and a test bench, and it can be used to study the behavior of bolts. The value of the torsion jf ^

coefficient is necessary to ensure the appropriate bolt tension force, since according to current friction concepts of bolted W C

connections involving high-strength bolts, the design behavior of a bolted connection is ensured by the appropriate bolt ten- q *

sion force, determined using the required torque. Otherwise, the actual behavior of a bolt differs from its design behavior, WW

since only a pre-set tension force ensures the necessary bearing capacity of a bolted connection in the friction planes. 2 2

Materials and methods. Specimens of bolts under study are made according to the German standard DIN931 with 2 2

a strength of 10.9, and the size M14 * 220; their nuts comply with the German standard DIN934 with a strength of 10 and W W the size M14. Instron 1000HDX tension testing machine was used to make a diagram describing the performance of steel

© А.А. Василькин, Р.М. Ахметзянов, 2023

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

bolts. Nut tension was determined using NOGRAU NTW24-034R torque control key, and bolt elongation was controlled using FLA 5-11 strain gauges and the National Instruments data collection system.

Results. A new method for monitoring the measurement of the torsion coefficient of high-strength bolts was tested and proposed in furtherance of the research conducted by the authors.

Conclusions. As a result of testing, a change in the torsion coefficient can be evaluated depending on the torque value.

KEYWORDS: torsion coefficient of bolts in slip-critical connections, pretension, coefficient of friction

Acknowledgment. The authors express their gratitude to the head regional center for the collective use of scientific equipment and installations of the NRU MGSU, Laboratory for testing building materials, products and structures EM, the chief mechanic of the NRU MGSU V.V. Smelomu.

FOR CITATION: Vasilkin A.A., Akhmetzyanov R.M. Identification of the torsion coefficient of bolts in slip-critical connections. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(3):379-390. DOI: 10.22227/19970935.2023.3.379-390 (rus.).

Corresponding author: Andrey A. Vasilkin, [email protected].

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, несущая способность фрикционного соединения с помощью болтокомплектов для предварительного натяжения обеспечивается за счет сил трения между соединяемыми поверхностями [1]. Для увеличения силы сцепления между соединяемыми пластинами болт затягивается на усилие, равное несущей способности. Первые отечественные исследования фрикционной работы й Я выполнены в НИИ мостов при ЛИИЖТ в 1957 г. [2]. ° ° Болт из стали 40Х затягивался на усилие, близкое м м к несущей способности болта (20 т для болта М22), * ® после чего определялся коэффициент трения, рав-¡я ный отношению сдвигающего усилия к усилию на-

2 тяжения болта. Далее после многочисленных испы-СО 00

. т- таний и статистической обработки коэффициенты

т- ^ трения нормировались и использовались для уста-

| з новления несущей способности фрикционного соединения на болтах с одной плоскостью трения Qbh.

-у щ В настоящее время исследование действитель-

Л ной работы высокопрочного болтокомплекта для

О ф предварительного натяжения направлено в основ-

§ о ном на выявление влияния различных факторов

со ^ на несущую способность соединения.

о § Так, в работе [3] авторы экспериментально

™ § определяют усилие, при котором обеспечена не-

от "С сущая способность соединения, и сравнивают его <л Е

— -{д с расчетным.

о В публикации [4] показано, что при изменении 6Ъ с временного сопротивления болта наблюдается просо порциональное изменение коэффициента закручи-9 ^ вания, что позволяет на основании вероятностной

^ П Г

§ оценки зависимости уменьшить количество болтов при испытаниях болтокомплектов различной прочее § ности.

Т ^ Оценка влияния коррозионного износа соеди-

^ Э няемых поверхностей на несущую способность со-^ ц единения выполнена в труде [5]. Также различными 2 Е исследователями установлено влияние темпера-| £ туры [6], повторной нагрузки [7, 8], сейсмических ¡3 "5 колебаний [9], способа обработки соединяемых пора верхностей [10-12] на несущую способность соединения.

Рядом авторов проведены испытания действительной работы фрикционных соединений на физической [13-17] и математической моделях [18].

Имеется несколько работ по исследованию коэффициента закручивания высокопрочного бол-токомплекта. Определяются коэффициенты закручивания при различных видах смазки [19] и при ударной затяжке болтовых соединений [20]. Кроме того, предпринимаются попытки разработки аналитической модели трения соединяемых элементов с учетом микроструктуры поверхностей [21].

Поскольку усилие натяжения болтокомплек-та зависит от несущей способности болта, которая в свою очередь зависит от диаметра, то в Нормах1 приведено требуемое усилие натяжения болто-комплекта для каждого диаметра. В современных нормах для болта М22 указано усилие натяжения 22 т, что сопоставимо с усилием, при котором исследовалась работа высокопрочных болтов в 1957 г. Очевидно, что при меньших усилиях натяжения коэффициент трения между соединяемыми поверхностями будет иметь другое значение.

Для обеспечения требуемой величины натяжения болта необходимо обеспечить его контроль. Традиционно применяются следующие способы контроля натяжения болта — по углу поворота ключа, моменту закручивания, величине удлинения болта2, 3.

1 СТП 006-97. Устройство соединений на высокопрочных болтах в стальных конструкциях мостов : введен в действие Корпорацией «Трансстрой» распоряжением от 09.10.1997 № МО-233. М. : Трансстрой, 1998.

2 ГОСТ 22356-77. Болты и гайки высокопрочные и шайбы. Общие технические условия : введен в действие Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 07.02.1977 № 309.

3 ГОСТ Р 52644-2006. Болты высокопрочные с шестигранной головкой с увеличенным размером под ключ для металлических конструкций. Технические условия : введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27.12.2006 № 409-ст.

Сегодня единственным способом контроля натяжения болта, допустимым к применению отечественными нормативными документами, является контроль момента закручивания4. Хотя в СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции» допускается контроль натяжения болтов по углу поворота гайки для болтов М24 класса прочности 10.9. Учитывая широкое распространение в настоящее время динамометрических ключей, данный способ может использоваться на монтаже, однако при этом следует ежедневно тарировать ключ, что служит дополнительной технологической операцией, т.е. повышает трудоемкость.

Крутящий момент, который необходимо приложить, чтобы обеспечить натяжение болта, определяют по выражению:

Мкр = 4P ,

(1)

где Мкр — крутящий момент, Нм; k — коэффициент закручивания болта; d — диаметр болта, мм; Pbh — усилие растяжения, kH, указано в нормах.

Величина требуемого крутящего момента также приведена в нормативной литературе [19], это значение важно, поскольку от него зависит, будет ли фрикционное соединение работать в соответствии с теорией, и, кроме того, момент закручивания является единственным параметром, который можно контролировать в монтажных условиях без привлечения дополнительного оборудования и высококвалифицированного персонала.

Как следует из формулы (1), крутящий момент Мкр прямо пропорционально зависит от коэффициента закручивания болта k. Соответственно, от точности и правильности определения его значения зависит точность получения усилия растяжения Pbh и в конечном итоге несущая способность соединения Qbh.

В каждой партии болтокомплекта для предварительного натяжения производитель указывает значение коэффициента закручивания k. Болтоком-плект должен иметь коэффициент закручивания в пределах не более 0,20 и не менее 0,14 и определяется с помощью динамометра по методике ГОСТ 22356-77 «Болты и гайки высокопрочные и шайбы. Общие технические условия» [20].

В настоящей статье предложен и испытан альтернативный метод определения коэффициента закручивания болта с помощью тензодатчиков.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

На первом этапе исследования определим несущую способность болтокомплекта на растяжение для выявления резерва несущей способности и возможности превышения требуемого значения.

Для установления коэффициента закручивания k использованы высокопрочные болтокомплекты, состоящие из болта М14 класса прочности 10.9 из стали по немецкому стандарту DIN 931, и высокопрочные шайбы и гайки из стали по немецкому стандарту DIN 934. В соответствии с требованиями СТП 006-97, ГОСТ 1759.4-87 и ГОСТ Р 52643-2006 для исследования было использовано 5 болтоком-плектов. Исследование проводилось в лаборатории испытаний строительных материалов, изделий и конструкций НИУ МГСУ головного регионального центра коллективного пользования.

Испытуемые болтокомплекты устанавливались в разрывную машину Instron 1000HDX (рис. 1) и доводились до разрушения с построением соответствующих диаграмм работы материала. С целью избежания среза резьбы при растяжении на каждый болт было накручено 3 гайки. Как и ожидалось, при одноосном растяжении разрушение болтов произошло по нарезанной части болта (рис. 2).

Рис. 1. Установка высокопрочного болта в разрывной машине

Fig. 1. Fixing a high-strength bolt in a testing machine

< П i н

k к

G Г

S 2

0 со § СО

1 О y 1

J CD

u-

^ I

n °

О 3 o

О i о §

§ 2 n g

О 6

Г œ t ° C§

CD CD

4 СТО НОСТРОЙ 2.10.76-2012. Болтовые соединения. Правила и контроль монтажа, требования к результатам работ. М. : ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова», Изд-во БСТ, 2013. 48 с.

Рис. 2. Разрушение болта по нарезанной части Fig. 2. Bolt failure along the threaded part

(О (О

сч N

о о

сч сч

(О (О

К (V

U 3 > (Л

С И

U 00

. г

e (U j

ф ф

О ё

---' "t^

о

о У

8«

Z ■ i

от 13 от iE

Е о ^ с

ю о

S Ii

о Е

СП ^ т- ^

от от

£ w ■8

iE 35

О (П

Выявление фактической несущей способности болта необходимо для установления максимального крутящего момента, который можно приложить при закручивании гайки. На втором этапе исследования определялся коэффициент закручивания болтоком-плекта.

Предварительно каждый болтокомплект был подготовлен в соответствии с требованиями нормативного документа и на него наклеен тензодатчик базой 5 мм (FLA-5-11).

Высокопрочный болтокомплект размещался в силовой раме с установкой по одной высокопрочной шайбе под головку и гайку и подключался (рис. 3) к системе сбора данных National Instruments, которая снимала данные по относительному удлинению болта. Натяжение болта осуществлялось путем закручивания гайки тарированным динамометрическим ключом (max Мкр = 360 Нм) с возможным шагом увеличения момента в 2 Н м. Закручивание болта осуществлялось с постоянной скоростью, без рывков, для эксперимента принят шаг изменения крутящего момента 20 Нм.

Рис. 3. Испытание болта в силовой раме Fig. 3. Testing the bolt in the load frame

При испытании первого болта произошло про-давливание (прорезание) шайбы гайкой, видимо, из-за значительной разницы между диаметром отверстия и диаметром болта, которая составила 5 мм (рис. 4). Поэтому для релевантности проведено испытание болта в комплекте пластин с вырезом для обеспечения целостности тензодатчиков (рис. 5).

Рис. 4. Продавливание шайбы Fig. 4. Pushing the washer

Рис. 5. Испытание болта в пакете пластин Fig. 5. Testing the bolt in a package of plates

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате эксперимента на осевое растяжение болтокомплекта аналитическим модулем испытательного комплекса построена условная диаграмма работы стали болтов (рис. 6, a-c). В табл. 1 указаны предел прочности исследованных болтов, соответствующее относительное удлинение и номинальная несущая способность болта по сертификату.

В результате испытания болтокомплекта определяются данные по удлинению болта в мм и напряжение в МПа. Относительная деформация рассчитывалась по выражению:

е = —100 %, I

где А/ — это удлинение в мм, которое выдает испытательный стенд; / — длина болта от головки до места разрушения, которая определяется приближенно, поскольку не понятно, какое именно сечение болта считать местом разрушения, потому что единой плоскости не наблюдается.

Ошибка в измерении места разрушения болта составляет 10 мм, что дает разницу в определяемой относительной деформации 0,25 % (180 и 190 мм).

Кроме того, на начальном этапе испытания на растяжение происходит перемещение (обмятие/ посадка) болтокомплекта в зажимах, о чем свидетельствует фрагмент таблицы с числовыми данными, приведенными в табл. 2, и горизонтальный участок на графиках образцов № 1 и 2 (точки 1, 2).

Маловероятно, что при напряжении 1,6 МПа (0,16 кН/см2) болт удлинился на 1 мм. Буквально через 0,02 МПа (1,7 МПа) образец удлинился еще на 1 мм, и при напряжении 11,7 МПа (1,17 кН/см2) имеет удлинение 3 мм. Более существенный рост напряжений от 40 до 100 МПа соответствует уд-

й 900

Рч

S 800

■3 700

га H

с/2 600

й С

500 400 300

N 200 «

а

э

к

100

Образец № 1 / Specimen 1

4,409947368; 832,85474

/

1,471768421; 1,74163 /

/

_ /

0 0,2 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,8 4,2 4,6 5 5,4 Относительные деформации, % / Relative deformation, % a

5,8 6,2

Образец № 2 / Specimen 2

й 0-

s . g

£

а

из

е

s I

е

* к

р а

К

й Р-

а

Е

е

s I

I

к

р а

К

900 800 700 600 500 400 300 200 100

800 700 600 500 400 300 200 100

0

6,674821053;

\

/ \

/ \

\

\

0,922278947; 2,61803

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 6 6,4 6,8 7,2 7,6 Относительные деформации, % / Relative deformation, % b

Образец № 3 / Specimen 3

3,841721053 808,26788

У

0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 Относительные деформации, % / Relative deformation, %

c

4,8

Максимум ^ Точка 1 Maximum Point 1

Рис. 6. Условная диаграмма работы стали болтов

Fig. 6. Conventional diagram showing the behavior of steel bolts

Точка 2 Point 2

< П

i H

kK

о

(Л

с

o n

1 О y 1

J CD

un

О 3 o

C "P

со со

0)

M со о

о 66

r 666 c g

h о

cn

0 )

iï

® 00

oe в ■ £

s У с о

1 к «W

M 2

о о 10 10 u w

Табл. 1. Значения прочностных величин при испытании Table 1. The values of strength during testing

Удлинение болта, мм Bolt elongation, mm Усилие натяжения, кН Tensile strength, kN Напряжение, МПа Strain, MPa Относительная деформация, % Relative deformation, %

1,007 0,259 1,687 0,53

2,013 0,263 1,709 1,05

3,013 1,815 11,796 1,58

3,229 6,278 40,787 1,69

3,296 8,141 52,888 1,73

3,413 11,779 76,520 1,79

3,429 12,334 80,127 1,80

3,479 13,991 90,888 1,83

3,521 15,445 100,33 1,85

Табл. 2. Значения фактических и номинальных прочностных характеристик болта Table 2. Values of actual and nominal bolt strength

Образец Specimen Несущая способность болта, МПа Bolt bearing capacity, MPa Соответствующее значение относительной деформации е, % Corresponding value of relative deformation е, % Несущая способность болта по сертификату, МПа Bolt bearing strength according to the certificate, MPa

1 832,9 ~ 3,0 780

2 897,5 ~ 5,7 780

3 808,3 ~ 3,8 780

W (0 N N О О

сч сч

ei w к (V и з

> (Л

с и

U во

. г

в (U

ц

ф ф

О ё

---' "t^

о

о У

о со ГМ

ОТ " ОТ Е - -b^

Е §

CL° ^ с

ю о

S Ii

о Е

СП ^ т- ^

от от

£ w

■8 Ii iE 35

О (О

линению болта с 3,01 до 3,52 мм. Таким образом, 3 мм деформации можно отнести на посадку болта в зажимах, что дает разброс относительной деформации более 60 %:

А/ 8 37 е ---100% = 8--100 = 4,65%;

/ 180

£ = А/ .Ш0% = 8,37 ~ 3,0-100 = 2,98 %;

/ 180

Ы_ I

•100%:

8,37

—I

£ ---100% =-

I

190

,37 - 3,0 190

■100 = 4,4%;

100 = 2,82%.

Во второй части эксперимента при определении коэффициента закручивания практически все образцы достигают пика растяжения при моменте 200 Нм, а при достижении 220 Нм происходит срез резьбы.

После обработки полученных данных были построены графики зависимости М - е (рис. 7).

Из анализа графика можно сделать вывод, что болт работает в упругой стадии и достижение предельного состояния происходит за счет среза резьбы, т.е. материал болта не доходит до пластической стадии работы.

Следовательно, можно использовать закон Гука для определения нормальных напряжений в болте:

с = Ее,

где Е — 20 600 кН/см2 — модуль Юнга; е — относительные деформации.

Построим графики в координатах: напряжение с - Мкр (рис. 8).

Далее по формуле определения напряжений в растянутых элементах 5 = Р/А, вычислим осевое усилие натяжения болта Р и построим график зависимости усилия натяжения болта Р - М^ (рис. 9).

На заключительном этапе рассчитан коэффициент закручивания болта по формуле:

* = М,

ра

Хотя по нормам коэффициент закручивания к определяется для одного значения крутящего момента, был построен график изменения коэффициента от момента закручивания, из которого видно, что значение коэффициента увеличивается в зависимости от момента закручивания (рис. 10).

В табл. 3 представлены результаты испытаний одного из болтокомплектов и вычисленные значения коэффициента закручивания к.

Расчетная площадь сечения болта — 1,15 см2, Е = 20 600 кН/см2.

Из представленных данных следует, что при различной величине крутящего момента коэффициент также имеет разные значения. Это означает, что если поставить цель затянуть болт на усилие,

Образец 1 Moment 1 Образец 2 Moment 2 Образец 2П Moment 2P

Образец 3 Moment 3

Образец 4 Moment 4

Образец 5 Moment 5

0 50 100 150 200 250

Момент закручивания, H-м / Applied moment, H-m

Рис. 7. Зависимость относительного удлинения от приложенного момента Fig. 7. Dependence of relative elongation on the applied moment

300

X g

и S

S § *

% «

з 33

80

70

60

50

40

30

20

10

Образец 1 Moment 1

Образец 2 Moment 2

Образец 2П Moment 2P

Образец 3 Moment 3

Образец 4 Moment 4

Образец 5 Moment 5

50 100 150 200 250

Момент закручивания, H-м / Applied moment, H-m

300

Рис. 8. Изменение напряжения от приложенного момента Fig. 8. A change in strain from the applied moment

< П

i H

k к

g Г

s 2

o n

1 О

y1

J со

U-

^ I n

О 3 o

o i n

5

en

E— 33

к

е,

и

-

и

о

100,000 90,000 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000

0

Образец 1 Moment 1

Образец 2 Moment 2

Образец 2П Moment 2P Образец 3 Moment 3

Образец 4 Moment 4

Образец 5 Moment 5

50 100 150 200 250

Момент закручивания, H-м / Applied moment, H-m

300

Рис. 9. Изменение натяжения болта от приложенного момента Fig. 9. A change in tensile strength from the applied moment

u

n 2

n g

o 66

r m

С§

О )

iï

® «

00 В ■

s у с о

к

WW M M

о о 10 10 w w

0

Образец 1 Moment 1 Образец 2 Moment 2

Образец 2П Moment 2P

Образец 3 Moment 3

Образец 4 Moment 4

Образец 5 Moment 5

0 50 100 150 200 250

Момент закручивания, H-м / Applied moment, H-m

Рис. 10. Зависимость коэффициента закручивания от приложенного момента Fig. 10. A change in torsion coefficient from the applied moment

Табл. 3. Полученные значения прочностных характеристик Table 3. Resulting values of strength characteristics

Болт 4 / Bolt 4

300

Момент закручивания, Нм Applied moment, Hm Отно сительные деформации, % Relative deformation, % Напряжение, кН/см2 Strain, kN/cm2 Усилие натяжения, кН Tensile strength, kN Коэффициент закручивания K Torsion coefficient K

60 0,178 36,60 42,095 0,102

80 0,203 41,73 47,994 0,119

100 0,236 48,56 55,847 0,128

120 0,267 55,07 63,340 0,135

140 0,280 57,71 66,368 0,151

160 0,316 65,011 74,763 0,153

180 0,346 71,259 81,948 0,157

200 0,351 72,27 83,112 0,172

220 0,193 39,809 45,781 0,343

W (0 N N О О

сч сч

ci ri К (V U 3 > (Л

с и

m «о

. г

в (U j

ф ф

о ё

---' "t^

о

о у

s с

8 «

Z ■ i от « от iE ---b^

Е §

^ с

ю о

S ц

о Е

с5 °

СП ^

т- ^

от от

S2 =3

■8 IÏ iE 3s

О (0

несколько меньшее, чем указано в нормативных документах, то необходимо не только уменьшать крутящий момент, но и учитывать другое значение коэффициента закручивания, которое будет отличаться от значения в сертификате.

В Приложении ДА ГОСТ 32484.3-2013 приведены рекомендуемые усилия натяжения болтокомплек-тов для определения коэффициента закручивания. Значение коэффициента устанавливают в момент достижения заданного нормативного усилия натяжения болта, при котором фиксируют значение крутящего момента. Для болта М14 класса прочности 10,9 нормативное усилие натяжения составляет 80,5 кН и возникающее напряжение 700 Н/мм2.

Болт 1 не достиг нормативного усилия натяжения, поскольку стал обминать силовую раму, и произошло продавливание шайбы.

Для болта 2 приведены два смежных значения при моменте закручивания 160 и 180 Нм, откуда

видно, что требуемые значения находятся в промежутке между снятыми показаниями, коэффициент закручивания в обоих случаях имеет значение к = 0,149.

Для статистической обработки полученных результатов определим коэффициент вариации коэффициента закручивания, который должен быть не больше 0,10. Так что значение коэффициента закручивания к = 0,240 для болта 5 не следует учитывать.

Установленные индивидуальные значения коэффициента закручивания приведены в табл. 4. Среднее значение коэффициента закручивания испытуемой партии болтокомплектов кт = 0,163 находится в пределах ГОСТ 32484.3-2013: 0,11-0,20, что свидетельствует о возможности применения представленного способа определения коэффициента закручивания высокопрочного болта.

для предварительного натяжения

Табл. 4. Значения коэффициента закручивания Table 4. Values of the torsion coefficient

Номер болта Bolt Number Момент закручивания, Нм Applied moment, Н-m Относительная деформация, % Relative deformation, % Напряжение, кН/см2 Strain, kN/cm2 Усилие натяжения, кН Tensile strength, kN Коэффициент закручивания K Torsion coefficient K

Требуемые значения по ГОСТ Values required according to GOST 70 80,5 0,11-0,20

2 160 0,32473 66,894 76,929 0,149

180 0,36365 74,911 86,149 0,149

3 210 0,34604 71,284 81,977 0,183

4 180 0,346 71,259 81,948 0,157

5 270 0,33976 69,990 80,489 0,240

Среднее значение коэффициента закручивания The average value of the torsion coefficient 0,163

Стандартное отклонение Standard deviation 0,01777

Коэффициент вариации коэффициента закручивания Coefficient of variation of the torsion coefficient 0,10905

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

В проведенных исследованиях сделаны выводы об оценке прочности высокопрочных болто-комплектов немецкого стандарта DIN 931, указаны способы и приемы, которые позволяют определить прочность болтов и коэффициент закручивания. Получены экспериментальные данные, которые дают возможность оценить усилие, при котором будет достигаться требуемый коэффициент закручивания,

и установлена зависимость коэффициента закручивания от момента закручивания.

В статье предложена и описана методика определения коэффициента закручивания высокопрочного болтокомплекта для предварительного натяжения. Требуются дополнительные экспериментальные исследования, подтверждающие полученные данные, для оценки представленного метода и применения его с болтами других диаметров и прочностей.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Тихонов С.М., Алехин В.Н., Беляева З.В. и др. Проектирование металлических конструкций. Часть 1: Металлические конструкции. Материалы и основы проектирования : учебник. М. : Перо, 2020. 468 с.

2. Богданов Т.М. Соединения металлических конструкций на высокопрочных болтах. М. : Транс-желдориздат, 1963. 112 с.

3. Клюкин А.Ю., Фимкин А.И., Шейкин А.А. Экспериментальное определение жесткости фрикционных соединений на высокопрочных болтах в стадии предварительного сдвига // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2010. № 3 (28). С. 222-227.

4. Герасимов В.Я., Парышев Н.Д., Герасимова О.В. Сравнение временного сопротивления и коэффициента закручивания при механических испытаниях высокопрочных болтов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2012. № 2 (38). С. 53-54.

5. Jiang C., Xiong W., Cai C.S., Zhu Y., Liu Z. Experimental study on the shear behavior of friction connections with corrosion damage // Journal of Constructional Steel Research. 2022. Vol. 197. P. 107449. DOI: 10.1016/jjcsr.2022.107449

6. Xie R., Golondrino J.C., MacRae G.A., Clifton G.C. Braced frame symmetrical and asymmetrical friction connection performance // Key Engineering Materials. 2018. Vol. 763. Pp. 216-223. DOI: 10.4028/ www.scientific.net/KEM.763.216

7. Aloisio A., Contento A., Boggian F., Tomasi R. Probabilistic friction model for aluminium-steel Asymmetric Friction Connections (AFC) // Engineering Structures. 2023. Vol. 274. P. 115159. DOI: 10.1016/j.eng-struct.2022.115159

8. Ferjaoui A., Yue T., Wahab M.A., Hojjati-Tale-mi R. Prediction of fretting fatigue crack initiation in double lap bolted joint using continuum damage mechanics // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 73. Pp. 66-76. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2014.11.012

< П

i H

k к

G Г S

o ? СО

1 S

y 1

J со

E-

^ ! § °

s S

o

— ? о §

E СО § 2

§ 0

— 6 r 6

t (

an

— )

см

® «

ю n ■ £

s S

s у с о к

WW

M M

о о 10 10 u w

(О (О

сч N

о о

сч сч

ci ri К (V U 3 > (Л С И

ta «о

. г

в (U

ц

ф ф

О £

---' "t^

о

о у

s с 8 «

z ■ i от 13 от Е

Е о ^ с

ю о

S3 «

о Е

с5 °

СП ^

т- ^

от от

S2 =3

■8 IÏ

О (О

9. Yan Z., Bagheri H., Ramhormozian S., Clifton G.C., Rangwani K., DhakalR.P. et al. Three-storey configurable steel framed building incorporating friction based energy dissipaters: Structural configuration and instrumentation // New Zealand Society for Earthquake Engineering Annual Technical. 2021.

10. Мартынов Г.В., Монастырева Д.Е., Макаров А.И., Морина Е.А. Напряженно-деформированное состояние фрикционных соединений с лазерной обработкой контактных поверхностей // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 1. С. 72-82. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.1.72-82

11. Коваленко А.И., Конин Д.В., Нахваль-нов П.В., Соловьев Д.В. Экспериментальное исследование коэффициента трения фрикционных болтовых соединений // Строительная механика и расчет сооружений. 2022. № 4 (303). С. 61-67. DOI: 10.37538/0039-2383.2022.4.61.67

12. Ведяков И.И., Конин Д.В., Нахвальнов П.В. Экспериментальное исследование фрикционных болтовых соединений из высокопрочных сталей // Промышленное и гражданское строительство. 2022. № 7. С. 24-33. DOI: 10.33622/0869-7019. 2022.07.24-33

13. Семенов А.А., Маляренко А.А., Порыва-ев И.А., Сафиуллин М.Н. Напряженно-деформированное состояние высокопрочных болтов фланцевых соединений в укрупнительных стыках стропильных ферм // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 5 (49). С. 54-62. DOI: 10.5862/MCE.49.6

14. Солодов Н.В. Прочность и деформатив-ность при смятии в болтовом соединении // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 1. С. 82-87. DOI: 10.12737/23889

Поступила в редакцию 10 января 2023 г. Принята в доработанном виде 5 февраля 2023 г. Одобрена для публикации 9 марта 2023 г.

Об авторах: Андрей Александрович Василькин — кандидат технических наук, доцент кафедры металлических и деревянных конструкций; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ID: 636406, Scopus: 57192557109; [email protected];

Роман Маратович Ахметзянов — магистр кафедры металлических и деревянных конструкций; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; [email protected].

Вклад авторов:

Василькин А.А. — научное руководство, научное редактирование текста статьи.

Ахметзянов Р.М. — подготовка моделей, проведение эксперимента, обработка результатов эксперимента. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

15. Ramhormozian S., Clifton G.C., Bergen B., White M., Macrae G.A. An experimental study on the Asymmetric Friction Connection (AFC) optimum installed bolt tension // NZSEE Annual Technical Conference and 15 th World Conference on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Active Vibration Control of Structures. 2017.

16. Cui Y., Yan Z., WangX., Wang T. Experimental studies on slip friction device using symmetric friction connections // Structures. 2022. Vol. 44. Pp. 18861897. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.09.005

17. Конин Д.В., Нахвальнов П.В., Олуромби А.Р. Исследование многоболтовых сдвигоустойчивых соединений элементов стальных конструкций из сталей с пределом текучести до 500 МПа // Строительная механика и расчет сооружений. 2020. № 4 (291). С. 8-17. DOI: 10.37538/0039-2383.2020.4.8.17

18. Klyukin A.Yu. Mathematical model of a friction joint consisting of two sheets // Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. 2014. № 3 (23). Pp. 84-99.

19. Mascenik J., Coranic T. Experimental determination of the coefficient of friction on a screw joint // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. Issue 23. P. 11987. DOI: 10.3390/app122311987

20. Wettstein A., Matthiesen S. Investigation of the thread coefficient of friction when impact tightening bolted joints // Forschung im Ingenieurwesen. 2020. Vol. 84. Issue 1. Pp. 55-63. DOI: 10.1007/s10010-019-00392-z

21. Hol J., Cid Alfaro M.V., de Rooij M.B., Meinders T. Advanced friction modeling for sheet metal forming // Wear. 2012. Vol. 286-287. Pp. 66-78. DOI: 10.1016/j.wear.2011.04.004

для предварительного натяжения

REFERENCES

1. Tikhonov S.M., Alekhin V.N., Belyaeva Z.V. et al. Design of steel structures. Part 1: Steel constructions. Materials and basic designing : handbook. Moscow, Pero Publ., 2020; 468. (rus.).

2. Bogdanov T.M. Connections of metal structures on high-strength bolts. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1963; 112. (rus.).

3. Klyukin A.Y., Fimkin A.I., Sheikin A.A. The experimental definition of rigidity of frictional joints in high-strength bolts on the stage of prior-shearing. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta/Journal of Construction and Architecture. 2010; 3(28):222-227. (rus.).

4. Gerasimov V.Y., Paryshev D.N., Gerasimo-va O.V. Comparison of temporary resistance and twisting coeffizient at mechanical testing of high-strength bolts. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2012; 2(38):53-54. (rus.).

5. Jiang C., Xiong W., Cai C.S., Zhu Y., Liu Z. Experimental study on the shear behavior of friction connections with corrosion damage. Journal of Constructional Steel Research. 2022; 197:107449. DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107449

6. Xie R., Golondrino J.C., MacRae G.A., Clifton G.C. Braced frame symmetrical and asymmetrical friction connection performance. Key Engineering Materials. 2018; 763:216-223. DOI: 10.4028/www.scien-tific.net/KEM.763.216

7. Aloisio A., Contento A., Boggian F., Toma-si R. Probabilistic friction model for aluminium-steel Asymmetric Friction Connections (AFC). Engineering Structures. 2023; 274:115159. DOI: 10.1016/j.eng-struct.2022.115159

8. Ferjaoui A., Yue T., Wahab M.A., Hojjati-Tale-mi R. Prediction of fretting fatigue crack initiation in double lap bolted joint using continuum damage mechanics. International Journal of Fatigue. 2015; 73:6676. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2014.11.012

9. Yan Z., Bagheri H., Ramhormozian S., Clifton G.C., Rangwani K., Dhakal R.P. et al. Three-storey configurable steel framed building incorporating friction based energy dissipaters: Structural configuration and instrumentation. New Zealand Society for Earthquake Engineering Annual Technical. 2021.

10. Martynov G.V., Monastyreva D.E., Ma-karov A.I., Morina E.A. Stress-strain state of friction joints with laser treatment of contact surfaces. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2019; 14:1:72-82. DOI: 10.22227/19970935.2019.1.72-82 (rus.).

11. Kovalenko A.I., Konin D.V., Nahvalnov P.V., Solovev D.V. Experimental study of the coefficient of friction in slip critical bolt joints. Structural Mechanics and Analysis of Constructions. 2022; 4(303):61-67. DOI: 10.37538/0039-2383.2022.4.61.67 (rus.).

12. Vedyakov I.I., Konin D.V., Nahvalnov P.V. Experimental study of friction bolted joints made of high-strength steels. Industrial and Civil Engineering. 2022; 7:24-33. DOI: 10.33622/0869-7019.2022.07.2433 (rus.).

13. Semenov A.A., Malyarenko A.A., Pori-vaev I.A., Safiullin M.N. Stress-strain behavior investigation of friction grip bolts in flange joints of trusses.

Magazine of Civil Engineering. 2014; 5(49):54-62. DOI: 10.5862/MCE.49.6 (rus.).

14. Solodov N.V. Strength and deformability when crumpled in a bolted joint. Bulletin of BSTUnamed after V.G. Shukhov. 2017; 1(2):82-87. DOI: 10.12737/23889 (rus.).

15. Ramhormozian S., Clifton G.C., Bergen B., White M., Macrae G.A. An experimental study on ^ B the Asymmetric Friction Connection (AFC) optimum s £ installed bolt tension. NZSEE Annual Technical Con- i i ference and 15th World Conference on Seismic Isola- g K tion, Energy Dissipation and Active Vibration Control O r of Structures. 2017. C y

16. Cui Y., Yan Z., Wang X., Wang T. Experi- § S mental studies on slip friction device using symmetric § N friction connections. Structures. 2022; 44:1886-1897. § 9 DOI: 10.1016/j.istruc.2022.09.005 o -

17. Konin D.V., Nakhvalnov P.V., Olurom- 0 g

l 3

bi A.R. Engineering method for calculating a gable o (

block made of membrane panels. Structural Mechan- o i

ics and Analysis of Constructions. 2020; 4(291):8-17. S §

DOI: 10.37538/0039-2383.2020.4.8.17 (rus.). f $

18. Klyukin A.Yu. Mathematical model of a fric- o 2 tion joint consisting of two sheets. Scientific Herald of o g the Voronezh State University of Architecture and Civil § 6 Engineering. Construction and Architecture. 2014; h § 3(23):84-99. fo

19. Mascenik J., Coranic T. Experimental deter- r O

§ e

mination of the coefficient of friction on a screw joint. • •

Applied Sciences. 2022; 12(23):11987. DOI: 10.3390/ l O app122311987

20. Wettstein A., Matthiesen S. Investigation of ® » the thread coefficient of friction when impact tighten- C ® ing bolted joints. Forschung im Ingenieurwesen. 2020; w □ 84(1):55-63. DOI: 10.1007/s10010-019-00392-z

21. Hol J., Cid Alfaro M.V., de Rooij M.B., « « Meinders T. Advanced friction modeling for sheet metal g g forming. Wear. 2012; 286-287:66-78. DOI: 10.1016/j. g g wear.2011.04.004

Received January 10, 2023.

Adopted in revised form on February 5, 2023.

Approved for publication on March 9, 2023.

B ionotes : Andrey A. Vasilkin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Metal and Wooden Structures; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RSCI: 636406, Scopus: 57192557109; [email protected];

Roman M. Akhmetzyanov — Master of the Department of Metal and Wooden Structures; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].

Contribution of the authors:

Andrey A. Vasilkin — scientific guidance, scientific editing of the text of the article.

Roman M. Akhmetzyanov — preparation of models, conducting an experiment, processing the results of the experiment. The authors declare that there is no conflict of interest.

W (0 N N

o o

N N

pi CO

* (V

U 3

> in

E M

to eo

. r

« Q j

<D <1J

O g

---' "t^

o

o £2

3 «

z ■ i

w «

co E

E O cl°

Ln O

S «

o E

CD ^

CO CO

■8

il

O (0

№