Общая характеристика и виды болтовых соединений

Болтовые соединения в строительных конструкциях появились раньше сварных и начали применяться одновременно с появлением чугунных конструкций (примерно с половины XVIII в.). Простота соединений и надежность в работе способствовали их широкому распространению в строительстве при монтаже металлических конструкций.

Однако болтовые соединения более металлоемки, чем сварные, так как имеют стыковые накладки, а отверстия для болтов ослабляют сечения элементов.

В строительных конструкциях применяют болты грубой, нормальной и повышенной точности, высокопрочные, самонарезающие и фундаментные (анкерные). Болт для соединения конструкций имеет головку, гладкую часть стержня длиной на 2-3 мм меньше толщины соединяемых деталей, и нарезную часть стержня, на которую надевается шайба и навинчивается гайка (рис.1,а).

Болты грубой точности (класс точности С) и нормальной точности (класс точности В) различаются допусками на отклонения диаметра болта от номинала. Дня болтов грубой и нормальной точности отклонения диаметра могут достигать соответственно 1 и 0,52 мм (для болтов  мм). Изготовляют болты из углеродистой стали горячей или холодной высадкой, иногда с последующей термообработкой.

Болты класса точности А ставят в отверстия, просверленные на проектный диаметр в собранных элементах. Диаметр отверстия для таких болтов не должен отличаться более чем 0,3 мм от диаметра болта. Плюсовой допуск для диаметра болтов и минусовой допуск для отверстия не разрешаются.

Болты класса точности С и В целесообразно применять в условиях монтажа. Строительные нормы и правила разрешают применять болты С и B в конструкциях из стали с пределом текучести до 380 Н/мм² =38 кН/см².

Болты этих классов точности в соединении ставят в отверстия, образованные продавливанием или сверлением в отдельных элементах. Диаметр этих отверстий должен быть на 2–3 мм больше диаметра болта. В результате неполного совпадения осей отверстий в отдельных элементах отверстие под болт имеет негладкую поверхность – "черноту" (класс точности С), что исключает плотную посадку болта в отверстие. Разница в диаметрах болта отверстия облегчает посадку болтов и упрощает образование соединения; это большое преимущество таких болтов. Однако неплотная посадка болта в отверстие повышает деформативность соединения при работе на сдвиг и увеличивает неравномерность работы отдельных болтов в соединении. Поэтому болты классов С и В не рекомендуется использовать в ответственных соединениях, работающих на сдвиг. Их широко применяют как крепежные элементы в конструкциях или в случаях, когда они работают на растяжение.

Высокопрочные болты изготавливают из легированной стали. Готовые болты подвергают термической обработке. Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности. Их ставят в отверстия большего диаметра, чем болт. Обычно их гайки затягивают тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. Большая сила натяжения болта позволяет плотно стягивать соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. При действии на такое соединение сдвигающих сил между соединяемыми элементами возникают силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно друг друга. Таким образом, высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами, именно поэтому подобное соединение часто называют фрикционным.

Соединения на высокопрочных болтах не уступают обычным болтовым соединениям по простоте устройства соединения, а сварным соединениям – по качеству работы, но уступают им по расходу металла. Они используются в монтажных соединениях, имеющих большие сдвигающие силы, и при действии динамических и вибрационных нагрузок.

Самонарезающие болты отличаются от обычных наличием резьбы полного специального профиля на всей длине стержня для завинчивания в ранее образованные отверстия соединяемых деталей (рис.1,б). Материалом для них служит термоупрочненная сталь, Обычно они имеют диаметр d_b = 6 мм и применяются для прикрепления профилированного настила к прогонам и элементам фахверка. Большим преимуществом таких болтов является необходимой доступа к конструкции только с одной стороны.

Фундаментные (анкерные) болты служат для передачи растягивающих усилий с колонн на фундамент (рис.1 в,г).

В строительных конструкциях используются болты различных классов прочности. Класс прочности болтов обозначается цифрами от 4,6 до 10,9. Первое число, умноженное на 10, обозначает временное сопротивление , кН/см², а произведение первого числа на второе – предел текучести материала , кН/см².

Различают несколько видов болтовых соединений. По числу поставленных болтов они разделяются на одноболтовые и многоболтовые, а по характеру передачи усилия в соединении от одного элемента к другому – на несдвигоустойчивые и сдвигоустойчивые (фрикционные). В несдвигоустойчивых соединениях сила затяжки гайкой не контролируется и считается, что усилие не передается через трение поверхностей соединяемых элементов. В соединениях же сдвигоустойчивых сдвигающие силы передаются трением между соединяемыми элементами и учитываются при проектировании соединений. В соединениях без контролируемого натяжения могут использоваться болты различных классов прочности, в том числе и высокопрочные. В расчетах таких соединений учитываются сопротивления растяжению, смятию и срезу без учета сил трения.

Болтовые соединения на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением могут быть как фрикционными, так и фрикционно-срезными (часть усилия передается через трение поверхностей соединяемых элементов, а часть через смятие, как при неконтролируемом натяжении).