«К расчету несущей способности соединений самосверлящими самонарезающими винтами» – Журнал «Крепеж, клеи, инструмент и…», №2 2006 г.

2006-02-24

Брызгалов А.В., руководитель инжинирингового центра
ООО «Архелон»

К РАСЧЁТУ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
СОЕДИНЕНИЙ САМОСВЕРЛЯЩИМИ
САМОНАРЕЗАЮЩИМИ ВИНТАМИ

Условия прочности и надёжности, предъявляемые к системам навесных вентилируемых фасадов, требуют от разработчиков систем тщательного контроля прочностных характеристик конструкций несущих подсистем.

При выполнении расчётов несущей способности фасадных систем определённые вопросы вызывают узлы соединений несущих профилей, выполненных из тонколистовых стальных материалов, между собой при помощи крепёжных изделий.

Традиционно, в качестве крепёжных изделий используют самосверлящие самонарезающие винты (саморезы), в основном, зарубежного производства. Теоретическая база для выполнения расчётов несущей способности самосверлящих винтов практически отсутствует, и подбор расчётной модели затруднён. Сведения о предельно допустимых нагрузках, указываемые в каталогах производителей, отличаются как по способам нагружения, так и по скрепляемым материалам.

Как правило, указываются разрушающие нагрузки при сдвиге листов различной толщины и вырыве крепёжного изделия из одного или двух листов металла, при этом отсутствуют данные о фактических перемещениях элементов соединений, и не всегда схема нагружений соответствует нагрузкам, действующим в системах навесных вентилируемых фасадов.

В рамках выполнения расчёта несущей способности системы навесных вентилируемых фасадов «НАВЕК» для получения реальной картины поведения крепёжных элементов в узлах конструкции компания «Архелон» провела серию натурных испытаний соединений на сдвиг листов металла и вырыв крепёжных изделий для различных толщин материалов, соединяемых при помощи крепёжных изделий, представленных на российском рынке.

Для проведения испытаний были выбраны следующие саморезы (рис.1):

1) OM 4,8х16 (неизв. произв., Малайзия); 2) 0214 DIN 7504K4,8x16 (FERROMETAL OY, Финляндия); 3) S-MD01Z 4,8x19 (HILTI, Лихтенштейн); 4) SL24,8 x 20 (SFS intec AG, Швейцария).

Особенность выбора состояла в том, что саморезы FM и OM имели широкое лезвие сверла, а HILTI и SFS –узкое, сравнимое с диаметром стержня винта.

Фактические геометрические характеристики крепёжных изделий (рис.2) представлены в представлены в таблице 1.

  Таблица 1

Анализ схемы показал, что крепёжные элементы в узлах скрепления направляющих фасадных систем «НАВЕКТ» не испытывают сложных нагрузок в процессе эксплуатации, и для определения максимальных допустимых нагрузок допускается проверить элементы только на срезающие и вытягивающие воздействия.

Для получения картины, приближённой к реальным условиям работы, образцы для испытаний на сдвиг были окрашены полимерно-порошковым покрытием в соответствии с технологией антикоррозионной защиты металлоконструкций системы.

Испытания проводились в лаборатории кафедры теоретической механики Казанского государственного университета на разрывной машине с электронным комплексом регистрации показаний.

  Таблица 2 Сдвиг листа

  Таблица 3 Вырыв из листа

Результаты испытаний представлены в таблицах 2, 3 и графиками (рис.3, рис.4).

       Рис. 3 Сдви листа

       Рис. 4 Вырыв из листа

При анализе полученных результатов установлено, что заявленные производителями крепежа характеристики разрушающих нагрузок на сдвиг листов и вырыв крепёжных изделий из тонколистовых материалов частично совпадают с полученными результатами (с учётом погрешностей и неточного соответствия толщин применяемых материалов), а в ряде случаев и ниже полученных результатов, что может говорить о заявленных  допускаемых нагрузках и заложенном запасе прочности соединений (таблица 4).

  Таблица 4

На графиках нагружений срезающими усилиями отчётливо определяются зоны выбора зазоров (А), зона упругих деформаций (Б), площадки «текучести» (В), предел прочности (Г) (рис. 5).

     Рис. 5

Поскольку твёрдость материалов крепёжных элементов во всех случаях намного выше твёрдости материалов исследуемых образцов, зона Б образуется смятием материала образцов. Зона В образуется за счёт наклона саморезов и отсутствует на графиках заклёпок. Далее материал образца сминается вокруг шляпки самореза и продолжает течь до разрыва металла в зоне отверстия – зона Г. При этом абсолютное перемещение образцов может достигать неприемлемых для фасадных строительных систем величин (до 10-12 мм).

Таким образом, в качестве критерия прочности соединения следует принимать либо усилие окончания зоны пропорциональных (упругих) деформаций ( Fп ) – момент начала вращения самореза, либо нагрузку при допускаемых перемещениях ( Fд2 ), принятых для
строительных систем равными 2 мм, что наступит раньше. В качестве альтернативного критерия прочности по допускаемым перемещениям, можно принять нагрузку при перемещении равном 1 мм (Fд1).

В таком случае, запас прочности соединений (n) будет определяться отношением усилия разрушения соединений (Fр) к критериям прочности.

При анализе величин разрушающих усилий саморезов при вырыве, однозначно установлена обратная взаимосвязь между величиной усилия и диаметром сверла самореза для всех толщин материалов (таблица 5).

   Таблица 5

Из этого можно сделать вывод о том, что саморезы с небольшим диаметром сверла предпочтительны при выборе крепёжных элементов.

В результате анализа был определён критерий для нахождения величин допустимых нагрузок на перемещение для систем навесных вентилируемых фасадов. Допустимые нагрузки, в нашем случае, это такие нагрузки, при которых перемещение не превышает 1 мм. Это условие согласуется с допусками на прогибы и перемещения для систем навесных вентилируемых фасадов согласно СНиП 2.01.07_85 «НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ» и СНиП 3.03.01_87 «НЕСУЩИЕ И ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ». Главный результат – экспериментальное получение данных о допускаемых нагрузках для узлов металлических конструкций, соединяемых крепёжными изделиями, в зависимости от их геометрических характеристик, которые рекомендуются к использованию в прочностных расчётах (полный отчёт о проведённых исследованиях и полученных результатах по всем видам крепёжных изделий можно получить в компании «Архелон» www.navek.ru).

Методика подбора необходимого количества крепёжных элементов заключается в определении действующей на элемент конструкции нагрузки и подборе по графикам допускаемых нагрузок необходимого количества элементов, при этом коэффициент запаса по прочности принимается равным отношению разрушающих и допускаемых нагрузок.

Компания «Архелон» при методической поддержке специалистов Федерального Центра оценки продукции в строительстве при Росстрое РФ продолжает в настоящее время работу по повышению надёжности конструкций фасадных систем «НАВЕК» и изучению поведения крепежа в узлах несущей подконструкции. Недавно завершены испытания узлов на заклёпочных соединениях, материалы которых также будут представлены для специалистов в области фасадных систем и крепежа.

Вернуться в раздел