Заклепочные соединения

Заклепочные соединения

ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, неразъемные соединения частей машин, паровых котлов, аппаратов и инженерных сооружений при помощи заклепок. В зависимости от требований, которые к ним предъявляются, различают три главных вида заклепочных соединений: 1) соединения прочные, от которых требуется лишь достаточная сопротивляемость действию внешних сил; употребляются они главным образом в металлических конструкциях и мостах; 2) соединения прочноплотные, применяемые там, где, кроме механической прочности, требуется еще достижение непроницаемости для жидкостей или газов; эти заклепочные соединения применяются при постройке паровых котлов и вообще резервуаров, подверженных сильному внутреннему или внешнему давлению; 3) соединения плотные, от которых требуется достаточная плотность швов, механическая же прочность обычно получается на много превышающей необходимую по причине незначительности нагрузок; этот род заклепочных соединений применяется при склепывании резервуаров, не подвергающихся высоким давлениям (газгольдеры, открытые резервуары для жидкостей). Особняком стоят заклепочные соединения, применяемые для соединения между собой частей судового набора; невозможность точного учета усилий, действующих в отдельных элементах набора, заставляет пользоваться в этом случае эмпирическими, выработанными долголетней практикой формулами и способами расчета.

I. Прочные заклепочные соединения применяются гл. обр. в инженерных сооружениях и служат для передачи усилий от одних элементов к другим.

Расположение заклепок в соединениях. Расстояния между заклепками по длине склепываемых элементов (по направлению действия сил) и в поперечном направлении устанавливаются конструктивными требованиями. Линии, проходящие через центры заклепок одного продольного или поперечного ряда, носят название рисок. Пересечения рисок определяют положение отдельных заклепок. Расстояние между заклепками одного продольного или поперечного ряда называют шагом заклепок. В металлических конструкциях и мостах при размещении заклепок следует руководствоваться следующими принципами. Т. к. от способа разбивки заклепок зависит большая или меньшая сложность разметки заклепочных соединений на заводе, то для упрощения разметки следует на всем протяжении отдельных элементов сохранять одни и те же продольные риски, не сбивая их в стыках и прикреплениях, а лишь добавляя, в случае необходимости, дополнительные риски. Шаг заклепок также следует, по возможности, сохранять постоянным в межстыковой части, в стыках же и прикреплениях - применять другой, меньший шаг, находящийся по возможности в простом отношении к основному. Для увязки всех шагов на длине элемента необходимы сбои шага, которые желательно концентрировать в одном месте, например, в центре узла - для сквозной фермы или в первых шагах после стыка и т. д. Стремление к упрощению разметки не должно производиться за счет удлинения стыковых элементов и фасонок, т. е. за счет увеличения веса конструкции. Расстояния между заклепками выражаются через диаметр заклепок d и толщину склепываемых элементов δ.

В металлических конструкциях обычно предъявляют следующие конструктивные требования к размещению заклепок. Расстояние между заклепками одного ряда, т. е. шаг заклепок, в направлении действия усилия должен быть не менее 3d и не более 8d для сжатых и 12d для растянутых элементов и, кроме того, для тех и других не более 16δ, где δ - толщина наружного листа пакета. При шахматном расположении заклепок наименьшее расстояние между центрами заклепок по диагонали д. б. равно 3,5d, наименьшее расстояние между рядами (ширина дорожки) при этом д. б. не меньше 1,5d. Расстояние между заклепками в крайних рядах листов или полос, при отсутствии окаймляющих уголков, д. б. не более 7d. В стыках наибольшее расстояние между заклепками не д. б. более 8d. Выбор величины шага заклепок в пределах межстыковой части производится в указанных выше пределах, причем увеличение этого шага уменьшает стоимость, но возможно лишь до указанных выше пределов, т. к. увеличение расстояний между заклепками уменьшает плотность соединения. В стыках желательно возможное уменьшение шага, т. к. этим укорачиваются дополнительные элементы в соединениях. Расстояние от центра первой заклепки до края элемента в направлении действия усилия д. б. не меньше 2d и не более 8δ. В направлении, перпендикулярном к направлению действия усилия, расстояние это д. б. не менее 1,5d и не более 3,5d и 8δ. Увеличение расстояния до края листа сверх указанных норм может вызвать отставание листов. Приведенные выше правила расположения заклепок в соединениях показаны на фиг. 1.

Правила расположения заклепок в соединениях

В мостах заклепочные соединения должны удовлетворять следующим требованиям. Наименьшее расстояние между центрами заклепок, как в продольном, так и в поперечном направлениях не д. б. меньше 3d. При шахматном расположении заклепок наименьшее расстояние между центрами заклепок по диагонали равно 3,5d/δ1, но не меньше 3d (где δ1 - толщина наиболее тонкого из склепываемых элементов в см). Наибольший шаг заклепок в крайних рядах склепываемого пакета не должен превышать 7d или 16-кратной толщины наружного листа пакета. При наличии окаймляющих уголков с шахматным расположением заклепок указанный шаг вдоль каждой риски удваивается. В сжатых элементах расстояние между связующими заклепками не должно превосходить в продольном направлении 16-кратной толщины наружного листа пакета, а в поперечном направлении - 24-кратной. В растянутых элементах продольный и поперечный шаги связующих заклепок не должны превышать 24-кратной толщины наружного листа.

Расположение заклепок в уголках м. б. однорядное или двухрядное в шахматном порядке; последнее возможно в уголках с шириной полок ≥120 мм. Расстояние рисок от обушка (точки а) уголка (фиг. 2) назначается для различных калибров т. о., чтобы было возможно производить клепку; для этого необходимо, чтобы:

Zaklepochnye soed 2

и

Zaklepochnye soed 3

Эти требования необходимо иметь в виду также в стыках уголков, если для удобства разметки риска в основных уголках не сбивается.

Расположение заклепок в уголках

Относительное расположение заклепок в двух полках уголка м. б. в шахматном порядке или друг против друга. Расположение заклепок друг против друга несколько облегчает разметку, но напрасно ослабляет сечение уголка. Наименьшее расстояние между заклепками, расположенными в противоположных полках уголка, определяется условием возможности расположения обжимки. Данные о расположении заклепок в уголках приведены в табл. 1.

Расположении заклепок в уголках

Расчет стыков простых сечений. При передаче усилий заклепка испытывает следующие напряжения: 1) срез по плоскостям возможного скольжения частей соединения, причем заклепка одновременно может срезаться по одной, двум и больше плоскостям. В зависимости от этого заклепки носят название односрезных, двусрезных и т. д.; 2) сжатие по поверхности соприкасания со склепываемым элементом в заклепочной дыре (смятие); 3) добавочное растяжение стержня в тех случаях, когда сила действует по оси заклепки, и 4) напряжения, которые возникают от изгиба стержня заклепки.

Сопротивление одной заклепки срезу принимается равным

Сопротивление одной заклепки срезу

где k - число срезов, d - диаметр заклепки, Rср. - допускаемое напряжение на срез материала заклепки; обычно берут

Zaklepochnye soed 6

причем R0 - допускаемое напряжение материала данного стержня на растяжение. Сопротивление одной заклепки смятию принимается равным

Сопротивление одной заклепки смятию

где δ - наименьшая из толщин сминаемых листов, Rсм. - допускаемое напряжение материала заклепки на смятие; обычно

Zaklepochnye soed 8

Сопротивление отрыву головки принимается равным

Сопротивление отрыву головки заклепки

где Rom. = 0,6R0 - допускаемое напряжение заклепки на отрыв головок. Вопрос отрыва головок мало изучен, хотя встречается довольно часто в конструкциях проезжей части. Работы заклепок на отрыв головок следует по возможности избегать в виду ее ненадежности, хотя это вызывает часто неудобства при сборке конструкций. Сопротивление заклепки изгибу хотя и имеет место при ее работе, однако, в расчет обычно не принимается. При расчете заклепочные соединения исходят из следующих предпосылок. 1) Усилие, передающееся через заклепки с одного элемента сечения на другой, равномерно распределяется между всеми заклепками, независимо от их расположения. 2) Напряжение распределяется равномерно между всеми элементами стыка, прикрепленными достаточным числом заклепок; усилия в накладках прямо пропорциональны их площади (закон площадей). Эту предпосылку нельзя считать общепризнанной. Некоторые авторы противопоставляют ей другую предпосылку, которая говорит, что усилия, передающиеся на накладки двусторонне перекрытого элемента, обратно пропорциональны расстояниям от стыкуемого элемента до накладок (закон плеч). Наконец, в самое последнее время выдвигается предпосылка, говорящая, что усилия, которые передаются на накладки двусторонне перекрытого элемента, обратно пропорциональны расстояниям от стыкуемого элемента до накладок и прямо пропорциональны площадям накладок (закон приведенных плеч). 3) Если группа заклепок прикрепляет несколько элементов сечения, то заклепки этой группы передают усилия от всех прикрепляемых ими элементов. До сих пор число заклепок в ряду по направлению усилия принято было ограничивать 5—6. Теперь наблюдается стремление не ограничивать это число, в виду возникающих при этом конструктивных затруднений. При передаче усилия с одного элемента на другой через третьи элементы (посредственная передача усилия) количество заклепок, передающих это усилие, принято увеличивать на 33% на каждый промежуточный элемент по формуле

Zaklepochnye soed 11

где n' - необходимое число заклепок, n - нормальное число заклепок, m - число промежуточных листов.

На практике принято пользоваться двумя способами расчета необходимого числа заклепок: 1) расчетом по усилию, 2) расчетом по площади. Расчет по усилию вытекает из первой предпосылки расчета:

Zaklepochnye soed 12

где n - необходимое число заклепок, S - передаваемое усилие, s - усилие, передаваемое одной заклепкой. Т. к. заклепка работает одновременно и на смятие и на срез, то число заклепок определяют по наименьшему ее сопротивлению, т. е., для того чтобы получить n, следует брать smin. Расчет числа заклепок по площади вытекает из принципа равнопрочности заклепочного соединения и стержня. Наибольшее усилие, которое может передавать данный растянутый элемент,

Zaklepochnye soed 13

и сжатый

Zaklepochnye soed 14

где wbr - полная площадь стыкуемого элемента, wnt - площадь стыкуемого элемента за вычетом заклепочных отверстий, ϕ - коэффициент уменьшения основного допускаемого напряжения в сжатых элементах от продольного изгиба. Число заклепок

Zaklepochnye soed 15

подставив для s его значения, получим для среза:

Zaklepochnye soed 16

или число необходимых срезов

Zaklepochnye soed 17

для смятия получим:

Zaklepochnye soed 18

μ1 зависит от диаметра заклепок, μ2 - от диаметра заклепок и наименьшей толщины смятия. Зависимости между коэффициентами μ и величинами d, δ даны в табл. 2.

Zaklepochnye soed 19

Самым употребительным способом расчета заклепок является расчет по площади. Однако, во второстепенных элементах и стержнях, в которых запасы являются неизбежными в силу конструктивных соображений, и притом, если запасы очень велики, расчет заклепок ведут по усилию.

Расчет стыков сложных сечений. При стыковании или прикреплении стержней мостов, состоящих б. ч. из Т-, П-, Н- и ][-образного сечений, прибегают либо к стыкам универсальным, где стык стержня происходит в одном сечении, либо к стыкам разбросанным, где все элементы сечения стыкуются в разных местах, либо, наконец, к стыкам смешанным, где только часть элементов стыкуется в одном сечении. В интересах сборки монтажные стыки, где только возможно, следует делать универсальными, далее - смешанными и только в крайнем случае - разбросанными; при проектировании следует обращать внимание на возможную легкость сборки монтажных стыков. Затрудняют сборку т. н. вилки, т. е. тот случай, когда один элемент сечения приходится всовывать между другими. Следует избегать длинных торчащих элементов, неизбежных в разбросанных стыках и легко повреждаемых при перевозке и сборке. При перекрытии стыков надо стремиться к тому, чтобы все элементы стыка были перекрыты полностью. Всякое неполное перекрытие ведет к увеличению местных перенапряжений, которыми и без того богато всякое заклепочное соединение в стыке. Следует стараться не делать дополнительного ослабления в стыках, хотя бы за счет незначительного удлинения стыка.

Обозначим для универсального стыка через n1 - число дыр заклепок по нормальному ослаблению пакета (по первому ряду накладки),  Zaklepochnye soed 20 - полное число заклепок до исследуемого ряда а, nа - число заклепок в исследуемом ряду, w - сечение брутто пакета, δ - толщину склепки без накладок в см, d - диаметр заклепочной дыры в см, w' - площадь заклепки (по срезу или смятию) в см2, β - отношение допускаемого напряжения заклепки к допускаемому напряжению стержня, R0 - допускаемое напряжение стержня. Напряжение стержня в исследуемом ряду будет равно

Zaklepochnye soed 21

откуда дополнительный вычет в ряду а будет равен

Zaklepochnye soed 22

 причем для среза

Zaklepochnye soed 23

и для смятия

Zaklepochnye soed 24

где δ0 - толщина смятия. Окончательно, дополнительный (относительно первого ряда) вычет в ряду а будет равен

Zaklepochnye soed 25

полагая, что

Zaklepochnye soed 26

Предельным числом ослабления будет то число заклепок, которое можно поставить при наиболее густом их расположении. Исходя из предельного ослабления, можно назначить толщину накладок так, чтобы сечение листа по первому ряду заклепок непосредственно у стыка имело предельное ослабление. Это будет иметь место при соблюдении равенства

Zaklepochnye soed 27

где n - число дыр ослабления стержня по первому ряду прикрепления накладок, n' - число дыр ослабления стержня по первому ряду непосредственно у стыка, w и δ - площадь и толщина стержня вне стыка, w' и δ' - площадь и толщина стержня в стыке. Если ширину пакета примем равной b и, следовательно,

Zaklepochnye soed 28

то толщина накладок определится из условия δ' = Аδ, где

Zaklepochnye soed 29

а разность толщин накладок и стыкуемого элемента Δδ = (А—1)δ. При шахматном расположении заклепок и при частом расположении вертикальных рисок, что особенно часто имеет место в стыках, следует иметь в виду, что возможный разрыв сечения может произойти не по вертикальному ряду заклепок, а по зигзагу, в виду того что площадь сечения по вертикальному ряду может оказаться больше площади сечения по зигзагу. Если длина зигзагообразной линии меньше прямой, то разность между ними учитывают в виде дополнительного вычета:

Zaklepochnye soed 30

где m - число возможных зигзагов, n - число заклепок в ряду, ближайшем к рассматриваемому, Δ - дополнительный вычет, е - поперечный и а - продольный шаг заклепок. Отрицательное значение Δ указывает на то, что дополнительного вычета делать не следует. На основании этой же формулы можно определять дополнительный вычет в уголках.

Соединение элементов, сопротивляющихся осевым усилиям. В стыках элементов возможны два способа перекрытия: одностороннее и двустороннее. Двустороннее перекрытие может быть симметричным, когда внешняя и внутренняя накладки равны по толщине и ширине, и несимметричным. Симметричное перекрытие работает лучше, т. к. при нем нет дополнительного изгиба в стыке. При перекрытии какого-либо стыкуемого элемента стержня напряжение в стыке будет R = aR0, где

Zaklepochnye soed 31

причем wnt - площадь любого из входящих в состав сечения элементов, wi - площадь перекрываемого элемента и w' - площади накладок. При перекрытии одного элемента двумя накладками разной толщины наибольшее усилие в одной накладке будет

Zaklepochnye soed 32

и число заклепок для ее прикрепления (по срезу)

Zaklepochnye soed 33

для прикрепления другой накладки число заклепок равно

Zaklepochnye soed 34

На смятие заклепки сильнее всего будут работать в местах действия наибольших напряжений. В данном случае наибольшее смятие будет иметь место в части заклепки, лежащей в стыкуемом элементе. Число заклепок (по смятию) будет равно

Zaklepochnye soed 35

где w1 - площадь листа.

Для перекрытия пакетов листов имеется много типов стыков. При одностороннем перекрытии возможны стыки: простые ступенчатые (фиг. 3, А); перекрестные ступенчатые (фиг. 3, Б); раздвинутые ступенчатые (фиг. 3, В).

Виды стыков заклепочных соединений

Наиболее целесообразны в сборке простые стыки: простые и раздвинутые ступенчатые; однако, раздвинутый ступенчатый стык при большом числе листов в пакете делается слишком длинным, а потому неэкономным.

При двустороннем перекрытии возможны также все указанные стыки. К ним нужно добавить стыки совмещенные [если в пакете имеется не более 2 листов (фиг. 3, Г)], стык в елку (фиг. 3, Д), неудобный в сборке, и раздвинутый стык в елку (фиг. 3, Е). Последний особенно целесообразен при двустороннем перекрытии стыков в виду того, что недостаток одностороннего раздвинутого ступенчатого стыка - большая длина - пропадает. Работа ступенчатого стыка схематически м. б. представлена следующим образом (фиг. 4):

Работа ступенчатого стыка заклепочного соединения

1-й лист пакета передает свое усилие накладке посредством заклепок зоны А—I; 2-й лист передает свое усилие 1-му листу посредством заклепок зоны I—II, и т. д.; наконец, накладка через заклепки зоны III—В передает свое усилие через толщу всего пакета последнему листу. Посредственная передача усилия не имеет места в раздвинутых ступенчатых стыках, что является большим их достоинством. Если все листы пакета имеют одну толщину, то число заклепок в любой зоне, кроме последней, определяется так, как если бы у нас два листа стыковались внахлестку, т. е. по формуле:

Zaklepochnye soed 38

коэффициент а<1 тогда, когда накладка имеет площадь нетто больше площади нетто перекрываемого листа. Число заклепок последней зоны увеличивается по формуле, данной выше для передачи усилия через промежуточные элементы. Общий случай односторонне перекрытого ступенчатого стыка будет тот, когда листы, входящие в состав пакета, имеют различную толщину. В этом случае накладку принято ставить не меньшей толщины, чем толщина самого толстого листа пакета. Напряжения во всех стыках будут разные: в 1-м стыке возможное наибольшее напряжение равно a1R0, во 2-м - a2R0, в любом - aiR0. Определим число заклепок, которое необходимо поставить в зоне i, i+1 (фиг. 5).

Zaklepochnye soed 39

Пусть в нашем случае wi > wi+1. Очевидно, тогда аi > аi+1. Заклепками исследуемой зоны с листа i снимается усилие wiai+1R0, а с листа i+1 снимается усилие wi+1аi+R0. Кроме того, в данной зоне все остальные листы, кроме листов i и i+1, сдают усилие, равное

Zaklepochnye soed 40

через те же заклепки. Из приведенного чертежа (фиг. 5) видно, что заклепки рассматриваемой зоны листом i сминаются силой wi+1аiR0, а листом i+1 сминаются силой wi+1aiR0; каждый же прочий лист сминает их силой w(ai–ai+1)R0. Наибольшее напряжение смятия имеется в наиболее тонком из стыкуемых листов. Число заклепок (по смятию) определится из уравнения:

Zaklepochnye soed 41

На срез те же заклепки работают по двум плоскостям: 1) по плоскости, отделяющей лист i от листа i—1, и 2) по плоскости, отделяющей лист i от листа i+1. При этом в первом случае заклепки срезаются силой

Zaklepochnye soed 42

где Zaklepochnye soed 43 - суммарная площадь листов, лежащих выше листа i (с учетом накладок), а во втором случае они срезаются силой

Zaklepochnye soed 44

т. е. от совместного действия листа i+1 и всех нижележащих листов. Опасным является второй случай, и поэтому необходимое число заклепок в исследуемой зоне (по срезу) определится из условия:

Zaklepochnye soed 45

Если лист i будет тоньше листа i+1, то все наши соображения останутся справедливыми, стоит лишь в стыке соответственно изменить порядок нумерации листов на обратный.

При стыковании и прикреплении сложных сечений (фиг. 6) отдельные группы заклепок следует поверять на работу от совместного действия, согласно 3-й предпосылке расчета заклепочных соединений.

Zaklepochnye soed 46

Если применен ступенчатый стык, то коэффициент а в сечении по стыку какого-либо элемента i определяется по обычной формуле:

Zaklepochnye soed 47

где ∑w - площадь стержня до стыка, ∑wi - площадь стыкуемых элементов, ∑w' - площадь накладок, ∑w" - площадь прокладок.

Если в сечение по стыку входит фасонный лист, к которому приклепывается сечение, то при определении коэффициента α следует считать, что фасонка частично участвует в работе стержня, причем зона, вовлекаемая в работу, постепенно увеличивается примерно под углом 15—20° (а—а на фиг. 6). Пусть какая-либо накладка прикрепляется заклепками числом n' и прокладка, работающая с ней совместно, числом n"; числа n' и n" должны удовлетворять условию, чтобы заклепки, прикрепляющие как накладку, так и прокладку, не были перенапряжены от совместного действия этих элементов, т. е. чтобы

Zaklepochnye soed 48

где Zaklepochnye soed 49 - усилие, приходящееся на заклепку с накладки, и Zaklepochnye soed 50 - усилие, приходящееся на эту же заклепку с прокладки. Отсюда

Zaklepochnye soed 51

Если совместно с накладкой сдаст часть своего усилия на заклепки, прикрепляющие накладку, какой-либо элемент площади wχ, в силу изменения в нем напряжения в отношении α:1, то усилие, приходящееся на заклепку, равно

Zaklepochnye soed 52

причем nχ - число заклепок, посредством которых элемент wχ сдает часть своего усилия, равную

Zaklepochnye soed 53

В остальном расчет прикрепления ничем не отличается от расчета, изложенного при рассмотрении ступенчатого стыка. Если при расчете окажется, что в зоне В—С необходимое число заклепок, прикрепляющих уголки, не размещается в виду работы части их на совместное действие уголков и верхней накладки, то прибегают к постановке коротышей. Т. к. на коротышах заклепки работают довольно плохо, то для того, чтобы втянуть в работу все заклепки, связывающие коротыш с фасонкой, число заклепок, прикрепляющих коротыш к основному уголку, увеличивают в 1,5—2,0 раза.

Американский инженер Waddell предлагает другой способ расчета заклепочных соединений в сложных стыках. При расчете распределения нагрузок по отдельным элементам стыка он исходит из предпосылки, что заклепка в стыке работает как балка. Она опирается на опоры - накладки и нагружена усилиями отдельных элементов сечения, сдающих усилия в стыке. Усилия, передающиеся на накладку, определяются по закону рычага как опорные реакции балки, лежащей на двух опорах, по формуле:

Zaklepochnye soed 54

где S' - усилие в накладке, S - усилие, сдаваемое одним элементом, h - расстояние оси этого элемента до противоположной накладки, Н - расстояние между осями накладок. Расчет ведется по площадям, т. е. в предположении, что напряжение в элементах до стыка равно 1. Обозначим (фиг. 7) через:

Zaklepochnye soed 55

wi - усилие какого-либо элемента, выраженное в площади; Δwi - усилие, выраженное в площади, которое сдает или принимает лист в исследуемой зоне; h i" - расстояние от оси соответственного элемента до оси накладки, противоположной той, в которой определяется усилие; и w'i, i+1 и w"i, i+1 - усилия в накладках в исследуемой зоне, выраженные в площади; Δw'i, i+1 и Δw"i, i+1 - приращения усилия в накладках в исследуемой зоне, выраженные в площади. Тогда в какой-либо зоне i, i+1 накладка передает усилие, выраженное в площади:

Zaklepochnye soed 56

причем знак ∑ распространяется на все листы, исключая накладки. Усилие, передаваемое другой накладкой, выраженное в площади, будет равно:

Zaklepochnye soed 57

где k - число всех элементов в стыке (без накладок). Перед Δw ставится знак (+), если лист сдает усилие, и знак (—), если лист принимает усилие. Между листами исследуемой зоны возникают усилия площади, равные поперечным силам заклепки, рассматриваемой как простая балка и нагруженной усилиями-площадями отдельных элементов. Так, между листами i и i+1 передается усилие, выраженное в площади,

Zaklepochnye soed 58

Количество заклепок в исследуемой зоне определяется на срез по наибольшему поперечному усилию между листами. На смятие заклепки поверяются по тому листу, с которого стекают наибольшие напряжения. Расчет ведется по обычным формулам:

Zaklepochnye soed 59

Waddell рекомендует в накладках давать запас в 10%.

Соединения, работающие на изгиб и осевое усилие. При стыковании сечений, работающих на изгиб и продольную силу, возможны два способа расчета заклепочных соединений. Первый способ исходит из предпосылки, что в стыке напряжения в отдельных сечениях подчиняются плоскостному закону (фиг. 8, А). Второй способ исходит из предположения линейного закона распределения нормальных напряжений на отдельные заклепки (фиг. 8, Б).

Соединения, работающие на изгиб и осевое усилие

Первый способ (фиг. 8, А). Если в сечении стыка действуют момент М, поперечная сила Q и продольная сила N, нормальные напряжения в центре тяжести сечения равны σN и у крайней фибры на расстоянии с от центра тяжести равны σ, то напряжение у крайнего ряда заклепок на расстоянии с' от центра тяжести будет

Zaklepochnye soed 61

При полном использовании сечения это напряжение может возрасти до

Zaklepochnye soed 62

где R0 - наибольшее допускаемое напряжение у крайней фибры. Напряжение R0', просуммированное по ширине полосы а, охватывающей расстояние от крайней фибры до середины шага между заклепками крайнего и последующего рядов, и по толщине стенки δ, дает нормальное усилие, которое передается со стенки через крайний ряд заклепок; сила эта равна

Zaklepochnye soed 63

Кроме этой силы, через эти же заклепки передается касательная сила от стремления уголков сдвинуться относительно стенки; сила эта равна

Zaklepochnye soed 64

где u - шаг поясных заклепок, I - момент инерции брутто всего сечения, L - статический момент той части сечения, которая стремится сдвинуться по стенке. Необходимое число заклепок по крайнему ряду будет

Zaklepochnye soed 65

где s - сопротивление одной заклепки срезу или смятию. В случае универсального стыка, изображенного на фиг. 8, А, число заклепок во всех последующих рядах равно числу заклепок по крайнему ряду. В случае же перекрытия стыка, изображенного на фиг. 8, Б, число заклепок в последующих рядах м. б., очевидно, уменьшено до величины

Zaklepochnye soed 66

По второму способу расчета полагают, что распределение усилий между отдельными рядами заклепок подчиняется линейному закону. Обозначим часть общей нагрузки, передаваемую вертикальной стенкой, через Мсm., Ncm. и Qсm. тогда на заклепку крайнего ряда стыка стенки (фиг. 8, Б) будут действовать силы: 1) продольная, возникающая от нормальных напряжений,

Zaklepochnye soed 67

где W - момент сопротивления заклепочных площадей, w - площадь заклепки, сопротивляющаяся срезу или смятию, и ∑w - сумма площадей заклепок, сопротивляющихся действию силы Ncm.; 2) поперечная, возникающая от действия скалывающих усилий в плоскости, перпендикулярной оси стержня,

Zaklepochnye soed 68

и 3) продольная, от скалывающих напряжений в плоскости, параллельной оси стержня,

Zaklepochnye soed 69

Напряжение в заклепках крайнего ряда

Zaklepochnye soed 70

Если при этом положить, что R1 = 0,8R при срезе и R1 = 2R при смятии, причем R - наибольшее действительное напряжение в сечении от действия момента М и сил N и Q, то принцип равнопрочности соблюден. Момент сопротивления заклепочных сечений

Момент сопротивления заклепочных сечений

где n - число заклепок в ряду, h1 - расстояние от центра тяжести сечения до крайнего ряда и h - расстояние от центра тяжести сечения до любого ряда. Если число заклепок во всех рядах одинаково, число горизонтальных рядов равно m и расстояние между ними тоже одинаково, то приближенно

Zaklepochnye soed 72

Сечения, работающие на изгиб, обыкновенно состоят из вертикального листа, поясных уголков и горизонтальных листов. При перекрытии только вертикальной стенки, при условии, что на все сечение действуют момент М и силы N и Q, на стенку передается следующая часть общих усилий:

Zaklepochnye soed 73

где I - момент инерции всего сечения относительно нейтральной оси, Icm. - момент инерции стенки относительно нейтральной оси, w - площадь всего сечения, wсm. - площадь сечения стенки (все данные брутто). Коэффициент поперечной силы

Zaklepochnye soed 74

где уа и уb - расстояния от центра тяжести сечения до краев стенки, La и Lb - статические моменты сечений стенки выше и ниже нейтральной оси и Iа,b - момент инерции стенки (все данные - относительно центра тяжести сечения). В симметричном сечении

Zaklepochnye soed 75

При расчете прикрепления продольных балок к поперечным и поперечных балок к фермам все эти принципы остаются в силе. Иногда пользуются упрощенным способом расчета, заключающимся в том, что в местах прикрепления продольных балок к поперечным и поперечных балок к фермам необходимое число заклепок определяют по поперечной силе, пользуясь формулой

Zaklepochnye soed 76

при этом коэффициент k принимают равным от 1,2 до 1,4.

Условия работы заклепки в заклепочном соединении. Заклепка, соединяющая два или несколько листов между собой, под действием усилий, передаваемых склепанными листами, испытывает сложную деформацию, слагающуюся из следующих элементарных деформаций: 1) изгиба заклепочного стержня под влиянием действующих на него нагрузок; 2) деформации от среза заклепочного стержня по плоскости а—б (фиг. 9);

Условия работы заклепки в заклепочном соединении

3) растяжения заклепки вдоль оси, имеющего весьма слабое влияние и возникающего благодаря искривлению заклепочного стержня под влиянием действующих усилий; 4) смятия в месте касания заклепочного стержня со стенками дыры. Относительное влияние двух основных деформаций заклепки (изгиба и среза) на условия работы соединения зависит в сильной степени от конструктивной формы заклепочного соединения, соотношения между размерами отдельных элементов соединения и т. д. Существование деформации изгиба заклепочного стержня доказано изучением заклепок, извлеченных из разрушенных соединений (опыты Holn’а); при этом оказалось, что менее всего изогнуты односрезные, более сильно - двусрезные и наиболее сильно - двусрезные с потайными головками. Общепринято вести расчет заклепочных соединений на срез, т. к. разрушенные соединения всегда являют картину срезанных заклепочных стержней. Однако более внимательное изучение действительных условий работы заклепочных соединений показывает, что заклепки работают, кроме того, и на изгиб. Особенно это касается той стадии работы заклепок, когда после наступления первых сдвигов элементов заклепочного соединения наступает уже непосредственная передача усилий стержнем заклепки. Сказанное подтверждается также формой зависимости сдвигов заклепочных соединений от нагрузки, более напоминающей законы изменения изгиба заклепочных стержней, нежели деформаций срезания. Широко применяемый на практике расчет заклепок на срез должен рассматриваться, т. о., как условный, т. к. в действительной работе заклепок существенное влияние имеет также их изгиб. Под влиянием сминающих напряжений, возникающих в местах касания листов с заклепочным стержнем, заклепочное отверстие деформируется, принимая удлиненную форму. Величина этих деформаций зависит от напряжения на смятие в заклепочном соединении, определяемого величиной нагрузки, толщиной листов и диаметром заклепок, а также от расстояния заклепочного соединения до края листа. Под действием нагрузки наблюдается выдавливание заклепкой клиновидного куска листа; угол между плоскостями разрушения составляет 35—45°. При этом разрушение происходит не от чистого среза металла, а от совместного действия изгиба, среза и растяжения (фиг. 10, А). Если расстояние заклепочного отверстия от края листа велико, то может наблюдаться деформация смятия в чистом виде, выражающаяся в выдавливании металла и образовании утолщения листа в месте касания его с заклепочным стержнем (фиг. 10, В).

Zaklepochnye soed 78

Влияние заклепочных отверстий на распределение напряжений в листе. В области заклепочного соединения распределение напряжений в склепанных листах претерпевает ряд возмущений, зависящих от: 1) влияния заклепочных дыр на распределение напряжений и деформаций в листах и 2) влияния усилий, передаваемых заклепками, на напряжения и деформации в заклепочном соединении. Влияние заклепочного отверстия на распределение напряжений хорошо освещено теоретически и экспериментально. В изотропной длинной пластинке, имеющей круглое отверстие и подверженной действию равномерно распределенных по сечению пластинки растягивающих напряжений, нормальные напряжения, параллельные растягивающим силам, достигают максимума в поперечном сечении, проходящем через центр отверстия, у краев последнего. В пластинке большой ширины эти наибольшие напряжения у краев отверстия теоретически могут достигать утроенного значения средних напряжений,  а в узкой пластинке (шириной в 4 диаметра заклепок) - 3,4 среднего напряжения, отнесенного к ослабленному сечению. Напряжения эти падают по мере удаления от края отверстия к краю листа (фиг. 11).

Zaklepochnye soed 79

Спереди и сзади дыры возникают области пониженных напряжений; у самой дыры, в продольном сечении, проходящем через центр отверстия, напряжение равняется нулю, далее же постепенно повышается, достигая среднего значения на расстоянии около трех диаметров от края отверстия. Многочисленные экспериментальные исследования подтверждают теоретическую картину распределения напряжений, пока величина их не превосходит предела упругости. Отношение наибольшего напряжения у краев отверстия к среднему, по опытным данным, превышает 2; в области пониженных напряжений наименьшие напряжения хотя и не доходят до нуля, но, во всяком случае, меньше половины среднего напряжения. Влияние дыры сказывается на распределении напряжений на расстоянии, равном 3,5—4 диаметрам. При возрастании нагрузки напряжения у краев отверстия достигают раньше других мест сначала предела упругости, а затем предела текучести. После перехода за предел упругости напряжения растут уже не пропорционально деформациям, а медленнее; после же превышения предела текучести в перенапряженных точках почти прекращается дальнейшее возрастание напряжений, в работу все более вступают соседние, менее напряженные слои, и неравномерность распределения напряжений постепенно уменьшается. Разрушение образцов обычно происходит при среднем напряжении в ослабленном сечении, почти не отличающемся от временного сопротивления материала целого стержня. При параллельном расположении нескольких рядов дыр на расстоянии 3—4 диаметров друг от друга распределение отверстий имеет, в общем, такой же характер, как и для одного ряда дыр. В этом случае наблюдается обыкновенно лишь некоторое увеличение напряжений между рядами, вызванное суммарным воздействием обоих рядов дыр, и несколько более равномерное распределение напряжений. Фиг. 12 дает картину распределения напряжений в кг/см2 в образце с двухрядным расположением дыр, полученную опытным путем; на диаграмме нанесены линии равных нормальных продольных напряжений.

Zaklepochnye soed 80

В области между обеими дырами напряжения имеют более высокие значения и распределяются значительно равномернее, чем у края листа. Область значительных возмущений напряжений распространяется в поперечном направлении приблизительно на 1 диаметр от края отверстия, в продольном же направлении (область пониженных напряжений) - примерно на 4,5 диаметра с каждой стороны. Фиг. 13 изображает эпюру нормальных растягивающих напряжений в сечении, которое проходит через центры двух отверстий, ослабляющих полосу.

Эпюра нормальных растягивающих напряжений в сечении, которое проходит через центры двух отверстий, ослабляющих полосу

Влияние усилий, передаваемых заклепочными стержнями на напряжения и деформации в заклепочных соединениях. Усилия, передаваемые в соединении заклепочными стержнями, оказывают не менее сильное влияние на распределение напряжений и условия работы элементов соединения, чем заклепочные отверстия. Благодаря сосредоточенной передаче усилий, действующих на сравнительно небольшой площадке, соответствующей касанию заклепочного стержня со стенкой дыры, усилия эти вызывают большие местные напряжения в материале и сильно усложняют картину распределения напряжений в заклепочных соединениях. Фиг. 14 изображает распределение нормальных продольных напряжений в последовательных сечениях металлической полосы с заклепкой под влиянием действующего на заклепку усилия.

Распределение нормальных продольных напряжений в последовательных сечениях металлической полосы с заклепкой

Приведенные эпюры соответствуют усилию, передаваемому заклепкой, Р=2000 кг, вызывающему среднее напряжение в целом сечении полосы 250 кг/см2, в заклепке (d=20) - около 640 кг/см2 на срез и 1000 кг/см2 на смятие. Из характера очертания эпюр видно, что на расстоянии около 3d от центра заклепки напряжения в полосе распределяются почти равномерно; по мере приближения к заклепке постепенно образуется область пониженных напряжений в средней части сечения и повышенных - по обе стороны отверстия. Неравномерность распределения напряжений возрастает по мере приближения к отверстию, и в сечении, проходящем через его центр, наибольшие напряжения у краев отверстия превышают более чем в 3 раза среднее напряжение в целом сечении полосы; у краев полосы напряжения менее половины среднего. В сечении, касательном к заклепочному отверстию, т. е. проходящем через точку передачи заклепкой сосредоточенного усилия, возникают очень интенсивные напряжения сжатия, превышающие почти в 9 раз среднее напряжение в целом сечении. Растягивающие напряжения в том же сечении лишь приблизительно в 1,5 раза больше среднего. В следующих сечениях полосы позади заклепки напряжения постепенно уменьшаются и подходят к нулю на расстоянии около 2d от центра заклепочного отверстия. На приведенных эпюрах характерно отражается влияние сосредоточенной передачи усилия заклепочным стержнем, которое, благодаря всегда имеющейся в заклепках неплотности заполнения отверстия, действует лишь по небольшой площадке касания стенок заклепочной дыры с телом заклепки. Наличие сильно повышенных местных напряжений у заклепок не представляет опасности для прочности заклепочного соединения, т. к. при сосредоточенном смятии металла допускаемые напряжения м. б. сильно повышены. Но наличие этих перенапряжений влечет за собой обмятие заклепочных дыр и перерождение перенапряженного металла при действии ряда повторных нагрузок на заклепочное соединение, так как даже при усилиях, сравнительно небольших, действующих на соединение, местные напряжения около заклепок превышают предел пропорциональности и даже предел текучести. Фиг. 15 изображает траектории главных растягивающих (сплошные линии) и сжимающих (пунктир) напряжений в простейшем заклепочном соединении под действием растягивающей и сжимающей нагрузок.

Траектории главных растягивающих и сжимающих напряжений в простейшем заклепочном соединении

Траектории главных растягивающих напряжений, являющихся основными в первом случае, обхватывают заклепку подобно канатам, перпендикулярно к которым проходят траектории сжимающих напряжений. Во втором случае траектории сжимающих напряжений (являющихся здесь основными) представляют как бы пучок криволинейных стерженьков, поддерживающих действующую нагрузку и упирающихся в заклепки; перпендикулярно к ним проходят траектории растягивающих напряжений.

Сдвиги в заклепочных соединениях. В работе заклепочных соединений под действием внешней нагрузки различают две основные стадии: 1) действующее усилие не превзошло силы трения между листами, вызванной натяжением заклепок; 2) произошли первые сдвиги, т. е. внешняя нагрузка превзошла силу трения, и началась непосредственная передача усилий телом заклепочных стержней. В течение первой стадии, соответствующей небольшим нагрузкам соединения, передача усилий происходит за счет сил трения между склепанными элементами. При напряжениях в металле порядка 300—600 кг/см2 силы трения преодолеваются, и начинаются первые сдвиги заклепочных соединений, после которых наступает передача усилий путем непосредственного касания стенок дыры и заклепочного стержня. Эти сдвиги происходят за счет неизбежного, вследствие остывания заклепки, неполного заполнения ею отверстия, причем величины сдвига в зависимости от качества клепки могут быть порядка 0,001— 0,01 мм и более. При более высоких повторных нагрузках, соответствующих второй стадии работы соединения, благодаря большим местным напряжениям в месте передачи усилий заклепками, происходят обмятие и разработка заклепочные соединения, вызывающие образование сдвигов второго порядка (пластических). Факт появления сдвигов в заклепочных соединениях особенно важен для сооружений, подвергающихся действию подвижной нагрузки (мостов); заклепочные соединения, работающие под временной нагрузкой знакопеременно, наиболее часто расшатываются благодаря накоплению остаточных сдвигов второго порядка. В этом случае передача усилий заклепками при перемене направления нагрузки сопровождается сдвигами и ударами, ухудшающими работу сооружения и способствующими дальнейшему разрушению заклепочных соединений. Вообще расстройство заклепочных соединений, вызванное обмятием и сдвигами заклепочных соединений, особенно неблагоприятно отражается на динамической работе клепаных конструкций и может привести даже к преждевременному их разрушению.

Распределение усилий между отдельными заклепками одного продольного (параллельного действующему усилию) ряда при проектировании принимается равномерным. Однако, даже элементарным подсчетом можно показать, что при материале, работающем в пределах упругости, распределение усилий между заклепками д. б. крайне неравномерно. Более точные теоретические исследования, учитывающие возникновение деформаций и сдвигов заклепочных соединений вследствие местных перенапряжений, обмятий в заклепках и пр., также показывают, что распределение усилий между заклепками не одинаково, причем наиболее нагружены крайние заклепки ряда за счет недогрузки средних заклепок. Неравномерность распределения усилий между заклепками возрастает с увеличением шага заклепок в ряду. Наиболее существенное влияние имеет, однако, модуль сдвига заклепочного соединения, т. е. величина, обратная сдвигу заклепочного соединения на единицу действующего усилия. Чем меньше модуль сдвига, т. е. чем больше деформируется заклепочное соединение под действием нагрузки, тем равномернее распределение усилий между заклепками, и обратно. Опытные исследования распределения усилий между заклепками ряда, произведенные несколькими исследователями, приводят к результатам, близко совпадающим с изложенными выше теоретическими выводами. Фиг. 16 изображает картину распределения усилий между заклепками простого однорядного стыка двух полос, по опытам Финдейзена.

Распределение усилий между заклепками простого однорядного стыка двух полос

Пунктиром на чертеже нанесена линия изменения усилий, действующих на заклепки, полученная путем теоретического подсчета по способу Блейха. Фиг. 17 изображает силовое поле в фасонке, прикрепляющей полосу, и распределение усилий между отдельными заклепками прикрепления, по опытам Бисса.

Силовое поле в фасонке, прикрепляющей полосу, и распределение усилий между отдельными заклепками прикрепления

С увеличением нагрузки, действующей на соединение, благодаря нарастанию обмятий у заклепок, вызванных возрастающими местными напряжениями, уменьшается модуль сдвига соединения, и распределение усилий между заклепками несколько выравнивается. Выравнивание распределения усилий между заклепками, т. е. привлечение к работе средних, менее нагруженных заклепок, при возрастании нагрузки имеет большое значение, потому что приводит к одновременному разрушению всех заклепок. Следовательно, при нагрузках, близких к разрушающей, распределение усилий между заклепками приближается к условиям, принимаемым при расчете.

Из различных опытных исследований над более сложными прикреплениями интересны опыты Руделофа над заклепочными прикреплениями полосы. Исследованию подверглись три типа прикреплений (фиг. 18): стык Шведлера (А), прямоугольный стык (Б) и косой стык (В).

Типы заклепочных прикреплений: стык Шведлера, прямоугольный стык и косой стык

Стыки имели по 15 заклепок. Разрушение всех образцов произошло от одновременного среза заклепок. Результаты исследования показали, что все три типа стыков работают, в общем, почти одинаково, хотя возникновение первых сдвигов наблюдалось при различных нагрузках. Можно считать, что наиболее благоприятные условия работы обнаружились в прямоугольном стыке, затем в косом стыке и, наконец, в стыке Шведлера. Судя по остаточным деформациям, наиболее равномерно работающим также оказался прямоугольный стык. В стыке Шведлера первая заклепка оказалась сильно перенапряженной; перенапряжения эти падают по мере увеличения числа заклепок в сечении. Следовательно, шведлеровский стык не имеет преимуществ ни перед прямоугольным, ни перед косым стыком. Косой стык по условиям работы почти не уступает прямоугольному, а потому применение его на практике вполне допустимо. Сравнительные исследования стыков с двусторонним и односторонним перекрытием показывают, что работа при одностороннем перекрытии значительно хуже вследствие сильного изгиба стыка, понижающего его прочность. В стыках с не непосредственным перекрытием, когда накладка перекрывает стык через цельный лист, последний оказывается сильно перенапряженным как от изгиба, так и от действия продольных усилий. Разрушение таких стыков часто происходит от разрыва этого листа при пониженном коэффициенте использования стыка. Поэтому стыков с несимметричным и не непосредственным перекрытием нужно по возможности избегать. Применение их допустимо лишь в соединениях очень жестких пакетов, когда влияние изгиба становится незначительным. Опыты, произведенные над стыками толстых пакетов (из четырех листов), показывают, что прочность при различных способах стыкования оказывается почти одинаковой. В отношении равномерности распределения напряжений и момента наступления и величины сдвигов эти стыки также оказываются равноценными. Результаты опытных исследований над прикреплениями уголковых и швеллерных сечений показывают, что прикрепление неплоских элементов просто внахлестку сильно ухудшает их работу, вызывая их изгиб, существенно отражающийся как на распределении напряжений в стержне, так и на работе заклепок прикрепления. Некоторое улучшение прикрепления уголковых сечений м. б. достигнуто применением коротышей или увеличением длины прикрепления. В отношении распределения напряжений, сдвигов и прочности, прикрепления с помощью коротышей оказываются более слабыми, чем длинные прикрепления одной полкой. По опытам Дёрнена, заклепки, прикрепляющие коротыши, напряжены значительно меньше, чем в основном уголке. Некоторое улучшение работы коротыша м. б. достигнуто путем увеличения количества заклепок, связывающих его с основным уголком (фиг. 19, А).

Zaklepochnye soed 87

Хорошие результаты дает также прикрепление уголков одной полкой с наклонным пропилом (фиг. 19, Б). На (фиг. 20 а) приведено силовое поле в фасонном листе маленькой фермы (фиг. 20 б), испытанной Виссом, причем сплошными линиями изображены главные растягивающие, а пунктиром - сжимающие напряжения.

Zaklepochnye soed 88

Zaklepochnye soed 89

Траектории главных напряжений в фасонке, возникающих под действием усилий, передаваемых заклепками, дают полную картину передачи усилий с заклепок на заклепки, причем характерны сгущения и разрежения силовых линий в различных частях фасонки, свидетельствующие о крайней неравномерности и сложности работы фасонок, представляющих совокупность нескольких заклепочных прикреплений.

II. Прочноплотные заклепочные соединения. При проектировании прочноплотных заклепочных соединений исходят из следующих соображений: 1) фактическая возможность клепки, т. е. шаг - достаточный для образования головки, 2) плотность шва и возможность чеканки и 3) минимальное ослабление листов и равнопрочность соединения по всем рядам заклепок. Первое условие заставляет делать шаг t≥(2,0—2,2)d, где d - диаметр заклепки; для возможности чеканки кромки листа делают шаг в первом ряду заклепок t≤8δ, где δ - толщина листа, подлежащего чеканке. Для того чтобы лист при чеканке не отгибался, делают отстояние первого ряда заклепок от кромки листа a ≤ (1,5—1,6)d, спускаясь в тонких накладках до 1,35d. Последнее требование и ведет к применению швов с разным числом заклепок в рядах при максимальном шаге в первом ряду. В прочноплотных заклепочных соединениях применяются исключительно одно- и двусрезные заклепки; первые - в швах внахлестку (фиг. 21, А) и с одной накладкой (фиг. 21, Б), вторые - в швах с двумя накладками (фиг. 21, В).

В прочноплотных заклепочных соединениях применяются исключительно одно- и двусрезные заклепки

При двух первых способах в листах или в накладке возникают изгибающие моменты, что заставляет увеличивать толщину листов и накладок; кроме того, в шве с одной накладкой, не имеющем никаких преимуществ по сравнению со швом внахлестку, приходится обрабатывать накладку и ставить двойное количество заклепок, а потому этот способ употребляется лишь в редких случаях.

При расчете прочноплотных заклепочных соединений делают следующие допущения: 1) сопротивление шва основано исключительно на трении между листами, причем величина действующего усилия ни в каком месте заклепочного соединения не должна превосходить силы трения; 2) нагрузки распределяются равномерно на все заклепки; 3) нагрузка убывает в сечениях листа по рядам заклепок, по мере того как она воспринимается лежащими впереди заклепками. В виду того что второе и третье положения заведомо не соответствуют действительности, Бах предложил учитывать неравномерность распределения нагрузки между отдельными рядами заклепок уменьшением соответствующих коэффициентов при многорядных и многосрезных швах. Однако, германские официальные правила для постройки паровых котлов не предусматривают этого и ограничиваются повышением коэффициента безопасности листов при многорядных швах с накладками разной ширины. Сила трения между листами зависит от состояния поверхности листов и силы, прижимающей листы друг к другу. Последняя зависит от диаметра заклепок и разности температур соединяемых частей и заклепочного стержня в тот момент, когда заклепка, остывая, приобретает упругость, приблизительно равную упругости холодного железа. Напряжения, возникающие при этом в сечении заклепки,

Zaklepochnye soed 92

где Δt - разность температур заклепочного стержня и склепываемых листов, α - термический коэффициент линейного расширения (α = 0,000011—0,0000125), Е - равное 2000000 кг/см2 - модуль упругости. Из формулы видно, что уже при Δt равном 100° напряжение в материале заклепки превышает предел текучести.

Сказанное дает право отнести сопротивление листов скольжению к единице поверхности сечения заклепки, т. е.:

Zaklepochnye soed 93

где Кс. - временное сопротивление скольжению, отнесенное на 1 см2 площади заклепки, Рс. - сила, при которой в данном сечении появились первые остаточные сдвиги листов, n - число заклепок диаметром d в соединении. Величина Kс. получена опытным путем многими авторами, причем ее численное значение, в зависимости от способа склепки, длины и диаметра заклепки, расположения заклепок в листах и чувствительности измерительных приборов, варьирует в широких пределах: от 600 до 3500 кг/см2 (более низкие числа относятся к старым опытам). В результате многочисленных опытов Бах рекомендует брать следующие допускаемые напряжения kс. на 1 см2 сечения заклепок в одной плоскости среза (для расчетов берут диаметр заклепки равным диаметру заклепочного отверстия):

Zaklepochnye soed 94

Германские правила, однако, не делают этого различия и предписывают, независимо от рода соединения, kс. ≤ 700 кг/см2 на каждую поверхность среза для заклепок из материала с временным сопротивлением на разрыв до 3800 кг/см2 и

Zaklepochnye soed 95

для заклепок из материала с временным сопротивлением на разрыв Kz > 3800 кг/см2.

Достоинство заклепочного соединения определяется величиной наименьшего коэффициента ослабления ϕ, вычисленного для всех возможных случаев разрушения данного шва. Коэффициентом ослабления по данному сечению заклепочного соединения называют отношение прочности шва при разрыве листов по нему к прочности целого листа, причем прочность принимается пропорциональной площади сечения нетто с прибавлением суммы площадей срезаемых заклепок, которые приведены к площади сечения листа по формуле:

Zaklepochnye soed 96

где w' - приведенная площадь заклепок, просуммированная по ширине рассматриваемой части шва, Zaklepochnye soed 97 - отношение допустимого напряжения заклепочные соединения на сдвиг (kc.) к допустимому напряжению листов на растяжение или сжатие (kz), m - число плоскостей срезания заклепки и Zaklepochnye soed 98 - площадь ее поперечного сечения. Неизбежным (при заданных диаметре заклепки d и шаге первого ряд по первому ряду заклепок:

Zaklepochnye soed 99

Следует стремиться к тому, чтобы в дальнейших рядах ϕn было не менее ϕ1, т. е. чтобы все заклепочное соединение имело в любом сечении прочность не меньшую, чем в первом.

Конструктивные данные плотных заклепочных щвов

Из этой формулы видно, что ϕ1 тем ближе к единице, чем больше t1 по отношению к d; этим объясняется то, что в первых рядах многорядных заклепочных соединений ставят уменьшенное число заклепок. По второму ряду с шагом t2 коэффициент ослабления

Zaklepochnye soed 100

где m1 - число плоскостей срезания заклепок первого ряда. Коэффициент ослабления по любому ряду n с шагом tn

Zaklepochnye soed 101

Коэффициент ослабления в стыке основных листов р-рядного шва (в стыке можно условно считать tp+1 = d)

Zaklepochnye soed 102

Коэффициент ослабления накладок по последнему ряду заклепок

Коэффициент ослабления накладок по последнему ряду заклепок

где δ" - сумма толщин обеих накладок. Конструктивные данные прочноплотных заклепочных соединений (котельных швов) даны в табл. 4.

Конструктивные данные прочноплотных заклепочных соединений (котельных швов)

Конструктивные данные прочноплотных заклепочных соединений (котельных швов)

Конструктивные данные прочноплотных заклепочных соединений (котельных швов)

Конструктивные данные прочноплотных заклепочных соединений (котельных швов)

III. Плотные соединения. В газгольдерах и резервуарах для хранения газа давление одинаково на все стенки, в резервуарах же для жидкостей давление увеличивается с глубиной по линейному закону:

Zaklepochnye soed 105

где р - давление в кг/см2 на стенку на глубине h м, а γ - плотность жидкости в кг/дм3. Резервуары для жидкостей делают обычно из горизонтальных поясов различной, увеличивающейся книзу резервуара, толщины. Расчет толщины стенок круглых резервуаров ведут по обычной формуле:

Расчет толщины стенок круглых резервуаров

где D - диаметр резервуара, р - среднее давление расчетного пояса, ϕ - коэффициент ослабления заклепочного соединения и С - прибавка на ржавление и механические повреждения при постройке; kz обычно берут ≤ 900 кг/см2 и С ≈ 0,4 см.

В прямоугольных резервуарах расчет ведут по площади стенки

В прямоугольных резервуарах (фиг. 22) расчет ведут по площади стенки, заключенной между поперечными креплениями (на фиг. 22 слева внизу), по формуле:

Zaklepochnye soed 108

где величина коэффициента ϕb берется по кривой, данной на фиг. 23.

Zaklepochnye soed 109

Расчет связей ведут на полную, приходящуюся на них нагрузку

Zaklepochnye soed 110

(заштрихованная площадь на фиг. 22), не принимая во внимание жесткости стенок. Размеры швов не вычисляются, а берутся по данным практики, в зависимости от наименьшей толщины соединяемых частей, по табл. 3.

Чеканка швов возможна лишь начиная с толщины листа δ > 5 мм. При более тонких листах плотность достигается применением прокладок из парусины или картона, пропитанных олифой или суриком, пропитанной теми же веществами пеньковой пряди, положенной зигзагом вокруг стержней заклепок, и т. д. В соединениях, подверженных действию высокой температуры, для прокладок берут асбестовый шнур или картон. Листы вертикальных стенок соединяют чаще всего однорядным швом внахлестку, листы днищ соединяют тем же способом или при помощи простых накладок. Соединение днища со стенками делается почти исключительно при помощи кольца или рамы из углового железа. Типичные примеры для круглых резервуаров даны на фиг. 24, А, Б, для прямоугольных - на фиг. 24, В, Г и Д.

Типичные примеры для круглых резервуаров

Соединение вертикальных углов в прямоугольных резервуарах делаются с загибом стенки (фиг. 24, В) или при помощи особого уголка (фиг. 24, Г и Д). Последний способ придает известную жесткость соединению, но требует изготовления сложных откованных частей в тройном стыке у дна (фиг. 24, Е и Ж).

IV. Заклепочные соединения в судостроении. Материалом для изготовления судостроительных заклепок служит круглая заклепочная сталь с временным сопротивлением на разрыв около 3500 кг/см2, при пределе упругости около 2000 кг/см2.

Кроме заклепок обычной формы, т. е. с полукруглыми, потайными и полупотайными головками, в судостроении широко применяются заклепки, имеющие бочкообразную головку с коническим подголовком или без него; такая форма закладной головки облегчает постановку заклепок в тесных местах.

Дыры для заклепок в листовой и сортовой судостроительной стали просверливаются или продавливаются (пробиваются); при продавливании в стали повышенных качеств дыры должны затем рассверливаться до нужного диаметра (миллиметра на 3) с целью устранить вредное влияние продавливания дыр на материал вблизи краев отверстия. При наиболее ответственных работах, требующих точной сборки, рекомендуется дыры просверливать или досверливать продавленные дыры. Дыры для заклепок в склепываемых частях должны на 0,5—1 мм и больше превышать диаметр стержня заклепок, в зависимости от размера заклепок и от точности, достигаемой при тех или иных сборочных судостроительных работах.

Клепка в судостроении применяется горячая и холодная, причем последняя - только для заклепок малого диаметра (меньше 10 мм). Клепка бывает ручная и машинная (гидравлическая, пневматическая и паровая); для заклепок диаметром больше 25 мм ручная клепка получается малоудовлетворительной, при диаметре же большем 35 мм она становится почти невозможной. Преимущественное применение того или иного вида клепки при постройке судов определяется наличием имеющегося оборудования и условиями производства работы.

В коммерческом судостроении диаметр заклепки назначается в зависимости от толщины склепываемых листов, согласно существующим правилам для постройки коммерческих судов, устанавливаемым соответствующими правительственными органами или страховыми обществами, как то: Регистр СССР, Английский Ллойд, Германский Ллойд, Французский Веритас и др. В случае отсутствия необходимости следовать указанным правилам, например, в военном судостроении, диаметр заклепки определяется по следующей формуле, если специальный расчет не потребует отклонения от этой нормы:

Zaklepochnye soed 113

где d - диаметр заклепки в мм и δ - меньшая из толщин склепываемых листов в мм; диаметр заклепки округляется до целых мм или до ближайшего диаметра, имеющегося в сортименте заклепок. При склепывании нескольких листов, имеющих разную толщину, диаметр заклепки, определенный по вышеприведенной формуле, надлежит согласовать с нижеследующими требованиями, вытекающими из условия возможности производства клепки: 1) общая толщина склепываемых листов не д. б. более 4d; 2) для возможности пробивки дыр в листах диаметр заклепки не д. б. меньше толщины наиболее толстого из склепываемых листов; 3) при потайных заклепках, для возможности образования правильного потая, диаметр заклепки не должен превышать больше чем в 2—2,5 раза толщину крайнего листа, служащего для образования потайной головки (в 2 раза - при высоте потая 0,5d и в 2,5 раза при высоте его в 0,4d).

В коммерческом судостроении размещение заклепок производится согласно существующим правилам постройки коммерческих судов. В случае же отсутствия необходимости следовать этим правилам, а также в военном судостроении, при размещении заклепок руководствуются следующими нормами, с округлением их до целых мм. 1) Расстояние центра заклепок от края листа: a=1,5d+3 мм. 2) Расстояние между центрами двух соседних рядов заклепок при расположении заклепок в шахматном порядке: b=1,75d+5 мм; при расположении заклепок в цепном порядке: b=2d+5 мм. 3) Минимальный шаг заклепок: t=2,5d+10 мм. 4) Максимальный шаг заклепок определяется требованием достаточно плотного прилегания друг к другу склепываемых частей.

Установлены нижеследующие практические нормы, в зависимости от назначения заклепочного шва: 1) в пазах, стыках и обделочных угольниках частей корпуса, ограничивающих нефтехранилища (нефтенепроницаемые швы), t=(3,5—4)d; 2) в пазах, стыках и обделочных угольниках, в случае требования водонепроницаемости соединений, испытываемых давлением воды, t=(4—5)d; 3) в пазах, стыках и обделочных угольниках частей корпуса, водонепроницаемость которых не испытывается давлением воды (палубные надстройки, внутренние перегородки и т. п.), t=(5—6)d; 4) в соединениях, не требующих водонепроницаемости, как то: по стойкам переборок, по бимсам и шпангоутам, частям набора днища и т. п., t=(7—8)d. В соответствии с нормами, указанными в пп. 1 и 2, принимается: 1) наименьшая ширина полки угольника или другого фигурного профиля при одном ряде заклепок с=3d+5 мм и при двух рядах заклепок в шахматном порядке c=4,75d+5 мм, где δ1 - толщина полки профиля; 2) ширина однорядного накроя b1=3d+6 мм; 3) ширина двухрядного накроя (в шахматном порядке) b1=4,75d+11 мм; 4) ширина трехрядного накроя (в шахматном порядке) b1 = 6,5d+16 мм.

Расчет заклепочных соединений. Сопротивление заклепки зависит от характера напряжений, характера клепки и рода нагрузки, действующей на заклепку. В отношении характера работы заклепки различают: работу заклепки на срез, работу ее на трение между листами, работу на отрывание и работу одновременно на отрывание и на трение. В отношении характера клепки различают следующие случаи: заклепки и листы не чеканены, заклепки и листы чеканены с одной или с двух сторон. В отношении характера нагрузки различают: нагрузку постоянную, т. е. не меняющую своей величины, и нагрузку переменную, меняющую свою величину или величину и направление. Для указанных выше случаев работы заклепок, на основании данных испытаний, установлены следующие величины сопротивлений заклепок в виде критических напряжений (усилий, отнесенных к единице площади сечения заклепок), при которых в заклепочные соединения начинают появляться остаточные деформации.

1) Критическое напряжение в кг/см2 при работе заклепки на трение (τ1) между листами:

Zaklepochnye soed 114

2) Критическое напряжение при работе заклепки одновременно на трение и отрывание

Zaklepochnye soed 115

где σ - напряжение на отрывание.

3) В случае действия переменной нагрузки, при которой напряжение меняется от σmin до σmах, критическое напряжение τ1, а, следовательно, и τ2 д. б. понижено путем помножения его на коэффициент χ, меньший единицы и вычисляемый по формуле:

Zaklepochnye soed 116

Если напряжения σmin и σmах разного направления, то в формуле знак плюс следует заменить знаком минус.

4) Критическое напряжение при работе заклепки на отрывание принимается равным 2000 кг/см2.

5) Критическое напряжение при работе заклепки на срезание принимается равным ~2000 кг/см2 (разрушающее напряжение равно ~3000 кг/см2).

Нормы для допускаемых напряжений при расчете заклепочных соединений назначаются в % от приведенных выше величин критических напряжений заклепок. Если расчетная нагрузка будет действовать постоянно или часто, то допускаемое напряжение принимается равным 60% от критического напряжения; если расчетная нагрузка будет действовать ограниченное число раз (например, пробная нагрузка при испытании водонепроницаемости, нагрузка при постановке в док и т. п.), то допускаемое напряжение принимается равным 80% от критического напряжения. При окончательном установлении норм для допускаемых напряжений учитываются все обстоятельства каждого частного случая, могущие послужить основанием к уменьшению обычных норм, полученных указанным выше путем, как то: 1) уверенность, что принятая для расчета нагрузка не окажется меньше действительной, 2) степень достоверности принятых оснований расчета для нахождения напряжений в заклепках, 3) уверенность в тщательности выполнения работы. Если в рассчитываемой конструкции корпуса м. б. допущен некоторый сдвиг заклепочного соединения, обусловливающий переход заклепочного соединения от работы на трение к работе всех или части заклепок на срез, то допускаемое напряжение устанавливают, исходя из сопротивления заклепок на срезание. При расчете заклепок на отрывание необходимо проверять особым расчетом на изгиб прочность полок угольников и других профилей, к которым крепятся заклепки.

Определение напряжений в заклепочных соединениях. Для вычисления напряжений в заклепочных соединениях, подвергающихся известным внешним усилиям, как то: осевой силе, изгибающему моменту, крутящему моменту или одновременному действию всех или некоторых из этих усилий, служат обычные формулы сопротивления материалов для определения напряжений при указанных деформациях.

Расчет прочности швов судового корпуса, т. е. расчет прочности заклепочных соединений по пазам и стыкам листов, входящих в состав судового корпуса, производится или с точки зрения местной прочности заклепочных соединений или с точки зрения общей прочности судового набора. Под местной прочностью разумеют прочность заклепочного соединения по стыкам какого-либо листа, рассматривая последний независимо от других, прилегающих к нему связей судового корпуса; под общей прочностью разумеют прочность заклепочных соединений целых связей или группы связей корпуса, составленных из отдельных листов, скрепленных друг с другом по пазам и стыкам заклепками. Критерием прочности при расчете швов является или условие достаточной прочности или условие равной прочности. При расчете на достаточную прочность заклепочных соединений швы рассчитываются лишь на то усилие, которое действительно нагружает данную связь; при расчете же на равную прочность заклепочных соединений рассчитывают на то наибольшее усилие, которое может выдержать данная связь.

Местная прочность швов. Условие равной прочности, очевидно, будет удовлетворено в том случае, если при растяжении листа одно и то же растягивающее усилие будет вызывать критические напряжения, как в самом листе, так и в его заклепочных соединениях; при этом за критическое напряжение для листа следует принять предел упругости материала, а величины критических напряжений для заклепочных соединений даны выше. Условие это выразится уравнением

Zaklepochnye soed 117

в котором t - шаг заклепок, d - диаметр их, δ - толщина листа, n - число рядов заклепок (односрезных), σр - предел упругости материала листов; в случае двусрезных заклепок число рядов д. б. в два раза меньше. Для расчета заклепочных соединений на равную прочность по отношению к касательным напряжениям нужно в уравнение вместо σр подставить критическое касательное напряжение, равное 0,5σр, или эйлерово касательное напряжение τэ., если

Zaklepochnye soed 118

Заклепочные соединения частей корпуса, подвергающихся действию местных нагрузок, рассчитываются лишь на их достаточную прочность, обусловленную величиной действующей нагрузки и принятой для этой части корпуса величиной запаса прочности. Условие достаточной прочности будет удовлетворено, если при действующих на лист усилиях напряжение в заклепках не превзойдет допускаемого напряжения. Условие это выражается уравнением:

Zaklepochnye soed 119

в котором σi - действующее в листе напряжение и k - допускаемое напряжение в заклепках. В случае действия на лист скалывающих усилий, вместо σi следует подставить действующее в листе касательное напряжение.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 8 - 1929 г.