Инженером Соскиным А. Г. [4] было проведено исследование напряженно-деформированного состояния фланцевых соединений элементов открытого профиля, воспринимающих статические растягивающие усилия с целью получения зависимости между толщиной фланцев и соотношением усилий, воспринимаемых болтами внутренней и наружной зон от действия внешней нагрузки.
Фланцевые соединения на высокопрочных болтах являются наиболее эффективными по сравнению с другими типами монтажных соединений элементов стальных строительных конструкций. Эффект достигается, главным образом, за счет практически полного использования несущей способности болтов на растяжение, что обеспечивает их минимальное количество в соединениях и, как следствие, существенно понижает затраты труда на монтаже конструкций. В этой связи, расчет болтов, основанный на допущениях, отражающих их действительное поведение, приобретает особое значение.
С точки зрения поведения болтов среди конструктивных форм фланцевых соединений растянутых элементов следует различать такие, в которых болты находятся в одинаковых условиях («элементарные» Т-образные соединения, ФС круглых и квадратных труб) и соединения, в которых условия работы болтов не одинаковы (фланцевые соединения элементов открытого профиля: парных и непарных уголков, тавров, двутавров и т.п.). Исследования показали, что поведение последних весьма сложно, характеризуется геометрической и физической нелинейностью.
С целью изучения закономерностей напряженно-деформированного состояния таких соединений были проведены испытания опытных образцов натурных фланцевых соединений (табл. 1):
- типовых стропильных ферм пролетом 24 метра с нижним поясом из парных равнополочных уголков 110х12, 125х8 и 140х12мм;
- широкополочные тавры 15Шт4;
Материал уголков, тавров, фаооиок, ребер жесткости и фланцев — стали с расчетным сопротивлением разрыву по пределу текучести от 225 до 400 МПа. Фланцы опытных образцов толщиной 20, 25 и 30 мм приваривали к соединяемым элементам без разделки кромок, вручнуюэлектродами типа Э50А по ГОСТ 9467-75. Болты высокопрочные М24 изстали 40Х «Селект» с нормативным сопротивлением разрыву 1100 МПа Опытные образцы испытывали на специальном стенде, позволяющим развивать растягивающие усилия в соединяемых элементах до 4000 кн. Измерение относительных деформаций проводили тензометрированием с использованием датчиков с базой 5, 10 и 20 мм. Все образцы доводили до разрушения, характер которого фиксировали.
Анализ экспериментальных данных показал, что распределение нормальных напряжений в сечениях соединяемых элементов, расположенных в непосредственной близости от фланцев, носит практически равномерный характер. Вместе с тем, усилия в болтах и изгибные напряжения на характерных участках фланцев испытанных соединений развиваются неравномерно.
На рис. 3 представлена усредненная диаграмма усилий в болтах образца Т-4, типичная для опытных ФС с числом болтов 6 и более. Издиаграммы следует, что гораздо более интенсивный прирост усилий происходит в болтах №№ 1,2,3,4, расположенных на участках фланцев внутренней зоны – ВЗ (см. схему соединения — заштрихованная область) . Внешняя нагрузка раскрытия внутренней зоны фланцев ТР в = 1236 кН, наружной зоны (НЗ) — ТРН= 1688 кН. Соответствующий прирост усилий в болтах ВЗ относительно усилия предварительного натяжения Вов= 216 кН составил ΔВв = 29 кН. В момент разрушения соединения при Траз= 1962 кН усилия в болтахВЗ Враз= 392 кН. Ддя болтов НЗ эти значения равны: В0 = 216 кН, ΔВн = 15 кН, Враз= 260 кН. Полученные экспериментально усилия в болтах, соответствующие им значения внешней нагрузки и данные о характере разрушения опытных ФС приведены в табл. 2, Из таблицы следует, что выявленная закономерность развития усилий в болтах Т-4 прослеживается и в других опытных соединениях.
Рис.3 Диаграмма усилий в болтах опытного соединения Т-4
Раскрытие фланцев ВЗ наступает раньше НЗ ( ТР в < ТРН ), а усилия в болтах ВЗ — Вв (после раскрытия фланцев) всегда больше Вн. Причина этого заключается в различной жесткости внутренней и наружной зоны фланцев. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что изгибные напряжения во ВЗ фланцев развиваются заметно слабее, чем в НЗ, более жесткая на изгиб внутренняя зона фланцев передает на болты большую часть внешней нагрузки — Тв по сравнению с наружной, передающей на болты нагрузку Тн (Т = Тв + Тн). Но этой же причине рычажные усилия — R, действующие на болты ВЗ и НЗ также неодинаковы.
Отметим, что экспериментальные значения напряжений в опасных сечениях фланцев при толщине t ≥ 20мм и достижении в болтах расчетных усилий — Вр, не превышали значений расчетных сопротивлений стали фланцев изгибу по пределу текучести.