Фрикционные соединения на высокопрочных болтах: расчет и конструирование по СП 16.13330.2017

locolizator

Введение

Фрикционное соединение на высокопрочных болтах - это когда детали стягиваются болтами с большим усилием натяжения, а расчетное усилие передается силами трения между соприкасающимися поверхностями. Срез и смятие болта при этом не допускаются (п. 14.2.2 СП 16.13330.2017).

Главное отличие от обычных болтовых соединений:

Обычный болт работает на срез и смятие - детали могут сдвигаться, болт держит как штифт
Высокопрочный болт во фрикционном соединении работает на растяжение - он стягивает пакет, а сдвигу препятствует трение

Фрикционные соединения применяют там, где недопустимы деформации сдвига и где динамические нагрузки могут разболтить обычное соединение: мосты, крановые пути, монтажные стыки ответственных конструкций, соединения в зоне переменных нагрузок.

1. Когда нужно фрикционное соединение

СП 16.13330.2017 (п. 14.2.1) предписывает применять фрикционные соединения в следующих случаях:

Конструкции, воспринимающие динамические, вибрационные или подвижные нагрузки (мосты, подкрановые балки, транспортерные галереи)
Конструкции, работающие в зонах с расчетной температурой ниже -40 град C (хрупкость стали)
Соединения, где не допускаются пластические деформации сдвига
Монтажные стыки крупных конструкций (чтобы исключить подвижки при сборке)

В обычных статических конструкциях можно использовать высокопрочные болты без фрикционности - то есть в срезном варианте (п. 14.2.7). Но если вы сделали соединение из высокопрочных болтов без контроля натяжения - это уже не фрикционное, хотя болты высокопрочные.

2. Как работает фрикционное соединение

Физика простая:

$$
F_{тр} = N \cdot \mu
$$

где:

$$F_{тр}$$ - сила трения, препятствующая сдвигу
$$N$$ - сила обжатия поверхностей (суммарное усилие натяжения болтов)
$$\mu$$ - коэффициент трения (зависит от обработки поверхностей)

Чем сильнее стянуты детали и чем выше коэффициент трения - тем больше сдвигающая сила, которую может воспринять одно соединение.

Ключевая особенность: пока сдвигающая сила меньше силы трения - соединение работает упруго, без деформаций. Как только трение преодолено - начинается сдвиг, и соединение переходит в работу на срез (что для фрикционного соединения является предельным состоянием).

3. Расчет фрикционного соединения (п. 14.2.5-14.2.13)

3.1. Несущая способность одного болта

Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним высокопрочным болтом во фрикционном соединении, определяется по формуле (п. 14.2.5):

$$
Q_{bh} = \frac{R_{bh} \cdot \gamma_b \cdot A_{bn} \cdot \mu}{\gamma_h}
$$

где:

$$R_{bh}$$ - расчетное сопротивление высокопрочного болта растяжению. Для болтов 10.9: $$R_{bh} = 0,7 R_{bun} = 0,7 \times 1100 = 770$$ МПа
$$A_{bn}$$ - площадь сечения болта нетто (по резьбе). Для М24: $$A_{bn} = 353$$ мм2
$$\mu$$ - коэффициент трения (см. таблицу ниже)
$$\gamma_b$$ - коэффициент условий работы соединения (зависит от числа болтов n)
$$\gamma_h$$ - коэффициент надежности (зависит от способа регулирования натяжения и разности диаметров)

3.2. Коэффициент трения (табл. 42*)

Способ обработки поверхностей	μ
Пескоструйная или дробеструйная двух поверхностей	0,58
То же + консервация металлизацией	0,50
Дробеметная или пескоструйная одной с консервацией эпоксидным клеем	0,47
Газопламенная двух поверхностей	0,42
Стальными щетками двух поверхностей	0,35
Без обработки (с очисткой от окалины)	0,25

Самое надежное и распространенное на ответственных конструкциях - пескоструйная обработка. Дает μ = 0,58.

3.3. Коэффициент γ_b (табл. 41*)

Количество болтов в соединении	γ_b
n ≤ 4	1,0
5 ≤ n ≤ 9	0,9
10 ≤ n ≤ 19	0,85
n ≥ 20	0,8

Чем больше болтов, тем неравномернее распределяется усилие - отсюда понижающий коэффициент.

3.4. Коэффициент γ_h

При разности диаметров отверстия и болта δ ≤ 0,5 мм и регулировании натяжения по моменту: γ_h = 1,12
При разности δ = 1-4 мм и регулировании по моменту: γ_h = 1,25
При регулировании по углу поворота гайки: γ_h = 1,08

Чем точнее совпадают отверстия и чем точнее контроль натяжения - тем меньше γ_h и тем выше расчетное усилие на болт.

3.5. Практический пример

Рассчитаем фрикционное соединение для монтажного стыка фермы пролетом 30 м.

Исходные данные:

Сдвигающее усилие в стыке: N = 1200 кН (сжатие верхнего пояса)
Принимаем болты М24, класс 10.9
Обработка поверхностей: пескоструйная (μ = 0,58)
Разность диаметров: δ = 2 мм
Регулирование натяжения по моменту
Количество болтов: предварительно 8 (γ_b = 0,9)

Параметры болта М24 10.9:
$$
R_{bh} = 0,7 \times 1100 = 770;\text{МПа}
$$
$$
A_{bn} = 353;\text{мм}^2
$$

Несущая способность одного болта:
$$
Q_{bh} = \frac{770 \times 0,9 \times 353 \times 0,58}{1,25} = \frac{141;968}{1,25} = 113;574;\text{Н} \approx 113,6;\text{кН}
$$

Требуемое количество болтов:
$$
n = \frac{N}{Q_{bh}} = \frac{1200}{113,6} = 10,6
$$

Принимаем 12 болтов (четное количество с двух сторон стыка).

Проверяем γ_b для n = 12: 0,85. Пересчитываем:
$$
Q_{bh} = \frac{770 \times 0,85 \times 353 \times 0,58}{1,25} = 107,3;\text{кН}
$$
$$
n = \frac{1200}{107,3} = 11,2
$$

12 болтов проходят с запасом.

3.6. Проверка прочности соединяемых элементов (п. 14.2.10)

Соединяемые элементы проверяют на прочность с учетом ослабления сечения отверстиями. Для элементов, работающих на сжатие, ослабление можно не учитывать (п. 14.2.10). Для растянутых элементов - сечение нетто (за вычетом отверстий) должно быть достаточным.

Если n болтов в одном сечении и d_0 = d + 3 мм (диаметр отверстия для М24):
$$
A_n = A - n \cdot d_0 \cdot t
$$

4. Конструктивные требования (п. 14.2.14-14.2.17)

4.1. Диаметры отверстий

Номинальный диаметр болта, мм	Диаметр отверстия, мм
16, 20	21, 23
24	27
27	30
30	33

Для фрикционных соединений отверстия обычно делают на 3 мм больше диаметра болта. При разности более 4 мм - необходимо увеличивать γ_h (см. выше).

4.2. Размещение болтов (табл. 40*)

Для высокопрочных болтов во фрикционных соединениях:

Минимальное расстояние между центрами болтов: 2,5d
Минимальное расстояние от центра болта до края элемента: 1,5d (по краю вдоль усилия), 1,3d (поперек усилия)
Максимальное расстояние между центрами: 8d или 12t_min (t_min - минимальная толщина соединяемых элементов)

4.3. Толщина пакета

Суммарная толщина стягиваемого пакета не должна превышать 4-5 диаметров болта. Иначе усилие натяжения неравномерно распределяется по пакету.

4.4. Контроль натяжения (п. 14.2.18)

Натяжение высокопрочных болтов контролируют одним из способов:

По моменту затяжки - динамометрическим ключом. M_{зат} = k \cdot d \cdot P, где k = 0,18 (коэффициент закручивания)
По углу поворота гайки - сначала затяжка до отказа (стандартным ключом), затем доворот на заданный угол (для М24 - на 180 град)

Обязателен контроль не менее 50% болтов в соединении (для самых ответственных - 100%).

5. Типичные ошибки

Путают “высокопрочный болт” и “фрикционное соединение”. Высокопрочный болт может работать и на срез (без контроля натяжения). Фрикционное - это только с контролем натяжения.
Не проверяют ослабление сечения растянутого элемента - даже с 12 болтами в два ряда ослабление составит 6 отверстий по 27 мм = 162 мм ослабления по ширине листа
Завышают коэффициент трения - если поверхности не обработаны должным образом, μ может быть 0,25 вместо 0,58
Ставят болты слишком часто - минимальное расстояние 2,5d для М24 = 60 мм, но это минимум. На практике для доступа ключа нужно 80-100 мм
Экономят на контроле натяжения - затяжка “от руки” дает разброс усилия 30-50%. Без динамометрического ключа фрикционное соединение - фикция
Пакет из слишком многих листов - при 4-5 листах на М24 неравномерность натяжения делает нижние листы фактически неработающими

6. Сравнение: фрикционное vs срезное соединение

Параметр	Фрикционное (10.9, М24)	Срезное (8.8, М24)
Несущая способность	~110 кН на болт	~140 кН на срез (один срез, класс 8.8)
Деформации сдвига	Нет (упругая работа)	Есть (пластические)
Контроль натяжения	Обязателен	Не нужен
Обработка поверхностей	Требуется (пескоструй и т.д.)	Не требуется
Стоимость монтажа	Выше (контроль, обработка)	Ниже
Динамические нагрузки	Работает	Высок риск расшатывания

Фрикционное соединение дает меньшее расчетное усилие на болт, чем срезное, но обеспечивает жесткость и отсутствие деформаций.

Вывод

Фрикционные соединения - это про надежность и жесткость. Если конструкция работает под динамикой, если зимой -40, если недопустимы микросдвиги - высокопрочные болты во фрикционном исполнении безальтернативны.

Главные цифры для запоминания:

Для М24 10.9: Q_bh ≈ 100-115 кН (зависит от μ и γ_h)
μ_max = 0,58 (пескоструй двух поверхностей)
Контроль натяжения обязателен - минимум 50% болтов
Разность диаметров отверстия и болта не более 4 мм, иначе падает коэффициент надежности

Источник: СП 16.13330.2017 “Стальные конструкции”, раздел 14.2 (фрикционные соединения на высокопрочных болтах), табл. 40-42*, 41*, 42*.*