^*- по отношению к шляпке самореза

Рис. 4 образцы для испытаний

2. Испытания на вырыв из тонколистового металла.

Рис. 5
Крепежные изделия

1 – образец
2 -приспособление

Внешний вид приспособления

Рис. 6

Испытания проводились в лаборатории кафедры Теоретической механики Казанского государственного университета на разрывной машине MULTIENSAYO (Controls) с электронно-вычислительным комплексом для регистрации результатов экспериментов.

Внешний вид установки для испытаний показан на рис.7.

а) общий вид комплекса б) испытания на сдвиг в) испытания на вырыв

Рис. 7 Внешний вид образцов

Результаты испытаний представлены в таблицах 5, 6 и графиках, приведенных на рис. 8 и 9.

Таблица 5

Рис. 8

Усилия разрушения соединений на саморезах при срезающих нагрузках, kN, в зависимости от толщины материала.

Таблица 6

Рис. 9

Усилия разрушения соединений на саморезах при вырывающих нагрузках, kN, в зависимости от толщины материала.

При анализе полученных результатов установлено (табл.7), что заявленные производителями крепежа характеристики разрушающих нагрузок на сдвиг листов и вырыв крепежных изделий из тонколистовых материалов, частично совпадают с полученными результатами (с учетом погрешностей измерений и не полного соответствия толщины применяемых материалов). Но в ряде случаев они ниже полученных показателей, что может говорить о завышении производителями допускаемых нагрузок и запаса прочности соединений.

Таблица 7

Соединения на саморезах		Разрушающее усилие, кН (толщина листов, мм)
		FERROMETAL	HILTI	SFS
Сдвиг листов
	Заявлено, kN	6,28 (срез стержня)	2,98 (1,00/1,00)	1,82 (0,60/0,60) (сдвиг на 3 мм.)
	Получено, kN	3,91 (1,20/1,20)	3,02 (1,00/1,20)	1,50 (0,55/1,20)
Вырыв
	Заявлено, kN	2,40 (1,60)	1,12 (1,20)	1,18 (1,20)
	Получено, kN	0,93 (1,20)	2,62 (1,20)	3,20 (1,20)

На графиках зависимости срезающих усилий от смещения листов (рис.11 - 12) отчетливо определяются зоны выбора зазоров (А), зона упругих деформаций (Б), площадки "текучести" (В), предел прочности (Г). Характер деформаций, соответствующих каждой перечисленной зоне, показан на рис.10. Поскольку твердость материалов крепежных элементов во всех случаях намного выше твердости материалов исследуемых образцов, зона Б образуется смятием материала образцов. Зона В образуется за счет наклона саморезов и отсутствует на графиках заклепок. 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).

Рис. 10

Таким образом, в качестве критерия прочности соединения следует принимать либо усилие, соответствующее окончанию зоны пропорциональных (упругих) деформаций ( Fп ), т.е. момент начала вращения самореза, либо нагрузку, при которой реализуются допускаемые перемещения ( Fд₂ ), которые для строительных систем равны 2 мм. Причем, во втором варианте усилие меньше. В качестве альтернативного критерия прочности по допускаемым перемещениям, можно принять нагрузку при перемещении, равном 1 мм (Fд₁).

Запас прочности соединений (n)будет определяться отношением усилия разрушения соединений (Fр) к критериям прочности.

nу = Fр / Fп nд2 = Fр / Fд2 nд1 = Fр / Fд₁( 1 )

Поскольку при нагружении систем статической нагрузкой в реальных условиях происходит безвозвратная выборка имеющихся зазоров, можно пренебречь перемещением саморезов в зоне и принять за начало отсчета теоретическую точку пересечения линии упругих деформаций с осью перемещений (рис. 11-13).

HILTI 0,55/1,2 срез Fд1 = 0,6 kN Fд2 = 1,1 kN Fп = 1,75 kN Fр = 3,24 kN

Рис. 11

С увеличением толщины материалов, как видно из сравнения графиков на рис. 11 и рис.12, характер кривой меняется незначительно, но существенно сокращаются перемещения до разрушения соединений.

HILTI 1,2/1,2 срез Fд1 = 1,65 kN Fд2 = 2,80 kN Fп = 2,80 kN Fр = 4,02 kN

Рис. 12

На рис.13 приведены графики зависимости усилий, приложенных для сдвига листов, от их перемещения в соединениях на саморезах с приведенной точкой начала отсчета для верхних листов различной толщины.

Рис. 13

При анализе величин разрушающих усилий саморезов при вырыве, однозначно установлена обратная взаимосвязь между величиной усилия и диаметром сверла самореза для всех значений толщины материалов (Таблица 6). Из этого можно сделать вывод о том, что саморезы с небольшим диаметром сверла предпочтительны при выборе крепежных элементов.

Таблица 8

Характер кривой нагружения для вытягивающих нагрузок показал, что она заметно отличается от классического вида кривой растяжения материала, главным образом за счет вытягивания материала образцов. При этом не образуется ярко выраженная площадка "текучести". Перемещения, необходимые для выборки люфтов в большинстве случаев отсутствуют, поэтому в расчетах можно опираться на величину нагрузки при заданном перемещении.

Рис. 14

HILTI 0,8 мм

Fд1 = 0,80 kN

Fд2 = 1,30 kN

Fп = 1,15 kN

Fр = 1,34 kN

Рис. 15

SFS 1,2 мм

Fд1 = 1,70 kN

Fд2 = 2,30 kN

Fп = 2,80 kN

Fр = 3,20 kN

Рис. 16

FM 1,2 мм

Fд1 = 0,45 kN

Fд2 = 0,85 kN

Fп = 0,80 kN

Fр = 0,93 kN

Рис.17

Характер деформаций образцов в испытаниях саморезов на вырыв показал, что основные перемещения образуются за счет вытяжки материала образцов. При этом образцы с большим диаметром сверла вырывались из увеличенного, в результате вытяжки отверстия, а образцы с небольшим диаметром сверла, срезали витками часть материала образцов (рис. 17).

На рис. 18 показан сводный график усилий, необходимых для вырыва саморезов различных производителей.

Рис. 18

Результатом анализа можно считать выбор критериев допустимых нагрузок на крепежные элементы, согласующиеся 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" (принят равным 1 мм). Но главный результат сводится к тому, что экспериментально полученные данные о допускаемых нагрузках для узлов металлических конструкций, соединяемых при помощи крепежных изделий, в зависимости от их геометрических характеристик (табл. 3,4), могут быть рекомендованы для использования в прочностных расчетах.

Методика выбора необходимого количества крепежных элементов заключается в следующем. Сначала определяется действующая на узел конструкции нагрузка, затем по графикам находится величина допускаемой на один крепежный элемент нагрузки, после чего вычисляется требуемое количество элементов, при этом коэффициент запаса по прочности принимается равным отношению разрушающих и допускаемых нагрузок.

Нагрузки в узлах соединений на саморезах при срезающих нагрузках, kN

Fд₁– усилие при допускаемых перемещениях равных 1 мм., kN

Fд₂– усилие при допускаемых перемещениях равных 2 мм., kN

Fп – усилие предела пропорциональных (упругих) деформаций, kN

Fр – разрушающее усилие, kN

nд₁ – коэффициент запаса прочностипо Fд₁

nд₂ – коэффициент запаса прочностипо Fд₂

nп – коэффициент запаса прочностипо Fп

Таблица 9

Нагрузки в узлах соединений на саморезах при вырывающих нагрузках, kN

Fд₁ – усилие при допускаемых перемещениях равных 1 мм., kN

Fд₂ – усилие при допускаемых перемещениях равных 2 мм., kN

Fп – усилие предела пропорциональных (упргугих) деформаций, kN

Fр – разрушающее усилие, kN

nд₁ – коэффициент запаса прочностипо Fд₁

nд₂ – коэффициент запаса прочностипо Fд₂

nп – коэффициент запаса прочностипо Fп

Таблица 10

1. Каталог крепежных изделий SFS inteco, 2005г.
2. Каталог крепежных изделий HILTI, 2005г.
3. Каталог крепежных изделий BRALO, 2005г.
4. Каталог крепежных изделий FERROMETAL, 2005г.
5. СНиП 2.01.07-85 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ
6. СНиП 3.03.01-87 НЕСУЩИЕ И ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ