Выбор болтов и гаек для соединений стальных конструкций: техническое руководство.

В строительстве из стальных конструкций требуются крепежные элементы, способные передавать огромные нагрузки, сопротивляться сдвиговым и растягивающим силам, а также сохранять целостность в динамических условиях, таких как ветер или землетрясения. Обычных болтов недостаточно; необходимы специализированные высокопрочные конструкционные болты в сочетании с точно подобранными гайками. Вот краткое описание основных типов и важных моментов:

1. Высокопрочные конструкционные болты (ASTM A325 (и ASTM A490 / F3125, марки A325 и F1852/F2280):

«Золотой стандарт»: это наиболее распространенные и важные крепежные элементы для основных несущих конструкций (соединения балок с колоннами, соединения колонн, раскосы и т. д.).

Материал и прочность: Изготовлено из среднеуглеродистой стали (A325) или легированной стали (A490), подвергнутой термообработке для достижения очень высокой прочности на растяжение.

ASTM A325 (F3125 Grade A325): Минимальный предел прочности на растяжение 120 ksi (825 МПа). Подходит для большинства общих конструкционных применений.

ASTM A490 (F3125, марки F1852 [свинцовый] и F2280 [шестигранный]): Минимальная прочность на растяжение 150 ksi (1035 МПа). Используется там, где требуется более высокая прочность или желательны болты меньшего размера для экономии места/веса. Важно: болты A490 подвержены водородному охрупчиванию и не должны быть оцинкованы.

Способ установки — ключевое отличие: эти болты устанавливаются с заданным минимальным требуемым натяжением (предварительным усилием). Это предварительное усилие:

Плотно сжимает соединенные стальные пластины.

Создает значительное трение между пластинами (соединения, критически важные по скольжению), передавая сдвиговые нагрузки преимущественно за счет этого трения, а не за счет среза/опорного усилия болтов.

Снижает подверженность усталости материала за счет минимизации колебаний напряжений в болте.

Обеспечивает жесткость и целостность сустава.

Выполнение предварительной загрузки:

Калиброванный динамометрический ключ: использование динамометрического ключа для приложения рассчитанного момента затяжки, исходя из смазанности болта и требуемого натяжения.

Метод затяжки гайки: болт затягивается до упора (плотный контакт), затем гайка затягивается еще на определенную долю оборота (например, на 1/2, 2/3 оборота) в зависимости от длины болта и конфигурации соединения.

Индикаторы прямого натяжения (DTI): шайбы с выступами, которые предсказуемо сплющиваются по мере натяжения болта, обеспечивая визуальное или измеримое отображение достигнутой нагрузки.

Болты с регулировкой натяжения с отвинчивающимся концом (болты TC - ASTM F1852): имеют шлицевой конец, который отламывается при точно откалиброванном натяжении при использовании специального электрического ключа. Наиболее распространенный современный метод благодаря скорости и надежности.

Требования к гайке: Должна использоваться в паре с усиленной шестигранной гайкой (ASTM A563) соответствующего класса и покрытия (например, A563 Grade DH для болтов A325, A563 Grade DH3 для болтов A490). Усиленные шестигранные гайки толще и прочнее стандартных, чтобы выдерживать высокие усилия при установке без скругления или срыва резьбы.

2. Болты без предварительной нагрузки (ASTM A307 - ограниченного применения):

Материал: низкоуглеродистая сталь.

Прочность: Значительно более низкая прочность на растяжение (60 ksi / 415 МПа), чем A325/A490.

Применение: Ограничено второстепенными элементами, легкими распорками, прогонами, балками, временными соединениями или соединениями, где допустимо проскальзывание («опорные» соединения). Никогда не используется для основных несущих соединений в крупных конструкциях. Сдвиговые нагрузки передаются через срез болтов и опору на стенки отверстий.

Установка: Затягивается только плотно (с полным усилием рабочего с помощью гаечного ключа). Особых требований к предварительному затягиванию нет.

Требования к гайкам: Обычно используются стандартные шестигранные гайки (ASTM A563 класса A или C). Использование тяжелых шестигранных гаек не требуется.

3. Соответствующие гайки (ASTM A563) - Критически важная совместимость:

Класс прочности: Класс прочности гайки должен соответствовать или превышать класс прочности болта. Использование гайки более низкого класса прочности является критическим фактором отказа.

Болты A325: используйте гайки A563 класса DH (углеродистая сталь), D (среднеуглеродистая сталь) или DH3 (легированная сталь).

Болты A490: Необходимо использовать гайки из легированной стали марки A563 (DH3). Использование гаек из углеродистой стали (DH/D) с болтами A490 может привести к срыву резьбы.

Болты A307: Используйте стандартные шестигранные гайки A563 класса A (углеродистая сталь) или C (среднеуглеродистая сталь).

Тип болтов: Для высокопрочных болтов (A325/A490) требуются усиленные шестигранные гайки (более толстые и широкие по граням), обеспечивающие достаточную площадь опоры и прочность для предварительной затяжки. Для болтов A307 обычно используются стандартные шестигранные гайки.

Покрытие: Гайки должны соответствовать системе защиты от коррозии болта (см. ниже), чтобы предотвратить гальваническую коррозию.

4. Шайбы (ASTM F436 / F959 / F844):

Шайбы из закаленной стали: обязательны под головкой болта и гайкой для болтов из стали A325 и A490, устанавливаемых в отверстия увеличенного диаметра или с пазами, а также под обработанным элементом (головкой или гайкой) при использовании метода затяжки гайки. Они распределяют усилие затяжки, предотвращают повреждение соединяемого материала и обеспечивают плавное вращение во время затяжки.

Индикаторы прямого натяжения (DTI - ASTM F959): служат в качестве специальных шайб для индикации достигнутого натяжения болта.

Плоские шайбы (ASTM F844): используются под головкой или гайкой болтов из стали A307, главным образом для перекрытия отверстий увеличенного размера или защиты мягких материалов.

5. Защита от коррозии:

Неокрашенный (черный): Базовая окалина. После установки требуется покраска для защиты от коррозии. Самая низкая стоимость.

Горячее цинкование (HDG - ASTM F2329): обеспечивает превосходную долговременную защиту от коррозии болтов из стали A325 и соответствующих крепежных элементов. гайки/шайбыВажно: болты из стали A490 НЕ МОГУТ быть оцинкованы под высоким давлением из-за риска водородного охрупчивания. Болты из стали F1852 TC обычно оцинковываются под высоким давлением.

Механическое цинкование: цинковое покрытие наносится механическим способом. Тоньше, чем горячее цинкование, но позволяет избежать проблем, связанных с водородом, для стали A490. Часто используется для стали A490, где необходима защита от коррозии.

Неорганические покрытия с высоким содержанием цинка (например, Geomet): тонкие, смазывающие покрытия, обеспечивающие хорошую коррозионную стойкость и стабильную зависимость крутящего момента от натяжения. Подходят как для стали A325, так и для стали A490.

Краткое описание отбора:

Основные конструктивные соединения (рамы, распорки, стыки): болты ASTM A325 (F3125 Gr A325) или ASTM A490 (F3125 Gr F1852/F2280) + шестигранные гайки ASTM A563 (класс DH/DH3) + шайбы ASTM F436 (или индикаторы затяжки F959). Установка производится с заданным предварительным натяжением с помощью калиброванного ключа, поворота гайки или (предпочтительно для A325) скручивания (F1852).

Второстепенные элементы / Легкие распорки / Некритичные: болты ASTM A307 + стандарт ASTM A563 Шестигранные гайки (Класс A/C) + при необходимости плоские шайбы ASTM F844. Надежная установка.

Коррозия: Выберите защиту (горячее цинкование для A325/F1852, механическое цинкование/покрытие для A490) и убедитесь, что все компоненты (болт, гайка, шайба) имеют одинаковое покрытие.

Заключение: Целостность стальной конструкции зависит от использования правильно подобранных высокопрочных болтов (A325/A490) с точно подобранными тяжелыми шестигранными гайками (A563 DH/DH3) и закаленными шайбами, устанавливаемых под контролируемым натяжением для ответственных соединений. Болты A307 со стандартными гайками используются в некритических целях. Несоответствие компонентов или неправильная установка представляют собой серьезную опасность для безопасности. Строгое соблюдение соответствующих спецификаций (AISC, RCSC, ASTM) является обязательным.