Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

Работа клепаных соединений. В работе клепаного соединения, препятствующего сдвигу соединяемых элементов, различают три стадии (рис. III—37).
Первая стадия — упругая работа. При сокращении длины остывающего стержня заклепки последний очень плотно обжимает соединяемые элементы. Начальные растягивающие напряжения в стержне поставленной заклепки доходят до 2000—2200 кг/см2.

В момент приложения усилия, стремящегося сдвинуть соединенные элементы один по отношению к другому, между ними возникают силы трения, препятствующие этому сдвигу. До тех пор пока силы трения не преодолены, деформации соединения пропорциональны напряжениям в основном металле, а само соединение работает упруго.
Вторая стадия — упруго-пластическа я работа. После преодоления сил трения происходит сдвиг соединяемых элементов. Величина сдвига зависит от качества клепки и обычно измеряется сотыми долями миллиметра (рис. III—37 — деталь).
После сдвига стержень плотно упирается в стенки отверстия соединяемых элементов и вовлекается непосредственно в работу. На этой стадии усилие передается не только за счет трения между элементами, но и через заклепочный стержень. Деформации нарастают быстрее, что и сказывается на более сильном наклоне кривой σ—ε (рис. III—37). Под влиянием сдвига элементов стержень заклепки начинает сминаться, срезаться, изгибаться и растягиваться (рис. III—38). В прямых углах кромок сдвинутых элементов материал быстро достигает пластического состояния и углы обминаются. Размер сминаемых поверхностей увеличивается, а явление среза теряет свою чистую форму. Изгиб стержня связан с растяжением его, что вызывает более сильное нажатие головок заклепки на все соединение и увеличение сил трения между соприкасающимися поверхностями.
Третья стадия — пластическая работа. Напряжения в стержне заклепки достигли предела текучести, в соединении происходят значительные пластические деформации, сопровождающиеся сдвигом элементов на 2—3 и даже на 5 мм. Для сравнения полезно отметить, что величина сдвига за первую и вторую стадии работы составляет всего лишь 0,1—0,2 мм.

Разрушение соединения происходит или от изгиба и растяжения стержня заклепки и отскакивания головки, или от изгиба и среза стержня между соединяемыми элементами. Характер разрушения клепаного соединения зависит от соотношения между диаметром заклепок и толщиной соединяемых листов. Чем меньше диаметр заклепок и толще листы, тем отчетливее явление среза в заклепках.
Распределение напряжений в соединяемых элементах у заклепок весьма сложно и неравномерно (рис. III—39, а). В нагруженном листе у отверстия независимо от наличия заклепочного стержня возникают местные перенапряжения. При этом величина средних напряжений, вычисленных по площади нетто, в 2—3 раза отличается от действительных максимальных и минимальных напряжений.

В листах клепаного соединения со стороны отверстия, противоположной действующему усилию, возникают сжимающие напряжения в секторе около 120° (рис. III—39, а). По длине листа участок сжимающих напряжений распространяется примерно на 2,5 диаметра отверстия. На таком же расстоянии начинаются отклонения в равномерном распределении растягивающих напряжений. Эти наблюдения отражены в нормах, требующих, чтобы расстояние между осями соседних заклепок, расположенных по направлению усилия, были не менее трех диаметров отверстий.
Возникающие в листах у заклепок большие скалывающие напряжения могут привести к разрушению соединения от выкалывания по двум плоскостям (рис. III—39,6).
Определение несущей способности клепаного соединения. Работа клепаных соединений протекает в весьма сложных условиях. Практические методы расчета основаны на значительных упрощениях, вполне оправданных успешным многолетним опытом их применения.
При определении несущей способности [Nз] одной заклепки, препятствующей сдвигу соединяемых элементов, исходят:
из требования обеспечения прочности заклепки на срез

В действительности последний расчет обеспечивает и прочность листов на выкалывание (рис. III—39,б). Существует прямая пропорциональная связь между отношением временного сопротивления клепаного соединения условному смятию (выкалыванию) к временному сопротивлению материала листов срезу и расстоянию от заклепки до края листа вдоль усилия (до некоторого предела). Эту связь можно перенести и на расчетные сопротивления (допускаемые напряжения).
Расчетные сопротивления и допускаемые напряжения клепаных соединений зависят от марки стали соединяемых элементов и заклепочных заготовок, а также от способа изготовления отверстий (типа «В» или «С»). Величины их приведены в таблицах III—5 и III—6. Расчетные сопротивления и допускаемые напряжения в клепаных соединениях с потайными или полупотайными головками снижают на 20%; работа на растяжение заклепок с такими головками не допускается.
В случаях применения клепаных соединений с отверстиями типа «С» принимают [τ3]=0,6[σ] и [σ3]см = 1,75[σ].

При совместной работе ряда заклепок во время работы соединения в упругой стадии крайние заклепки несут значительно большую нагрузку, чем внутренние. Так, при четырех заклепках в ряду крайние заклепки перегружены по сравнению со средними примерно в 1,5 раза, а при шести заклепках — почти в 2,5 раза. Однако перегруженные крайние заклепки после достижения ими пластического состояния перестают принимать на себя возрастающую нагрузку. Последняя передается на остальные, менее нагруженные заклепки; происходит выравнивание усилий. Разрушение таких клепаных соединений начинается одновременно по всем заклепкам. Это дает основание считать, что в момент, предшествующий разрушению, усилие между всеми заклепками распределяется равномерно, и производить расчет клепаного соединения в предположении, что все заклепки принимают одинаковое участие в передаче усилия. Отмеченное обстоятельство позволяет не требовать ограничения количества заклепок, располагаемых в соединении вдоль усилия.
Кроме заклепок, препятствующих сдвигу соединяемых элементов, встречаются заклепки, препятствующие отрыву одного элемента от другого, то есть работающие на растяжение или, как говорят, на отрыв головок.

В работе заклепок на растяжение различают две стадии. В первой стадии не наблюдается деформации соединения; во второй — начальные напряжения сжатия между листами преодолены, стержень заклепки в работу включается сначала в упругом состоянии, а затем переходит в пластическое.
Работа заклепок (как и болтов) на растяжение почти всегда осложняется эксцентричным расположением внешнего усилия, что, в свою очередь, связано со снижением их несущей способности. По этой причине расчетное сопротивление (допускаемое напряжение) разрыву стержня заклепки принимают примерно на 45% ниже, чем осевому растяжению.
Прочность стержня заклепки, на разрыв проверяют в предположении центрального растяжения:

В случае совместной работы заклепки на сдвиг и на растяжение проверку прочности стержня в соответствии с указаниями СНиП проводят отдельно.