Основным элементом заклёпочного соединения является заклёпка, которая может иметь головку сферическую (Рис. 6.3), потайную (Рис. 6.4) или полупотайную (Рис. 6.5). В мостостроении наибольшее распространение получили заклёпки со сферической головкой.
Заклёпки используют для сплачивания отдельных листов металла в единый пакет, соединения отдельных элементов между собой и устройства монтажных стыков. Заклёпочные соединения относятся к категории нахлёсточных соединений (Рис. 6.6 а,б), хотя иногда используются и во фланцевых соединениях (Рис. 6.7).
Для получения заклёпочного соединения в объединяемых элементах необходимо сделать отверстие, диаметр которого и определяет расчётный диаметр заклёпки. Наиболее часто используют заклёпки диаметром 23 мм. При соединении мощных элементов применяют заклёпки диаметром 26 мм. Для прикрепления второстепенных элементов служат заклёпки диаметром 20 мм. Отметим, что значения диаметров заклёпок связаны с дюймовой системой измерений. Диаметр стержня заготовки заклёпки принимается примерно на миллиметр меньше диаметра отверстия.
На первых порах отверстия в соединяемых заклёпками элементах устраивали пробивкой с помощью штемпеля (Рис. 6.8). При этом происходило нарушение структуры металла, в результате чего прочность его в зоне устройства отверстий снижалась (примерно на 15…18%). Сталь в зоне стенок отверстий становилась хрупкой, а по краям отверстий появлялись волосные трещины.
Пробитые отверстия имели слабо выраженную конусность внутренней поверхности. Поэтому если укладывать все листы пакета в направлении продавливания отверстий, то при установке заклёпки её тело не сможет полностью заполнить отверстие. Выходом из этого положения является чередование в укладке листов (Рис. 6.9).
Рассверловка отверстий устраняет указанные недостатки.
Отверстия сверлят в два этапа (Рис. 6.10). Сначала устраивают отверстия несколько меньше требуемого диаметра, после стягивания пакета болтами или специальными скобами выполняют окончательную рассверловку до требуемого диаметра. В результате получают отверстие правильной цилиндрической формы в строгом соответствии с требуемым диаметром заклёпки.
Для того, чтобы стержень заклёпки мог плотно заполнить заклёпочное отверстие, металл заклёпки необходимо привести в пластическое состояние, что достигается её нагревом до температуры 1100 °С.Перед постановкой заклёпки в отверстие её предварительно нагревают, сбивают образовавшуюся при нагреве окалину и вставляют в заклёпочное отверстие.
Стержень заклёпки должен выступать над соединяемыми элементами на 1,35… 1,5 диаметра заклёпки (обычно уточняется пробной клёпкой). Это необходимо для правильного формирования головки заклёпки. Излишек длины стержня заклёпки обрезают. Головки формируют ударным способом вручную молотком массой примерно 4 кг, или пневматическим молотком. С противоположной стороны соединения устанавливают поддержку для восприятия ударной энергии от молотка. Поддержка должна иметь достаточно большую массу или специальное упорное приспособление. Желательно, чтобы на момент окончания установки заклёпки она имела тёмно-красное каление, что позволяет при остывании заклёпки создать дополнительное обжатие соединяемых элементов.
В нахлёсточном соединении каждый ряд заклёпок скачкообразно передаёт усилие от одного элемента к другому (Рис. 6.12), что является существенным недостатком такого типа соединения.
Другой недостаток заклёпочного соединения связан с необходимостью рассверловки отверстий под заклёпку, что приводит к ослаблению соединяемых элементов.
При равномерно распределенной нагрузке, приложенной к концам цельной металлической полосы, напряжения в полосе распределяются равномерно. Однако, если в полосе есть какие-то ослабления, например, отверстия под заклёпку, характер напряжённого состояния в полосе резко изменяется (Рис.6.14). Такие места называются концентраторами напряжений. При ослаблении полосы круглым отверстием напряжения могут возрасти в три раза (конечно, если металл имел бы неограниченный предел пропорциональности). В силу того, что фактические максимальные напряжения в зоне концентрации превышают предел пропорциональности, в наиболее напряжённых зонах развиваются пластические деформации. В результате этого проявляется наклёп и, как следствие, происходит местное охрупчивание металла. При динамически переменных напряжениях это приводит к образованию усталостных трещин в металле. Правда, свободному развитию пластических напряжений препятствуют менее напряжённые участки, да и наклёп повышает предел пропорциональности. Поэтому заметные пластические деформации проходят при напряжениях несколько больших, чем начальный предел пропорциональности.
Зона концентрации напряжений возле отверстий под заклёпку невелика. Поэтому при размещении заклёпок поперёк направлению действующих напряжений с шагом 3dзакл. взаимное влияние зон концентрации напряжений двух рядом расположенных заклёпок не происходит.
Крайние заклёпки в ряду размещают на расстоянии 2dзакл. от края элемента, чтобы зона концентрации напряжений около отверстия была удалена на безопасное расстояние от кромки. Это расстояние исключает возможность распространения трещины к краю листа.
Однако и слишком большое расстояние между заклёпками недопустимо, так как при этом не обеспечивается плотность соединяемых элементов, а в сжатых элементах может произойти выпучивание отдельных листов или уголков. Нормы проектирования мостов устанавливают ограничение на максимальный шаг заклёпок в зависимости оттого, сжат элемент или растянут.
Прикрепляя заклёпками уголок, необходимо стремиться, чтобы головки заклёпок не попадали на закруглённую часть уголка. Поэтому заклёпки размещают по рискам уголков е1, зависящих от размеров полки: ширины b и толщины t (Рис. 6.16). Для уголков с шириной полки 200 мм и более возможно двухрядное размещение заклёпок (по двум рискам е1 и е2).
Работа заклёпки в соединении сложна, что наглядно видно из рис. 6.17. Поэтому при определении несущей способности заклёпки приходится использовать приближённые методики расчёта. Условно несущую способность заклёпки определяют из условия равномерного диаметрального смятия заклёпки по площадкам 1 и 2, а также по срезу по возможным площадкам сдвига тела заклёпки. В качестве расчётного значения несущей способности заклёпки принимают наименьшее из значений, полученных по указанным условиям.
Из рис. 6.17 наглядно следует, что заклёпочное соединение относится к категории податливых, т. е. из-за обмятия и деформации стержня заклёпки происходит некоторое взаимное проскальзывание соединяемых элементов. В какой-то степени это снижает эффективность работы заклёпочного соединения. После того как усилия, действующие в соединяемых элементах, преодолевают силы сцепления, образующиеся между элементами при остывании заклёпки, она полностью включается в работу на смятие и срез.
В настоящее время заклёпочные соединения в мостостроении применяются редко. При разработке проекта реконструкции клёпаных пролётных строений расчёты заклёпочных соединений выполняют согласно «Техническим условиям проектирования железнодорожных и городских мостов и труб» (СН 200-62).
Несущая способность заклёпки из условия её работы на смятие определяется по выражению:
где – основное расчётное сопротивление стали, из которой выполнены заклёпки;
– коэффициент перехода к сопротивлению заклёпки на смятие;
– наименьшая из толщин соединяемых элементов или + .
Несущая способность заклёпки из условия её работы на срез определяется по выражению:
где – коэффициент перехода от основного сопротивления металла
заклёпки к сопротивлению заклёпки на срез;
k – число возможных плоскостей среза.
Несущая способность заклепки принимается равной наименьшему из значений и .