Соединение профилированного настила с прогонами покрытия на высокопрочных болтах

Введение. Одной из ключевых задач включения в совместную работу профилированного настила с прогонами покрытия и стропильными фермами является создание надежного и жесткого соединения между ними. Стандартные крепления, применяемые на практике, демонстрируют недостаточную прочность в зоне отверстий, что ограничивает возможность включения настила в силовую схему покрытия. В связи с этим актуальна задача разработки конструктивных решений, повышающих несущую способность и жесткость узлов крепления тонкостенных элементов к прогонам покрытия.

Материалы и методы. Предложена и проанализирована конструкция болтового соединения, усиленного композитными элементами на основе углеродного волокна. Проведен теоретический расчет контактных напряжений в зоне шайбы, определены условия наступления смятия листа и дана оценка эффективности внешнего усиления. Экспериментальная часть включала испытания болтовых соединений профилированного настила Н153 из стали 08ПС толщиной 1,5 мм с болтами М12 как без усиления, так и с применением накладок из углеродной ткани, пропитанной эпоксидным клеем.

Результаты. Теоретически обосновано снижение контактных напряжений в соединении при усилении углеродным волокном путем увеличения эквивалентной жесткости зоны болтового соединения. Экспериментально установлено, что усиленные соединения демонстрируют увеличение несущей способности в упругой стадии работы до 40 % по сравнению с не усиленными.

Выводы. Применение внешнего усиления из углеродного волокна позволяет существенно повысить надежность и жесткость болтового соединения тонкостенного профилированного настила. Предложенное решение обеспечивает работоспособность соединения при эксплуатационных усилиях, препятствует развитию локальных разрушений и способствует включению настила в совместную работу с несущими элементами покрытия.

1. Черных Е.В., Зайдес С.А. Анализ технологии сборки болт-заклепочных соединений с натягом // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 8 (127). С. 49–57. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-49-57. EDN ZFHSCR.

2. Патент RU № 2398137 C1. Способ выполнения болтового соединения с радиальным натягом для неразъемных пакетов / Павликова С.Ю.; патентообл. Иркутский государственный технический университет; заявл. № 2009123958/11 от 23.06.2009; опубл. 27.08.2010. Бюл. № 24.

3. Patent CN No. 102494005 A. Washer for a bolt when fastening ultra-thin plates; Shanghai Aerospace Co; Publ. 13.06.2012.

4. Jiang K., Zhao O. Ferritic stainless steel thin sheet bolted connections failing by bearing–curling interaction: Testing, modelling and design // Engineering Structures. 2023. Vol. 283. P. 115919. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.115919

5. Патент РФ № 2435995 C2. Заклепочная гайка и заклепочный болт, а также комбинация заклепочной гайки или заклепочного болта с листовой деталью / Бабей Ж., Хумперт Р.; патентообл. Профиль-Фербиндунгстехник Гмбх Унд Ко.Кг. Опубл. 10.12.2011.

6. Крутик С.А. Определение усилий в соединениях изгибаемых металлических элементов покрытий и перекрытий с настилом, выполненных с использованием композитного материала на основе углеродных лент // Инженерный вестник Дона. 2021. № 3 (75). С. 409–418. EDN TPAKWB.

7. Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Татиев Д.А., Покулаев К.В. Усиление металлических конструкций фиброармированными пластиками: часть 1. Состояние проблемы // Интернет-журнал Науковедение. 2014. № 3 (22). С. 117. EDN STRJQZ.

8. Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Татиев Д.А., Покулаев К.В. Усиление металлических конструкций фиброармированными пластиками: часть 2. Применение метода предельных состояний к расчету растягиваемых и изгибаемых конструкций // Интернет-журнал Науковедение. 2014. № 3 (22). С. 118. EDN STRJRJ.

9. Туснин А.Р., Щуров Е.О. Экспериментальные исследования клеевого соединения элементов из стали и углепластиковых композиционных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 7. С. 69–73. EDN ZBTMXJ.

10. Пятницкий А.А., Крутик С.А. Усиление балок покрытий и перекрытий с использованием углепластика // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 6. С. 57–60. EDN USJXZY.

11. Патент RU 2476651 C1. Устройство для крепления профилированного настила к балке / Пятницкий А.А., Рубцов О.И.; заявл. 14.10.2011; опубл. 27.02.2013. Бюл. № 6. 3 с.

12. Патент RU 2835751 C1. Болтовое соединение тонкостенных стальных листов на высокопрочных болтах / Бажин Г.М.; заявл. 16.07.2024; опубл. 03.03.2025. Бюл. № 7. 2 с.

13. Wang Z.Y., Wang Q.Y. Fatigue strength of CFRP strengthened welded joints with corrugated steel plates // Composites Part B: Engineering. 2015. Vol. 72. Pp. 30–39. DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.11.021

14. Matsui T., Suzuki K., Sato S., Kubokawa Y., Nakamoto D., Davaakhishig S. et al. Pilot demonstration of a strengthening method for steel-bolted connections using pre-formable carbon fiber cloth with VaRTM // Materials. 2021. Vol. 14. Issue 9. P. 2184. DOI: 10.3390/ma14092184

15. Jiang K., Zhao O. Ferritic stainless steel thin sheet bolted connections failing by bearing–curling interaction: Testing, modelling and design // Engineering Structures. 2023. Vol. 283. P. 115919. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.115919

16. Elkhabeery O.H., Safar S.S., Mourad S.A. Flexural strength of steel I-beams reinforced with CFRP sheets at tension flange // Journal of Constructional Steel Research. 2018. Vol. 148. Pp. 572–588. DOI: 10.1016/j.jcsr.2018.05.038

17. Siwowski T.W., Siwowska P. Experimental study on CFRP-strengthened steel beams // Composites Part B: Engineering. 2018. Vol. 149. Pp. 12–21. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.04.060

18. Yu Q.Q., Wu Y.F. Fatigue retrofitting of cracked steel beams with CFRP laminates // Composite Structures. 2018. Vol. 192. Pp. 232–244. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.02.090

19. Yu T., Fernando D., Teng J.G., Zhao X.-L. Experimental study on CFRP-to-steel bonded interfaces // Composites Part B: Engineering. 2012. Vol. 43. Issue 5. Pp. 2279–2289. DOI: 10.1016/j.compositesb.2012.01.024

20. Бажин Г.М. Включение профилированного настила в совместную работу со стальным покрытием // Инновации и инвестиции. 2025. № 6. С. 690–692. EDN MPHEPF.