1.   Вступ

У попередній статті, яку ви можете знайти тут, ми розглянули застосування кріпильних елементів до сталі, проблеми, пов'язані з традиційними методами кріплення, та рішення Hilti для вирішення цих проблем. У цій статті ми зосередимося на статичному проєктуванні шпильок Hilti для кріплення до сталі, з прикладом проєктування, вирішеним за допомогою «ручного розрахунку».

2.   Приклад проєктування кронштейну з точковим навантаженням

Цей приклад має такі умови (див. рисунок 1):
·      Кронштейн зі сталевого профілю з прольотом 600 мм;
·      Навантаження 1,5 кН на край (корисне навантаження);
·      Базовий матеріал - фарбований сталевий профіль IPE 270;
·      Кріплення кронштейна до сталевого профілю за допомогою 2х різьбових шпильок.

          
Рисунок 1 - Приклад проєктування - кронштейн з точковим навантаженням на кінці. 3D-вигляд (ліворуч) та 2D-вигляд (праворуч).
 
Щодо проєктування шпильок, першим кроком буде розрахунок навантажень та реакцій на з'єднання між кронштейном та сталевим профілем (див. Рисунок 2). Щодо розрахунку навантажень, то відповідно до Єврокоду [1], ми застосовуємо концепцію проєктування з частковими коефіцієнтами безпеки.
 
                                                         
 Рисунок 2 – Опорні реакції у з'єднанні між кронштейном та сталевою конструкцією 

Після розрахунку опорних реакцій ми продовжимо проєктування, враховуючи шпильку F-BT, оскільки ми маємо справу доволі значними значеннями опорних реакцій. Для кріплення до сталі з покриттям приймаємо шпильку: F-BT-MR M10x50 SN (10). Щодо номенклатури шпильки, вона відповідає логіці, показаній на рисунку 3.
 

Рисунок 3 – Логіка найменування шпильок F-BT.

Отже, шпилька, попередньо обрана для цього прикладу, має діаметр 10 мм, довжину 50 мм, на неї наноситься сталева та неопренова шайба для захисту від корозії, а основний матеріал повинен мати мінімальну товщину 10 мм. Профіль IPE 270 має товщину полички 10,2 мм, тому ми можемо продовжити підбір. Якщо основний матеріал має товщину менше 10 мм (для шпильки M10), до опору шпильки слід застосувати коефіцієнт зниження навантаження, згідно з Технічним посібником [2].
Після отримання реакцій ми повинні розподілити навантаження між двома шпильками. Для цього ми припускаємо наступне:
Згинальний момент розділяється на пару сил розтяг-стиск. Таким чином, верхня шпилька буде сприймати розтягуючі зусилля, а нижня шпилька буде перебувати під дією сили стиснення. Щодо плеча згинального моменту, ми консервативно врахуємо відстань між центрами шпильок. Для F-BT, у випадку з'єднання 2 шпильок (як у цьому прикладі), опорну пластину необхідно встановити поверх ущільнювальних шайб, щоб збільшити опір перпендикулярно до напрямку навантаження зсуву. Через ці опорні пластини сила стиснення в цьому випадку не має значення, але зверніть увагу, що для прикладу 4 шпильок ущільнювальні шайби також слід перевірити на стиснення;
Коли у нас більше однієї шпильки (групова поведінка), розподіл навантаження зсуву залежить від пластичності шпильки та фактичного зазору – див. [2]. Таким чином, щоб покрити несприятливе розташування шпильок у рядах, одна шпилька ряду враховується для загального навантаження. У цьому п'ята кронштейна Hilti має овальні отвори – див. Рисунок 4. Отже, верхній отвір має вертикальну орієнтацію, що змушує нижню шпильку отримувати весь зсув і запобігає отриманню верхньою шпилькою як усього натягу, так і зсуву. У випадку, якщо канал був встановлений у протилежному напрямку (вертикальний отвір знизу), зверніть увагу, що верхня шпилька прийматиме весь зсув і натяг, що не оптимізує конструкцію. Також слід зазначити, що у випадку круглих отворів розподіл зсувного навантаження на групові кріплення може бути нерівномірним для всіх шпильок. Таким чином, якщо це має місце, несуча здатність шпильок на зсув повинна коригуватися за допомогою параметра – коефіцієнта зниження α, який залежить від типу шпильки та кількості шпильок у з’єднанні. Цей коефіцієнт наведено в ETA та/або Технічному посібнику на продукцію [2] [3] [4].

                     
Рисунок 4 - Орієнтація овальних отворів та вплив на навантаження зсуву.


Після визначення навантажень на шпильку слід порівняти їх з опублікованими значеннями опору [2]. У таблиці 1 нижче ми бачимо, що шпилька F-BT діаметром 10 мм має опір розтягу 11,2 кН ​​та опір зсуву 5 кН.

Таблиця 1 - Розрахункові опори шпильок F-BT на основі методу часткових коефіцієнтів.

Отже, тепер нам слід перейти до перевірки проєкту. Для цього нам слід порівняти діючі напруження та зсув незалежно, а потім взаємодію між двома типами навантажень. Коефіцієнт взаємодії напруження-зсув (у цьому випадку 1,2) наведено в Технічному посібнику [2] та залежить від технології (X-BT, S-BT та F-BT).

Як показано вище, як верхня, так і нижня шпильки придатні для проєктування, оскільки всі вимоги були дотримані. Зверніть увагу, що для інших рішень кріплення на сталевих шпильках (S-BT HL та X-BT) процедура проєктування буде аналогічною, за вже згаданими винятками.

3. Доступні для вашої підтримки - Таблиці проєктування (Типові)

У попередній частині статті ми навели приклад розрахунку «вручну», проте ми надаємо вам таблиці проєктування для швидшого проєктування шпильок. Ці таблиці проєктування охоплюють стандартні випадки кріплення на сталі, які ми називаємо «Типовими». Ці випадки показано на рисунку 5.

Рисунок 5 – Стандартні випадки, що охоплюються таблицями проєктування (типові).

Існують деякі припущення з таблиць розрахунку, на які варто звернути увагу, а саме:
Для розподілу навантаження на шпильки передбачається найгірший сценарій, що означає, що навантаження зсуву, як передбачається, несуть лише верхні різьбові шпильки, які також сприймають навантаження на розтяг (у прикладі розрахунку «вручну» ми мали інше припущення);
Не враховуються навантаження по осі кабельних лотків або труби внаслідок теплового розширення або інших явищ.
Виходячи з цього, ви можете завантажити файл для проєктування S-BT HL та X-BT тут. У таблицях ми можемо визначити різні параметри, а саме розмір плеча важеля навантаження (L1), відстань між кріпленнями (x) та діюче навантаження (F), що включає як власну вагу, так і додаткове навантаження. Ці параметри показано на рисунку 6.

 Рисунок 6 - Параметри таблиць проєктування.
 
Таблиці розрахунку відображаються для ситуацій з 2 або 4 шпильками та можуть бути прочитані по-різному, залежно від невідомого параметра. У цьому випадку ми розглянемо той самий приклад, що й раніше (кронштейн, закріплений двома шпильками з точковим навантаженням на кінці) для іншої шпильки (S-BT MR HL) у двох різних сценаріях:
Сценарій 1: яке максимальне навантаження для кронштейна 600 мм?
Сценарій 2: яка максимальна довжина кронштейна для навантаження 150 кг?
Для сценарію 1 приклад розрахунку показано на рисунку 7. У стовпцях ми маємо довжину кронштейнів (у цьому випадку 600 мм), а в рядках - відстань між шпильками. Оскільки в прикладі у нас була відстань 122 мм, у цьому випадку ми проаналізували для 125 мм, що є найближчим значенням. Для цієї ситуації максимальне навантаження, яке потрібно застосувати, становить 75 кг.
                              
Рисунок 7 – Приклад проєктування з таблицями проєктування – сценарій 1.

Для сценарію 2 приклад проєктування показано на рисунку 8. У стовпцях ми маємо навантаження, а в рядках – відстань між стійками. Тут ми бачимо, що для навантаження 150 кг максимальна довжина кронштейна становитиме 250 мм.
           
Рисунок 8 – Приклад проєктування з таблицями проєктування – сценарій 2.
 

4. Список літератури

[1] EN 1990:2002: Єврокод – Основи структурного проєктування, Європейський стандарт, грудень 2008 р.
[2] Hilti, Технічний посібник Hilti Cordless Stud Fusion, версія 05/2023
[3] Deutsches Institut fuer Bautechnik, Європейська технічна оцінка ETA-20/1042, видана у квітні 2021 р.
[4] Deutsches Institut fuer Bautechnik, Європейська технічна оцінка ETA-23/0001, видана лютий 2023 р.