Несущая способность на сдвиг соединений на металлических нагелях

При определении несущей способности соединения на металлических нагелях, должны учитываться предел текучести материала нагеля, сила анкеровки и сопротивление выдергиванию нагеля. При соединении древесины с древесиной и древесными плитами нормативная несущая способность для гвоздей, скоб, болтов, дюбелей и шурупов для каждой из плоскостей сдвига, на один элемент (гвоздь, болт, и т. д.), должна приниматься как минимальное значение из следующих выражений:

- для односрезных соединений:

(63)

- для двухсрезных соединений

(64)

(65)

гдеF_v,Rk – нормативная несущая способность одного нагеля одной плоскости среза в соединении;t_i – толщина деревянного элемента, плиты, или глубина забивки гвоздей, причем i – 1 или 2;f_h,i,k – нормативное сопротивление смятию древесины;d – диаметр нагеля;M_y,Rk – нормативный момент пластической деформации нагеля;β – масштабный коэффициент для нормативного сопротивления смятию древесины;F_ax,Rk – нормативное сопротивление нагеля выдергиванию.

Примечание: Пластичность связей обеспечивается лишь в том случае, если применяются относительно небольшие крепежные элементы. В таком случае разрушение будет происходить по вариантам (f) и (k).

В выражениях (63) и (64), первое слагаемое с левой стороны – несущая способность по теории пластичности Джохансена, а второе слагаемое F_ax,Rk/4 – учитывает эффект нити. Слагаемое, учитывающее эффект нити, должно быть ограничено по величине, в процентном отношении от несущей способности по теории Джохансена:

- для гладких гвоздей 15 %;

- для квадратных гвоздей 25 %;

- для других типов гвоздей 50 %;

- для шурупов 100 %;

- для болтов 25 %;

- для дюбелей 0 %.

Если значение F_ax,Rk не определено, расчет можно вести без учета эффекта нити.

Для односрезных соединений нормативное сопротивление выдергиванию, F_ax,Rk, должно приниматься наименьшим из возможных в соединении. Различные режимы разрушения показаны на рис.11. При определении нормативного сопротивления выдергиванию, F_ax,Rk, для болтов, влияние шайб также может учитываться. Если нет ссылки на другие документы, нормативное сопротивление древесины смятию f_h,k должно определяться в соответствии с EN 383 и EN 14358. а нормативный момент пластической деформации M_y,Rk должен определяться в соответствии с EN 409 и EN 14358.

Соединения на гвоздях

Обозначения для толщин элементов в односрезном и симметричном соединениях (рис.14) приняты следующими:

t₁ – толщина элемента, непосредственно в который забиваются гвозди, в односрезном соединении; толщина меньшего из крайних элементов и глубины проникновения нагелей (длины защемленной части гвоздя) в двухсрезных соединениях.

t₂ – толщина элемента, непосредственно в который не забиваются гвозди, в односрезном соединении (длина защемленной части гвоздя); толщина среднего элемента двухсрезных соединениях.

Предварительное просверливание необходимо выполнять, когда:

- плотность древесины выше 500 кг/м³;

- диаметр гвоздя d больше 6 мм.

Для квадратных гвоздей и гвоздей с нарезкой, диаметр d должен приниматься равным длине стороны.

Для гладких гвоздей из проволоки с пределом прочности на разрыв 600Н/мм², должны использоваться следующие значения нормативного момента пластической деформации:

(66)

где M_y,Rk – нормативный момент пластической деформации гвоздя;

d – диаметр гвоздя по EN14592, в мм;

f_u – предел прочности на разрыв проволоки.

Для гвоздей диаметром до 8 мм, нормативное сопротивление древесины смятию для элементов из древесины и LVL:

- без предварительно просверленных отверстий

(67)

- с предварительно просверленными отверстиями

(68)

гдеρ_k – нормативное значение плотности древесины, кг/м³;d – диаметр гвоздя, мм.

Рис.14. Обозначения t₁ и t₂ (a) для односрезного соединения,

(b) для двухсрезного соединения

 

В двухсрезных (трехэлементных) соединениях гвозди должны перекрывать друг друга в среднем элементе, чтобы обеспечить условие t-t₂> 4d (рис.15).

Рис. 15. Перекрывающиеся гвозди

 

Для одного ряда из n гвоздей, параллельного волокнам древесины, при условии, что гвозди смещены друг относительно друга в направлении, перпендикулярном волокнам, не более, чем на d (см.рис.16), несущая способность всего ряда определяется эффективным числом гвоздей n_ef, определяемым по формуле:

(69)

где n_ef – эффективное количество гвоздей в ряду;n – количество гвоздей в ряду;k_ef – коэффициент, принимаемый по табл. 8.

Таблица 8

 

Значения коэффициента k_ef

Шаг гвоздей ^a^)	kef
Без предварительного рассверливания	С предварительным рассверливанием
a1 ≥ 14d	1,0	1,0
a1 = 10d	0,85	0,85
a1 = 7d	0,7	0,7
a1 = 4d	-	0,5
^a^) При шаге гвоздей, отличном от приведенного, kef следует определять линейной интерполяцией

 

 

Обозначения: 1 – гвозди, 2 – направление волокон древесины.

Рис. 16. Ряд гвоздей, параллельный волокнам, со смещение гвоздей от линии ряда не более чем на d

 

При гвоздевых соединениях древесины с древесиной для гладких гвоздей длина защемленной части гвоздя должна быть не менее 8d.Для других гвоздей, указанных в EN 14592, длина защемленной части гвоздя должна быть не менее 6d.Гладкие гвозди считаются неспособными воспринимать поперечные усилия, если они расположены на торцах деревянных элементов. Как альтернатива, гвозди, расположенных на торцах деревянных элементов, могут быть применены, если подчиняются следующим правилам:

- во второстепенных элементах гладкие гвозди могут быть использованы. Расчетное значение их несущей способности должно быть принято равным 1/3 от несущей способности гвоздей, установленных правильно.

- гвозди, не являющиеся гладкими (EN 14592), могут быть использованы не только во второстепенных элементах. Их расчетная несущая способность должна быть принята равной 1/3 от несущей способности корректно установленных гладких гвоздей, при условии, что:

· гвозди загружены поперечной нагрузкой;

· в соединении как минимум 3 гвоздя;

· длина защемленной части гвоздя как минимум 10d;

· соединение 3 класса;

· размеры соединения удовлетворяют требованиям, указанным в табл.9.

Примечания: 1. Пример второстепенной конструкции – сливная доска, прибитая к стропилам.

2. Рекомендуется, тем не менее, соблюдать требования, что гвозди не могут воспринимать поперечные усилия. Рекомендации для отдельных регионов должны быть приведены в Национальных Приложениях.

Минимальные расстояния между гвоздями и гранями элементов, указаны в табл. 9. На рис.17 приведены следующие обозначения:

a₁ – шаг гвоздей в ряду, параллельном волокнам;

a₂ – шаг рядов гвоздей, измеряемый в направлении, перпендикулярном волокнам;

a_3,c – расстояние между гвоздем и незагруженным торцом;

a_3,t – расстояние между гвоздем и загруженным торцом;

a_4,с – расстояние между гвоздем и незагруженной гранью;

a_4,t – расстояние между гвоздем и загруженной гранью;

α – угол между направлением силы и направлением волокон.

Таблица 9

Минимальные расстояния для соединений на гвоздях

Расстояния (см. рис.17)	Угол α	Минимальные расстояния
Без предварительного рассверливания	С предварительным рассверливанием
0° ≤ α ≤ 360°	ρk ≤ 420 кг/м^3	420 кг/м^3≤ ρk ≤ 500 кг/м^3
Шаг a1 (параллельно волокнам)	0° ≤ α ≤ 360°	d< 5мм: (5+5|cosα|)d d ≥ 5 мм: (5+7|cosα|)d	(7+8|cosα|)d	(4+|cosα|)d
Шаг a2 (перпендикулярно волокнам)	0° ≤ α ≤ 360°	5d	7d	(3+|sinα|)d
Расстояние a3,t (загруженный торец)	-90° ≤ α ≤ 90°	(10+5|cosα|)d	(15+5cosα)d	(7+5cosα)d
Расстояние a3,c (незагруженный торец)	90° ≤ α ≤ 270°	10d	15d	7d
Расстояние a4,t (загруженная грань)	0° ≤ α ≤ 180°	d< 5мм: (5+2sinα)d d ≥ 5 мм: (5+5sinα)d	d< 5мм: (7+2sinα)d d ≥ 5 мм: (7+5sinα)d	d< 5мм: (3+2sinα)d d ≥ 5 мм: (3+4sinα)d
Расстояние a4,c (незагруженная грань)	180° ≤ α ≤ 360°	5d	7d	3d

 

Древесина должна предварительно просверливаться, если деревянный элемент тоньше, чем

(70)

гдеt – минимальная толщина элемента, который не нужно предварительно просверливать;ρ_k – нормативное значение плотности древесины, кг/м³

d – диаметр гвоздя, мм.

Элементы из древесины пород, подверженных раскалыванию, сильнее других, должны предварительно рассверливаться, если их толщина меньше, чем:

(71)

Выражение (71) может быть заменено выражением (70), если соблюдаются условия:

a₄ ≥ 10d для ρ_k ≤ 420 кг/м³

a₄ ≥ 14d для 420 кг/м³ ≤ ρ_k ≤ 500 кг/м³

Примечание:Вид древесины, подверженный раскалыванию больше других – ель (abiesalba), лжетсуга тиссолистная (pseudotsugamenziesii) и древесина хвойного дерева (piceaabies). Для ели (abiesalba) и лжетсуги тиссолистной (pseudotsugamenziesii) рекомендуется применять формулу (71). Рекомендации для отдельных регионов должны быть приведены в Национальных Приложениях.

Обозначения: 1 – гвоздь, 2 – направление волокон, (1) – загруженный торец, (2) – незагруженный торец, (3) – загруженная грань, (4) – незагруженная грань.

Рис. 17. Размеры для соединений на гвоздях

(а) – размеры a₁ и a₂, (b) – расстояния от гвоздей до граней и торцов

Соединения на скобах

Для скоб с прямоугольным поперечным сечением, диаметр d должен приниматься равным квадратному корню из произведения сторон поперечного сечения.Ширина скобы b должна быть не менее 6d, и глубина защемленной части скобы t₂ должна быть не менее 14d, (рис. 18).В соединении должно быть не менее двух скоб.

Несущая способность на поперечные нагрузки одной скобы в одной плоскости сдвига может быть принята равной несущей способности двух гвоздей с диаметром скобы, при условии, что угол между скобой и направлением волокон под скобой более 30° (рис. 19). Если угол между скобой и направлением волокон под скобой не более 30°, несущая способность должна быть уменьшена умножением на коэффициент 0,7.Для скоб, выполненных из проволоки с пределом прочности на растяжение не менее 800 Н/мм², значение нормативного момента пластической деформации стержня определяется по формуле:

(72)

где M_y,Rk – нормативный момент пластической деформации нагеля;

d – диаметр скобы.

Для ряда из n скоб, параллельного волокнам древесины, несущая способность в этом направлении, должна быть определена исходя из эффективного числа скоб n_ef рассчитываемого также как для гвоздевых соединений.Минимальные расстояния между скобами, расстояния до торцов и граней, даны в табл. 10, и проиллюстрированы на рис. 19, где Θ – угол между скобой и направлением волокон.

Обозначения: (1) – центральная ось скобы

Рис. 18. Размеры скобы

Рис. 19. Шаг скоб

 

Таблица 10

Минимальные расстояния между скобами, расстояния от скоб до торцов и граней деревянного элемента

Размер (расстояние между скобами, от скоб до торцов и граней деревянного элемента)	Угол	Минимальное значение размера
a1 (параллельно волокнам) для Θ≥30 для Θ<30	0° ≤ α ≤ 360°	(10+5|cosα|)d (15+5|cosα|)d
a2 (перпендикулярно волокнам)	0° ≤ α ≤ 360°	15d
a3,t (загруженный торец)	-90° ≤ α ≤ 90°	(15+5|cosα|)d
a3,с (незагруженный торец)	90° ≤ α ≤ 270°	15d
a4,t (загруженная грань)	0° ≤ α ≤ 180°	(15+5|sinα|)d
a4,c (незагруженная грань)	180° ≤ α ≤ 360°	10d

 

Болтовые соединения

Нормативный момент пластической деформации болта нагруженного поперечной нагрузкой определяется по формуле:

(73)

гдеM_y,Rk– нормативный момент пластической деформации;

f_u,k– нормативное сопротивление растяжению, Н/мм²;d– диаметр болта.

Для болтов диаметра более 30 мм, должно использоваться следующее сопротивление древесины или LVL смятию, в зависимости от угла α:

(74)

(75)

где

(76)

где:f_h,0,k – нормативное сопротивление древесины смятию параллельно волокнам, Н/мм²;ρ_k – нормативная плотность древесины, кг/м²;α – угол между силой приложения нагрузки и волокнами древесины;d – диаметр болта, мм.

Минимальные расстояния между болтами, а также расстояния от болтов до торцов и граней элементов должны приниматься по табл.11, в соответствии с обозначениями, приведенными на рис.17.

Таблица 11

Минимальные размеры между элементами соединенийна болтах

Размер (см.рис.17)	Угол	Минимальный размер
a1 (параллельно волокнам)	0° ≤ α ≤ 360°	(4+|cosα|)d
a2(перпендикулярно волокнам)	0° ≤ α ≤ 360°	4d
a3,t (загруженный торец)	-90° ≤ α ≤ 90°	max(7d,80мм)
a3,с (незагруженный торец)	90° ≤ α ≤ 150° 150° ≤ α ≤ 210° 210° ≤ α ≤ 270°	(1+6sinα)d 4d (1+6|sinα|)d
a4,t (загруженная грань)	0° ≤ α ≤ 180°	max[(2+2sinα)d; 3d]
a4,c (незагруженная грань)	180° ≤ α ≤ 360°	3d

 

Для ряда из n болтов, параллельного направлению волокон древесины, несущая способность параллельно волокнам, может быть определена по формуле (57) исходя из эффективного числа болтов n_ef, где:

(77)

гдеa₁ – шаг болтов в направлении волокон;d – диаметр болта;n – число болтов в ряду.

Для ряда болтов, нагруженного поперек волокон, эффективное число болтов принимается равным их фактическому числу:

n_ef = n (78)

Если нагрузка приложена под углом к волокнам (0°≤α ≤ 90°), n_ef необходимо определять линейной интерполяцией между значениями, полученными по формулам (77) и (78).

Диаметр отверстий под болты в деревянных элементах не должен превышать диаметр болтов более чем на 1 мм. Диаметр отверстий под болты в стальных листах не должен превышать диаметр болтов более чем на 0,1d или на 2мм (выбирать наибольшее значение).Шайбы с длиной стороны или диаметром не менее 3d и толщиной не менее 0,3d (где d – диаметр болта), могут использоваться под головками болтов и гайками. Шайбы должны иметь ровную опорную поверхность.

Болты и шурупы с квадратными головками должны быть затянуты так, чтобы обеспечить плотное прилегание элементов друг к другу, и могут быть ослаблены в том случае, если древесина достигнет влажности, необходимой для обеспечения проектной несущей способности.Минимальные диаметры болтов, используемых для соединения деревянных элементов, приведены в табл.12.

 

Таблица 12

Минимальные диаметры болтов, используемых для соединения деревянных элементов

Тип соединения EN 912	dc, мм	d (минимум), мм	d (максимум), мм
A-A6	≤130
A1, A4, A6	>130	0,1dc
B		d1-1	d1
где dc – диаметр соединения в целом, мм; d – диаметр болта, мм; d1 – диаметр отверстия под болт, мм.

Винтовые соединения

При определении несущей способности влияние резьбовой части винта учитывается с использования расчетного диаметра d_efДля шурупов с гладким телом, в месте где нарезанная часть соединяется с гладкой, применяются правила для несущей способности нагелей, при условии, что:

– эффективный диаметр d_ef берется, как диметр гладкого тела;

– длина резьбы винта вкрученного в элемент должна быть не менее 4d.

Для всех других случаев, когда это условие не удовлетворяется, несущая способность винта определяется с использованием расчетного диаметр d_ef в 1.1 раза больше диаметра с резьбой.

Для винтов с гладким телом с диаметром d>6 мм, применяются правила установленные для болтов.Для винтов с гладким телом с диаметром d от 6 мм и меньше, применяются правила установленные для гвоздей.

Далее приведены требования для строительной детализации и контроля узлов с винтами.

Для винтов с гладкой частью диаметром не более 6 мм, ввинчиваемых в мягкую древесину, предварительно просверливать монтажные отверстия не требуется. Для винтов диаметра более 6 мм, необходимо просверливать монтажные отверстия, соблюдая следующие требования:

· Монтажное отверстие для гладкой части винта должно иметь тот же диаметр, что и тело винта; глубина отверстия должна быть равна длине гладкой части винта.

· Монтажное отверстие резьбовой части должно иметь диаметр приблизительно равный 70 % диаметра гладкой части винта.

Для древесины с плотностью ниже 500 кг/м³, диаметр предварительно просверленных отверстий под винты должен определяться экспериментально.В случае, если предварительное просверливание применяется к самосверлящим винтам, диаметр монтажного отверстия не должен быть больше внутреннего диаметра резьбы d₁.

 

Лекция 11