Нагельные соединения. Виды нагелей, их работа

Нагелем принято называть тонкие стержни или пластинки, которые соединяя элементы деревянных конструкций, препятствуют их взаимному сдвигу, а сами в основном работают на изгиб.

Виды нагелей: гвоздь, стержни, болты, шпильки, гайки, винты, пластинчатые нагели:

1) Цилиндрические нагели (гладкие цилиндрические нагели, болты, винты: шурупы и глухари, гвозди). Соединения бывают симметричными и несимметричными. Изготовляют в виде стержней круглого сечения из стали, металлических сплавов, твердых пород древесины и из пластмасс.

а) гладкие цилиндрические нагели - устанавливают в предварительно рассверленные гнезда. Диаметр отверстия для нагеля обычно принимают равным диаметру нагеля. Применяют для спла­чивания элементов деревянных конструкций (препятствуют взаимному сдвигу соединяемых элементов), соединения их по длине, а также в узловых примыканиях. Такое соединение может оказаться недостаточно плотным, поэтому дополнительно ставят не менее трех стяжных болтов с каждой стороны стыка. Диаметр стяжных болтов следует принимать по расчету, но не менее 12 мм.

б) болты с гайками – относительно гладких цилиндрических нагелей несущая способность возрастает за счет сил трения. Но при расчете соединений этот эффект не учитывается, так как в результате периодической усушки и разбухания древесины в процессе эксплуатации силы трения уменьшаются и могут вообще исчезнуть.

в) винты – если d < 6 мм – их завинчивают, но они перерезают волокна – прочность ниже гвоздевой.

г) гвозди – изготовляют из гладкой проволоки диаметром до 6 мм и чаще забивают в древесину без предварительного сверления гнезд. Они не перерезают волокна, а раздвигают их, что положительно сказывается на прочности древесины. Поперечное сечение рассчитывается без ослабления гвоздями. Однако происходит уплотнение древесины около гвоздя - повышается опасность скалывания, трещин. Расстояние между гвоздями 15-25d. Недостатком гвоздевых соединений явл их заметная ползучесть при длительно действующих нагрузках, что явл следствием малой изгибной жесткости.

2) пластинчатые нагели - для сплачивания двух или трех брусьев, составлен­ных по высоте, применяют пластинчатые нагели, вставляемые в гнезда, прорезаемые цепнодолбежным станком. Размеры пластинчатых нагелей и гнезд для них, а также расстановку в сплачиваемых элементах следует принимать по нормам. Направление волокон в пластинках должно быть перпендикулярно плоскости сплачивания элементов.

Работу нагеля можно рассмотреть на примере соеди­нения двух сдвигаемых элементов. Силы, сдвигающие сплачиваемые элементы, стремятся опроки­нуть нагель. Под действием этих сил нагель после неко­торого поворота, обусловленного неплотностями и обмятием древесины, упирается в нее сначала по краям эле­ментов, а затем начинает изгибаться. При изгибе наге­ля увеличивается поверхность его контакта с древесиной, что вызывает появление в ней неравномерных напряже­ний смятия по всей длине нагеля. Напря­жения смятия древесины нагелем имеют разные знаки, и их равнодействующие образуют две пары взаимно уравновешенных продольных сил, пре­пятствующих повороту нагеля. По условию равновесия нагеля моменты этих пар равны:

T1e1 = T2e2 или T1 / T2 = е2/ е1.

 

Рис. IV.14 Схема работы нагеля

а - первоначальное положение;

б - поворот;

в — деформированный нагель;

г - эпюры сминающих упругопластических напряжений древесины;

T1, T2 - равнодействующие сминающих напряжений древе­сины

Таким образом, равновесие нагеля в отличие от рав­новесия шпонки обеспечивается только продольными си­лами, параллельными направлению сдвига соединяемых элементов. В нагельных соединениях отсутствуют попе­речные силы, образующие распор, для восприятия кото­рых в шпоночных соединениях приходится ставить рас­тянутые связи.

Причины, выводящие нагельное соединение из предельного состояния(приводят к разрушению):

- недопустимое смятие древесины в зоне нагельного гнезда

-скалывание или раскалывание древесины между нагелями или на участке от нагеля до края соединяемого элемента

-разрушение или недопустимый изгиб самого нагеля

Условие прочности нагельного соединения считается обеспеченным, если его несущая сп-ть Т не меньше равнодействующей внешних сил, передающейся через это соединение: Т ≥ N

Несущая способность нагельного соединения: T = Tcp min × ncp × nн

Принимается равной несущей способности одного среза нагеля (срез – линия пересечения нагеля плоскостями двух смежных досок) на число срезов и число нагелей в соединении. Напряжения среза в нагеле не учитываются в расчете поскольку срезать деревянным элементом нагель даже деревянный, не говоря уже об остальном, нельзя. В зависимости от расположения срезов по отноше­нию к осям действия сил различают симметричные и не­симметричные соединения.

Так как у одного и того де нагеля может быть несколько значений несущей способности, определенных по различным видам разрушения, то в счет берется минимальное значение несущей способности.

Несущая способность среза нагеля по смятию древесины в зоне нагельного гнезда или по изгибу нагеля может быть изменена только за счет изменения диаметра или материала самого нагеля или толщины соединяемых элементов. Несущая способность по скалыванию и раскалыванию древесины дополнительно зависит от расстояния между нагелями. Те при одном и том же количестве нагелей только путем изменения расстояния между ними можно добиваться повышения или понижения несущей способности по этому виду разрушения.

Эта особенность работы соединения позволила в действующих нормах заменить проверку несущей способности по скалыванию и раскалыванию специальными правилами расстановки нагелей. Здесь расстояния между нагелями и между нагелем и краем соединяемого элемента приняты такими, что разрушение древесины в зоне соединения от скалывания или раскалывания не может реализоваться, потому что раньше наступит исчерпание несущей способности по смятию или изгибу нагеля.

Следовательно, определение несущей способности одного среза нагеля при соблюдении правил расстановки нагелей в соединении выполняется по смятию древесины и изгибу нагеля.

Существуют два подхода к определению несущей способности нагельного соединения: практический и теоретический. Теоретический основан на рассмотрении нагеля в виде изгибаемого стержня, расположенного в упругой или упруго-пластичной среде. Однако математический аппарат такого подхода очень громоздкий. Экспериментально-теоретический подход базируется на тех же предпосылках, но оперирует рядом экспериментально полученных данных, что значительно упрощает аппарат. На основании такого подхода получены рабочие формулы расчетной несущей способности одного среза нагеля по изгибу и смятию в СНиП 2-25-80.

Расчетное количество нагелей принимают не менее двух с диаметром 12—24 мм и оп­ределяют по формуле: nн > N/ (ncp × Tcp min),

(где N — расчетное усилие, действующее в растянутом стыке, [Н]; ncр — количество срезов нагеля; Тн — наименьшая расчетная несу­щая способность одного среза нагеля, [Н]).

На плотность соединений на нагелях значительно вли­яет совпадение отверстий под нагели в соединяемых эле­ментах. Чтобы получить хорошее совпадение отвёрстий, достичь максимальной плотности соединения, необхо­димо сверлить отверстия в предварительно собранном и обжатом пакете. Для обжатия соединений ставят стяж­ные болты в кол-ве около 25 % общего числа наге­лей. Если стяжные болты сделаны из того же материал, что и нагели, то их включают в расчетное кол-во нагелей.

В растянутых стыках по ширине элемента следует ставить только четное количество продольных рядов нагелей, тк при нечетном числе рядов средний оказывается по оси доски в зоне наиболее возможного появления продольных трещин в результате усушки древесины.

СОЕДИНЕНИЯ НА ШПОНКАХ

Шпонки — это вкладыши из твердых пород древеси­ны, стали или из пластмасс, которые устанавливаются между сплачиваемыми элементами и препятствуют их взаимному сдвигу. Сами они работают на сжатие.

"- " Шпоночные соединения являются неуравновешенными, поэтому отличительным признаком работы шпоночного соединения является наличие распора – неуравновешенного усилия, для восприятия которого требуется постановка дополнительных рабочих стяжных связей; при их применении для соединения де­ревянных элементов цельного сечения, из-за устройства гнезд под шпонки сильно ослаблялось поперечное сече­ние.

Lшп – длина шпонки

Hвр – глубина врубки (приближенно можно считать равной половине высоты шпонки)

Тсм – равнодействующая усилий, распределенных по площадкам шпонки

Q – вертикальная реакция (распор),

возникающая в углах шпонки

N – равнодействующая усилий, появляющихся в каждом из соединенных элементов в результате их взаимного сдвига(при расчете шпонки условно принимается за внешнюю нагрузку)

e шп – эксцентриситет равнодействующих усилий, возникающий по нагруженным площадкам шпонки

Рассмотрим принцип работы шпоночного соединения на примере продольной шпонки. Под действием внешней сдвигающей силы, эксцентрично передающейся через площадки упоров, возникают реакции Тсм на площадках шпонки, между этими реакциями у нас образуется плечо, обозначенное е, а следовательно образуется момент, который стремиться повернуть шпонку. В результате этого в ее углах возникают вертикальные реакции (распор), для восприятия которых необходимы дополнительные связи, препятствующие вертикальному перемещению соединяемых брусьев. Обычно в качестве таких связей используются стяжные болты.

Рассмотрев условие равновесия шпонки (взяв сумму моментов относительно точки «а» и проняв ее равной нулю), получим: ΣMа = 0, Тсм×hвр - Q×Lшп = 0

Отсюда: Q = Тсм×hвр/ Lшп

Следовательно, чем больше отношение длинны шпонки к глубине врубки, тем меньше величина распора, воспринимаемая стяжными болтами. Во избежание чрезмерной деформативности шпоночных соединений, а также для уменьшения количества стяжных болтов, длину шпонки по нормам принимают не менее lшп≥5hвр.

1. Сопряжение на продольных шпонках

"+ " способно работать на знакопеременные усилия.

"- " жесткое и непластичное, следовательно, для его разрушения требуется небольшая работа, несмотря на значительные усилия, которые могут быть восприняты непосредственно шпонкой.

1. Сопряжение на колодках

Для изгибаемых элементов, где по нейтральной оси возникает сдвиг: Продольные шпонки увеличенной высоты. Применяют в составных балках или составных стойках, те в элементах конструкции, работающих на изгиб. Колодки выполняют из того же материала, что и сопрягаемые элементы.

"+ " увеличивается момент инерции => несущая способность без дополнительного расхода материала; зазор в шве улучшает условия проветривания соединяемых брусьев или бревен и уменьшает возможность их загнивания;

3. Сопряжение на наклонных шпонках

"+ " несколько увеличивается площадь смятия и возникающее по площадке смятия усилие прижима, обратное усилию распора => более грамотное распределение усилий; уменьшает опасность скалывания древесины.

"- " способно воспринимать только однозначные усилия (те знак усилия не должен меняться); сложная вырубка гнезда

4. Поперечные натяжные клиновидные шпонки («мягкие»)

Каждая состоит из двух клиньев, волокна которых направлены перпендикулярно волокнам соединяемых элементов – работают на смятие.

"+ " снижается опасность жесткости и непрочности сопряжения, связанной с трудностью точной пригонки шпонок к их гнездам (что особенно существенно в многорядных соединениях), тк плотно забиваются; уменьшается опасность скалывания.

"- " на смятие работает не древесина брусьев, а древесина шпонок => значительное снижение несущей способности древесины шпонок при работе поперек волокон, а следовательно, понижение несущей способности всего сопряжения. Предназначены для спокойной эксплуатации.

5. Особую группу составляют шпонки, используемые в соединениях элементов деревянных конструкций, расположенных под углом друг к другу – центровые шпонки. Их задача – распределять сосредоточенное усилие, передающееся с элемента на элемент, на большую площадь. Как правило, в центре такого шпоночного соединения располагается узловой болт. Центровые шпонки принято разделять на гладкие и зубчатые, кольцевые шпонки и дисковые шпонки (шайбы шпоночного типа).

Расчет шпоночного соединения, так же, как и лобовых врубок, выполняется на смятие и скалывание, при этом глубину врез­ки шпонок в брусья следует принимать не менее 2 см и не более 1/5 высоты бруса, а бревна — не менее 3 см и не более 1/4 диаметра бревна. При расчете соединений на шпонках требуется подбор стяжных бол­тов и шайб под его головку и под гайку для восприятия распора.