Соединения на цилиндрических нагелях

Нагеля называют связи препятствующие взаимному перемещению соединяемых элементов и работают при этом на изгиб. По форме различают цилиндрические и пластинчатые нагели. По материалу: стальные, алюминиевые, деревянные и стеклопластиковые.

Цилиндрические нагели – к ним относятся: болты и штыри, винты всех видов (шурупы и глухори), гвозди – особая группа нагелей, отличающаяся тем, что при диаметре до 6мм включительно их забивают в древесину без просверливания гнезд. Нагели остальных типов устанавливают в отверстие диаметром равным диаметром нагеля для болтов и штырей и 0,8 диаметра для винтов всех видов. Гвозди создают в соединениях раскалывающие напряжения, поэтому расстояния между ними измеряем числом диаметров принимаемых большими чем для нагелей остальных типов.

В болтовых и винтовых соединениях возникают скалывающие напряжения. Расчет на скалывание и раскалывание не производят, а эти виды хрупкого разрушения нагельного соединение исключают выполнением конструктивных требований по расстановке нагельных соединений, подразделяют на односрезные и многосрезные, симметричные и несимметричные. Срезом соединения называется плоскость взаимного смещения соединения элементов (рабочий шов).

Нагели могут пересекать 1 или несколько швов, в соответствии их называют односрезными и многосрезными. Во всех случаях нагели следует устанавливать во избежание совпадения с сердцевиной или усушечными трещинами (солнечными).

Расстояния вдоль волокон между нагелями S₁ устанавливается нормами в зависимости от вида напряженного состояния в соединениях. Они больше для гвоздевых стыков в которых возникают раскалывающие напряжения и меньше для болтовых, работающих только на скалывание.

Для болтов: S₁≥7d₁, где d₁- диаметр болта.

Для гвоздей: S₁≥(15…25)d_гв.

Во избежание раскалывания допускается забивание гвоздей в доски толщиной не менее 4 диаметров гвоздя.

Расстояние S₂ и S₃ – так же регламентировано и составляет от 3 до 4 диаметров нагеля.

 

Работа и расчет нагельного соединения.

Древесина в нагельных гнездах работает на смятие, а сами нагели на изгиб.

Крайние элементы сминают одним срезом нагеля, средние элементы двумя срезами, поэтому расчеты производят отдельно.

Расчетная несущая способность одного среза нагеля вычисляют по формула:

; 0,8 и 0,5 – осредненное расчетное сопротивление древесины смятию в кН/см².

На изгиб нагели рассчитывают по формулам:

Все эти формулы справедливы когда усилия действуют вдоль волокон древесины, если же направление усилий и волокон не совпадают для всех соединений (нагельных) кроме гвоздевых, несущую способность умножают на к_α на смятие и на в расчетах на изгиб. Гвоздевые соединения работают один по всем направлениям поскольку гвозди обмяли древесину при разбивке, уплотнив ее в направлении поперек волокон.

22. Особенности работы гвоздей

Гвозди в соединениях сдвигаемых деревянных эле­ментов работают как нагели. Их обычно забивают в дре­весину без предварительного просверливания, что обус­ловливает некоторые особенности их работы. Как указы­валось раньше, исследования показали повышенную не­сущую способность гвоздей, вставленных в предвари­тельно просверленные отверстия. Однако в этом случае гвозди принято называть тонкими наге­лями и их расчет полностью совпадает с расчетом наге­лей.

Диаметр гвоздей, забиваемых в цельную древесину, не превышает 6 мм и поэтому их несущая способность не зависит от угла между направлением действия силы и направлением волокон. В связи с этим для гвоздей коэффициент уменьшения несущей способности k_a не вводят в формулы определения несущей спо­собности.

При определении расчетной длины защемления кон­ца гвоздя в последней непробиваемой насквозь доске не следует учитывать часть длиной 1,5 d_ГB. Кроме того, из длины гвоздя при определении длины его защемления следует вычитать по 2 мм на каждый шов между соединяемыми элементами. Если расчетная дли­на защемления конца гвоздя получается меньше 4d_ГB, то его работу в примыкающем к шву элементе учитывать не следует. Диаметр гвоздей принимать не более 0,25 толщины пробиваемого элемента. Если последняя доска пробивается гвоздем насквозь, то, учитывая отщеп ее нижнего слоя, рабочая толщина доски уменьшается на 1,5d_ГB.

Заостренный конец гвоздя, проникая в древесину, раздвигает ее волокна в сторону, в результате чего про­исходит уплотнение древесины около гвоздя, что увели­чивает опасность раскалывания древесины. Уменьшить эту опасность можно относительно более редкой расста­новкой забиваемых гвоздей по сравнению с нагелями.

Минимальные расстояния между осями гвоздей вдоль волокон древесины следует принимать не менее S₁ = 15d_ГB при толщине пробиваемого элемента c>10d_ГВ. S₁=25d_ГB при толщине пробиваемого элемента c=4d. Для промежуточных значений толщины элемента наи­меньшее расстояние следует определять по интерполя­ции.

Для элементов, не пробиваемых гвоздями насквозь, расстояние между осями гвоздей следует принимать независимо от их толщины S1≥15d. Расстояние вдоль во­локон древесины от оси гвоздя до торца элемента во всех случаях надо брать не менее S₁ =1 5d. Расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины при прямой расстановке гвоздей принимают не менее S₂=4d; при шахматной расстановке или расстановке их косыми ря­дами это расстояние может быть уменьшено до S₂=3d, а расстояние от продольной кромки до оси гвоздя 4d.

Гвозди образуют более плотные соединения, чем на­гели. Недостатком гвоздевых соединений является замет­ная ползучесть при длительно действующих нагрузках. Для увеличения плотности соединений, особенно в слу­чаях прикрепления стальных накладок к деревянным элементам, нашли применение особые гвозди с неглад­кой поверхностью, забиваемые в древе­сину пневматическими молотками.

Клеевые соединения

Равнопрочность, монолитность и долговечность кле­евых соединений в деревянных конструкциях могут быть достигнуты только применением водостойких конструк­ционных клеев. Долговечность и надежность клеевого соединения зависят от устойчивости адгезионных свя­зей, вида клея, его качества, технологии склеивания, эк­сплуатационных условий и поверхностной обработки до­сок.

Клеевой шов должен обеспечивать прочность соеди­нения, не уступающую прочности древесины на скалы­вание вдоль волокон и на растяжение поперек волокон. Прочность клеевого шва, соответствующую прочности древесины на растяжение вдоль волокон, пока еще не удается получить, поэтому в растянутых стыках пло­щадь склеиваемых поверхностей приходится увеличи­вать примерно в 10 раз косой срезкой торца на ус или на зубчатый шип.

Плотность (беспустотность) контакта клеящего ве­щества со склеиваемыми поверхностями должна созда­ваться еще в вязкожидкой фазе конструкционного клея, заполняющего все углубления и шероховатости, благода­ря способности смачивать склеиваемую поверхность. Чем ровнее и чище остроганы склеиваемые поверхности и чем плотнее они прилегают одни к другим, тем полнее моно­литность склеивания, тем равномернее и тоньше клеевой шов. Деревянная конструкция, монолитно склеенная из сухих тонких досок, обладает значительными преимуществами перед брусом, вырезанным из цельного бревна, но для реализации этих преимуществ необходимо строгое соблюдение всех условий технологии инду­стриального производства клееных деревянных конст­рукций.

После отверждения конструкционного клея от сфор­мировавшегося клеевого шва требуется не только равнопрочность и монолитность, но и водостойкость, тепло­стойкость и биостойкость. При испытаниях разрушение опытных образцов клеевых соединений должно проис­ходить в основном по склеиваемой древесине, а не по клеевому шву (с разрушением внутренних, когезионных связей) и не в пограничном слое между клеевым швом и склеиваемым материалом (с разрушением погранич­ных, адгезионных связей).

Виды клея

В отличие от казеиновых и других белковых клеев синтетические конструкционные клеи образуют прочный водостойкий клеевой шов в результате реакции поли­меризации или поликонденсации. В настоящее время в основном применяют резорциновые, фенольнорезорциновые, алкилрезорциновые, фенольные клеи. Согласно СНиП П-25-80, выбор типа клея зависит от температурно-влажностных условий, при которых будут эксплуа­тироваться клееные конструкции.

Эластичность и вязкость клеевого шва особенно важ­на при соединении деревянных элементов с металличес­кими, фанерными, пластмассовыми и другими конструк­ционными элементами, имеющими температурные, уса­дочные и упругие характеристики. Однако использование эластичных каучуковых клеев в напряженных соеди­нениях как правило недопустимо из-за недостаточной прочности таких соединений и чрезмерной ползучести их при длительном нагружении.

Чем суше и тоньше склеиваемые доски, тем меньше опасность образования в них трещин. Если усушечное коробление недосушенных досок произойдет еще до от­верждения клеевого шва, но после прекращения давле­ния пресса, то склеивание будет необратимо нарушено, хотя возможно, что этот брак обнаружится лишь позд­нее, когда трещина раскроется по клеевому шву,

Виды соединений на клею

Растянутый стык клееных элементов в заводских ус­ловиях изготовляют на зубчатый шип (рис. IV.40, а, б) с уклоном склеиваемых поверхностей зуба примерно 1: 10. Это унифицированное решение, по прочности не уступающее решению стыка на ус (при том же уклоне), более экономично по затрате древесины и более техно­логично в производстве; поэтому оно должно полностью заменить при заводском изготовлении все остальные ви­ды стыков.

Зубчатый шип одинаково хорошо работает на растя­жение, изгиб, кручение или сжатие. Согласно испытани­ям, прочность такого стыка на клее даже на разрыв оказалась не ниже прочности цельного бруска, ослаб­ленного «нормальным» для I категории сучком размером 1/4-1/6 ширины соответствующей стороны элемента.

На практике рекомендуется использовать наиболее технологичный вариант с нарезкой ши­пов перпендикулярно пласти. Этот вариант применим при любой ширине склеиваемых досок, даже слегка по­коробленных. При стыковании клееных блоков больших сечений приходится применять склеива­ние холодным (или теплым) способом.

Для сращивания фанерных листов в заводском про­изводстве таким же унифицированным неразборным видом соединения служит стыковое соединение на ус; его применение в напряженных элементах кон­струкций требует соблюдения следующих условий: дли­ну уса принимают равной 10—12 толщинам фанеры, а направление волокон наружных шпонов (рубашек) должно совпадать с направлением действующих усилий. Ослабление обычной фанеры стыком на ус учитывают коэффициентом К_осл=0,6, а бакелизированной фанеры коэффициентом 0,8.

25. Балки на пластинчатых нагелях (балки В. С. Деревягина)

Составные балки на пластинчатых нагелях были раз­работаны В. С. Деревягиным в 1932 г. Они образуются сплачиванием по высоте двух или трех брусьев, соединенных между собой деревянными пластинчатыми наге­лями. В этих балках соединять брусья по длине нельзя, поэтому длина балок не превышает 6— 6,5 м. Нагели делают из здоровой и сухой (влажностью не более 8—10%) дубовой древесины или березы. Для получения нагелей одинаковой толщины их изготовляют на рейсмусном станке по пробному гнезду. Гнезда для нагелей следует выбирать с помощью электрического цепнодолбежного станка. Их размеры, лимитируемые размерами цепей станка, должны обеспечивать достаточ­ное защемление нагеля в брусе. Этому соответствуют цепи, позволяющие получить размеры гнезда 58х12 мм. Высота брусьев не может быть меньше 140 мм, так как максимальная глубина врезки нагелей 1/5h_бр.

Балкам при их изготовлении обязательно придают конструктивный строительный подъем, т. е. выгиб в сто­рону, обратную прогибу под нагрузкой. Выборку гнезд и постановку пластинчатых нагелей производят после того, как брусья балки уложены с плотной притеской од­них к другим и после придания ей конструктивного стро­ительного подъема. Такой порядок изготовления обеспе­чивает защемление нагелей в гнездах, вследствие стрем­ления брусьев распрямиться, а также лучшую плотность соединений.

Конструктивный строительный подъем определяют по формуле F_стр= l δn_ш/2h₀.

Для устранения вредного влияния усушки устраивают продольные вертикальные пропилы глубиной 1/6 высоты бруса. Такие пропилы препятствуют образованию тре­щин по линии площадок скалывания между нагелями и таким образом обеспечивают надежность в работе балки.

Балки Деревягина рассчитывают как составную бал­ку на податливых связях с введением коэффициентов, учитывающих податливость связей. Ослабление сечения пластинками, расположенными близко к нейтральной оси, не учитывают, так как даже при трех брусьях оно не превышает 10 %.

Полученное расчетом количество пластинчатых наге­лей следует размещать на соответствующей длине балки при их расстановке с шагом S=9δ_пл. Если пластинки не могут быть размещены на балке, то необходимо уве­личить ее ширину.

Дощатые настилы и обрешетка

Настилы являются несущими элементами огражда­ющих деревянных покрытий. На их изготовление расхо­дуется до 70 % объема древесины, используемой при сооружении деревянных покрытий. Поэтому проектиро­вание рациональных конструкций настилов во многом определяет экономическую эффективность покрытий в целом.

Настилы из досок применяют в покрытиях в виде сплошной конструкции или обрешетки под кровли раз­ных типов. Под трехслойную рубероидную кровлю не­отапливаемых зданий основанием служит настил из двух слоев досок, которые соединяются гвоздями. Верхний защитный слой досок толщиной 16—25 мм и шириной до 100 мм укладывают под углом 45° к ниж­нему. Для лучшего проветривания всего настила ниж­ний рабочий настил с толщиной досок по расчету выпол­няют разреженным.

В покрытиях различных отапливаемых зданий для укладки утеплителя применяют одинарный дощатый настил. Доски соединяют впритык или чет­верть, толщину их определяют расчетом. Они скрепля­ются поперечными досками и раскосами из досок.

Для кровли из волнистых асбестоцементных или стеклопластиковых листов и кровельной стали устраивают обрешетку из досок или брусков, расположенных одни от других на расстоянии, зависящем от кровельного ма­териала.

Защитный настил образует сплошную поверхность, обеспечивает совместную работу всех досок настила, распределяет сосредоточенные нагрузки на полосу ра­бочего настила шириной 50 см.

Расчет настилов и обрешеток, работающих на попе­речный изгиб, производят по схеме двухпролетной бал­ки при двух сочетаниях нагрузки:

- нагрузки от собственного веса покрытия и снеговой нагрузки — на прочность и прогиб: , где М_max= ql² /8; f = 2,13q^нl⁴/384EI ≤ f_пр.

- нагрузки от собственного веса покрытия и сосредо­точенной нагрузки в одном пролете Р_н=1 кН, а с уче­том коэффициента перегрузки 1,2, равной P_р-1,2 кН - только на прочность.

Максимальный момент находится под сосредоточен­ным грузом, расположенным на расстоянии от левой опоры х= 0,432 l и равен приближенно M_max = 0,07ql²+ 0,207 Р_р l, где q — собственный вес покрытия. Сосредоточенный Р=1,2 кН груз считается прило­женным к одной доске полностью при ша­ге досок более 15 см, а при шаге менее 15 см к одной доске прикладывается 0,5Р.При двойном перекрестном настиле рассчитывают на изгиб только ра­бочий (нижний) настил и только от нормальных состав­ляющих нагрузок, поскольку скатные составляющие вос­принимаются защитным настилом. Расчет­ную ширину настила принимают 50 см с учетом всех входящих в нее досок или, иначе можно сказать, что со­средоточенные грузы распределяются здесь на ширину 50 см.

Соединительные гвозди слоев настилаили настила с раскосамив боль­шинстве случаев работают с большими запасами проч­ности.

Прогоны и балки

Прогоны покрытий цельного сечения выполняют из до­сок на ребро, брусьев и бревен, окантованных с обеих сторон. Разрезные прогоны более просты в изготовлении и монтаже, но требуют большого расхо­да древесины. Они стыкуются на опорах, впритык, на накладках или вразбежку. В консольно-балочныхи неразрезных прогонах из спаренных досокстыки устраивают в пролете.

Консольно-балочные прогоны являются многопролет­ными статически определимыми системами. Их приме­нение целесообразно в том случае, когда временная на­грузка неподвижна и равномерно распределена по всем пролетам прогона.

Если шарниры расположить на расстоянии от опор х=0,147 l (l - пролет консольно-балочного прогона), то моменты на опорах будут равны по абсолютному значе­нию максимальным моментам в пролетах, и получается так называемое равномоментное решение прогона.

Для выравнивания моментов, в первом и последнем пролетах значение этих пролетов, надо уменьшить до 0,85 l. Если шарниры расположить на расстоянии от опор х =0,211 l, то получится равнопрогибное решение, при ко­тором максимальные прогибы во всех пролетах, кроме крайних, будут одинаковыми. .

При уменьшении крайних пролетов до 0,79 l прогибы в этих пролетах будут равны прогибам в остальных пролетах.

Если крайние пролеты равны остальным, т. е. l₁=l, то изгибающий момент на первой промежуточной опоре будет M_оп=ql²/10, а прогиб прогона в крайнем пролете f₁= 2,5q_нl⁴/384EJ.

При этом сечение прогона в крайних пролетах долж­но быть усилено, а опорная реакция первой промежуточ­ной опоры будет больше остальных на 13 %, что потре­бует проверки и возможного усиления опорной конст­рукции.

Консольно-балочные прогоны выполняют из брусьев. По длине они соединяются в местах расположения шар­ниров косым прирубом. Во избежание сме­щений под действием случайных усилий в середине ко­сого прируба ставят болты. В случае равномоментного решения болты не должны быть затянуты, чтобы обеспе­чить перелом упругой линии прогона, образующийся в шарнире, между консолью и подвесной частью прогона. При равнопрогибном решении прогона в местах распо­ложения шарниров упругая линия проходит плавно и перелома не имеет, что позволяет плотно затягивать болты (болты принимают не менее 12мм).

К недостаткам консольно-балочных прогонов можно отнести то, что при обычной длине лесоматериала, рав­ной 6,5 м, перекрываемый пролет невелик и не превыша­ет 4,5 м. Кроме того, необходимо либо уменьшить край­ние пролеты, либо увеличить поперечное сечение прого­нов в этих пролетах. При этом следует иметь в виду, что давление на первую и последнюю промежуточные опоры при равных пролетах больше, чем на остальные опоры. Поэтому при пролетах более 4,5 м целесообразно приме­нять спаренные неразрезные прогоны.

Поэтому при необходимости перекрывать большие пролеты прогоны подкрепляют подкосами или устраивают в виде балки усиленной подбалкой.

Балки усиленные подбалкой

Они представляют собой многопролетную статически определимую неразрезную систему. Подбалки уменьшают расчетный пролет балок на величину 2а – положение точки, в которой углы наклона косательных к упругим линиям балки и подбалки, одинаковы, зависит от соотношения жесткостей балки и подбалки.

В практических расчетах таких систем пользуются графиком: изгибающие моменты балки и подбалки

28. Спаренные неразрезные прогоны состоят из двух рядов досок, поставленных на ребро и соеди­ненных гвоздями, забиваемыми конструктивно с шагом 50 см. Каждый ряд досок выполнен по схеме консольно-балочного прогона с последовательным расположением стыков, но первый ряд не имеет стыка в первом пролете, а второй ряд досок — в последнем про­лете.

Доски одного ряда соединяют по длине без косого прируба. Концы досок одного ряда прибивают гвоздями к доске другого ряда, не имеющего в данном месте сты­ка. Гвоздевой забой стыка должен быть рассчитан на восприятие поперечной силы. Количество гвоздей с каж­дой стороны стыка определяют исходя из того, что по­перечная сила, приходящаяся на один ряд досок Q≈ М_0П/2х_ГВ, в то же время равна Q=n_ГBT_ГВ, откуда n_ГВ = М_оп/2х_ГВ Т_ГВ

гдех_ГВ — расстояние от опоры до центра гвоздевого забоя, учиты­вая, что каждый гвоздь воспринимает одинаковое усилие, равное Т_ГВ. Т – несущая способность одного среза гвоздя из условия смятия древесины или изгиба.

Стыки досок устраивают в точках, где изгибающий момент в неразрезных балках, загруженных равномерно распределенной нагрузкой по всей их длине, меняет знак, т. е. на расстояниях от опор, равных 0,21 l. При этом крайние пролеты l ₁ должны быть меньше или равны 0,8 l.

Клееные балки

Дощатоклееные балки обладают рядом преимуществ перед другими составными балками:

- они работают как монолитные;

- их можно изготовить с поперечным сечением большой высоты;

- в балках длиной более 6 м отдельные доски стыкуют по длине с помощью зубчатого шипа и, следовательно балки не будут иметь стыка, ослабляющего сечение;

- в дощатоклееных балках можно рационально разме­щать доски различного качества по высоте. Слои из досок первого или второго сортов укладывают в наиболее напряженные зоны балки, а слои из досок второго или третьего сортов — в менее напряженные места. В доща­токлееных балках можно также использовать маломер­ные пиломатериалы.

При пролетах свыше 6м до 15м можно использовать в качестве стропильной конструкции дощатоклееные балки. Под мало уклонные кровли балки выполняют прямослойными, под кровлю из волнистых асбестоцементных листов гнутоклееные балки. В перекрытии используют также балки постоянного поперечного сечения.

Толщина досок рекомендуется 33мм. Ширина сечения до 18см, т.е. из 1 доски по ширине.в прямослойных балках устраивают строительный подъем не менее 1/200 пролета.

Расчет: в балках переменного сечения положение самого напряженного поперечного сечения зависит от соотношения размеров на опоре и в середине пролетов.

Расчетная схема - эпюра→

Расстояние от опоры до наиболее напряженного сечения определяется по формуле

Изгибающие моменты в сечении х:

Проверка балки по касательным напраряжению: