Соединения элементов деревянных конструкций

Общие сведения

При проектировании деревянных конструкций появляется необходи­мость соединения элементов. Соединение элементов по длине называется сращиванием; по ширине — сплачиванием; под различными углами — уз­ ловыми сопряжениями. Все виды соединений (связей) по характеру рабо­ты условно можно разделить на шесть групп — это соединения, работаю­щие преимущественно:

- на смятие и скалывание (врубки, шпонки);

- изгиб (все виды нагелей);

- выдергивание (шурупы, гвозди);

- растяжение (тяжи, накладки, хомуты, болты);

- сдвиг (клеевые соединения);

        -предотвращение случайных смещений из плоскости соединяемых
элементов (аварийные связи: болты, скобы, хомуты и др.).

Основные виды соединений элементов деревянных конструкций пока­заны на рис. 4.1.

Отличительной особенностью шпоночных соединений (см. рис. 4.1, в) является распор между соединяемыми элементами, который устраняется установкой стяжных болтов. Остальные виды соединений являются без­распорными.

В настоящее время, наряду с традиционными видами соединений, приме­няются новые, например, в узловых соединениях элементов деревянных ферм - нагельные соединения «Грэйм» (рис. 4.2, а): в зоне узла в поясах и решетке прорезают пазы, в которые вводят стальные оцинкованные пла­стинки толщиной 1...2 мм (от 2 до 6 пластинок в узле), затем узел скрепляют гвоздями. При конструировании узлов дощатых ферм и рам применяются металлические зубчатые пластины (МЗП) типа «Гэнг-Нейл» (рис. 4.2, б) и фанерные накладки с клеегвоздевой запрессовкой. Металлические зубча­тые пластины изготавливаются из листовой стали толщиной 1...2 мм мето­дом холодной штамповки. Разработано большое количество типоразмеров МЗП, отличающихся формой зубьев и пластин. В стыках КДК применяются соединения на вклеенных стальных стержнях, работающих на выдергивание или продавливание (рис. 4.2, в, г).

Основные правила конструирования соединений:

- ослабление сечения элементов связями должно быть минимальным,
при этом в одном соединении не рекомендуется использовать разные типы связей ввиду их различной податливости;

- в соединениях растянутых элементов необходимо соблюдать прин­цип дробности, т. е. распределять усилия на большее число связей
для увеличения плоскостей скалывания;

- связи размещаются симметрично относительно оси элемента и не должны вызывать в нем появления дополнительных усилий.

Значения предельных деформаций соединений при полном использо­ вании их расчетной несущей способности (мм): в лобовых врубках — 1,5; для нагельных соединений всех видов — 2,0; в примыканиях поперек  во­ локон — 3,0; в клеевых соединениях — 0,0.

                 Лобовые врубки

Врубкой называется примыкание сжатого элемента к растянутому под углом не более 45°, при этом усилие от одного элемента другому передается непосредственно без вкладышей. Врубки применяются при конструирова­нии узлов деревянных и металлодеревянных ферм. Основное достоинство врубок: простота изготовления по шаблонам. Недостатки врубок: передают только сжимающие усилия, ослабляют сечение растянутого элемента врез­кой, разрушаются от скалывания. Классическим примером лобовой врубки с одним зубом является конструкция опорного узла треугольной брусчатой фермы (рис. 4.3). Применяются также лобовые врубки с двумя (рис. 4.4) или тремя зубьями.

Правила конструирования лобовой врубки с одним зубом для ферм из брусьев:

- ось сжатого элемента должна проходить через центр площадки смятия перпендикулярно к ней (ортогональные врубки);

-  ось растянутого элемента центрируется по сечению нетто;

-минимальная глубина врезки должна быть не менее 20 мм, макси­мальная глубина врезки — не более 1/3 высоты сечения растянутого
элемента в опорных узлах и не более 1/4 высоты сечения в промежуточных узлах ферм.

 

 

 

 

                               Рис. 4.3. Лобовая врубка с одним зубом:

           1— опорная подушка; 2 — прибоина; 3 — подбалка; 4 — аварийный болт

Рис. 4.4. Опорный узел треугольной деревянной фермы, выполненный лобовой врубкой с двумя зубьями

 

- длина площадки скалывания l _ск должна быть не менее 1,5 высоты растянутого элемента (в расчетах учитывается l _ск не более 10 h _вр);

- врубка стягивается аварийным болтом, который ставится перпендикулярно к оси сжатого элемента, диаметр болта 16...24 мм;

- размеры подбалки и опорной подушки назначаются конструктивно.

Конструктивные особенности лобовой врубки (см. рис. 4.3): А-В — площадка скалывания; С-В — площадка смятия; В- D — нерабочая пло­щадка, зазор делается для уменьшения опасности раскалывания.

Аварийный болт служит для недопущения случайного взаимного сме­щения элементов при монтаже и эксплуатации, а также предотвращает полное разрушение узла при скалывании по площадке А-В.

Подбалка служит для упора аварийного болта и в некоторой степени пре­дохраняет растянутый элемент от загнивания в опорной части. Для обеспече­ния надежного центрирования элементов в узле в подбалке делается подрез­ка либо к ней прибивается снизу дополнительный элемент, называемый при­ бойной.

Расчет лобовой врубки. После конструирования узла производится его расчет по несущей способности из условия прочности на смятие, скалыва­ние и растяжение.

1. Расчет на смятие по площадке С-В. Площадка смятия в сжатом элементе расположена перпендикулярно направлению волокон древе­сины, а в растянутом элементе — под углом α к направлению волокон, поэтому прочность на смятие рассчитывается в растянутом элементе по формуле:

                  α _см.α = N _с / F _см ≤ R _см.α          (4.1)

где: N _с — расчетная сжимающая сила;

     F _см — площадь смятия, F _см = bh _см / cos α; b — ширина растянутого элемента; h _вр — глубина врезки;

R _см.α —расчетное сопротивление древесины смятию под углом а по

формуле (3.27) с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы.

2. Расчет на скалывание по площадке А-В. Проверка средних скалы­вающих напряжений по длине площадки скалывания производится по формуле

           τ_ск = T _ск / F _ск ≤ R _ск               (4.2)

где T _ск — расчетная скалывающая сила, T _ск = N _р = N _с со s α;

F _ск — площадь скалывания, F _ск = bl _ск;  l _ск — расчетная длина пло­щадки скалывания; b — ширина растянутого элемента;

R _ск - среднее по площадке скалывания расчетное сопротивление древесины скалыванию с учетом всех необходимых коэффи­циентов условий работы, см. формулу (3.31).

3. Расчет на растяжение нижнего пояса. Проверка напряжений в нижнем поясе производится в месте наибольшего ослабления врезкой по формуле

     α_р = N _р / F _нт ≤ R _р             (4.3)

где   N _р — расчетное усилие растяжения;

F _нт — площадь сечения нетто растянутого элемента,

R _р — расчетное сопротивление древесины на растяжение с учетом ослабления врезкой в расчетном сечении и всех других необхо­димых коэффициентов условий работы.

Лобовые упоры

Лобовые упоры — наиболее простые и надежные соединения деревян­ных элементов. Классическим примером лобового упора является конст­рукция опорного узла треугольных ферм из брусьев (рис. 4.5, 4.6).

Конструктивные особенности. Усилие, возникающее в сжатом эле­менте, передается опорному вкладышу всей поверхностью торца эле­мента. Вертикальная составляющая сжимающего усилия передается на опорную подушку, а горизонтальная составляющая — через стальные тяжи, деревянные накладки и нагели — на растянутый элемент. Толщи­на деревянных накладок принимается равной половине ширины растя­нутого элемента. Диаметр нагелей и тяжей определяется расчетом (12...24 мм).

Достоинства: по сравнению с лобовой врубкой лобовой упор облада­ет большей несущей способностью, характеризуется отсутствием пло­щадки скалывания и меньшим ослаблением сечения растянутого элемен­та. Недостатки: сложность изготовления и повышенный расход металла на тяжи и нагели.

Расчет лобового упора. После конструирования узла выполняются следующие проверки:

1. Проверка опорного вкладыша на смятие [обозначения — см. форму­лы (4.1), (4.2)]:

 

α _см.α = N _с / F _см ≤ R _см.α (4.4)

Где F _см — площадь смятия опорного вкладыша, F _см = bh, b, h — размеры верхнего пояса фермы.

2. Проверка деревянных накладок на растяжение:

              α_р = N _р / F _нт ≤ R _р     (4.5)

где F _нт — площадь сечения нетто деревянных накладок,                            F _нт = 2а(h — 2 d), а, h — ширина и высота сечения накладок; d — диаметр нагеля.

 

3. Проверка стальных тяжей на растяжение:   

                          

           α_р = N _р / F _т ≤ R _р 0,8 0,85 (4.6)

где      F _т — площадь ненарезанной части поперечного сечения стальных тяжей;

    R _р - расчетное сопротивление стали на растяжение;

   0,8 — коэффициент, учитывающий ослабление сечения тяжей нарез­кой резьбы;

  0,85 — коэффициент, учитывающий возможность неравномерного натяжения отдельных тяжей.

4. Проверка необходимого количества нагелей для крепления деревян­ных накладок к растянутому элементу производится по формуле (4.7).

 

 

 

Рис. 4.5. Эскиз опорного узла фермы, выполненного лобовым упором:

1 — опорный вкладыш; 2 — подбалка; 3 — опорная подушка; 4 — прибоина; 5 — нагели; б — болты; 7 — стальные тяжи; 8 — накладки

 

Рис. 4.6. Опорный узел треугольной деревянной фермы из брусьев, выполненный лобовым упором

              Нагельные соединения

               Общие сведения

Нагелем называется длинный гибкий стержень (пластинка), который, со­единяя элементы деревянных конструкций между собой, препятствует их взаимному сдвигу. Сам нагель при этом работает преимущественно на попе­речный изгиб. Основные виды нагельных соединений даны на рис. 4.7. Наге­ли используются в стыках растянутых элементов, в составных стержнях и балках на податливых связях, в узлах деревянных ферм.

Нагельные соединения отличаются податливостью: усилия распределяются между нагелями достаточно равномерно, что способствует повышению надеж­ности таких соединений. Простота изготовления и надежность нагельных соеди­нений обеспечили их распространение и в современном строительстве.

Классификация нагелей:

- по материалу: стальные (С 245, С 255); деревянные (из твердых по­род древесины: дуба, березы); пластмассовые (из конструкционных
стеклопластиков, типа АГ-4с);

- по форме поперечного сечения: цилиндрические (болты, штыри, гвозди, шурупы, глухари — шурупы большого диаметра с головкой
под ключ); пластинчатые (нагели Деревягина — см. подразд. 6.3);

- по способу постановки: собственно нагели, устанавливаемые в предва­рительно просверленные отверстия, при этом диаметр отверстия равен
диаметру нагеля (d _отв = d); нагели, завинчиваемые в предварительно
просверленные отверстия, при этом d _отв = 0,8 d (шурупы и глухари); на­гели диаметром менее 6 мм (гвозди), забиваемые в древесину без пред­варительного сверления отверстий;

- по способу приложения внешних, сил и числу швов, пересекаемых од­
ним нагелем, различают два вида нагельных соединений
(см. рис. 4.7): симметричные (двух- и многосрезные) и несиммет­ричные (одно-, двух- и многосрезные).

Срезом нагеля в соединениях деревянных конструкций условно назы­вается каждое рабочее пересечение нагеля с плоскостью сдвига (по анало­гии с заклепками).

При изготовлении нагельных соединений отверстия сверлятся перпенди­кулярно плоскости сплачивания в собранном пакете, соблюдение этого усло­вия обеспечивает плотность соединения. Соединения на нагелях должны быть обжаты стяжными болтами, которые устанавливаются в количестве 25 % от общего числа нагелей, но не менее 3 болтов с каждой стороны стыка. Диаметр болтов d _б принимается по расчету. Размер сторон шайбы (диаметр) принимается не менее 3,5 d _б, а толщина — не менее 0,25 d _б.