Классификация, область примененияния и основные требования к соединениям элементов ДК

Вследствие ограниченности размеров дерева создание из него строительных конструкций больших пролетов или высоты невозможно без соединения отдельных элементов. Соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачиванием, а для увеличения их продольной длины - сращиванием, под углом и прикрепление к опорам – анкеровкой.

По характеру работы все основные соединения делятся на:

- без специальных связей (лобовые упоры, врубки);

- со связями, работающими на сжатие (шпонки колодки);

- со связями, работающими на изгиб (болты, стержни, гвозди, винты, пластинки);

- со связями, работающими на растяжение (болты, винты, хомуты);

- со связями, работающими на сдвиг-скалывание (клеевые швы).

По характеру работы соединений деревянных конструкций делятся на податливые и жесткие. Податливые изготавливаются без применения клеев. Деформации в них образуются в результате неплотностей.

Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий разделяются на следующие виды:

1) соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов, например примыканием в опорных частях элементов, врубкой и т.д.;

2) соединения на механических связях;

3) соединения на клеях.

Механическими в соединениях деревянных конструкций называют рабочие связи различных видов из твердых пород древесины, стали, различных сплавов или пластмасс, которые могут вставляться, врезаться, ввинчиваться или запрессовываться в тело древесины соединяемых элементов. К механическим связям, наиболее широко применяемым в современных деревянных конструкциях, относятся шпонки, нагели, болты глухари, гвозди, шурупы, шайбы шпоночного типа, нагельные пластинки и металлические зубчатые пластинки.

Несущая способность и деформативность деревянных конструкций зависит в большей мере от способа соединения их отдельных элементов. Соединения растянутых деревянных элементов как правило связано с их местным ослаблением. В ослабленном сечении растянутых деревянных элементов наблюдается концентрация опасных, не учитываемых расчетом местных напряжений. Наибольшую опасность в стыковых и узловых соединениях растянутых деревянных элементов представляют сдвигающие и раскалывающие напряжения. Она усугубляется в случае наложения этих напряжений на напряжения, которые возникают в древесине вследствие ее усушки.

Скалывание и разрыв вдоль и поперек волокон относятся к хрупким видам работы древесины. В отличие от работы строительной стали в древесине не происходит в этих случаях пластического выравнивания напряжений. Для того, чтобы уменьшить опасность последовательного, по частям, хрупкого разрушения от скалывания или разрыва в растянутых элементах деревянных конструкций, приходится обезвреживать природную хрупкость древесины вязкой податливостью работы их соединений. К наиболее вязким видам работы древесины, характеризуемой наибольшим количеством работы прочного сопротивления, относится смятие. Другими словами, требование вязкости, предъявляемое к соединениям всех видов элементов деревянных конструкций, сводится к требованию обеспечения выравнивания напряжений в параллельно работающих брусьях или досках, использованием вязкой податливости работы древесины на смятие, прежде чем могло бы произойти хрупкое разрушение от разрыва или скалывания.

Для придания вязкости соединениям растянутых деревянных элементов как правило используют принцип дробности, позволяющий избежать опасности скалывания древесины увеличением площади скалывания (нарисовать соединение с одним болтом и с несколькими меньшего диаметра).

Контактные соединения деревянных элементов. Лобовая врубка.

При контактных соединениях деревянных элементов подразумевают соединения, в которых усилия от одного элемента к другому передаются через их обработанные и опиленные контактные поверхности. Дополнительно поставленные в таких соединениях рабочие связи несут функцию фиксации отдельных элементов и служат аварийными связями. При контактных соединениях решающим оказывается работа древесины на смятие. Преимуществом соединения простым опиранием является незначительное влияние на их работу деформаций древесины при колебаниях температурно-влажностного режима, особенно если силы сжатия соединенных элементов направлены вдоль волокон. Контактные соединения с сжатием перпендикулярно к волокнам встречаются в соединениях стоек в местах примыкания к горизонтальным ригелям, опираний прогонов, балок, ферм на стены. В этих случаях расчет сводится к определению проверки напряжений смятия по контактным поверхностям и сравнению их с расчетным сопротивлением. Сопротивление древесины поперек волокон мало, то при действии больших усилий приходится увеличивать опорные площади или контактные поверхности соединяемых элементов. Способы показаны на рисунке.

При отсутствии возможности увеличения площади контакта, применяют накладки с боковых сторон из фанеры на нагелях или клею, которые распределяют нагрузку на большую глубину элемента. Ещё один метод усиления клееных балок в опорной части, разработанный в нашей стране, заключается в выпиливании угла опирания под углом 45º, его разворот на 90º и его вклеивания. Этим достигается максимальное сопротивление древесины смятию (вдоль волокон).

Контактные соединения деревянных элементов с действием сил вдоль волокон встречаются при наращивании стоек по длине. В этом случае сопротивление смятию максимально, но возникает опасность взаимопроникновения деревянных элементов из-за того, что более плотные слои одного элемента могут совпасть с менее плотными другого. Чтобы предотвратить смещение концов устанавливают цилиндрические нагели в торцах или боковые накладки. Расчет на смятие в этом случае не проводят, ограничиваясь расчетом на продольный изгиб.

Работа древесины на смятие под углом возникает при соединении наклонных элементов (см рис. верхний пояс ферм). Проверяют на смятие под углом.

Лобовая врубка. Врубка – соединение, в котором усилие элемента, работающего на сжатие, передается другому элементу непосредственно без вкладышей или рабочих связей. Основной областью применения являются узловые соединения в брусчатых и бревенчатых фермах, в том числе в опорных узлах примыкания сжатого верхнего пояса растянутому нижнему. Соединяемые элементы должны быть скреплены вспомогательными связями – болтами, хомутами, скобами, которые рассчитывают на монтажные нагрузки.

Лобовая врубка может утратить несущую способность при достижении одного из 3 предельных состояний:1) по смятию площадки упора,2) по скалыванию площадки упора,3) по разрыву ослабленного врубкой нижнего пояса.

Площадь смятия определяется глубиной врубки, которая может быть не более1/3 высоты растянутого элемента. Решающее значение, как правило, имеет несущая способность врубки из условия скалывания. Согласно СНиП II-25-80,лобовую врубку на скалывание для угла 45º рассчитывают определением среднего по длине площадки скалывания напряжения сдвига по формуле: , где - расчетное сопротивление древесины скалыванию,- расчетная длина площади скалывания, е –плечо сил сдвига,-=0,25 коэффициент. Для угла в 30º: .

Соединения на шпонках и шайбах шпоночного типа.

Шпонки – это вкладыши из твердых пород древесины, стали или из пластмасс, которые устанавливаются между сплачиваемыми элементами и препятствуют сдвигу. Различают призматические деревянные продольные шпонки, когда направления волокон древесины шпонок и соединяемых элементов совпадают, и поперечные, когда направление волокон перпендикулярны. Призматические шпонки работают на смятие и скалывание. Возможно применение металлических тавровых шпонок. Отличительный признак шпонок – появление опрокидывающего момента и как результат этого возникновение распора между соединяемыми элементами. Для восприятия распора необходимо устанавливать стяжные болты. Длину шпонки принимают не менее . 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 ¼ диаметра бревна.

Расчет соединений на шпонках сводится к проверке несущей способности по смятию и скалыванию. При расчете в многорядовых соединениях вводят коэффициент 0,7, из-за неравномерного распределения усилий.

Для соединения деревянных конструкций под различными углами в узлах ставят круглые центровые шпонки со стяжным болтом в центре.

Наибольшее распространение нашли шайбы шпоночного типа. Соединения на зубчатых шпонках характеризуются высокой несущей способностью и вязкостью. Их вдавливают в тело древесины ударным способом или специальными зажимами. К недостаткам относится: образование трещин в сопрягаемых элементах, уменьшение несущей способности из-за неравномерности запрессовки шпонок в многорядовых соединениях.

Соединения на нагелях цилиндрических (стальные, дубовые, пластиковые, алюминиевые, гвозди, шурупы, глухари) и пластинчатых.

 

 

 

 

Нагельные соединения со вставками в узлах и на металлических зубчатых (гвоздевых) пластинках.

Нагельные соединения со вставками в узлах

Когда в узлах действуют большие усилия или соединяются несколько элементов, обеспечить передачу усилий через контактные поверхности всех сопрягаемых элементов сложно. В таких случаях целесообразно использовать различные вставки в виде узловых пластин, которые увеличивают площадь узла и одновременно создают многосрезность рабочих связей. В качестве узловых вставок чаще всего применяют пластинки из стали и фанеры. Они могут располагаться снаружи (накладки) и присоединяться снаружи к древесине соединяемых элементов с помощью односрезных нагелей или располагаться внутри деревянного элемента (прокладки) в специальных разрезах с тем, чтобы рабочие связи могли работать как многосрезные нагели.

Соединения с накладками и прокладками на болтах или глухих цилиндрических нагелях допускаются в тех случаях, когда обеспечена необходимая плотность постановки нагелей. Глухие стальные цилиндрические нагели должны иметь заглубление не менее 5 диаметров нагеля. Передача усилий от одного деревянного элемента другому происходит последовательно через нагели, пластинку и нагели другого деревянного элемента. Сечение пластинок назначают из условия расчета на растяжение по ослабленному сечению и обеспечения прочности на смятие в гнезде под нагелем. В нагельных соединениях обычно применяют стальные пластинки толщиной не менее 5 мм. Отверстия гнезда под нагели сверлят как правило одновременно в дереве и в пластинке. При этом если прокладки стальные, первый раз делают отверстие сверлом с d, соответствующим гнезду нагеля в деревянном элементе (на 0.2 –0.5 мм меньше d нагеля), затем металлическую пластинку вынимают из разреза и отверстия в ней рассверливают до размера диаметра нагеля.

Технология изготовления этих соединений относительно трудоемка, но оправдана тем, что при размещении металлических элементов внутри древесины (концы нагеля и болтов оставляют ниже поверхности элемента на 2 см и заклеивают сверху деревянной вставкой) повышается огнестойкость деревянных конструкций и их стойкость к действию химически агрессивных сред. Как правило, нагельные соединения со стальными прокладками применяют в узлах клееных элементов большого сечения.

На много проще изготовление соединений на узловых пластинках толщиной не более 2 мм, которые без предварительного просверливания могут быть пробиты на сквозь гвоздями. К таким соединениям относится система «Грейм». Здесь в тонкие прорези вставляются металлические пластики толщиной 1-1.75 мм и пробиваются на сквозь гвоздями.

Соединения деревянных элементов на тонких пластинках системы «Грейм»: а – с трапециевидными пластинками; б – с треугольными пластинками.

Пластинка, находящаяся в разрезе внутри деревянного элемента, при восприятии узловых сжимающих усилий работает на продольный изгиб со свободной длиной, равной расстоянию между рабочими связями, которые скрепляют пластинки с деревянным элементом. Чтобы предупредить выпучивание пластинки, необходимо обеспечить ее плотное прилегание к боковым граням разреза и установить рабочие связи с шагом, при котором не происходит выпучивания пластинки.

Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками следует рассматривать также, как и обычные нагельные соединения деревянных элементов, определяя несущую способность нагелей из условия изгиба нагеля и смятия древесины в нагельном гнезде. При этом в расчете из условия изгиба следует принимать наибольшее значение несущей способности нагеля. Стальные накладки и прокладки надо проверять на растяжение по ослабленному сечению и на смятие под нагелем.

Узловые пластинки можно изготавливать и из других, в частности, слоистых материалов. Наибольшее распространение получили соединения деревянных элементов на пластинках из бакелизированной фанеры. Их преимущественно применяют для связевых и других соединений, которые изготавливают непосредственно на строительной площадке. Соединения на фанерных накладках и прокладках осуществляют на цилиндрических нагелях из твердых пород древесины, стали и др., на гвоздях или шурупах. Если фанерные пластинки располагаются снаружи деревянных элементов, то они соединяются односрезными нагелями.

Возможны также многосрезные соединения , если пластинки устанавливают в прорези в деревянных элементах или между их отдельными ветвями. Клеем на основе синтетических смол обрабатывают кромки фанерных листов. Толщину их выбирают в зависимости от диаметра нагеля и из условий работы фанеры на смятие в гнезде. Последние располагают обычно так, чтобы направление волокон наружных слоев фанеры совпадало с направлением волокон соединяемого элемента, в котором действуют большие усилия, или этот угол составляет 45°.

Развитие нагельных соединений с пластинками в узлах привело к появлению нагельных пластин. Одними из первых стали применяться для узловых соединений конструкций с одной или двумя ветвями нагельные пластинки системы «Мениг». Пластинки этой системы изготавливают из пенопласта толщиной 3 мм и слоя синтетической смолы, усиленной стекловолокном толщиной 2 мм. В этой пластинке закреплены сквозные обоюдоострые нагели диаметром от 1.6 мм и длиной по каждую сторону пластинки о 25 мм и более. Толщина соединяемых деревянных элементов может достигать 80 мм.

Нагельные пластинки устанавливают между соединяемыми деревянными элементами. При запрессовке слой пенопласта сжимается и служит контролем для равномерной запрессовки нагелей в оба соединяемых элемента.

По своей работе соединения на нагельных пластинах могут быть сравнены с работой гвоздевых соединений. Несущая способность соединений на пластинах типа «Мениг» составляет 0.75-1.5 Н на 1 мм² контактной поверхности.

Соединения для брусчатых деревянных элементов большого сечения на нагельных пластинках большой несущей способности представляют собой металлические пластины с прикрепленными нагелями диаметром 3-4 мм. Нагели могут быть сквозными, запрессованными в отверстиях пластинки, или состоять из двух половин, прикрепляемых к обеим сторонам пластинки точечной сваркой.

Применение соединений на нагельных пластинах требует тщательности изготовления, отбора материала и запрессовки в специальных гидравлических прессах при строгом контроле качества.

Соединения на металлических зубчатых платстинках.

Наибольшее распространения в зарубежной практике строительства получили МЗП системы «Ганг-Нейл».

МЗП представляют собой стальные пластинки толщиной 1-2 мм, на одной стороне которых после штамповки на специальных прессах получаются зубья различной формы и длины. МЗП ставят попарно по обе стороны соединяемы элементов таким образом, чтобы ряды МЗП располагались в направлении волокон присоединяемого деревянного элемента, в котором действуют наибольшие усилия.

Дощатые конструкции с соединениями на металлических зубчатых пластинках следует применять в зданиях V степени огнестойкости без подвесного подъемно-транспортного оборудования с температурно-влажностными условиями эксплуатации А1, А2, Б1 и Б2. Изготовление конструкций должно производиться на специализированных предприятиях или в деревообрабатывающих цехах, оснащенных оборудованием для сборки конструкций, запрессовки МЗП и контрольных испытаний конструкций. Ручная запрессовка МЗП недопустима.

Несущую способность деревянных конструкций на МЗП определяют по условиям смятия древесины в гнездах и изгиба зубьев пластин, а также по условиям прочности пластин при работе на растяжение, сжатие срез.

Материалом для изготовления конструкций служит древесина сосны и ели шириной 100-200 мм, толщиной 40-60 мм. качество древесины должно удовлетворять требованиям СНиП II-25-80, предъявляемых материалам деревянных конструкций.

МЗП рекомендуется изготавливать из листовой углеродистой стали марок 08кп или 10кп по ГОСТ 1050-74 толщиной 1.2 и 2 мм. Антикоррозионную защту МЗП выполняют оцинковкой по ГОСТ 14623-69 или покрытиями на основе алюминия в соответствие с рекомендациями по антикоррозионной защите стальных закладных деталей и сварных соединений сборных ж.б. и бетонных конструкций.

Деревянные конструкции на соединениях с МЗП рассчитывают на усилия, возникающие в период эксплуатации зданий от постоянных и временных нагрузок, а также на усилия, возникающие при транспортировке и монтаже конструкций. Сквозные конструкции рассчитывают с учетом неразрезности поясов и в предположении шарнирного крепления к ним элементов решетки.

Несущая способность соединения на МЗП N_c, кН, по условиям смятия древесины и изгиба зубьев пр растяжении, сдвиге и сжатии, когда элементы воспринимают усилия под углом к волокнам древесины, определяют по формуле:

N_c = 2RF_p,

где R – расчетная несущая способность на 1 см² рабочей площади соединения, F_p – расчетная площадь поверхности МЗП на стыковом элементе, определяемая за вычетом площадей участков пластины в виде полос шириной 10 мм, примыкающих к линиям сопряжения элементов и участков пластины, которые находятся за пределами зоны рационального расположения МЗП, которая ограничивается линиями, параллельными линии стыка, проходящими по обе стороны от нее на расстоянии половины длины линии стыка.

Учет эксцентриситета приложения усилий к МЗП при расчете опорных узлов треугольных ферм осуществляется снижением расчетной несущей способности соединения умножением на коэффициент h, определяемый в зависимости от величины уклона верхнего пояса. Кроме того проверяют саму пластинку на растяжение и срез.

Несущую способность МЗП N_p при растяжении находят по формуле:

N_p = 2bR_p,

где b – размер пластины в направлении, перпендикулярном направлению усилия, см, R_p – расчетная несущая способность пластины на растяжение, кН/м.

Несущую способность МЗП Q_ср при срезе определяют по формуле:

Q_ср = 2l_срR_cp,

где l_ср – длина среза сечения пластины без учета ослаблений, см, R_ср – расчетная несущая способность пластины на срез, кН/м.

При совместном действии на пластину усилий среза и растяжения должно выполняться условие:

(N_p/2bR_p)² + (Q_ср/2l_срR_cp)² £ 1.

При проектировании конструкций на МЗП следует стремиться к унификации типоразмеров МЗП и сечений пиломатериала в одной конструкции. На обеих сторонах узлового соединения должны располагаться МЗП одного типоразмера. Площадь соединения на каждом элементе (с одной стороны от плоскости соединения) должна быть для конструкций пролетом до 12 м не менее 50 см², а для конструкций пролетом до 18 м не менее 75 см². Минимальное расстояние от плоскости соединения элементов должно быть не менее 60 мм. МЗП следует располагать таким образом, чтобы расстояния от боковых кромок деревянных элементов до крайних зубьев были не менее 10 мм.

Соединения на растянутых связях.

К растянутым связям относят гвозди, винты (шурупы и глухари), работающие на выдергивание, скобы, хомуты, стяжные болты и тяжи. Различают связи натяжные и ненатяжные, временные (монтажные) и постоянные. Все виды связей должны быть защищены от коррозии.

Гвозди сопротивляются выдергиванию только усилиями поверхностного трения между ними и древесиной гнезда. Силы трения могут уменьшиться при образовании в древесине трещин, которые снижают силу сжатия гвоздя, поэтому для гвоздей, работающих на выдергивание, обязательно соблюдение тех же норм расстановки, которые приняты для гвоздей, работающих как нагели на изгиб (S₁ = 15d, S_2,3 = 4d).

При статическом приложении нагрузки расчетную несущую способность на выдергивание одного гвоздя, забитого поперек волокон с соблюдением норм расстановки, определяют по формуле:

Т_выд £ R_выдpd_гвl_защ,

где R_выд – расчетное сопротивление выдергиванию на единицу поверхности соприкосания гвоздя с древесиной, d_гв – диаметр гвоздя, l_защ – расчетная длина защемленной, сопротивляющейся выдергиванию части гвоздя, м.

В деревянных конструкциях (для временных сооружений) R_выд,. При определении Т_выд расчетный диаметр гвоздя принимают не более 5 мм, даже в случае использования гвоздей большей толщины.

Расчетная длина защемления гвоздя l_защ (без учета острия 1.5d) должна быть не менее 10d и не менее чем две толщины прибиваемой доски. В свою очередь толщина прибиваемой доски должна быть не менее 4d.

Шурупы (винты, завинчиваемые отверткой) и глухари (винты диаметром 12-20 см, завинчиваемые ключом) удерживаются в древесине не только силами трения , но и упором винтовой нарезки в прорезаемые ею в древесине винтовые желобки.

Расстановка шурупов и глухарей и размеры просверленных гнезд должны обеспечивать плотный обжим стержня глухаря древесиной без ее раскалывания. S₁ = 10d, S_2,3 = 5d. Диаметр прилегающей к шву части гнезда должен точно соответствовать диаметру ненарезной части стержня глухаря. Для надежного упора винтовой нарезки выдергиваемого шурупами глухаря диаметр заглубленной части гнезда по всей длине нарезной части глухаря должен быть на 2-4 мм меньше полного его диаметра.

Если при конструировании можно допустить разреженную расстановку шурупов и глухарей диаметром не более 8-16 мм, то сверлят гнезда уменьшенного на 2-3 мм диаметра на всю длину защемления.

При соблюдении указанных требований расчетную несущую способность на выдергивание шурупа или глухаря определяют по формуле:

Т_выд £ R_выдpd_винтl_защ,

где R_выд – расчетное сопротивление выдергиванию неразрезной части шурупа или глухаря, d_винт – наружный диаметр нарезной части, м, l_защ –длина нарезной части шурупа или глухаря, м.

Все поправочные коэффициенты к R_выд вводят в соответствии с поправками на сопротивление смятию поперек волокон.

Глухари и шурупы лучше всего использовать для крепления к деревянным брусьям и доскам металлических накладок, хомутов, шайб и т.д. При этом глухари и шурупы заменяют не только нагели, но и стяжные болты. Если с помощью глухарей или шурупов присоединяют деревянные или фанерные элементы, работающие на отрыв, решающее значение приобретает не сопротивление выдергиванию нарезной части, а сопротивление смятию древесины головкой глухаря или шурупа. В таком случае необходимо под головку подкладывать металлическую шайбу размером 3.5d x 3.5d x 0.25d.

Скобы из круглой (или квадратной) стали толщиной 10-18 мм применяют в качестве вспомогательных растянутых или фиксирующих связей в сооружениях из круглого леса или брусьев, в мостовых опорах, лесах, бревенчатых фермах и т.п. В дощатых деревянных конструкциях скобы не применяют, так как они раскалывают доски. Скобы как правило забивают концами в цельную древесину без сверления гнезд. Несущая способность одной скобы, даже при соблюдении увеличенных норм не определенна.

Экспериментальные исследования выявили эффективность забивки без сверления скоб из проката крестового профиля d_ск = 15 мм. При достаточной длине шипа (6-7 d_ск) несущая способность таких скоб приблизительно равна несущей способности нагеля из круглой стали диаметром 15 мм.

Хомуты, так же, как и скобы относятся к растянутым связям. Отличительной особенностью хомутов является охватывающее их положение по отношению к соединяемым деревянным элементам.

Рабочие болты и тяжи, т.е. растянутые металлические элементы, применяют в качестве анкеров, подвесок, растянутых элементов металлодеревянных конструкций, затяжек арочных и сводчатых конструкций и т.п. Все элементы тяжей и рабочих болтов следует проверять расчетом по нормам для стальных конструкций и принимать диаметром не менее 12 мм.

При определении несущей способности растянутых стальных черных болтов, ослабленных нарезкой учитывают уменьшенную площадь F_нт и местную концентрацию напряжений s_р; поэтому принимают пониженные расчетные сопротивления. Расчетные сопротивления стали в параллельно работающих двойных и более тяжах и болтах снижают умножением на коэффициент 0.85, учитывая неравномерность распределения усилий. В металлических тяжах следует избегать местного ослабления рабочего сечения.

Рабочие болтовые связи и стяжные муфты применяют лишь в тех случаях, когда требуется монтажное или эксплуатационное регулирование их длины. Располагают их в наиболее доступных местах металлодеревянных арок и ферм. Ненатяжное стыковое соединение затяжки из круглой стали, позволяющее транспортировать ее без разборки.

Необходимые лишь в редких случаях натяжные стыки затяжек из круглой стали осуществляют с помощью натяжных муфт с разносторонней резьбой. При отсутствии муфт заводского производства можно изготовить сварные муфты из двух (или лучше 4-х) квадратных гаек левой и правой резьбы, скрепленных на сварке двумя стальными планками.

Стяжные болты, имеющие преимущественно монтажное значение и не рассчитываемые на восприятие определенного эксплуатационного усилия, применяют почти во всех видах соединений, в том числе в нагельных соединениях и врубках для обеспечения плотного прилегания сплачиваемых досок, брусьев или бревен. Сечение стяжных болтов определяют по монтажным соображениям; оно должно быть тем больше, чем толще элементы соединяемого узла, т.е. чем больше ожидаемое сопротивление спрямляющему выгибу покоробленных или перекошенных досок или брусьев. В случае разбухания древесины плотно стянутого болтом пакета досок стержень болта подвергается большим продольным растягивающим усилиям. Чтобы избежать при этом разрыва болта по сечению, ослабленному нарезкой, шайбы стяжных болтов назначают с уменьшенной площадью смятия древесины. Безопасное для соединения вмятие шайбы в древесину. В случае разбухания должно произойти раньше, чем напряжение стержня болта на разрыв достигнет опасного значения.

Сборно-разборный стык с двойным обжимом для растянутых клееных элементов. Клеевые стыки растянутых деревянных элементов были исследованы В.Г. Михайловым. Разрушение стыков происходило от раскалывания при низких напряжениях сдвига по плоскости разрушения. Наивысшее среднее напряжение сдвига при разрушении, равное 2.4 МПа, было достигнуто в стыке с обжимными клиньями.

Стык с двойным обжимом перекрывается накладками 1 из полосовой стали, к которым приварены уголки 2. Усилия от растянутых деревянных элементов передаются на стальные накладки через перекрестные болты 3 и 4 и коротыши с нарезкой 5. К стыкуемым элементам приклеивают на концах деревянные накладки 7 со скошенными торцами для упора уголков 6 с таким расчетом, чтобы плоскость скалывания, начинающаяся от уголка, не совпадала с клеевым швом.

Анализ испытаний растянутых стыков показывает, что сила, обжимающая элемент у начала плоскости разрушения при скалывании, противодействуя растягивающим напряжениям, одновременно создает дополнительные напряжения сдвига и тем самым увеличивает их концентрацию в опасной зоне. При создании на противоположном конце плоскости скалывания дополнительной силы обжима поперек волокон (как это имеет место в рассматриваемом стыке) напряжения сдвига выравниваются, уменьшаются их концентрация и возможность возникновения растягивающих поперек волокон напряжений.

Стык с двойным обжатием является натяжным сборно-разборным соединением, создающим начальную плотность и позволяющим поддерживать ее в дальнейшем в условиях эксплуатации (если произойдет некоторая усушка соединяемых элементов).

Стык на скалывание по древесине рассчитывают из условия:

Среднее значение расчетного сопротивления сдвигу определяют по формуле:

где b = 0.125; e = 0.125h.

Соединения на вклеенных стальных стержнях, работающих на выдергивание или продавливание. Применение соединений на вклеенных стержнях из арматуры периодического профиля диаметром 12-25 мм, работающих на выдергивание и продавливание, допускается в условиях эксплуатации конструкций при температуре окружающего воздуха, не более 35°С.

Предварительно очищенные и обезжиренные стержни вклеивают составми на основе эпоксидных смол в просверленные отверстия или в профрезерованные пазы. Диаметры отверстий или размеры пазов следует принимать на 5 мм больше диаметов вклеиваемых стержней.

Расчетную несущую способность такого стержня на выдергивание или продавливание вдоль и поперек волокон в растянутых и сжатых стыках элементов деревянных конструкций из сосны и ели следует определять по формуле:

Т = R_ск×p×(d + 0.005)×l×k_с,

где d – диаметр вклеиваемого стержня, м; l – длина заделываемой части стержня, м, которую следует принимать по расчету , но не менее 10d и не более 30d; k_с – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений сдвига в зависимости от длины заделываемой части стержня, который определяют по формуле: k_с = 1.2 – 0.02×(l/d); R_ск – расчетное сопротивление древесины скалыванию.

Расстояние между осями вклеенных стержней, вдоль волокон принимать не менее S₂ = 3d, а до наружных граней – не менее S₃ = 2d.

Соединения элементов ДК на клеях.

Требования, предъявляемые к клеям для несущих конструкций.

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 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 друг к другу, тем полнее монолитность склеивания, тем равномернее и тоньше клеевой шов. Деревянная конструкция, монолитно склеенная из сухих тонких досок, обладает значительным преимуществом 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 клеев.

Клеевые соединения применялись давно, главным образом в столярных изделиях. В начале XX века в Швейцарии, Швеции и Германии стали применять несущие деревянные конструкции на казеиновом клее. Однако белковые клеи животного происхождения и тем более растительного не удовлетворяли в полной мере требованиям к соединениям элементов несущих конструкций.

Большое значение имеет развитие химии полимерных материалов и производство синтетических клеев. Синтетические полимерные материалы с запланированными свойствами позволяют обеспечить требуемые прочность и долговечность клеевых соединений. Поиск оптимального ассортимента конструкционных клеев и соответствующих режимов поточного производства клееных конструкций продолжается, но уже сейчас имеется набор синтетических клеев, которые позволяют соединять деревянные строительные детали не только с деревом.

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, фенольно-резорциновые, алкилрезорциновые, фенольные клеи. Согласно СНиП II-22-80, выбор типа клея зависит от температурно-влажностных условий эксплуатации клееных конструкций.

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.

Виды соединений на клею.

Растянутый стык клееных элементов в заводских условиях изготовляют на зубчатый шип с уклоном склеиваемых поверхностей примерно 1:10. Это унифицированное решение, по прочности не уступает 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 и сжатие. Согласно испытаниям прочность такого стыка КБ_3 даже на разрыв не ниже прочности цельного бруска, ослабленного нормальным для 1 категории сучком размером ¼-1/6 ширины соответствующей стороны элемента.

На практике рекомендуется использовать наиболее технологичный вариант с нарезкой шипов перпендикулярно пласти. Этот вариант применим при любой ширине склеиваемых элементов, 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.

Клеевые и клеемеханические соединения элементов в конструкциях с применением пластмасс и принципы их расчета.

Клеевые соединения являются наиболее эффективными, универсальными и распространенными соединениями пластмасс. Дают возможность склеивать любые материалы си пластмассы. Недостаток клеевого соединения: малая прочность на поперечное растяжение – отрыв и ограниченная теплостойкость. Применяются термореактивные и термопластичные клеи.

А- типы соединений; 1 – внахлестку; 2 – с одной накладкой; 3 – с двумя накладками; б – работа соединений: 4 – на сдвиг; 5 – на отрыв; : - неравномерный отрыв; с – клеевые швы

Типы соединений смотри рис. Протяженность клеевого шва с каждой стороны стыка (длина нахлестки) определяется расчетом его на срез, но не менее 8 толщин листа для асбестоцемента, 50 толщин для металлов, 20 толщин листа для стеклопластиков. Клеевые соединения чаще всего работают на сдвиг, но в некоторых случаях соединение может испытывать усилия, вызывающие в нем растяжения, которое называется отрывом. В зависимости от характера распределения растягивающих напряжений по протяженности шва различают равномерный и неравномерный отрыв. Чаще прочность клеевой прослойки выше прочности склеиваемого материала, в этом случае расчетное сопротивление определяется по соединяемому материалу. Для клеевых соединений учитываются коэффициенты условия работы: температурный фактор; влажностные условия; атмосферные условия.

 

Клееметаллические соединения являются комбинированными, состоящими из точечных металлических соединений и клеевой прослойки, располагающейся вдоль всего шва. Различают клеесварные, клеевинтовые, клеезаклепочные. Они имеют более высокую прочность при неравномерном отрыве. При сдвиге более прочны, чем металлические соединения. Прочность клееметаллических соединений при сдвиге определяется как прочность заклепки, винта или сварной точки, умноженной на коэффициент 1,25-2, учитывающий работу клея. Прочность заклепки, винта определяется из условия смятия или среза, а прочность сварной точки из условия среза.

Сварные соединения элементов из пластмасс и принципы их расчета.

Сварные соединения пластмасс используются для соединения элементов из одного и того же термопластичного материала. Сварка осуществляется за счет одновременного действия высокой температуры и давления. Достоинства: высокая плотность шва, быстрота их осуществления, простота технологических операций. Различают два способа сварки: сварка в струе горячего воздуха (подобно газовой сварке металлов) и контактный способ (применяется при сварке оргстекла, винипласта, полиэтилена). 1) Материал и присадочный пруток размягчают в струе горячего воздуха, нагретого до 250º. В качестве источника теплого воздуха используют тепловой пистолет. 2) Для устройства сварного шва по одному из вариантов контактного способа места соприкосновения двух соединяемых деталей срезают на ус с уклоном 1:3…1:5, совмещают по площади контакта и в таком положении закрепляют. Затем шов сжимают и нагревают. Прочность сварного шва ниже прочности материала. Для винипласта снижение прочности 15-35% при сжатии, растяжении и изгибе, а при испытании на удельную ударную вязкость прочность уменьшается на 90%.

Типы составных стержней и учет податливости связей при их расчете на центральное сжатие.

Податливость – способность связей при деформации конструкций давать возможность соединяемым брусьям или доскам сдвинуться один относительно другого.

Податливость связей ухудшает работу составного элемента по сравнению с таким же элементом цельного сечения. У составного элемента на податливых связях уменьшается несущая способность, увеличивается деформативность, изменяется характер распределения сдвигающих усилий по его длине, поэтому при расчете и проектировании составных элементов необходимо учитывать податливость связей.

Типы составных стержней: стержни-пакеты; стержни с короткими прокладками; стержни, часть ветвей которых не оперта по концам.

Стержни-пакеты. Все ветви таких стержней оперты по концам и воспринимают сжимающее усилие, а расстояния между связями по длине стержня малы и не превышают семи толщин ветви. Расчет относительно оси х-х, перпендикулярной швам между ветвями, производят как для цельного сечения, так как в этом случае гибкость составного стержня равна гибкости отдельной ветви. Расчет относительно оси у-у, параллельной швам, выполняют с учетом податливости связей. При малом расстоянии между связями по длине стержня, равном свободной длине ветви, можно не учитывать гибкость отдельной ветви. Коэффициент продольного изгиба определяется по приведенной гибкости , где- коэф., учитывающий податливость связей; - гибкость стержня, как элемента цельного сечения.

Стержни с короткими прокладками. Ветви такого стержня раздвинуты и соединены между собой короткими прокладками. Все ветви воспринимают сжимающее усилие и опираются по концам. Расстояние между связями превышают семикратную толщину ветви. Расчет относительно оси х-х производят как для стержня цельного сечения без учета прокладок; расчет по у-у с учетом податливости связей. Приведенную гибкость определяют по формуле: , где- гибкость отдельной ветви.

Стержни, часть ветвей которых не оперта по концам. В таких стержнях сплошные накладки или прокладки обрываются, не доходя до опоры, и поэтому не могут воспринимать сжимающее усилие. Однако они увеличивают жесткость стержня, так как соединены с основными несущими ветвями связями. Применяют эмпирический метод. Расчет относительно оси х-х производят по гибкости : , где - площадь опертых ветвей;- момент инерции опертых и не опертых ветвей. При расчете относительно оси у-у гибкость стержня как цельного элемента определяют по формуле , гед - момент инерции относительно оси у.

Несущая способность составного стержня, часть ветвей которого не оперта, меньше, чем стержня цельного сечения.

Учет податливости связей в изгибаемых и сжато-изгибаемых элементах

Податливость – способность связей при деформации конструкций давать возможность соединяемым брусьям или доскам сдвинуться один относительно другого.

Податливость связей ухудшает работу составного элемента по сравнению с таким же элементом цельного сечения. У составного элемента на податливых связях уменьшается несущая способность, увеличивается деформативность, изменяется характер распределения сдвигающих усилий по его длине, поэтому при расчете и проектировании составных элементов необходимо учитывать податливость связей.

Рассмотрим три деревянные балки, у которых нагрузки, пролеты и поперечные сечения одинаковы. Пусть нагрузка этих балок равномерно распределенная. Первая балка цельного сечения, т.е. состоит из одного бруса. Назовем эту балку Ц. Момент инерции поперечного сечения балки I_ц = bh³/12; момент сопротивления W_ц = bh²/6; прогиб

f_ц = 5q_нl⁴/384EI_ц.

Вторая балка П составного сечения состоит из двух брусьев, соединенных с помощью податливых связей, например болтов. Моменты инерции и сопротивления ее соответственно будут I_п и W_п; прогиб f_п.

Третья балка О составного сечения состоит их таких же брусьев, как вторая балка, но здесь связей не поставлено и поэтому оба бруса будут работать самостоятельно. Момент инерции третьей балки I_о = bh³/48, что в 4 раза меньше, чем балки цельного сечения. Момент сопротивления W_о = bh²/12, что в 2 раза меньше, чем балки цельного сечения. Прогиб f_о = 5q_нl⁴/384EI_о, что в 4 раза больше, чем прогиб балки цельного сечения.

Рассмотрим, что будет происходить на левой опоре балки при деформации ее под нагрузкой. Левая опора балки цельного сечения повернется на угол j, а у балки составного сечения без связей кроме поворота на левой опоре произойдет сдвиг d_о верхнего бруса относительно нижнего.

В составной балке на податливых связях сдвигу брусьев будут препятствовать болты, поэтому он здесь меньше, чем в балке без связей. Следовательно, составная балка на податливых связях занимает промежуточное положение между балкой цельного сечения и составной балкой без связей. Поэтому можно написать: I_ц > I_п > I_о; W_ц > W_п > W_о; f_ц < f_п < f_о.

Из этих неравенств следует, что геометрические характеристики составной балки на податливых связях I_ц, W_п можно выразить через геометрические характеристики балки цельного сечения, умноженные на коэффициенты меньше единицы, которые учитывают податливость связей: I_п = k_жI_ц и W_п = k_wW_ц, где k_ж и k_w меняются в пределах соответственно от 1 до I_о/I_ц и от 1 до W_о/W_ц (при двух брусьях I_о/I_ц = 0,25, а W_о/W_ц = 0,5.

Прогиб балки увеличивается соответственно уменьшению момента инерции f_п = f_ц/ k_ж.

Расчет составной балки на податливых связях сводится, таким образом, к расчету балки цельного сечения с введением коэффициентов, учитывающих податливость связей. Нормальные напряжения определяют по формуле: s_и = M/W_цk_w £ R_и, где W_ц – момент сопротивления составной балки как цельной; k_w – коэффициент, меньший единицы, учитывающий податливость связей.

Прогиб составной балки на податливых связях определяют по формуле: f_п = 5q_нl⁴/384EI_цk_ж £ f_пр, где I_ц – момент сопротивления балки как цельной; k_ж - коэффициент, меньший единицы, учитывающий податливость связей.

Значение коэффициентов k_w и k_ж приводятся в СНиП II-25-80 “Деревянные конструкции. Нормы проектирования”.

Количество связей определяют расчетом на сдвигающее усилия. Сдвигающее усилие Т по всей ширине балки, равное tb, вычисляют по формуле: Т = QS/I.

Распределение сдвигающих усилий по длине аналогично распределению касательных напряжений в виде прямой, проходящей под углом по горизонтали. Полное сдвигающее усилие балки на участке от опоры до точки, где Т = 0, будет геометрически равно площади треугольника. В нашем случае при равномерно распределенной нагрузке Т = 0, если x = l/2, и тогда полное сдвигающее усилие H = M_maxS/I.

В составной балке на податливых связях значение полного сдвигающего усилия остается постоянным. Однако из-за податливости связей изменится характер распределения сдвигающих усилий по длине балки. В результате сдвига брусьев треугольная эпюра превратится в криволинейную, близкую к косинусоиде. Если связи размещать по длине балки равномерно, то каждая связь может воспринимать сдвигающее усилие, равное ее несущей способности Т_с, а все они должны воспринять полное сдвигающее усилие. Таким образом, n_cT_c = M_maxS/I.

Работа такого количества связей будет соответствовать прямоугольнику ADEC, т.е. связи, находящихся около опор, будут перегружены. Следовательно, при расчете количества связей должны быть соблюдены два условия:

· число равномерно поставленных связей на участке балки от опоры до сечения с максимальным моментом должно воспринять полное сдвигающее усилие

n_c = M_maxS/IT_c;

· связи, поставленные около опор, не должны быть перегружены.

Связи около опор перегружены в 1,5 раза, поэтому для соблюдения второго условия надо увеличивать их число в 1,5 раза. Таким образом, требуемое количество связей на участке балки от опор до сечения с максимальным моментом будет n_c = 1,5M_maxS/I_брT_c.

Метод расчета сжато-изгибаемых элементов составного сечения на податливых связях остается таким же, как и элементов цельного сечения, но в формулах дополнительно учитывается податливость связей.

При расчете в плоскости изгиба составной элемент испытывает сложное сопротивление, и податливость связей учитывается дважды:

· введением коэффициента k_w, такого же как при расчете составных элементов на поперечный изгиб;

· вычислением коэффициента x с учетом приведенной гибкости элемента.

Нормальное напряжение определяют по формуле:

s_c = N/F_нт + M_д/W_нтk_w £ R_c, где M_д = M_q /x и x = 1 - l_п²N/3000F_брR_c; l_п = ml_ц;

где k_c – коэффициент податливости соединений, полученный по опытным данным сдвиг связей; b – ширина составной части поперечного сечения, см; h – полная высота поперечного сечения, см; l_расч - расчетная длина элемента, м; n_ш - число швов сдвига; n_c – число срезов связей в 1 м одного шва, при нескольких швах с различным числом срезов связей принимают среднее число связей.

Прогиб f_п = 5q_нl⁴/384EIk_жx £ f_пр.

При определении количества связей, которое надо поставить на участке от опоры до сечения с максимальным моментом, учитывают возрастание поперечной силы при сжато-изгибаемом элементе n_c = 1,5M_maxS/IT_cx..

Сжато-изгибаемые элементы рассчитывают из плоскости изгиба приближенно без учета изгибающего момента, т.е. как центрально-сжатые составные стержни.