Соединения деревянных элементов и их расчет

Лекция 9. Соединения деревянных элементов и их расчет

Как известно, размеры сортамента на лесоматериалы ограничены как по длине, так и по размерам поперечного сечения. Поэтому для конструкций, выходящих за пределы размеров сортамента пиломатериала, применяют следующие виды соединения: а) сплачивание (по высоте сечения); б) сращивание (по длине); в) узловое соединение.

Для осуществления этих соединений используются различные средства. К ним относятся: врубки, нагели, МЗП, вклеенные стальные стержни, клее-стальные шайбы, клей. Основной недостаток соединений с применением названных средств, за исключением соединений с применением клея, это их податливость под нагрузкой. Вследствие анизотропии древесины соединение деревянных элементов представляет значительные сложности, чем соединения из других материалов.

Низкая прочность древесины при скалывании вдоль волокон, а также при растяжении поперек волокон, высокая деформативность при смятии поперек волокон и нелинейная зависимость их характеристик при изменении угла наклона направления волокон к направлению усилия требуют продуманного подхода к конструированию узловых соединений. Например, соединения болтами растянутых элементов ослабляет сечение, вызывает концентрацию напряжений, и снижается надежность соединения ввиду возможного появления усушечных трещин по плоскости скалывания. Чем больше диаметр нагелей, тем больше опасность скалывания и меньше надежность соединения. Поэтому, чтобы уменьшить опасность последовательного хрупкого скалывания, рекомендуется обеспечить работу соединения не на скалывание, а на смятие, т.е. обеспечить вязкий характер разрушения.

Для этой цели используется принцип дробности, позволяющий избежать скалывания древесины путем увеличения числа площадок скалывания, т.е. расстановкой большего числа нагелей меньшей несущей способности.

Деформативность различных видов соединений регламентируется нормами и не должна превышать для контактных соединений вдоль волокон 1,5 мм, а поперек волокон 3 мм, для нагельных соединений всех видов 2 мм. Для клеевых соединений деформации не допускаются. Столь различная деформативность соединений не допускает суммарного учета работы узлов при комбинации этих соединений. Необходимо также прогнозировать возможность усушки древесины. Появление трещин по площадкам скалывания может привести к аварийной ситуации даже при корректном расчете.

Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий, разделяются на следующие способы: соединения на механических связях, соединения с использованием клея и контактные соединения.

5.1. Соединения на механических связях

Соединения на цилиндрических нагелях

Цилиндрические нагели, применяемые для соединений элементов деревянных конструкций, выполняются из стали, стеклопластиков, твердых пород древесины. Наиболее распространенными нагельными соединениями являются соединения на болтах и гвоздях. Гвоздями называются стальные нагели диаметром 6 мм или менее с заостренным концом. Болты устанавливаются в заранее просверленные отверстия. Рекомендуется сверлить отверстия одним проходом через соединяемые элементы для надежного совпадения отверстий.

Правила расстановки болтов и гвоздей в соединениях приведены в нормах (1). Эти требования установлены для исключения опасности скалывания и раскалывания древесины, которая повышается по мере уменьшения их толщины (рис. 5.1).

Конструктивные требования к нагельным соединениям:

1. Диаметр сверла для засверливания отверстий должен приниматься диаметром на 0,2-0,5 мм меньше, чем диаметр нагеля. Диаметр болтов более 24 мм не рекомендуется.

2. В растянутых стыках из брусьев и досок цилиндрические нагели размещают в два или четыре продольных ряда, симметрично оси действия усилия. Располагать нагели в один или в три ряда не рекомендуется потому, что средний ряд при этом обычно попадает в сердцевинную плоскость, где вероятнее всего появление усушенных трещин. В бревнах допустимо шахматное расположение в два ряда. Количество нагелей по обеим сторонам сдвига должно быть одинаковым.

3. Расстояния между осями цилиндрических нагелей принимаются с учетом исключения возможности скалывания.

4. Диаметр гвоздей следует принимать не более 0,25 толщины пробиваемого элемента.

5. При определении длины защемления гвоздя не учитывается заостренная часть гвоздя длиной 1,5(1, а также из длины гвоздя следует вычесть по 2 мм на каждый шов между нестроганными соединяемыми элементами (рис. 5.2).

6. Если гвоздь пробивает элемент насквозь, то толщина последнего элемента уменьшается на 1,5(1, т.к. происходит местное выкалывание древесины.

Рис. 5.1. Конструктивные требования по расстановке нагелей.

В настоящее время соединения на болтах и гвоздях являются основными видами нагелей для изготовления деревянных конструкций. Особенно эффективно применение гвоздевых соединений при изготовлении конструкций построечного изготовления. Наряду с обычными гладкими гвоздями применяются профилированные гвозди с различным рисунком профиля. Такие гвозди без изменения массы имеют большую площадь поверхности по сравнению с гладкими гвоздями. Вследствие этого увеличивается сопротивление выдергиванию, увеличивается площадь смятия древесины в гнезде гвоздя.

Рис. 5.2. Работа гвоздя в соединении при растяжении.

Расчет нагельных соединений

Как известно, в болтовых соединениях металлических элементов отношение длины болта к диаметру невелико, поэтому несущая способность нагеля определяется из расчета на смятие и срез. Изгибные напряжения в болте не имеют существенного значения. В нагельных соединениях деревянных элементов отношение длины нагеля к его диаметру значительно больше, в связи с чем нагель рассматривается как гибкий стержень, работающим на изгиб и неравномерно сминающим древесину в нагельном гнезде. Поэтому несущая способность нагеля на один условный шов сплачивания элементов определяется из условия смятия древесины и изгиба нагеля. Несущая способность нагеля из условия скалывания древесины не определяется, т.к. конструктивными требованиями по расстановке ригелей исключается возможность скалывания древесины.

Расчетные формулы несущей способности нагеля приводятся с учетом характера воздействия внешних сил (рис. 5.3). По этим признакам нагельные соединения различаются: симметричные (двухсрезные, многосрезные); несимметричные (односрезные, многосрезные).

Несущая способность нагельного соединения определяется в зависимости от диаметра нагеля, толщин соединяемых элементов и направления, прикладываемого нагелем усилия к волокнам древесины. Для гвоздей ориентация усилия к волокнам древесины не регламентируется.

Несущая способность нагельных соединений определяется из условия работы древесины на смятия и изгиба нагеля. Формулы по определению расчетной несущей способности на один шов сплачивания (условный срез) приведены в табл.17, СНиП П-25-80.

В качестве иллюстрации приведем формулы для соединений по схеме А -при условии равенства толщин сплачиваемых элементов и использовании стеклопластиковых нагелей; по схеме

Б - при условии равенства толщин сплачиваемых элементов и использовании гвоздей (рис 5.3). Усилие направлено вдоль волокон древесины. Для соединения по схеме А, расчет несущей способности на один шов определяется: на смятие в среднем элементе в кгс Т^ =50 cd; на смятие в крайнем

Рис. 5.3. Схемы нагельных соединений. А - симметричные соединения. Б - несимметричные односрезные и В - двусрезные.

элементе Т*и =80 cd ; на изгиб нагеля Ттг = 145 сР+ 2 с2, но не более 180 d2. Для соединения по схеме Б расчетная несущая способность на один шов сплачивания определяется: на смятие при одинаковой толщине элементов

Таблица 7. Припуски на фрезерование

Толщина доски, мм	Припуск Д/ при номинальной ширине
	до 100 мм	100 - 150 мм	свыше 150 мм
До 30 мм Свыше 30 мм	2 - 2,5 2,5-3	2-3 3-4	4-5 5-6

Тш=35 сна изгиб гвоздей Гизг= 250 сР + с2, но не более 400 сР, где с - толщина деревянных элементов; d - диаметр нагеля в см. Для нагелей диаметром от 12 до 24 м, при направлении передаваемого нагелем усилия под углом к волокнам, в формулы расчета на смятие древесины в нагельном гнезде вводится коэффициент К из таблицы 19 СНиП-25-80. При расчете нагеля на изгиб расчетная несущая способность умножается на -1к .

В соединениях элементов деревянных конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и температуры, расчетная несущая способность умножается на коэффициенты условий работы, учитывающие действие этих факторов.

Расчетное количество нагелей в соединении с каждой стороны стыка определяется по формуле:

N

п" = г-—

min >L ^

где Гт|п - меньшая расчетная несущая способность из условия смятия и изгиба нагеля, пш - количество швов сплачивания.

Соединения на металлических зубчатых пластинах

Для соединений элементов деревянных конструкций толщиной до 70 мм применяются металлические зубчатые пластины (МЗП), которые изготовляются из листовой стали толщиной от 1 до 2 мм методом холодной штамповки. В результате штамповки образуется система зубьев, отогнутых относительно поверхности пластины под прямым углом. К настоящему времени в разных странах разработаны большое количество МЗП. Эти пластины отличаются друг от друга формой зубьев, формой пластины.

Но основные параметры зубьев, высота и ширина, задаются из условия равенства несущей способности зуба на смятие древесины в нагельном

гнезде и изгиба зуба. Эти параметры зависят от толщины исходного листа и равны для высоты зуба 121, где ширина зуба 2t, где t - толщина листа.

В МЗП в большей степени, чем в нагельных соединениях, реализуется принцип дробности. Это связано с тем, что зубья в пластинах имеют небольшую изгибную прочность и расположены относительно друг

друга так часто, что древесина рабо-Рис. 5.4. МЗП с однонаправленными зубьями.

1 1 тает больше на смятие, чем на ска

лывание. Другими словами, используется вязкая работа древесины на смятие, прежде чем могло бы произойти хрупкое разрушение от скалывания рис. 5.4.

Вместе с тем, у МЗП с однонаправленными зубьями имеются недостатки. Один из основных - различная прочность и деформативность в зависимости от угла между осью пластины и осью действия усилий, а также угла направления волокон древесины к оси действия усилия. Недостатком является также малая изгибная жесткость зубьев у основания в продольном направлении.

Указанные недостатки сведены к минимуму в конструкции МЗП, в которой плоскости зубьев направлены параллельно сторонам и диагоналям квадрата, образуя "елочку" (рис. 5.5,а). Ориентация зубьев под углом к главным осям повышает их устойчивость при запрессовке в узлы конструкций. Наличие коротких зубьев по периметру из круглых отверстий повышает сдвиговую жесткость соединения. Необходимо также отметить, что из прямоугольного отверстия выштамповывается 3 зуба. Однако технология массового изготовления таких пластин сложна и непроизводительна.

Представляет интерес и различный профиль зуба, как у финской пластины. Грани зубьев этой МЗП имеют пилообразный профиль. Так же, как и у пластины ЦНИИСК из одного отверстия выштамповываются 3 зуба (рис. 5.5,6), но все зубья имеют одно направление.

Конструкция МЗП постоянно совершенствуется, и как показывает анализ конструктивных решений МЗП, основное внимание уделяется разработке формы зуба и размещению зубьев на пластине.

Помимо пластин с односторонним расположением зубьев находят применение также пластины с двусторонним расположением зубьев. Такие МЗП разработаны в Польше, Финляндии, ФРГ и других странах.

Технология изготовления МЗП заключается в размотке и подаче металлической ленты в пресс, где с помощью специального штампа происходит формирование зубьев. Затем осуществляется обрубка металлической ленты на пластины заданных размеров. Антикоррозионная защита МЗП осуществляется использованием при штамповке оцинкованного листа.

При производстве деревянных конструкций на МЗП используются три варианта оборудования: подвесная пресс-скоба с кондуктором; передвижной пресс; стационарный пресс.

Более низкую стоимость комплекта оборудования и широкую возможность применения имеет подвесная пресс-скоба. Пресс-скоба эффективна при изготовлении конструкций нестандартной конфигурации. Недостатками пресс-скобы являются ручное управление, наличие подъемно-транс-портного оборудования, а также более низкая производительность по сравнению с двумя другими видами прессов.

У наиболее распространенных МЗП с однонаправленными зубьями имеется небольшой сдвиг смежных продольных рядов относительно друг друга. Этот фактор, а также оптимальный шаг зубьев в продольном направлении предусмотрен с целью предотвращения растрескивания древесины при запрессовке пластин. Малая изгибаемая жесткость зубьев у основания предъявляет высокие требования к технологическому оборудованию. Для качественной запрессовки зубьев в древесину требуется высокая скорость запрессовки и фиксация пластин от смещения. В противном случае происходит сдвижка горизонтальной части пластины относительно первоначального положения концов зубьев, сопровождающаяся их подвертыванием и образованием углублений в древесине в местах запрессовки зубьев.

Рис. 5.5. Конструктивные схемы металлических зубчатых пластин.

В отличие от нагелей, расчетная несущая способность которых нормируется для одного нагеля, расчетная несущая способность пластин принимается на 1 см2 поверхности. Это объясняется тем, что прочность и деформа-тивность соединения, помимо работы каждого зуба, зависит: от неравномерности восприятия усилия зубьями, расположенными по мере удаления от стыка; деформациями перфорированной поверхности пластины, особенно при наличии угла между продольной осью пластины и направлением усилия; от дополнительного изгибающего момента, который возникает из-за несимметричного расположения зубьев относительно усилия, что объясняется различным шагом зубьев вдоль и поперек пластины.

Таблица 8. Расчетная несущая способность МЗП

Угол а между осью пластины и усилием Град0	Расчетная несущая способность Я в Н/см" (кг/см2) при величинах угла /3 в градусах
	0-15	30	45	60	75-90
0-15	80(8)	70(7)	60(6)	50(5)	40(4)
30	80(8)	70(7)	60(6)	60(6)	50(5)
45	80(8)	70(7)	70(7)	60(7)	60(6)
60	80(8)	70(7)	70(7)	70(7)	70(7)
75-90	70(7)	70(7)	70(7)	70(7)	70(7)