Соединения деревянных элементов и их расчет

Расчетная несущая способность соединения R на 1 см2 рабочей площади пластин с вышеуказанными параметрами зубьев в зависимости от величины угла между осью пластины и направлением волокон древесины и угла между осью пластины и усилием приведена в табл. 8. Необходимо отметить, что пока в нормах этих данных нет, т.к. в этом направлении продолжаются вестись научно-исследовательские работы.

Расчетная несущая способность обеспечивает деформативность соединения во времени не более 1,5 мм при условии длины пластины с одной стороны стыка не более 200 мм.

Помимо несущей способности соединения, пластинка проверяется на прочность перфорированной поверхности на растяжение и на срез.

Расчетная несущая способность при растяжении и расчетная несущая способность при срезе принимается на 1 см ширины сечения и на 1 см длины срезаемого сечения, соответственно, принимается в зависимости от угла между продольной осью пластины и направлением усилия. Для МЗП с однонаправленным расположением зубьев эти значения приведены табл. 9.

Таблица 9. Расчетная несущая способность МЗП

Вид напряж, состояния	Толщ. МЗП мм	Расчетная несущая способность Я в кН/м (кг/см) при величине угла а в градусах
		0	15	30	45	60	90
Растяжение	1,2 2,0	115(115) 200(200)	115(115) 200(200)	75(75) 130(130)	35(35) 65(65)	35(35) 65(65)	35(35) 65(65)
Срез	1,2 2,0	35(35) 65(65)	40(40) 75(75)	45(45) 85(85)	50(50) 95(50)	45(45) 85(85)	35(35) 65(65)

Соединения на нагельных пластинах

Для соединения элементов деревянных конструкций толщиной более 70 мм используются нагельные пластины, предложенью Ю.В Пискуновым. Пластины включают в себе основу из материалов различной жесткости и конструктивной формы, к которой прикреплены цилиндрические нагели различной длины и диаметра. Закрепление нагелей на пластине осуществляется либо плотной посадкой в отверстия пластины, либо контактной сваркой к ее боковым граням или к стержневой основе. В зависимости от материала основы, на котором крепятся, нагельные пластины подразделяются:

М ("мягкие") - из материалов с малым модулем упругости (фанера, ДВП, цементосодержащие материалы);

Т ("твердые") - из материалов с высоким модулем упругости (сталь, конструкционные пластмассы);

С ("гибкие") - из стержней, которым придается изогнутая форма в плоскости соединяемых элементов;

А ("армированные") - из материалов армированных сеткой с закрепленными на ней цилиндрическими нагелями.

Применение типов пластин обусловлено толщиной сплачиваемых элементов, конструкцией узлов и величиной усилий.

В зависимости от формы концевой части нагелей пластины подразделяются на (рис. 5.6): гвоздевые

(с заостренными нагелями); нагельные (с незаостренными нагелями).

Рис. 5.6. Разновидности нагельных пластин: а - с мягкой или твердой основой и плотной посадкой нагелей в отверстия; б - с контактной приваркой нагелей к пластине; в - с твердой основой и заостренными и незаостренными нагелями; г - армированные; д — комбинированные.

Нагели рекомендуют изготавливать из стальной проволоки диаметром 5-8 мм. При внедрении в древесину, без предварительного рассверливания отверстий, используются пластины с заостренными нагелями. Конструкции с соединениями на нагельных пластинах изготовливаются посредством запрессовки нагельных пластин в узловые сопряжения при сборке конструкции в целом либо при изготовлении отдельных сборочных элементов, в частности, для сплачивания брусьев по высоте. У изгибаемых составных по высоте деревянных балок сдвиговая прочность соединений на нагельных пластинах близка к прочности балок из цельной древесины.

На основании исследований, проводимых в Кировском техническом университете, создана номенклатура нагельных пластин и определена расчетная несущая способность соединений на один срез (табл. 10).

Таблица 10. Технические и прочностные характеристики пластины

Размеры, мм		Количество нагелей, шт. длина пластины, мм при ширине соединяемых элементов, мм					Расчетная несущая способность на один срез, кН'
нагель	пластина
диаметр длина	толщина ширина	75	100	125	150	175
5 60	4 30	5 50	7 70	10 100	13 130	15 150	1,0
6 70	4 40	4 35	6 60	8 85	10 110	12 135	1,4
8 90	5 50	_	4 50	5 80	7 110	9 140	2,1

Как вариант нагельных пластин используются металлические пластины с зубьями - дюбелями. В качестве накладок используется листовая углеродистая сталь толщиной 3-5 мм. Зубьями являются строительные дюбели диаметром 4,5 мм или диаметром 5,5 мм, длиной 60 мм. Дюбели устанавливаются в предварительно рассверленные отверстия, диаметр которых на 0,1-0,15 мм меньше, чем диаметр дюбеля. За счет использования легированной стали дюбели по сравнению с гвоздями имеют повышенное сопротивление изгибу, что при определенных условиях повышает несущую способность соединения. Поэтому соединения на нагельных пластинах с зубьями-дюбе-лями рекомендуют, прежде всего, в случаях когда невозможна запрессовка и применяется забивка дюбелей вручную.

5.2. Соединения с использованием  клея Клеевые соединения.

Склеивание - наиболее эффективный способ соединения древесины. Клеевые соединения характеризуются рядом важных достоинств:

1. Склеивание дает возможность  из досок, ограниченных сортаментом  на пиломатериалы изготовлять  конструкции любых размеров и  форм. Они могут быть прямолинейными, гнутоклееными, постоянного и переменного  сечений, длиной измеряемой десятками  метров и высотой до 2-2,5 метров.

2. В отличие от соединений на механических связях клеевое соединение обеспечивает жесткое сплачивание деревянных элементов и образует монолитное сечение.

3. Склеивание повышает механические свойства клееной древесины за счет рассосредоточения пороков при наборе клееного пакета.

4. Клеевые соединения являются стойкими к воздействию агрессивной среды, что обеспечивает долговечность конструкций.

При изготовлении клееных деревянных конструкций в основном используют соединение по «пласти» и соединение на «зубчатый шип». Для склеивания фанеры, помимо «зубчатого щита», используют соединение на «ус».

Соединение по «пласти».

Для образования требуемой высоты сечения клееного элемента при одинаковой ширине исходного материала используется клеевое соединение по «пласти». На качество клеевого соединения, помимо качества клея и технологических параметров при запрессовке, большое влияние оказывает подготовка древесины к склеиванию. Недостаточная подготовка материала не дает возможность получить прочное и долговечное соединение. Основные этапы подготовки к склеиванию заключаются в сушке древесины до требуемой влажности, которая в зависимости от температурно-влажностного режима эксплуатации здания принимается 9-15% и фрезеровании пиломатериала (табл. 7) для получения ровных, чистых поверхностей. Необходимо

Рис. 5.7. Раскладка досок по сортам в клееной балке по высоте сечения.

отметить, что при пластевом соединении фрезерование кромок происходит после склеивания пакета.

Учет влажности склеиваемой древесины необходим в связи с тем, что в процессе эксплуатации влажность клееной конструкции будет соответствовать равновесной влажности с окружающий средой, и при наличии повышенной исходной влажности досок в клеевых соединениях возникают внутренние напряжения от усушки древесины. Величина этих напряжений будет увеличиваться в зависимости от влажности досок и равновесной влажности клееного пакета. Исходя из этих соображений, для изготовления прямолинейных клееных элементов толщина фрезерованной доски не должна превышать 42 мм.

Необходимость учета припусков на фрезерование объясняется тем, что для получения расчетного сечения необходимо подобрать по сортаменту требуемый пиломатериал, чтобы избежать излишних отходов.

Исходя из этих соображений, для изготовления прямолинейных клееных элементов толщина фрезерованной доски не должна превышать 42 мм. На практике чаше всего используются доски толщиной 33 мм, т.е. используется пиломатериал 40 мм при ширине 150 мм, т.к. доски толщиной до 42 мм требуют компенсационных прорезей, снимающих внутренние напряжения.

Рис. 5.8. Зубчатое клеевое соединение 1 - параметры зубьев; 2 - вертикальное зубчатое клеевое соединение; 3 - горизонтальное зубчатое клеевое соединение.

Рис. 5.9. Требования по размещению стыков на «зубчатый шип».

Для гнутоклееных конструкций толщина пиломатериала регламентируется радиусом кривизны гнутья и не должна превышать 1/150 этого радиуса. Максимальная толщина для значительных радиусов кривизны не должна превышать 33 мм.

Рациональное использование пиломатериала различных сортов заключается в компоновке поперечного сечения для изгибаемых и сжато-изгибаемых конструкций.

В крайних зонах сечения используется древесина 1 или II сорта, а в средней зоне древесина III сорта (рис. 5.7).

Соединение на «зубчатый шип».

Для сращивания досок по длине и при вырезке местных пороков древесины используется соединение на «зубчатый шип».

Нарезка шипа возможна параллельно и перпендикулярно пласти. Наиболее технологичным является вариант перпендикулярно пласти (вертикальная нарезка).

Прочность соединения на «зубчатый шип» должна соответствовать нормативному сопротивлению древесины II сорта, поэтому к этому виду соединения предъявляются высокие требования как по нарезке шипа, так и по качеству клея. Параметры нарезки шипа строго регламентированы государственным стандартом и подбираются в зависимости от назначения.

Для увеличения надежности конструкций больших пролетов особенно в растянутой зоне в одном сечении допукается стыкование не более 25% всех досок пакета. Расстояние «в свету» между зубчатыми соединениями в одной доске должно быть не менее 300 мм, а расстояние между стыками смежных досок должно быть не менее 20 толщин стыкуемых досок (рис 5.11).

Помимо сращивания досок по длине, нормами разрешается использовать «зубчатый шип» для соединения клееных пакетов по всей высоте сечения под углом друг к другу. Однако помимо технологических сложностей, это соединение имеет невысокую надежность из-за различных температур-но-влажностных деформаций древесины вдоль и поперек волокон.

Клеи

Клеями принято называть такие составы, которые при определенных условиях химических реакций или от нагрева, или от охлаждения обладают свойством затвердевать и прочно соединять различные или однородные материалы.

Основу клея составляют связующие вещества, которые могут быть животного (мездровый, казеиновый), растительного (крахмал), минерального (силикатные, битумные) или синтетического происхождения (смолы).

Кроме связующего, в клей входит растворитель (ацетон), пластификатор (дибутилфталат), наполнитель (древесная мука, лигнин, цемент, диабазовая мука) и отвердитель.

Растворители входят в состав клея для понижения ее концентрации, вязкости. Пластификаторы служат для уменьшения хрупкости клеевых соединений. Наполнители используют для повышения вязкости клеев, уменьшения усадки, удешевления клея.

В производстве КДК используются клеи на основе синтетических смол. В состав клея входит смола, марка которой соответствует марке клея и от-вердитель. Наибольшее применение в производстве клееных деревянных конструкций до середины 80-х годов получили фенолформальдегидные клеи, такие как СФЖ-3016. Однако токсичность, нестабильность свойств смолы, малый срок хранения и другие недостатки привели к тому, что они были вытеснены разорциновыми и фенол-резорциновыми смолами ФР-12 и ФРФ-50, а также импортыми клеями. Эти клеи имеют меньшую токсичность, при высокой прочности, более эластичные, что позволяет компенсировать внутренние напряжения в древесине при переменном температурно-влажностном режиме. Отвердителем для разорциновых и фенол-резорцино-вых смол является параформальдегид (параформ). Количество отвердителя составляет 10-13 частей по массе на 100 частей смолы.

Для склеивания древесины с металлами используют эпоксидные клеи, обладающие хорошей адгезионной способностью ко многим материалам. Наиболее распространенные марки эпоксидных смол, применяемые в строительстве - ЭД-5, ЭД-6. В качестве отвердителей эпоксидных смол применяют полиэтиленполиамин.

Для увеличения вязкости клея в качестве наполнителя используют цемент.

Смолы и отвердитель поставляются раздельно и смешиваются непосредственно перед процессом склеивания. Поэтому технологические свойства клеев являются важнейшими показателями, т.к. влияют на прочность склеивания. Прочность клеевого соединения обеспечивается как кагезионными связями (связями клеевой прослойки), так и адгезионными связями (связями клея с древесиной).

Кагезионные связи характеризуются временем отверждения клея, которое для каждого вида смолы определяется по ГОСТ. Адгезионные связи характеризуются тремя основными показателями.

Первым показателем является вязкость клея, которая выражается в условных единицах, исчисляемых по времени истечения заданного количества клея через отверстие определенного диаметра. Чем выше вязкость клея, тем хуже он смачивает поверхность материала, уменьшая возможность проникновения в поры древесины. При малой вязкости клей интенсивно впитывается в древесину и клеевая прослойка «обедняется».

Второй показатель клея, жизнеспособность, объясняется периодом отверждения смолы. Время, в течении которого вязкость клея не превышает определенного предельного значения, и клей может быть использован для конкретного технологического процесса, определяет рабочую жизнеспособность. Рабочая жизнеспособность клея в условиях производства не должна превышать 2-4 часов от момента смешивания составов в зависимости от ряда факторов.