Соединения деревянных элементов и их расчет

Третьим показателем клея является время отверждения или полная полимеризация.

Соединения на вклееных стержнях

Вклееные стальные стержни для соединения растянутых, изгибаемых, сжато-изгибаемых элементов из клееной древесины массивных сечений, для решения жестких узловых соединений как отдельных элементов деревянных конструкций, так и соединений с железобетонными и деревянными конструкциями. Принцип вклеивания металлических стержней положен в основу изготовления армированных деревянных конструкций.

Рис. 5.10. Соединение изгибаемых и сжатоизгибаемых элементов на вклеенных стержнях: а - соединение на втулках; б - соединение на электросварке; 1 - клеенный элемент; 2 - листовой асбест; 3 - накладная металлическая деталь, заанкеренная в древесине; 4 - соединительная стальная планка

Ориентация вклееных стержней относительно волокон древесины может быть различна и определяется конструктивными требованиями к узловым соединениям и величиной действующих усилий. Для растянутых элементов с небольшими усилиями используется вклеивание вдоль волокон. В узлах, где усилия прикладываются поперек волокон древесины, а площадь смятия мала, вклеивание осуществляется поперек волокон. Так же вклеивание стержней поперек волокон рекомендуется для обеспечения надежности клееных конструкций при недостаточном контроле качества склеивания, а также при наметившемся расслаивании клееного пакета.

Для стыков большепролетных клееных конструкций, где имеет место значительные растягивающие усилия и изгибающие моменты, вклеивание стержней должно осуществляться под углом 30-40° к волокнам древесины (рис. 5.10). Исследования проводимые в течении многих лет С. Б. Турков-ским показали, что прочность соединений на наклонно вклееных стержнях выше прочности сечения клееных соединяемых элементов. В этом случае вклееные стержни играют ту же роль, что и анкера закладных деталей в железобетоне. Технология вклеивания группы наклонных стержней осуществляется с использованием трубчатого кондуктора, который засверливает отверстия. Соединение двух элементов с вклееными закладными деталями осуществляется с помощью электросварки или на болтах. При электросварке необходимо соблюдать режим сварки, чтобы избежать обугливания древесины и деструкции эпоксидного клея.

При любом направлении стержней к волокнам древесины должны соблюдаться основные требования. Диаметр засверленного отверстия должен быть на 5 мм больше диаметра стержня. Используются стальные стержни только периодического профиля из арматуры класса А-Ш, А-1У. Для вклеивания используется только эпоксидный клей с использованием в качестве наполнителя цемента. Засверленные отверстия должны быть снабжены компенсационными отверстиями для продувания каналов, выпуска воздуха при заполнении канала клеем и погружении стержней. Диаметр вклеиваемых стержней принимается 12-25 мм. Минимальная длина стержня не менее 10 диаметров.

Расчетная несущая способность вклеенного стержня на выдергивание или продавливание, вдоль волокон в растянутых или сжатых стыках определяется по формуле

т = ад</+о,оо5]м;

где (1 - номинальный диаметр стержня в метрах; С - длина заделываемой части стержня, но не более 30 с1\ Кс - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений сдвига по длине стержня, который равен 1,2 - 0,021 / й ; Лск - расчетное сопротивление древесины склеиванию, равное 2,1 МПа.

Расстояние между осями стержней при этом не должно быть меньше 3 й.

Несущая способность стержней, вклееных поперек волокон, и особенно под углом значительно выше, чем при вклеивании вдоль волокон, пока не имеет нормированного значения, а определяется по экспериментальным данным.

Деформативность соединений на вклееных стержнях незначительна, что позволяет отнести эти соединения к жестким соединениям при составлении расчетных схем строительных конструкций для определения усилий и изгибающих моментов в элементах этих конструкций.

8.3. Контактные соединения

Соединения, когда передача усилий осуществляется непосредственно "торец в торец", "торец з пласть" или пересекаясь под углом, а фиксация этих соединений осуществляется конструктивно (накладки, хомуты, скобы, болты и т.д.), называются контактными соединениями.

Контактные соединения за счет значительной податливости, вызванной неплотностью приторцовки, местными деформациями смятия и т.д. рассматриваются в расчетных схемах как шарнирное соединение, и в инженерных методиках расчета осуществляется только проверка контактных поверхностей на смятие. В то же время для большепролетных конструкций массивного сечения, где в местах контакта имеют место значительные усилия, эта методика не вполне корректна, т.к. не учитывает концентрацию, неравномерность напряжений по сжимаемой поверхности в процессе деформирования конструкции под нагрузкой. Только точными методами можно оценить сочетание нормальных и касательных напряжений в зоне контакта.

При проектировании и строительстве конструкций небольших пролетов, особенно в построечных условиях, применяется один из старых способов соединения деревянных элементов, врубка.

Термин "врубка" сохранился от первоначального способа производства такого вида соединений топором. К врубкам относятся:

Лобовые упоры (рис. 5.11) которые можно представить в виде фрагмента узла конструкции фермы, врезанной в нижний пояс.

Рис. 5.11. Вариант узла фермы с лобовым упором раскоса.

Рис. 5.12. Лобовая врубка.

Глубина врубки принимается 2см < /гвр < 1/4h.

Расчет лобового упора производится на смятие фрагмента узла под углом к волокнам древесины в месте контакта от усилия 1Vc, а также на смятие и скалывание фрагмента врезанного в нижний пояс от разницы усилий в смежных панелях нижнего пояса фермы.

Лобовая врубка (рис. 5.12).

Глубина врубки рекомендуется 2с.« < /гвр < /г/3. Длина площадки скалывания принимается не менее 1,5 И и не менее 10 /гвр.

При конструировании лобовых врубок усилия необходимо центрировать с опорной реакцией. Это требование обеспечивается опорной подушкой.

Для того, чтобы вертикальная составляющая А\ надежно прижимала сжатый элемент в месте контакта к нижнему поясу, между ними оставляется зазор 2 - 3 см. Для предотвращения взаимного смещения сопрягаемых элементов и повышения надежности от возможного скалывания устанавливаются аварийные связи.

Расчет зоны лобовой врубки производится из условия прочности на смятие и на скалывание N / FCM < RCM а.

Площадка смятия в сжатом элементе сминается вдоль волокон, а в растянутом под углом к направлению его волокон, поэтому проверка производится для растянутого элемента, где

В результате врубки растягивающее усилие в нижнем поясе приложено с эксцентриситетом, что вызывает изгибающий момент. В этом случае расчет нижнего пояса ведется как внецентренно-растянутого элемента, где

М=Ыр

В связи с неравномерностью скалывающих напряжений по длине площадки скалывания инженерная методика оперирует средней величиной напряжений

Путем несложных вычислений требуемую длину площадки скалывания можно определить по формуле

Лобовая врубка на упор

При малом угле наклона примыкания верхнего пояса к нижнему применение лобовой врубки нецелесообразно. С уменьшением угла увеличивается усилие скалывания и, поэтому более надежным решением узла является лобовая врубка на упор. В лобовом упоре торец верхнего пояса полным своим сечением упирается в опорный вкладыш. Опорный вкладыш передает вертикальную составляющую N на подкладку и опорную подушку, а горизонтальную составляющую - нижнему поясу через металлические натяжные хомуты, деревянные накладки и нагели.

Лобовая врубка на упор имеет ряд преимуществ. Благодаря развитой площади смятия опорного вкладыша несущая способность по смятию значительно больше, чем лобовой врубке, отсутствие площадки скалывания и отсутствие ослаблений врубкой повышает надежность соединения.Существенным недостатком этого вида соединения является повышенный расход металла и трудоемкоемкость выполнения работ.

 

СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ  ЭЛЕЬЕНТОВ

 

Вы когда-нибудь пробовали изготавливать пусть даже небольшую деревянную строительную ферму для крыши? Как она должна выглядеть, каждый из нас себе очень хорошо представляет (особенно те, кто пытался построить собственный дом), но Вы попробуйте её собрать...  
 
Работа эта крайне долгая и трудоемкая - в одной балке надо пазы сделать, в другой шипы, третью запилить так, четвертую этак, а затем собрать единую конструкцию, посадив её элементы на клей или забив гвоздями. Ну, одну ферму собрать - это еще туда-сюда, а попробуйте изготовить вторую точно такую же. А штук 10-12 одинаковых? Выдержать геометрические размеры при таком способе соединения дело довольно трудное. Фермы получаются, мягко говоря, разными, что в свою очередь создает трудности при сборке в общую конструкцию. В общем, такая работа должна выполнятся специалистами, а их в наше время удается найти далеко не всегда.  
 
Какие же существуют решения у этой проблемы? Мы нашли два. Первым из них является создание конструкций с помощью металлических зубчатых пластин - МЗП. Их применение позволяет снизить стоимость конструкции, увеличить производительность труда, не снижая качества продукции. Изготавливают их методом штамповки из оцинкованной стали толщиной 1,2 мм или 2,0 мм. Далее пластины нарезаются в соответствии с необходимыми размерами (длина от 50 мм до 400 мм с шагом 25 мм, ширина от 100 мм до 250 мм с тем же шагом) и упаковываются.  
Как же с помощью зубчатых пластин создается конструкция? Все достаточно просто. С помощью обычной циркулярной пилы доскам придается нужная геометрия, после чего из них выкладывают конструкцию будущей фермы на специальных столах и в местах соединения элементов запрессовывают МЗП. Причем пластины ставятся по обе стороны соединяемых элементов.  
 
Проектирование и расчет конструкций с соединениями на МЗП осуществляется, как правило, на персональном компьютере по специальной программе. Полученная распечатка (чертеж и спецификация элементов) передается в цех, где изготавливаются либо фермы целиком, либо линейные фрагменты ферм, которые собираются (дособираются) в готовое изделие на стройплощадке.  
 
У этой технологии, как, впрочем, и у любой другой, есть свои плюсы и минусы.  
Начнем с плюсов:

·  отсутствуют трудоемкие операций по созданию пазов и шипов;

·  если выставить монтажные столы точно по геометрии первой создаваемой конструкции, то геометрия всех последующих идентичных конструкции будет соблюдаться автоматически;

·  чем больше конструкций одной конфигурации изготавливается, тем больше рабочего времени экономится;

·  все работы производятся в помещении, следовательно, не зависят от погодных условий;

·  готовые конструкции перевозятся на место их установки, что увеличивает скоростью сборки дома. Например, срок строительства усадебного дома можно уменьшить в 1,5 раза за счет параллельного возведения стен и изготовления стропильных ферм "на земле" сразу в проектных размерах;

·  конструкции с соединениями на МЗП гораздо экономичнее традиционных и позволяют экономить как древесину, так и сталь;

·  позволяют создавать конструкции любой сложности;

·  соединения на МЗП превосходят по прочности аналогичные соединения на клею или гвоздях;

·  позволяют осуществлять крепеж брусков в стык даже с зазором до 4-х мм без потери прочности конструкции.  
 
Вместе с тем, для изготовления конструкций с помощью МЗП необходимо иметь почти идеально ровную площадку с размерами, соответствующими изготавливаемым элементам и специальный пресс в форме скобы с соответствующей гидростанцией (прочность соединений гарантируется только при использовании специального оборудования для запрессовки).  
 
Наибольшее распространение в зарубежной практике строительства получили МЗП системы Ганг- Нейл, а в СССР применялись соединения типа МЗП-1,2 и МЗП-2, которые были разработаны ЦНИИСК им. Кучеренко. Главным недостатком всех МЗП системы Ганг-Нейл является то, что работает соединительная пластина в разных направлениях по-разному, и при нагрузке, действующей по главной оси, прочность шипов на изгиб получается минимальной. Этого недостатка лишена система МЗП типа Арпад (патент 1998 г., Венгрия). Главное ее отличие в том, что оси пар шипов, выштампованные в пластине, образуют с направлением основной нагрузки определенный угол, а ряды шипов расположены под углом друг к другу. При таком расположении зубьев при нагружении узла возникает явление заклинивания шипов в древесине, чем значительно увеличивается прочность соединения.  
 
Несмотря на перечисленное нами огромное количество плюсов новой технологии МЗП мало применяются в индивидуальном строительстве. Несмотря на то, что сборочный стенд и оборудование для запрессовки МЗП элементарны и мобильны, в условиях строительства изготовления конструкций, как правило, не производится - их изготавливают только в условиях цеха. Да и не будет ни одна фирма вывозить свой оборудование на стройплощадку к заказчику ради того, чтобы на месте собрать 4-5 ферм. Собранные крупные конструкции транспортируются на строительную площадку специальным автомобилем - а это означает довольно значительные транспортные расходы. Установка крупных конструкций на место возможна только с применением крана, а возможность применить кран есть далеко не у каждого индивидуального застройщика. Так что это решение в основном используют крупные строительные фирмы.  
 
А что же применять небольшим фирмам и индивидуальному застройщику? Для него как нельзя лучше подходит второй путь решения проблемы. Несмотря на то, что в Америке эта технология известна довольно давно, для нас она оказалась абсолютной новинкой. Но попала она к нам не из Америки, а из Польши. Представила её на нашем рынке через своих дилеров фирма , известная отечественному потребителю своими крепежными изделиями - дюбелями, саморезами и т.д.  
 
На этот раз фирма предложила вниманию отечественного потребителя огромную коллекцию монтажных деталей для деревянных конструкций. И скрепляют все эти детали деревянные конструкции не с помощью выштампованных шипов, а с помощью саморезов.  
 
То есть все они представляют собой стальные детали самого разного назначения и потому разной формы с выштампованными в них отверстиями. В коллекции есть универсальные элементы - пластины и уголки (в том числе усиленные) применять которые можно в соответствии с собственными техническими проблемами и творческой фантазией, а так же специальные элементы, позволяющие скрепить балки под прямым и произвольным углом, устанавливать откосы, скреплять балки межу собой или скреплять деревянные балки с бетонным основанием. Применение таких элементов значительно упрощает задачу создания сложной кровельной конструкции и работа начинает напоминать игру в детский конструктор - нарезал деревянные элементы необходимой конфигурации (тут можно даже без циркулярки обойтись), закупил необходимые крепежные элементы и собирай конструкцию с помощью саморезов. Никаких "пазов и шипов". Все просто.  
 
 
 
И даже особой квалификации для этой работы не требуется - главное отвертку уметь держать в руках. Да и долго рассказывать об этой системе незачем - достаточно взглянуть на рисунки, чтобы все понять самому.  
 
 
 
Конечно же, мы показали далеко не все предлагаемые в коллекции крепежные элементы, но думаем, что приведенных вполне достаточно для того, чтобы составить о ней довольно полное представление.