Контактные соединения деревянных элементов

Соединения элементов деревянных конструкций

Размеры деревянных элементов (бревен, брусьев или досок) ограничены сортаментом как по длине, так и по поперечному сечению. Поэтому при возведении деревянных сооружений или конструкций отдельные элементы соединяют между собой по длине (сращивание), в поперечном сечении (сплачивание), а также под углом (анкеровка).

В зависимости от способа передачи усилий выделяют соединения на механических связях, на клеях, а также такие, усилия в которых передаются непосредственным упором контактных поверхностей (врубка, лобовой упор).

Несущая способность и деформативность деревянных конструкций в большой мере зависят от способа соединения их элементов. Наиболее просты и надежны соединения сжатых деревянных элементов, в которых усилия от одного элемента к другому могут передаваться непосредственно без специальных рабочих связей. Соединения растянутых деревянных элементов, как правило, связаны с их местным ослаблением. При этом в ослабленном сечении наблюдается концентрация опасных местных напряжений, не учитываемых расчетом. В стыковых и узловых соединениях растянутых деревянных элементов сдвигающие и раскалывающие напряжения представляют наибольшую опасность, которая усугубляется при их наложении на напряжения, возникающие в древесине вследствие усушки.

По характеру работы соединения деревянных конструкций делят на податливые и жесткие. Деформации в податливых соединениях (изготовленных без применения клеев) возникают в результате неплотностей, образующихся при изготовлении, от усушки и смятия, изгиба связей. Величина этих деформаций при длительном действии нагрузок в соединениях, где древесина работает поперек волокон, принимается равной 3 мм, в остальных случаях - 1,5...2 мм. Жесткие клеевые соединения таких деформаций не имеют.

Контактными соединениями называют соединения, в которых усилия от одного элемента к другому передаются по площадкам смятия и скалывания без специальных промежуточных связей. Расход стали в таких соединениях невелик и вызван установкой конструктивных металлических креплений (скоб, болтов, штырей и т. д.) для исключения взаимного сдвига элементов, передачи монтажных нагрузок, а также выполняющих функцию аварийных связей, включающихся в работу при разрушении соединений.

Соединения, в которых возникающие усилия намного меньше их несущей способности, не требующие специального расчета, называютсяконструктивными. В деревянных конструкциях наибольшее распространение получили такие конструктивные соединения как в шпунт, в полдерева и косой прируб.

Под соединением в шпунт понимается сплачивание досок или брусьев кромками, в одной из которых выполнены двухсторонние пазы, а в другой - один средний паз - шпунт. Таким образом, образовавшийся гребень одной доски входит в паз другой, обеспечивая совместность работы отдельных элементов конструкции.

Соединением в полдерева называется соединение концов брусьев или бревен с вырезками до половины их толщины, стянутое конструктивным болтом.

Косой прируб применяется для сращивания деревянных элементов. На концах элементов выполняются односторонние наклонные вырезки длиной равной удвоенной высоте сечения бруса (бревна) с торцами и высотой равной 0,15 высоты сечения.

Лобовые упоры - самый простой и надежный тип соединений, применяемый для передачи однозначных сжимающих усилий на опору или другой деревянный элемент (рис. 2.2).

Расчет сопряжений при помощи лобового упора производят на смятие под действием продольной сжимающей силы с учетом угла смятия. Отсутствие работы на скалывание является одним из основных достоинств соединений данного типа.

Рис. 2.2. Лобовые упоры.

Лобовые упоры принято делить на продольный, поперечный и наклонный.

Продольный лобовой упор - соединение обрезанного под прямым углом сжатого стержня с опорой или таким же стержнем в сжатом стыке. Для предотвращения смещения сопрягаемых элементов из плоскости системы с двух сторон стыка ставят накладки, соединенные с элементами стяжными болтами (d = 12...16 мм), не менее двух с каждой стороны стыка. Длина накладок должна быть не меньше трех высот сечения соединяемых элементов, а толщина не меньше трети толщины сечения соединяемых элементов. В продольном лобовом упоре древесина работает на смятие вдоль волокон и имеет наиболее высокое значение расчетного сопротивления смятия R_см (см. табл. 3.3).

Поперечным лобовым упором называется сопряжение деревянных элементов под прямым углом, когда торец сжатого стержня упирается в пласть другого и закрепляется от сдвига конструктивными связями (скобами, уголками и др.). При таком соединении древесина торца сжимаемого элемента работает на смятие вдоль волокон, а древесина пласти ответного элемента - поперек волокон. Расчет поперечного лобового упора ведется по меньшему расчетному сопротивлению древесины R_см90 (см. табл. 2.3).

Наклонный лобовой упор - это соединение концов сжатых деревянных элементов, оси которых расположены под углом друг к другу. В таком соединении расчет ведется на расчетное сопротивление древесины смятию под углом к волокнам R_смx.

В опорных узлах ферм на врубках при l > R_м чаще применяют лобовой упор на стальных тяжах, способный воспринять большие усилия.

Врубкой называется примыкание сжатого элемента к растянутому под углом не более 45 (, при этом усилие от одного элемента к другому передается непосредственно (без вкладышей или иных рабочих связей).

Сопряжения при помощи врубок являются наиболее старым и распространенным способом соединения деревянных элементов. Врубки применяют для соединения массивных элементов из бревен или брусьев, преимущественно в конструкциях построечного изготовления. Врубки могут обеспечить передачу только однозначных (сжимающих) усилий, вследствие чего область их применения ограничена присоединением сжатых элементов под углом.

Соединения на врубках изготовляют простейшими средствами без специального оборудования. Все рабочие поверхности современных врубок образуют сквозным пропилом без долбления гнезд. Такие соединения открыты и доступны для осмотра, что облегчает контроль за качеством изготовления и работой врубок во время эксплуатации.

К недостаткам врубок относятся: значительное местное ослабление элементов, сравнительно высокая трудоемкость изготовления и потребность в рабочих высокой квалификации.

По расчету во врубках устанавливаются «аварийные» болты.

Основной областью применения врубок являются узловые соединения брусчатых и бревенчатых ферм, в том числе в опорных узлах примыкания сжатого верхнего пояса к растянутому нижнему. Рекомендуемый вариант организации опорного узла фермы на лобовой врубке представлен на рис. 2.3.

Рис. 2.3 Лобовая врубка с одним зубом.

1 - плоскость смятия, 2 - плоскость скалывания, 3 - подбалка,

4 - опорная подушка

Часть торца верхнего сжатого элемента упирается в гнездо в нижнем растянутом элементе. Площадка смятия а - б (рис. 3.3) располагается перпендикулярно к оси верхнего сжатого элемента, центр площадки смятия должен совпадать с осью верхнего элемента. Площадка б - г (рис. 3.3) работает на скалывание. Площадка б - в (рис. 2.3) в работе врубки участия не принимает.

Глубина лобовой врубки h_вр в опорных узлах должна быть не более 1/3 диаметра бревна d или высоты бруса нижнего элемента h. В промежуточных узлах сквозных конструкций, решаемых на лобовой врубке, глубина врубки должна быть не более 1/4d или h. Наименьшую глубину врубки принимают равной 3 см в бревнах и 2 см в брусьях. Длина плоскости скалывания должна быть не менее 1,5 h (h - полная высота сечения скалываемого элемента).

Для связи верхнего и нижнего элементов должен быть поставлен стяжной болт диаметром 16...25 мм, обеспечивающий необходимую плотность сопряжений. В случае разрушения соединения по площадке скалывания болт может предотвратить или замедлить обрушение фермы, поэтому стяжные болты называют аварийными. Болты располагают перпендикулярно к оси сжатого элемента, при очень больших углах наклона сжатого элемента к нижнему растянутому элементу возможна постановка болтов перпендикулярно к биссектрисе угла наклона.

Упором для нижней шайбы болта служит скошенная плоскость деревянной опорной подкладки - подбалки, прибиваемой к нижнему элементу гвоздями. Подбалку опирают на опорную подушку, которая распределяет опорное давление на большую площадь стены. Постановка подбалок в опорных узлах ферм обязательна. Они не только создают упор для закрепления стяжного болта, но и усиливают ослабленное сечение растянутого пояса и своим уступом (высотой примерно 2...4 см) фиксируют положение опорной подушки, что облегчает и ускоряет правильную установку фермы в проектное положение. Толщину подбалки принимают не меньше глубины врубки h_вр, а размеры опорной подушки обычно следующие: ширина -16...22 см, толщина - 8...12 см, длина - не менее трёхкратной ширины подбалки.

В фермах из брусьев, чтобы предотвратить появление значительных изгибающих моментов, возникающих вследствие несимметричного ослабления растянутого элемента, рекомендуется центрировать опорные узлы по оси, проходящей через середину ослабленного сечения нижнего пояса.

Расчет лобовых врубок сводится к проверке прочность рабочих поверхностей на смятие и скалывание. Проверку на смятие проводят сравнивая возникающее напряжение с расчетным сопротивление древесины смятию под углом к волокнам по формуле

,

где N_см- усилие смятия, равное усилию в примыкающем сжатом элементе и направленное перпендикулярно к плоскости смятия, А_см - площадь смятия;

- площадь смятия (для ферм из брусьев),

h_вр - глубина врубки, α- угол между направлениями сминающего усилия и волокон сминаемого элемента, b - ширина сечения бруса.

Для ферм из бревен площадь смятия определяют по таблицам («Справочник проектировщика. Деревянные конструкции» А. И. Отрешко, М. 1957)

Проверку на скалывание проводят по формуле

,

где N_ск - скалывающее усилие, равное усилию в нижнем элементе или проекции усилия в сжимаемом на ось растягиваемого;

А_ск = l_ск(b - площадь скалывания,

l_ск - длина площадки скалывания, принимаемая в расчете не более 10-ти глубин врубки (l_ск меньше 10h_вр), b - ширина бруса, - расчетное среднее по площадке скалывания сопротивления древесины скалыванию вдоль волокон (см. п. 3.2.8).

Стяжной (аварийный) болт должен полностью включиться в работу лишь при скалывании зуба растянутого пояса.

Растягивающее усилие в болте с учетом сил трения определяют из выражения

Необходимая площадь болта в месте, ослабленном резьбой

,

где R_bt - расчетное сопротивление стали болта растяжению.

Количество гвоздей, необходимое для крепления подбалки

где Т_гв - расчетное усилие на один срез несимметрично работающего гвоздя, определяемое по общим правилам расчета нагельных соединений; Т - сдвигающее усилие, возникающее при наступлении аварийного состояния,

.

Расчет опорной подушки сводится к проверке напряжений смятия по площади соприкасания подбалки с опорной подушкой

,

где А - опорная реакция; b и b_под - ширина подбалки и опорной подушки соответственно.

Во врубке с подушкой усилие от примыкающего элемента передают основному элементу не непосредственно, а через подушку, которую врезают в основной элемент (рис. 2.4). Такой способ соединения дервянных элементов применяется когда сопряжение на лобовой врубке не проходит.

Глубина врезки h_вр по-прежнему должна быть не менее 2 см в брусьях и 3 см в бревнах. При таком соединении две площадки смятия а - б и г - д (рис. 3.4), более опасной является площадка г - д, где и проводится расчет на смятие. Площадку в - б (рис. 2.4) рассчитывают на скалывание.

Рис. 2.4. Сопряжение на врубке с подушкой.