Соединения на механических связях

Общие сведения. Механическими всоединениях 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 пластины и металлические зубчатые пластинки.

Передача сил в соединениях с механическими связями происходит от одного элемента другому через отдельные точки (дискретно). Распределение силы по поверхности контакта и в глубину элемента зависит от вида механических связей.

Нагельные соединения.Нагелями в деревянных конструкциях называют плотно защемленные в толще соединяемых элементов цилиндрические или пластинчатые вкладыши, которые, работая сами на изгиб, препятствуют взаимному сдвигу сплачиваемых элементов.

Под влиянием действующих на соединение сил, нагель, кроме изгиба, работает еще на срез, а между телом нагеля и древесиной сплачиваемых элементов появляются напряжения смятия.

Опыты показывают, что разрушение нагельных соединений в отличие от заклепочных соединений в стальных конструкциях происходит не от среза нагелей, а от их изгиба, сопровождаемого сильным местным смятием древесины. Поэтому в применении к деревянным конструкциям выражение «срез» является условным. Под срезом подразумевается каждое рабочее пересечение нагеля с плоскостью сплачивания.

Цилиндрические нагели изготовляют в виде гладких стержней круглого сечения из стали, металлических сплавов, твердых пород древесины и из пластмасс. По характеру своей работы в соединениях сдвигаемых элементов к цилиндрическим нагелям относятся также болты, гвозди, глухари (винты большого диаметра с шестигранной или четырехгранной головкой) и шурупы. Цилиндрические нагели устанавливают в предварительно рассверленные гнезда. Диаметр отверстия для нагеля обычно принимают равным диаметру нагеля. Однако иногда с целью увеличения плотности соединений, особенно при переменной влажности и усушке древесины, предусматривается диаметр отверстия на 0,2¸0,5мм меньше диаметра нагеля. Для шурупов и глухарей необходимо предварительное просверливание отверстия сверлом, диаметром меньше диаметра нарезной части шурупов и глухарей. Обычные гвозди изготовляют из гладкой проволоки диаметром до 6мм и чаще забивают в древесину без предварительного сверления гнезд.

В зависимости от количества плоскостей по которым может произойти смещение (сдвиг) соединяемых элементов, различают односрезное (рис.3.5.а), двухсрезное (рис.3.5.б) и многосрезные.

Рис. 3.5. Соединения на цилиндрических нагелях деревянных

растянутых элементов: а – несимметричное односрезное,

б – симметричное двухсрезное

 

 

В зависимости от характера приложения внешних сил различают соединения симметричные (рис.3.5б) и несимметричные (рис.3.5а).

В нагельных соединениях передача общего усилия происходит рассредоточено, распределяясь между большим числом мелких податливых нагелей, что делает эти соединения мало чувствительными к местным дефектам древесины и повышает их надежность. Нагели в сопряжениях доступны для осмотра, что упрощает контроль над качеством производства работ.

Расчет нагельных соединений основан на том положении, что действующее на соединение усилие не должно превышать расчетной несущей способности соединения Т. Расчетное количество нагелей принимают не менее двух с диаметром 12¸24 мм и определяют по формуле:

 

 

,

 

где N – расчетное усилие, действующее в растянутом стыке,

n_cp– количество срезов нагеля,

T_H – наименьшая расчетная несущая способность одного среза нагеля.

 

Несущую способность одного среза нагеля рекомендуется принимать на основе табл.17 СНиП II-25-80. Так для симметричных соединений:

а) смятие в средних элементах Т_Н=50cd

б) смятие в крайних элементах Т_н=80ad

в) изгиб нагеля из стали С38/23 Т_н=180d²+2а², не более 250d²

г) изгиб гвоздя из стали С38/23 Т_н=250d²+а, не более 400d²,

где: с – ширина среднего деревянного элемента в см (рис.3.5б),

а – ширина крайних элементов в см (рис.3.5б),

d – диаметр нагеля в см.

Т_н- расчетная несущая способность одного среза нагеля,кгс.

Несущая способность нагеля из условия скалывания и раскалывания древесины главным образом зависит от расстановки нагелей. Минимальные расстояния между нагелями назначают таким образом, чтобы несущая способность нагеля по скалыванию и раскалыванию заведомо превышала несущую способность нагеля по его изгибу и смятию древесины нагельного гнезда. В таблице 3.1. приведены рекомендуемые СНиП II-25-80 минимальные расстояния между цилиндрическими нагелями, выраженные в диаметрах нагеля d_н.

 

Таблица 3.1.

Минимальные расстояния между нагелями

Расстановка нагелей и измеряемое расстояние	Расстояние для цилиндрических нагелей
стальных	дубовых
Вдоль волокон: от торца до оси между осями нагелей Поперек волокон: между осями нагелей от кромки элемента до оси нагеля

Гвоздевые соединения.Гвозди в соединениях сдвигаемых деревянных элементов работают как нагели. Их обычно забивают в древесину без предварительного просверливания, что обусловливает некоторые особенности их работы. Исследования показали повышенную несущую способность гвоздей, вставленных в предварительно просверленные отверстия. Однако в этом случае гвозди принято называть тонкими нагелями и их расчет полностью совпадает с расчетом нагелей.

Диаметр гвоздей, забиваемых в цельную древесину, не превышает 6мм и поэтому их несущая способность не зависит от угла между направлением действия силы и направлением волокон.

При определение расчетной длины защемления конца гвоздя в последней непробиваемой насквозь доске не следует учитывать часть длиной 1,5d(рис.3.6.).

Рис. 3.6. Определение расчетной длины гвоздя:

а – при глухой забивке, б – при свободном

выходе конца гвоздя

 

Обычно гвозди не пробивают насквозь вторых крайних элементов. В этом случае в формулу для определения несущей способности гвоздя вместо толщины должна быть подставлена рабочая длина конца гвоздя в крайнем элементе .

При определении расчетной длины защемления конца учитывают возможность образования зазоров между соединяемыми досками по 2 мм на каждый шов.

Зазоры могут образовываться вследствие неплотного прилегания досок, вызванного неточностью размеров самих досок и короблением их при усушке.

Расчетная часть конца гвоздя в мм определится из выражения: a₂=l_гв- а₁-с-2×n_ш-1,5×d_гв

где n_ш – количество швов, пройденных гвоздем.

Найденная длина защемления конца гвоздя должна быть не меньше 4d_гв, в противном случае работа конца гвоздя при расчете соединений не учитывается.

При свободном выходе конца гвоздя из пакета (рис.3.6.б),расчетная толщина последнего элемента уменьшается на 1,5d_гв.

Кроме работы на срез, гвозди способны работать и на выдергивание. Сопротивление гвоздей выдергиванию допускается учитывать во второстепенных элементах (настилы, подшивка потолков и т.д.) или в конструкциях, где выдергивание гвоздей сопровождается одновременной работой как нагелей.

Не допускается учитывать работу на выдергивание гвоздей, забитых в заранее просверленные отверстия, забитых в торец (вдоль волокон), а также при динамических воздействиях на конструкцию.

Расчетную несущую способность на выдергивание одного гвоздя, забитого в древесину поперек волокон, следует определять по формуле:

где - расчетное сопротивление выдергиванию на единицу поверхности соприкасания гвоздя с древесиной, которое следует принимать для воздушно-сухой древесины 0,3 МПа (3 кгс/), а для сырой, высыхающей в конструкции – 0,1 МПа (1 кгс/),

d – диаметр гвоздя,

- расчетная длина защемленной, сопротивляющейся выдергиванию части гвоздя (см. выше).

Длина защемленной части гвоздя должна быть не менее двух толщин пробиваемого деревянного элемента и не менее 10d.

Расстояние между осями гвоздей вдоль волокон древесины следует принимать, не менее:

при толщине пробиваемого элемента ,

при толщине пробиваемого элемента с=4d.

Для промежуточных значений толщины с наименьшее расстояние следует определять по интерполяции.

Для элементов, не пробиваемых гвоздями насквозь, независимо от их толщины расстояние между осями гвоздей следует принимать .

Расстояние вдоль волокон древесины от гвоздя до торца элемента во всех случаях следует принимать не менее .

Расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины следует принимать:

при прямой расстановке гвоздей не менее

при шахматной расстановке или расстановке их косыми рядами под углом (рис.3.7.) расстояние может быть уменьшено до 3d.

Рис. 3.7. Расстановка гвоздей косыми рядами

 

 

Расстояние от крайнего ряда гвоздей до продольной кромки следует принимать не менее 4d.

Соединения на металлических зубчатых пластинах (МЗП). Для узловых соединений дощатых элементов в последнее время нашли применение металлические зубчатые пластинки (МЗП). Наибольшее распространение в зарубежной практике строительства получили МЗП системы «Ганг-Нейл»(рис. 3.8.)

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 соединяемых элементов таким образом, чтобы ряды МЗП располагались в направлении волокон присоединяемого деревянного элемента, в котором действуют наибольшие усилия. В ЦНИИСК разработаны « Рекомендации по проектированию и изготовлению дощатых конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинках», согласно которым такие конструкции следует применять в зданиях V степени огнестойкости без подвесного подъемно-транспортного оборудования с температурно-влажностными условиями эксплуатации А1, А2, Б1 и Б2.

Рис. 3.8. Соединения на металлических зубчатых пластинках

а – металлическая зубчатая пластинка (МЗП),

б – узел дощатой фермы на МЗП

 

 

Изготовление конструкций должно производится на специализированных предприятиях, оснащенных оборудованием для сборки конструкций, запрессовки МЗП и контрольных испытаний конструкций.

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 и 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, предъявляемым к материалам деревянных конструкций.

МЗП рекомендуется изготовлять из листовой углеродистой стали толщиной 1,2 и 2 мм. Антикоррозионную защиту пластинок выполняют оцинковкой или покрытиями на основе алюминия в соответствии с рекомендациями по антикоррозионной защите стальных закладных деталей и сварных соединений сборных железобетонных и бетонных конструкций.