Соединения на врубках
Общие сведения
ГЛАВА 3. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Размеры деревянных элементов – бревен, брусьев или досок – ограничены сортаментом, как в отношении длины, так и в отношении поперечного сечения. Поэтому при возведении деревянных сооружений или конструкций приходится отдельные элементы соединять между собой по длине, в поперечном сечении, а также под углом.
Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий разделяются на следующие виды:
· соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей (врубка);
· соединения на механических связях;
· соединения на клеях.
Несущая способность и деформативность деревянных конструкций в большой мере зависит от способа соединения их отдельных элементов. Соединения растянутых деревянных элементов, как правило, связано с их местным ослаблением. В ослабленном сечении растянутых деревянных элементов наблюдается концентрация опасных, не учитываемых расчетом местных напряжений. Наибольшую опасность в стыковых и узловых соединениях растянутых деревянных элементов представляют сдвигающие и раскалывающие напряжения. Она усугубляется в случае наложения этих напряжений на напряжения, которые возникают в древесине вследствие ее усушки.
Общая характеристика. 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 устройством сжатых стыков и присоединением сжатых элементов под углом.
Соединения на врубках изготовляют простейшими средствами без применения специального оборудования. Все рабочие поверхности современных врубок образуют сквозным пропилом без долбления гнезд.
В связи с отсутствием рабочих стальных частей соединения на врубках вызывают небольшой расход стали в виде нерасчетных (конструктивных) стяжных болтов, скоб или штырей, необходимых для предотвращения взаимного сдвига соединяемых элементов во время перевозки или в процессе монтажа. По расчету во врубках ставят «аварийные» болты, о которых сказано ниже.
Соединения на врубках открыты и доступны осмотру, вследствие чего легко осуществляется контроль за качеством изготовления и работой врубок во время эксплуатации.
Отрицательными свойствами врубок являются: значительное местное ослабление элементов; сравнительно большая трудоемкость при изготовлении; необходимость привлечения для изготовления врубок рабочих высокой квалификации.
Наибольшее распространение имеют врубки лобовым упором, лобовые врубки с одним зубом, лобовые врубки с двумя зубьями и врубки с подушками.
Лобовой упор. Врубки лобовым упором осуществляют в сжатых стыках или пологих сопряжениях с передачей усилий непосредственно «торец в торец» – без промежуточных деревянных подушек или элементов с поперечным направлением волокон (рис.3.1.а,б).
Рис. 3.1. Сопряжения деревянных элементов:
а – стык сжатого пояса фермы,
б – коньковый узел фермы
Для предотвращения смещения сопрягаемых элементов из плоскости системы с двух сторон стыка ставят накладки, соединенные с элементами стяжными болтами d=12-16 мм, в количестве не менее двух болтов с каждой стороны стыка. Длина накладок не должна быть меньше трех высот соединяемых брусьев.
Сопряжение лобовым упором является весьма мощным, надежным в работе и простым в изготовлении. Достоинством его является также отсутствие работы на скалывание.
Расчет сопряжений при помощи лобового упора производят на смятие под действием сжимающей силы с учетом угла смятия.
Лобовая врубка с одним зубом. Является наиболее распространенным видом соединения круглых и брусчатых элементов под углом. Рекомендуемый вариант такой врубки применительно к решению опорного узла ферм на врубках представлен на рис.3.2.
Рис. 3.2. Лобовая врубка с одним зубом: 1 – плоскость
смятия, 2 – плоскость скалывания, 3 – подбалка,
4 – опорная подушка
Верхний сжатый элемент упирается частью своего торца в вынутое для этой цели гнездо в нижнем растянутом элементе. Площадка смятия а-б располагается перпендикулярно к оси верхнего сжатого элемента, центр площадки смятия должен совпадать с осью верхнего элемента. Площадка б-в в работе врубки участия не принимает. Площадка б-г работает на скалывание.
Глубина лобовой врубки hвр в опорных узлах должна быть не более 1/3 диаметра бревна или высоты бруса нижнего элемента h. В промежуточных узлах сквозных конструкций, решаемых на лобовой врубке, глубина врубки не должна быть более 1/4d или h. Наименьшую глубину врубки принимают в бревнах – 3см и в брусьях – 2см. Длина плоскости скалывания должна быть не менее 1,5h, где h-полная высота сечения скалываемого элемента.
Для связи верхнего и нижнего элементов должен быть поставлен стяжной болт диаметром 16-25мм, обеспечивающий необходимую плотность сопряжений. В случае скалывания площадки б-г болт может предотвратить обрушение фермы или замедлить его, вследствие чего эти стяжные болты иногда называют «аварийными». Болты располагают перпендикулярно к оси сжатого элемента, иногда 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 совершенно обязательна. Помимо создания упора для закрепления стяжного болта, подбалка усиливает ослабленное сечение растянутого пояса и своим уступом (высотой примерно 2-4 см) фиксирует положение опорной подушки, чем облегчает и ускоряет правильную установку ферм на место. Толщину подбалки принимают не менее глубины врубки hвр. Размеры опорной подушки принимают обычно примерно следующие: ширина 16-22 см, толщина 8-12 см, длина не менее трёхкратной ширины подбалки.
В фермах из брусьев для предотвращения появления значительных изгибающих моментов, возникающих вследствие несимметричного ослабления растянутого элемента, рекомендуется центрировать опорные узлы по оси, проходящей через середину ослабленного сечения нижнего пояса (рис.3.3.а).
При разметке врубки с площадкой смятия, расположенной симметрично относительно оси сжатого элемента, наиболее простое графическое её построение может быть получено следующим образом (рис.3.3.б). На расстоянии 0,5hвр от верхней кромки нижнего пояса проводят прямую линию, параллельную этой кромке, до пересечения с осью сжатого элемента. Через точку пересечения затем проводят прямую , перпендикулярную к оси сжатого элемента.
На рис.3.3.в приведен другой вариант лобовой врубки, он отличается от основного тем, что в нем осевая линия сжатого бруса не совпадает с серединой площадки смятия, вследствие чего в сжатом элементе возникает изгибающий момент М=Nc×e. Такое решение не рекомендуется для основных узлов ферм, но оно иногда допускается в промежуточных узлах подкосных конструкций с обязательным учетом дополнительных напряжений, возникающих в сжатом элементе от эксцентричного приложения сжимающего усилия.
Рис. 3.3. Конструирование врубок с одним зубом:
а – центрирование, б – разметка, в – врубка с нецентрированной площадкой
Расчет лобовых врубок с одним зубом. В лобовых врубках с одним зубом проверяют прочность рабочих поверхностей на смятие и скалывание. Проверку на смятие проводят по формуле:
,
где Ncm=Nc – усилие смятия, равное усилию в примыкающем сжатом элементе верхнего пояса и направленное перпендикулярно к плоскости смятия, Асм- площадь смятия.
Для ферм из брусьев:
,
где hвр-глубина врубки,
- угол между направлениями сминающего усилия и волокон сминаемого элемента,
b - ширина бруса.
Проверку на скалывание проводят по формуле:
где Nck=Np=Nc×сos- скалывающее усилие, равное усилию в нижнем поясе или (что все равно) проекции усилия в верхнем поясе на ось нижнего,
Аск=lck×b – площадь скалывания,
lck – длина площадки скалывания, lck <10hвр
b – ширина бруса,
- расчетное среднее по площадке скалывания сопротивления древесины скалыванию вдоль волокон.
Расчетное сопротивление определяют как:
=
где Rck – расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон,
e – плечо сил скалывания, принимаемое равным 0,5h при расчете элементов с несимметричной врезкой в соединениях без зазора между элементами (рис.3.3.) и 0,25h при расчете симметрично загруженных элементов с симметричной врезкой,
h – полная высота поперечного сечения элемента,
- коэффициент, принимаемый 0,25.
Отношение 
должно быть не менее 3.
Стяжной болт рассчитывается как «аварийный». Аварийная связь должна полностью включиться в работу лишь при скалывании зуба растянутого пояса.
Растягивающее усилие в болте с учетом сил трения находят из выражения: 
Необходимая площадь болта в месте, ослабленном резьбой:
,
где Rbt – расчетное сопротивление стали болта растяжению
Необходимое количество гвоздей, крепящих подбалку:
nгв= 
,
где Тгв – расчетное усилие на один срез несимметрично работающего гвоздя, определяемое по общим правилам расчета нагельных соединений (см. ниже),
Т – сдвигающее усилие, возникающее при наступлении аварийного состояния, Т=Nb×sin
Расчет опорной подушки сводится к проверке напряжений смятия по площади соприкасания подбалки с опорной подушки по формуле:
,
где А – опорная реакция,
b и bпод – ширина подбалки и опорной подушки соответственно.
Рис. 3.4. Сопряжение на врубке с подушкой
Врубки с подушкой. Во врубке с подушкой усилие от примыкающего элемента передают основному элементу не непосредственно, а через подушку, которую врезают в основной элемент (рис.3.4.)
Глубина врезки hвр по-прежнему должна быть не менее 2см в брусьях и 3см в бревнах. В соединениях – две площадки смятия а-б и г-д , более опасной является площадка г-д и именно здесь проводится расчет на смятие. Площадку в-б рассчитывают на скалывание.