Нагельные и гвоздевые соединения деревянных конструкций (применение и расчет).

Нагель – гибкий стержень, который соединяет элементы деревянных конструкций препятствуя их взаимному сдвигу, а сам при этом работает на изгиб. Его основное назначение – препятствовать взаимному сдвигу элементов. Нагели не работают на срез, а только на изгиб, потому что: 1)как правило нагель обладает большей изгибной прочностью; 2) соотношение его размеров d/l очень мало, поэтому при применении нагрузки несущая способность нагеля будет потеряна от изгиба. Древесина может разрушиться от: 1) смятия древесины по поверхности нагеля и 2) скалывания вдоль волокн. Нагели конструктивно устраиваются в предварительно просверленные отверстия Ø на 0,5 мм меньше, чем сам Ø нагеля. Конструктивно количество нагелей должно быть четным. Чтобы они не попадали на нейтральную ось элемента (т. к. это зона наиболее скалываемых и сдвигаемых усилий, т. е. зона растрескивания). Хотя распора не возникает (равновесие нагеля обеспечивается только продольными силами), по длине не меньше 25 % нагелей должны выполняться в виде стяжных болтов, для обеспечения плотного контакта сплачиваемых элементов, неравномерное распределение усилий самая большая проблема. Неравномерность зависит от соотношения размеров элемента и Ø болта.

Подбор количества нагелей в соединении: , где N – действующая нагрузка; n_ср – число плоскостей срезов; Т_min – минимальная несущая способность одного нагеля.

Расчет смятия скалывания и изгиба: Скалывание в нагельных соединениях не допускают, путем рациональной расстановки нагелей, если S₁≥7d, S₂≥3,5d, S₃≥3d, то скалывание не наступает раньше, чем смятие или изгиб нагеля. Все нагельные соединения могут быть симметричными и несимметричными, одно-, 2-х (самое распространенное) или 3-х срезными. Обычно толщины накладок и соединяемых элементов различны и работают в различных условиях.

Определение несущей способности:

1) Смятие крайнего элемента в симметричных или более тонкого в несимметричных : Т₁=0,8adK_α, где а – толщина накладок (либо более тонкого элемента в несимметричных), d – диаметр нагеля, K_α – коэффициент, зависящий от угла между направлением действующего усилия и волокнами древесины. 2) Несущая способность на смятие среднего элемента в несимметричных соединениях (обычно 2-х срезных): Т₂=0,5сdК_α . 3) Смятие более толстого элемента в несимметричных соединениях: Т₂’=0,35сdК_α . 4) Смятие более толстых, средних элементов в 2-х срезных симметричных соединениях: Т₂’’=0,5сdК_α. Чтобы несущая способность определялась в (кН), все размеры а и d надо подставлять в (см).

Несущая способность нагеля на изгиб: Т₃=(1,8d²+0,02a²)√К_α ; Т₄=(2,5d²)√К_α ; Как правило нужно соблюдать правило: несущие способности на смятие и изгиб примерно должны быть равны.

Особенности работы гвоздевых соединений:

Просты но трудоёмки и применяются в основном при небольшом обьёме изготовляемых конструкций. Гвозди изготовляются из холоднотянутой стальной проволокив соответствии с ГОСТ 4028-63. Острие гвоздя имеет четырёхгранную форму и длину, равную полутора диаметрам. Наибольшее применение в деревянных конструкциях находят гвозди диаметром 3, 4, 5,и 6 мм и длинной соответственно80,100,150,200,мм

4 основных отличия от работы болтов в нагельных соединениях:

1) Предельные расстояния S₁=15d, S₂≥4d, S₃≥3d. Правила расстановки гвоздей в соединениях исключают опасность раскалывания древесины соединяемых элементов

2) Гвоздь пробивая древесину отщепляет наружные волокна, поэтому из расчета надо выбрасывать: а_расч=а-∆-1,5d, где ∆ - расстояние от конца гвоздя до края элемента.

3) К_α – отсутствует в расчете, т. к. у гвоздей Ø<, чем 12 мм.

4) Т₁=0,8а_рd; Т₂=0,5cd; Т₂’=0,35cd; Т₂’’=0,25cd; Т₃=2,5d²+0,01(а_р)²; Т₄=4d² .

Соединения с выдёргиваевыми гвоздями относят к классу соединенийс ратянутыми связями. Расчёт гвоздя на выдёргивание производится на действие растягивающей силы от расчётных нагрузок по формуле: Твг=Rвгπdl1

Требуемое число выдёргиваемых гвоздей nтр, необходимых для восприятия растягивающей силы N от расчётных нагрузок, определяется из выражения nтр=N/Твг. Размеры выдёргиваемых гвоздей подбираются из условий, чтобы расчётная длина гвоздя была не меньше 10d и меньше двойной толщины прибиваемых досок 2δ