Соединения на шпонках и шайбах шпоночного типа

Шпонки — это вкладыши из твердых пород древеси­ны, стали или из пластмасс, которые устанавливаются между сплачиваемыми элементами и препятствуют сдвигу. Для сплачивания деревянных элементов издавна применялись призматические шпонки из твердых пород древесины. Различают призматические деревянные про­дольные шпонки (рис. IV. 11,а), когда направления во­локон древесины шпонок и соединяемых элементов со­впадают, и поперечные, когда направление волокон в шпонках перпендикулярно к направлению волокон сое­диняемых элементов. Во втором случае для обеспечения более плотной посадки шпонок они могут быть выполне­ны из двух клиновидных элементов.

Призматические шпонки, передавая от одного элемен­та другому сдвигающие силы, работают на смятие и ска­лывание. По надежности из деревянных призматических шпонок следует выделить наклонные шпонки. Отличи­тельный признак шпонок — появление опрокидывающего шпонку момента и как результат этого возникновение распора между соединяемыми элементами (рис. IV.11, б).

Рассмотрев равновесие шпонки без учета сил трения, можно приближенно определить распор

Для восприятия распора необходимо устанавливать ра­бочие связи— стяжные болты. Во избежание чрезмерной деформативности шпоночных соединений, а также для уменьшения количества стяжных болтов, длину шпонки по нормам принимают не менее l_Шп≥5h_вр. Глубину врез­ки шпонок в брусья следует принимать не менее 2 см и не более Vs высоты бруса, а бревна — не менее 3 см и не более 1/4 диаметра бревна.

Рис. IV.11. Соединения на шпонках

а — призматических продольных де­ревянных; б — работа призматиче­ских шпонок, а—а—плоскость скалывания; в — тавровых металличе­ских

Расчет соединений на призматических шпонках подобно расчету соедине­ний на лобовых врубках сводится к проверке несу­щей способности по смя­тию и скалыванию древе­сины шпонок, а также сплачиваемых брусьев или бревен. При расчете на скалывание в многорядовых соединениях в связи с вероятностью неравномерного распределения усилий между шпонками и снижения не­сущей способности вводят коэффициент 0,7. При расчете соединений на шпонках требуется подбор стяжных бол­тов и шайб под его головку и под гайку для восприятия распора.

В настоящее время в зарубежной практике строительст­ва нашли широкое применение тавровые металлические шпонки (рис. IV. 11, в). Они занимают промежуточ­ное положение между шпонками и пластинчатыми наге­лями. Несомненным их преимуществом является просто­та сборки, упрощенное изготовление гнезда небольшого размера и возможность в связи с этим расположения большего количества шпонок без снижения несущей спо­собности деревянных элементов на скалывание.

Для соединения элементов деревянных конструкций под различными углами в узлах ставят круглые центро­вые шпонки. Характерная особенность всех центровых шпонок — наличие в центре отверстия для стяжного бол­та. Отверстие для этого болта в соединяемом элементе можно использовать при нарезке круглых или кольцевых гнезд в каждом элементе порознь. На рис. IV. 12 показа­но развитие центровых шпонок и их переход к шайбам шпоночного типа. Центровые односторонние шайбы шпоночного типа воспринимают усилия от центрального бол­та и рассредоточено передают их на деревянный эле­мент.

В определенный период времени наблюдался спад ин­тереса к применению шпонок. Это объяснялось главным образом тем, что при их применении для соединения де­ревянных элементов цельного сечения, из-за устройства гнезд под шпонки сильно ослаблялось поперечное сече­ние. Появление клееных деревянных элементов расшири­ло возможности применения и создания большепролет­ных деревянных конструкций. Одновременно с этим воз­никла необходимость устройства соединения клееных элементов для увеличения их длины, а нередко попереч­ного сечения, так как при больших пролетах бывает эко­номичнее делать сечение из нескольких клееных элемен1-тов, соединенных между собой на механических связях. При этом ослабление поперечного сечения в соединениях клееных элементов составляет не столь ощутимую долю от всего поперечного сечения.

Наибольшее распространение в современных деревян­ных клееных конструкциях за рубежом нашли шайбы шпоночного и нагельного типов.

Из центровых шайб наиболее технологичными и на­дежными для сборных узловых соединений элементов деревянных конструкций являются зубчатые и когтевые шпонки. Они получаются из листовой стали штамповкой на специальных прессах.

Зубчатые шпонки могут иметь зубья или когти с одной или двух сторон. Односторонние зубчатые шпонки применяют обычно для устройства сборно-разборных соединений или для прикрепления де­ревянных элементов к металлическим. В нашей стране проф. В. Г. Ленновым были предложены штампованные ногтевые шайбы (рис. IV. 13,а). Этот тип зубчатых шпо­нок нашел применение и дальнейшее развитие в зару­-
бежной практике строительства. .

Соединения на зубчатых шпонках характеризуются высокой несущей способностью и вязкостью. Зубчатые шпонки вдавливают в тело древесины ударным способом или специальными зажимами. "К недостаткам соединений на зубчатых шпонках относится образование трещин в сопрягаемых элементах, а также уменьшение несущей способности из-за неравномерности запрессовки шпонок в многорядовых соединениях. Вследствие этого количест­во зубчатых шпонок в одном ряду ограничивается де­сятью.

Основные формы и виды шайб шпоночного типа со­временных деревянных конструкций показаны на рис. IV. 13. В табл. IV.3 даны их основные характеристики. При сплачивании клееных деревянных элементов с по­мощью шайб шпоночного типа Они могут иметь прямую расстановку или располагаться в шахматном порядке с шагом пропорционально диаметру шпонок (см. табл. IV.3).

Металлические шпонки, расположенные внутри дере­вянных элементов, не требуют в обычных условиях анти­коррозионной защиты. При использовании шпоночных соединений в условиях повышенной химической агрессив­ности окружающей среды применяют антикоррозионное покрытие металлических шпонок, чаще оцинкование.

§ 3.2. Соединения на нагелях

Нагели являются одним из наиболее широко приме­няющихся до настоящего времени механических рабо­чих связей. Нагелем называется гибкий стержень, кото­рый соединяет элементы деревянных конструкций и препятствует их взаимному сдвигу, а сам в основном работает на изгиб.

Работу нагеля можно рассмотреть на примере соеди­нения двух сдвигаемых элементов (рис. IV, 14).

Силы, сдвигающие сплачиваемые элементы, стремятся опроки­нуть нагель. Под действием этих сил нагель после неко­торого поворота, обусловленного неплотностями и обмя-тием древесины, упирается в нее сначала по краям эле­ментов, а затем начинает изгибаться. При изгибе наге­ля увеличивается поверхность его контакта с древесиной, что вызывает появление в ней неравномерных напряже­ний смятия по всей длине нагеля (рис. IV. 14, в). Напря­жения смятия древесины нагелем имеют разные знаки, и их равнодействующие образуют две пары взаимно уравновешенных продольных сил (рис. ГУ. 14, г), пре­пятствующих повороту нагеля. По условию равновесия нагеля моменты этих пар равны: T₁e₁ = T₂e₂ или T₁/T₂=е₂/е₁

Таким образом, равновесие нагеля в отличие от рав­новесия шпонки обеспечивается только продольными си­лами, параллельными направлению сдвига соединяемых элементов. В нагельных соединениях отсутствуют попе­речные силы, образующие распор, для восприятия кото­рых в шпоночных соединениях приходится ставить рас­тянутые связи.

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 (рис. IV. 15). Цилиндрические нагели устанавливают в предварительно рассверленные гнезда.

Диаметр отверстия для нагеля обычно принимают равным диаметру нагеля. Однако нормами некоторых стран с целью увеличения плотности соединений, особенно при переменной влаж­ности и усушке древесины, предусматривается диаметр отверстия на 0,2—0,5 мм 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 6 мм и чаще забивают в древесину без предварительного сверления гнезд.

Цилиндрические нагели и болты применяют для спла­чивания элементов деревянных конструкций, соединения их по длине (рис. IV. 16, а), а также в узловых примыканиях (рис. IV. 16, б). Соединения деревянных элемен­тов на нагелях бывают симметричными и несимметрич­ными.

На плотность соединений на нагелях значительно вли­яет совпадение отверстий под нагели в соединяемых эле­ментах. Чтобы получить хорошее совпадение отверстий и достичь максимальной плотности соединения, необхо­димо сверлить отверстия в предварительно собранном и обжатом пакете. Для обжатия соединений ставят стяж­ные болты в количестве около 25 % общего числа наге­лей. Если стяжные болты сделаны из того же материала, что и нагели, то их включают в расчетное количество нагелей.

В растянутых стыках по ширине элемента следует ставить только четнбе количество продольных рядов на­гелей. Это требование объясняется тем, что при нечетном числе рядов средний оказывается по оси доски в зоне наиболее возможного появления продольных трещин в результате усушки древесины.

По аналогии с соединениями на заклепках в металли­ческих конструкциях каждое пересечение нагеля с рабо­чим швом называется «срезом». Однако при общности действующих явлений в том и в другом случае работа нагеля в соединениях деревянных элементов значительно отличается от работы заклепки в металлических элемен­тах. Заклепка соединяет тонкие стальные элементы. От­ношение длины заклепки к ее диаметру невелико, что характеризует большую относительную жесткость, при которой изгибные напряжения не имеют существенного значения и могут не учитываться. Несущую способность заклепки определяют из расчета на смятие и срез.

В соединениях деревянных элементов отношение дли­ны нагеля к его диаметру значительно больше, поэтому нагель работает как гибкий стержень главным образом на изгиб и неравномерно сминает древесину в гнезде. Напряжения среза в нагеле не учитываются в расчете, поскольку срезать деревянным элементом нагель, даже деревянный, не говоря уже о стальном, нельзя. Термин «срез» употребляется для характеристики соединения по количеству плоскостей относительного сдвига между со­единяемыми элементами, которые пересекаются наге­лями. В зависимости от расположения срезов по отноше­нию к осям действия сил различают симметричные и не­симметричные соединения (рис. IV.17).

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

n_н > N/n_cp,T_н

где N — расчетное усилие, действующее в растянутом стыке, Н; иср — количество срезов нагеля; Т_н — наименьшая расчетная несу­щая способность одного среза нагеля, Н.

Для сплачивания двух или трех брусьев, составлен­ных по высоте, применяют пластинчатые нагели, вставляемые в гнезда, прорезаемые цепнодолбежным стан­ком (рис. IV. 18).

Применение дубовых или березовых пластинчатых нагелей Допускается для сплачивания брусьев в состав­ных элементах со строительным подъемом, работающих на поперечный изгиб и на сжатие с изгибом. Размеры пластинчатых нагелей и гнезд для них, а также расста­новку в сплачиваемых элементах следует принимать по нормам (см. рис. IV. 18). Направление волокон в пла­стинках должно быть перпендикулярно плоскости спла­чивания элементов.

Расчетную несущую способность дубового или бере­зового пластинчатого нагеля с размерами, даваемыми СНиП П-25-80 в соединяемых элементах из древесины сосны и ели, следует определять по формуле:

Т=0,75b_пл

где b_Пл — ширина пластинчатого нагеля, см, которую следует брать равной ширине сплачиваемых элементов bпл = b при сквозных пла­стинках, bПл=0,5b — при глухих.

При применении для сплачивания элементов из дру­гих пород древесины следует вводить поправочный коэф­фициент (табл. 4 СНиП П-25-80).

Для конструкций, эксплуатируемых в условиях повы­шенной влажности или температуры и рассчитываемых на действие кратковременных или постоянной и длитель­ной временной нагрузок, расчетную несущую способность пластинчатых нагелей следует умножать на поправочные коэффициенты по табл. 5 и 6 (СНиП П-25-80).

§ 3.3. Определение расчетной несущей способности одного «среза» нагеля

Для определения несущей способности одного среза нагеля следует рассмотреть напряженное состояние на­гельного соединения. Действующие в соединяемых эле­ментах усилия стремятся сдвинуть их относительно друг друга. Нагель, препятствуя этому, изгибается. Изгиб на­геля зависит от жесткости самого нагеля и смятия дре­весины нагельного гнезда. Нагель можно рассматривать как балку, лежащую на сплошном упругопластическом основании — древесине нагельного гнезда. Напряжения смятия в древесине по длине нагеля неравномерны. Эта неравномерность тем значительнее, чем меньше жест­кость нагеля (рис. IV. 19). Неравномерно также распре­деление сминающих напряжений по контуру нагельного гнезда (рис. IV. 20). Равнодействующие радиальных на­пряжений, расположенных выше и ниже продольной оси x—х, направлены под углом к этой оси и, будучи разло­жены, дают две составляющие — продольную Т и попе­речную Q. Продольная составляющая Т=Тн+Тв вызы­вает появление напряжений скалывания по площадкам а—а и а'—а'. Поперечные составляющие Q_H и Q_B стре­мятся расколоть деревянный элемент по линии б—б. Еще более сложно напряженно-деформированное состо­яние нагельного соединения деревянных элементов, рас­положенных под различными углами.

Сложное напряженно-деформированное состояние на­гельного соединения характеризуется изгибом нагеля, смятием древесины нагельного гнезда, скалыванием и раскалыванием древесины между нагелями,

Критерием идеального подбора нагеля и шага их расстановки может служить равенство несущих способ­ностей нагеля, определенных из условий изгиба нагеля, смятия древесины в нагельном гнезде, скалывания и раскалывания древесины между нагелями.

Несущая способность нагеля из условий 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.

\

Критерием идеального подбора нагеля и шага их расстановки может служить равенство несущих способ­ностей нагеля, определенных из условий изгиба нагеля, смятия древесины в нагельном гнезде, скалывания и раскалывания древесины между нагелями.

Несущая способность нагеля из условий 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.

Минимальные расстояния между осями нагелей при­нято выражать в диаметрах нагеля. Они определяются видом нагелей и толщиной соединяемых элементов. Рас­становка нагелей в соединениях может быть прямой или в шахматном порядке (рис. IV. 21). В табл. IV.4 приведены рекомендуемые СНиП П-25-80 минимальные рас­стояния между цилиндрическими нагелями

При соблю­дении расстановки нагелей расчетная несущая способ­ность одного среза нагеля Тн определяется только из ус­ловий изгиба нагеля и смятия древесины нагельного гнезда в обоих прилегающих к шву элементах. Теорети­чески нагель, как уже указывалось, рассматривают как балку, лежащую на упругом или упругопластическом ос­новании, за которое принимают древесину соединяемых элементов. В основу расчета могут быть положены раз­личные теоретические предпосылки, характеризующие само основание, режимы нагружения, особенности де­формирования во времени и другие факторы. Однако расчет нагеля сложнее, чем расчет балки, лежащей на сплошном основании. Сложность задачи состоит в следу­ющем:

основание, на которое опирается нагель, разделено на части, например, в симметричном двухсрезном сое­динении имеются две крайние и одна средняя часть;

действующее усилие приложено к деревянным эле­ментам соединения и передается на нагель в виде напря­жений смятия нагельного гнезда;

эпюра давления по длине нагеля неравномерна и за­висит от толщины элементов и диаметра нагеля.

Другим более удобным для инженерных расчетов методом определения несущей способности нагеля явля­ется экспериментально-теоретический метод. В этом слу­чае эпюры напряжений смятия задают по толщине эле­ментов. Нагель также рассматривают в виде стержня, работающего в упругопластической среде, а соединения расчленяются на три основные схемы: для несимметрич­ной односрезной, схемы для кососимметричной двух-срезной и симметричной двухсрезной (рис. IV.22). Они могут быть выражены одной обобщенной схемой (рис. IV, 22, г), которая при изменении соотношений между силами Т₁и Т₂ и моментами М_Ш1 и М_ш2 в пределах от + 1 до —1 охватывает все основные и промежуточные схемы. Так, например, при Т₁= 0 и M_ш1 = 0 получим схему для односрезного или крайних элементов двухсрезных соединений; при Т₁₌-Т₂ и М_Ш1 =-M_m2 получим схему среднего элемента кососимметричного соединения; при Т₁₌Т₂ и М_Ш1 =M_m2 — схему среднего элемента симметричного соединения.

При разработке этого метода (автор—д-р техн. наук В. М. Коченов) для упрощения расчета были введены следующие предпосылки:

1) принята диаграмма деформирования идеального

Рис. IV.24. Эпюры напряжений смя­тия при δ_п/δ_уп = 2

упругопластического материа­ла (рис. IV.23) для смятия дре­весины и для изгиба нагеля;

2. пределах пластическо­го участка напряжения ос­таются постоянными, равными для древесины расчетно­му сопротивлению смятию, и для нагеля расчетному сопротивлению изгибу, что для стали приравнивается пределу текучести;

3.несущую способность нагеля определяют не раз­ рушением соединения, а расчетной предельной деформа­цией;

4.расчетную предельную деформацию ограничивают отношением полной деформации к упругой (рис. IV.24), которое принимают δ_п/δ_уп = 2;

5.ось нагеля принимают прямолинейной до образования в нем пластического шарнира.

На основании перечисленных предпосылок и основ­ных расчетных схем были приняты прямолинейные эпю­ры напряжений смятию. Так, например, если δ_п/δ_уп = 1, то пластическая зона деформирования не образуется и краевое напряжение смятию будет равно R_см. При δ_п/δ_уп = 2зона смятия со стороны более напряженной кромки будет иметь две равные части — упругую с на­пряжениями, равными от 0 до R_См, и пластическую с по­стоянными напряжениями, равными R_См (рис. IV.24).

Принятые эпюры напряжений смятию дают возмож­ность построить графики, координатами которых явля­ются относительная несущая способность T/(adR), M/(a²dR), относительный эксцентриситет m=М/(Та) и другие относительные величины.

Соединение в одну общую задачу отдельных решений для двух соседних элементов выполняют графически. При этом используют равенство углов наклона упругой линии нагеля в соседних элементах около шва.

Расчетные формулы из условий изгиба нагеля в об­щем виде имеют вид:

а) полная несущая способность T’_H=K_иd_н²√( R и*Rсм)',

6) в некоторых случаях характер эпюры моментов по длине нагеля зависит от толщины элементов. При увеличении толщины или, что то же самое, длины нагеля максимальный момент уменьшается (см. рис. IV.19), что позволяет увеличить несущую способность. При этом

Округляя результаты графического решения и вводя расчетные сопротивления древесины смятию и нагеля из­гибу, получим формулы для определения несущей спо­собности одного среза различных видов нагелей (табл. IV.5) . Формулы отличаются только значениями коэффи­циентов, равных произведению k_и√R_иRсм; k₁ Rсм; k₂ Rсм

В формулах, приведенных в табл. IV.5, коэффициент k_a учитывает уменьшение несущей способности нагеля при действии усилия под углом а к направлению волокон древесины. Коэффициент k _α зависит не только от угла между направлением действия силы и направлением волокон древесины, но и от диаметра нагеля. Чем мень­ше диаметр нагеля, тем сильнее сопротивление смятию древесины нагельного гнезда. На рис. IV.25 приведены кривые, показывающие эту зависимость. При диаметрах нагеля, равных или меньших 6 мм, снижения сопротив­ления смятию не наблюдается и k_a = l.

В результате исследований (П. А. Дмитриев, Ю. Д. Стрижаков) соединений деревянных элементов на наге­лях из стеклопластика АГ-4С были получены расчетные сопротивления древесины смятию. Кроме того установ­лены: значение коэффициента к_и для определения несу­щей способности нагеля из условия изгиба при длитель­ном действии нагрузки с учетом ограничения деформа­ций; значения коэффициентов k₁, k₂.

Рис. IV.25. Коэффициенты k_a снижения расчетного усилия нагеля для соединений на стальных цилиндрических наге­лях при направлении действия силы под углом α, к направле­нию волокон древесины

Следует отметить, что формулы (см. табл. IV.5) для определения несущей способности одного среза нагеля из стеклопластика типа АГ-4С получены при следующих условиях:

расчетное сопротивление смятию вдоль волокон при всех диаметрах нагеля R_См= 10 МПа;

сопротивление изгибу нагеля из стеклопластика АГ-4С R_и=318 МПа;

принят минимальный коэффициент при угле смятия α = 0°;k_и=0,264.

В связи с обнаруженным явлением разрушения наге­ля от скалывания при его изгибе следует ограничить

k_и≤R_ск/√(R_иR_см)

где Rск —расчетное сопротивление стеклопластика АГ-4С скалыва­нию при изгибе, Па.

Особенности работы гвоздей

Гвозди в соединениях сдвигаемых деревянных эле­ментов работают как нагели. Их обычно забивают в дре­весину без предварительного просверливания, что обус­ловливает некоторые особенности их работы. Как указы­валось раньше, исследования показали повышенную не­сущую способность гвоздей, вставленных в предвари­тельно просверленные отверстия (см. табл. IV.1). 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 6 мм и поэтому их несущая способность не зависит от угла между направлением действия силы и направлением волокон (см. рис. IV.25). В связи с этим для гвоздей коэффициент уменьшения несущей способности k_a не вводят в формулы определения несущей спо­собности (табл. IV.5).

При определении расчетной длины защемления кон­ца гвоздя в последней непробиваемой насквозь доске не следует учитывать часть длиной 1,5 d_Гв (рис. IV.26). Кроме того, из длины гвоздя при определении длины его защемления следует вычитать по 2 мм на каждый шов между соединяемыми элементами. Если расчетная дли­на защемления конца гвоздя получается меньше 4 d_Гв, то его работу в примыкающем к шву элементе учитывать не следует. Диаметр гвоздей принимать не более 0>25 толщины пробиваемого элемента. Если последняя доска пробивается гвоздем насквозь, то, учитывая отщеп ее нижнего слоя, рабочая толщина доски уменьшается на 1,5 d_Гв.

Заостренный конец гвоздя, проникая в древесину, раздвигает ее волокна в сторону, в результате чего про­исходит уплотнение древесины около гвоздя, что увели­чивает опасность раскалывания древесины. Уменьшить эту опасность можно относительно более редкой расста­новкой забиваемых гвоздей по сравнению с нагелями.

Минимальные расстояния между осями гвоздей вдоль волокон древесины следует принимать не менее S₁ = 15 d_Гв при толщине пробиваемого элемента с≥10d_Гв; S₁=25d_rB при толщине пробиваемого элемента c=4 d. Для промежуточных значений толщины элемента наи­меньшее расстояние следует определять по интерполя­ции.

Для элементов, не пробиваемых гвоздями насквозь, расстояние между осями гвоздей следует принимать не зависимо от их толщины S₁≥15d. Расстояние вдоль во­локон древесины от оси гвоздя до торца элемента во всех cлучаях надо брать не менее S₁ =15d. Расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины при прямой расстановке гвоздей принимают не менее S₂=4d; при шахматной расстановке или расстановке их косыми ря­дами это расстояние может быть уменьшено до S₂=3d, а расстояние от продольной кромки до оси гвоздя 4d.

Гвозди образуют более плотные соединения, чем на­гели. Недостатком гвоздевых соединений является замет­ная ползучесть при длительно действующих нагрузках. Для увеличения плотности соединений, особенно в слу­чаях прикрепления стальных накладок к деревянным элементам, нашли применение особые гвозди с неглад­кой поверхностью (см. рис. IV.15), забиваемые в древе­сину пневматическими молотками.