Конструирование и расчет соединений на цилиндрических и пластинчатых нагелях

Цилиндрические нагели,применяемые для соединений элементов деревянныхконструкций, выполняются из стали, стеклопластиков, твердых пород древесины. Наиболее распространенными нагельными соединениями являются соединения на болтах и гвоздях. Гвоздями называются стальные нагели диаметром 6 мм или менее

с заостренным концом. Болты устанавливаются в заранее просверленные отверстия. Рекомендуется сверлить отверстая одним проходом через соединяемые элементы для надежного совпадения отверстий.

Правила расстановки болтов и гвоздей в соединениях приведены в нормах. Эти требования установлены для исключения опасности скалывания и раскалывания древесины, которая повышается по мере уменьшения их толщины (рисунок 5.1).

Конструктивные требования к нагельным соединениям:

1. Диаметр сверла для засверливания отверстий должен приниматься диаметром на 0,2-0,5 мм меньше, чем диаметр нагеля. Диаметр болтов более 24 мм не рекомендуется.

2. В растянутых стыках из брусьев и досок цилиндрические нагели размещают в два или четыре продольных ряда, симметрично оси действия усилия. Располагать

нагели в один или в три ряда не рекомендуется потому, что средний ряд при этом обычно попадает в сердцевинную плоскость, где вероятнее всего появление усушечных трещин. В бревнах допустимо шахматное (рисунок 5.1). Конструктивные требования по расположение в два ряда. Количество нагелей по обеим сторонам сдвига должно быть одинаковым.

Рисунок 5.1 – Конструктивные требования по расстановке нагелей

3. Расстояния между осями цилиндрических нагелей принимаются с учетом исключения возможности скалывания.

4. Диаметр гвоздей следует принимать не более 0,25 толщины пробиваемого элемента.

5. При определении длины защемления гвоздя не учитывается заостренная часть гвоздя длиной 1,5д, а также из длины гвоздя следует вычесть по 2 мм на каждый шов между нестрогаными соединяемыми элементами.

6. Если гвоздь пробивает элемент насквозь, то толщина последнего элемента уменьшается на 1,5d, так как происходит местное выкалывание древесины.

В настоящее время соединения на болтах и гвоздях являются основными видами нагелей для изготовления деревянных конструкций. Особенно эффективно применение гвоздевых соединений при изготовлении конструкций построечного изготовления. Наряду с обычными гладкими гвоздями применяются профилированные гвозди с различным рисунком профиля. Такие гвозди без изменения массы имеют большую площадь поверхности по сравнению с гладкими гвоздями. Вследствие этого увеличивается сопротивление выдергиванию, увеличивается площадь смятая древесины в гнезде гвоздя.

Расчет нагельных соединений. Как известно,в болтовых соединенияхметаллических элементов отношение длины болта к диаметру невелико, поэтому несущая способность нагеля определяется из расчета на смятые и срез. Изгибные напряжения в болте не имеют существенного значения. В нагельных соединениях деревянных элементов отношение длины нагеля к его диаметру значительно больше, в связи с чем нагель рассматривается как гибкий стержень, работающим на изгиб и неравномерно сминающим древесину в нагельном гнезде. Поэтому несущая способность нагеля на один условный шов сплачивания элементов определяется из условия смятая древесины и изгиба нагеля. Несущая способность нагеля из условия скалывания древесины не определяется, так как конструктивными требованиями по расстановке ригелей исключается возможность скалывания древесины. Расчетные формулы несущей способности нагеля приводятся с учетом характера воздействия внешних сил (рисунок 5.2). По этим признакам нагельные соединения различаются:

симметричные (двухсрезные, многосрезные); несимметричные (односрезные, многосрезные).

Рисунок 5.2 – Схемы соединений

Несущая способность нагельного соединения определяется в зависимости от диаметра нагеля, толщин соединяемых элементов и направления, прикладываемого нагелем усилия к волокнам древесины. Для гвоздей ориентация усилия к волокнам древесины. Не регламентируется.

Несущая способность нагельных соединений определяется. Из условия работы древесины на смятие и изгиба нагеля. Формулы по определению расчетной несущей способности на один шов сплачивания (условный срез) приведены в таблице, СП 64.13330.2011.

Для нагелей диаметром от 12 до 24 м, при направлении передаваемого нагелем усилия под углом к волокнам, в формулы расчета на смятые древесины в нагельном гнезде вводится коэффициент К из таблицы 21 СП 64.13330.2011. При расчете нагеля на изгиб расчетная несущая способность умножается на √к.

Таблица 1 - Припуски на фрезерование

Толщина доски, мм		Припуск Д/ при номинальной ширине
до 100	мм		100 – 150 мм	свыше 150 мм
До 30 мм	2 – 2,5		2 – 3	4 – 5
Свыше 30 мм	2,5 –			3 – 4	5 – 6

В соединениях элементов деревянных конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и температуры, расчетная несущая способность умножается на коэффициенты условий работы, учитывающие действие этих факторов.

Расчетное количество нагелей в соединении с каждой стороны стыка оп-ределяется по формуле:

где Т_min - меньшая расчетная несущая способность из условия смятая и изгиба нагеля, n_ш - количество швов сплачивания.

Соединения на нагельных пластинах. Для соединения элементов деревянныхконструкций толщиной более 70 мм используются нагельные пластины, предложенные В. Пискуновым. Пластины включают в себе основу из материалов различной жесткости и конструктивной формы, к которой прикреплены цилиндрические нагели, различной длины и диаметра. Закрепление нагелей на пластине осуществляется либо плотной посадкой в отверстия пластины, либо контактной сваркой к ее боковым граням или к стержневой основе. В зависимости от материала основы, на котором крепятся, нагельные пластины подразделяются:

М («мягкие») - из материалов с малым модулем упругости (фанера, ДВП, цементосодержащие материалы); Т («твердые») - из материалов с высоким модулем упругости (сталь, конструкционные пластмассы); С («гибкие») - из стержней, которым придается изогнутая форма в плоскости соединяемых элементов; А («армированные») - из материалов армированных сеткой с закреплен, ними на ней цилиндрическими нагелями.

Применение типов пластин обусловлено толщиной сплачиваемых элементов, конструкцией узлов и величиной усилий.

В зависимости от формы концевой части нагелей пластины подразделяются на гвоздевые (с заостренными нагелями); нагельные (с незаостренными нагелями).

Нагели рекомендуют изготавливать из стальной проволоки диаметром 5-8 мм. При внедрении в древесину, без предварительного рассверливания отверстий, используются пластины с заостренными нагелями.

Конструкции с соединениями на нагельных пластинах изготавливаются посредством запрессовки нагельных пластин в узловые сопряжения при сборке конструкции в целом либо при изготовлении отдельных сборочных элементов, в ча-стности, для сплачивания брусьев по высоте.

У изгибаемых составных по высоте деревянных балок сдвиговая прочность соединений на нагельных пластинах близка к прочности балок из цельной древесины.

Рисунок 5.3 – Разновидности нагельных пластин

Как вариант нагельных пластин используются металлические пластины с зубьями - дюбелями. В качестве накладок используется листовая углеродистая сталь толщиной 3-5 мм. Зубьями являются строительные дю6ели диаметром 4,5мм или диаметром 5,5 мм, длиной 60 мм. Дюбели устанавливаются в предварительно рассверленные отверстия, диаметр которых на 0,1-0,15 мм меньше, чем диаметр дюбеля. За счет использования легированной стали дюбели по сравнению с гвоздями имеют повышенное сопротивление изгибу, что при определенных условиях повышает несущую способность соединения. Поэтому соединения на нагельных пластинах с зу6ьями-дю6елями рекомендуют, прежде всего, в случаях, когда невозможна запрессовка и применяется забивка дюбелей вручную.