Раздел iv. соединения элементов деревянных конструкций

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

§ 1.1. Основные виды соединений и предъявляемые к ним требования

Появление новых видов и методов изготовления сое­динений деревянных элементов обусловило значитель­ный прогресс в развитии деревянных конструкций в последние десятилетия. В современных деревянных конст­рукциях наряду с традиционными, вручную изготовляе­мыми соединениями, применяют новые соединения усо­вершенствованного типа.

Применяемый для нужд строительства лесоматериал в виде бревен и пиломатериала имеет максимальные размеры поперечного сечения 25—28 см и предельную длину 6,5 м. Вследствие ограниченности размеров дере­ва создание из него строительных конструкций больших пролетов или высоты невозможно без соединения от­дельных элементов.

Соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачивани­ем, а для увеличения их продольной длины — сращива­нием. Наряду со сплачиванием и сращиванием деревян­ные элементы могут соединяться в узлах конструкций под различными углами.

Необходимость правильного решения соединений от­дельных деревянных элементов для работы конструкции в целом объясняется еще и тем, что анизотропное строе­ние древесины проявляет свои отрицательные качества в большей степени в местах соединений.

Развитие соединений деревянных конструкций ведет свою историю еще от древних деревянных сооружений. Одними из первых стали применяться соединения, в ко­торых усилия передавались от одного элемента другому непосредственно через контактные поверхности и вызы­вали в основном напряжения смятия (лобовые врубки, упор и др.). Использование таких соединений вело к большому перерасходу древесины. Позже, благодаря применению в соединениях рабочих связей, удалось пе редавать большие растягивающие усилия. Наконец, важной ступенью развития отдельных элементов и дере­вянных конструкций в целом стало возникновение кле­евых соединений. Этому способствовало создание но­вых отраслей химической промышленности по про­изводству синтетических полимерных материалов и строительных клеев на их основе.

Применение того или другого вида соединений опре­деляется видом всей конструкции, в некоторых случаях можно использовать различные виды соединений в одной конструкции.

Преимущество цельной древесины по стоимости по сравнению с клееной делает целесообразным ее приме­нение практически во всех случаях, где позволяют запа­сы природной древесины или возможно ее использование на обычных (неклееных) соединениях. Применение до­щато-клееных конструкций рационально в тех случаях, когда требуется большое поперечное сечение элементов, когда необходимо свести к минимуму количество метал­лических вкладышей, для увеличения огнестойкости, уменьшения воздействия химически агрессивных сред или в случае, когда предъявляются особые требования к архитектурной выразительности сооружения. Фанера, древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты и другие листовые материалы применяют в качестве об­шивок и присоединяют к деревянному каркасу клеем или различными рабочими связями.

Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий разделяются на следующие виды: 1) соединения, в которых усилия передаются не­посредственным упором контактных поверхностей соеди­няемых элементов, например примыканием в опорных частях элементов, врубкой и т. д.; 2) соединения на ме­ханических связях; 3) соединения на клеях.

Механическими в соединениях 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 пластинки и металлические зубчатые пластинки. Исполь зование механических связей усовершенствованного ти­па расширяет возможность применения конструкций из цельной древесины, а также упрощает сборку клееных конструкций на строительной площадке.

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.

Несущая способность и деформативность деревянных конструкций в целом зависит в большей мере 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.

Скалывание и разрыв вдоль и поперек волокон отно­сятся к хрупким видам работы древесины. В отличие от работы строительной стали в древесине не происходит в этих случаях пластического выравнивания напряжений. Для того чтобы уменьшить опасность последовательного, по частям, хрупкого разрушения от скалывания или раз­рыва в растянутых элементах деревянных конструкций, приходится обезвреживать природную хрупкость древе­сины вязкой податливостью работы их соединений. К на­иболее вязким видам работы древесины, характеризуе­мой наибольшим количеством работы прочного сопро­тивления, относится смятие. Другими словами, требование вязкости, предъявляемое к соединениям всех видов элементов деревянных конструкций, сводится к требованию обеспечения выравнивания напряжений в параллельно работающих брусьях или досках, использо­ванием вязкой податливости работы древесины на смя­тие, прежде чем могло бы произойти хрупкое разруше­ние от разрыва или скалывания.

Для придания вязкости соединениям растянутых де­ревянных элементов как правило используют принцип дробности, позволяющий избежать опасности скалыва-

древесины увеличением площади скалывания. К при­меру, применение вместо одной сосредоточенно прило­женной связи (чрезмерно жесткой для досок толщиной 5 см) несколько рассредоточено (дробно) приложенных вязкоподатливых связей при одинаковой затрате стали намного увеличивает несущую способность (рис. IV.1). Вязкость соединений сжатых деревянных элементов обеспечивается вязкой работой древесины на смятие. В сжатых стыках, решаемых простым лобовым упором, не приходится опасаться хрупкого разрушения древеси­ны, если приняты меры, предотвращающие раскалыва­ние древесины поперек волокон.

§ 1.2. Указания по расчету соединений

Расчетное усилие, действующее на соединение, не должно превышать несущей способности соединения. Сложное напряженное состояние в соединениях из-за наложения различных напряжений обусловливает опре­деление несущей способности соединения исходя из не­скольких условий. Несущая способность соединения определяется расчетом соединяемых элементов на смя­тие и скалывание с учетом угла между силой и направ­лением волокон в древесине. Кроме клеевых, соединения элементов деревянных конструкций практически невозможно сделать жесткими, поэтому при расчете деревян­ных конструкций необходимо учитывать податливость их соединений.

Из опыта эксплуатации деревянных зданий и соору­жений предельный относительный сдвиг между соеди­няемыми элементами ограничивается 1,5 — 2 мм. Усилие, которое вызывает предельный сдвиг, принимают за не­сущую способность соединения, если оно меньше несу­щей способности соединения, определенного из условий смятия и скалывания. Клеевые соединения при расчете конструкций следует рассмартивать как неподатливые.

Передача сил от одного соединяемого элемента дру­гому осуществляется непосредственно через поверхность их контакта или через рабочие связи. Многочисленные исследования показали неэффективность применения в одном соединении различных типов рабочих связей, на­пример болтов и гвоздей. Увеличение несущей способно­сти соединения, не изменяя площади контакта соединя­емых элементов, может быть достигнуто установкой накладок и прокладок на нагелях, клеевыми соединени­ями и др. Сравнение различных соединений на примере (рис. IV.32) растянутого симметричного стыка (табл. IV Л) показывает, что наибольшей несущей способно­стью, приведенной к единице контактной поверхности, обладает клеевой шов. Наибольшую несущую способ­ность среди всех других соединений имеют нагели не­большого диаметра (до 5 мм), устанавливаемые в пред­варительно рассверленные отверстия с шагом, принятым как и для цилиндрических нагелей.

Расчет соединений сводится к определению действу­ющих на них усилий и сравнению их с несущей способ­ностью соединений Т.

Расчетную несущую способность соединений, работа­ющих на смятие и скалывание, следует определять по формулам:

Здесь rck — расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон (при расчете по максимальному напряжению), при­веденное в нормах; 1_СК — расчетная длина плоскости скалывания; е — плечо сил скалывания; β — коэффициент учитывает неравномер­ность распределения напряжений скалывания и зависит от вида скалывания. Если площадка скалывания располагается по одну сто­рону от места приложения сил, то имеет место одностороннее скалы­вание, при котором скалывающие напряжения концентрируются в начале площадки скалывания. Эпюра τ имеет несимметричное очер­тание, приближающееся к треугольному. В этом случае коэффициент β=0,25.

При промежуточном скалывании площадка скалыва­ния располагается между местами приложения сил (рис. IV.2). В этом случае наблюдается меньшая концентра­ция скалывающих напряжений. Для промежуточного скалывания β =0,1 25.

Рис. IV.2. Зависимость средне­го расчетного сопротивления скалыванию в соединениях

а — при врубке с одной стороны; б — то же, с обеих сторон

Увеличение длины площадки скалывания за пределами десяти глубин врезки в расчете на ска­лывание не учитывается, поскольку при допускае­мом нормами косослое скалывание может прои­зойти на длине l_Ск= = 10h_вр и при большей длине запроектированной площадки скалывания. Для того чтобы уменьшить опасное влияние растягивающих напряжений поперек во­локон и торцевых усушечных трещин на несущую способ­ность соединения длина площадки скалывания должна быть не менее l_ск≥3е. Во всех случаях требуется обес­печение прижима скалываемой части.

В промежуточных узлах сквозных деревянных конст­рукций глубина врубок не должна превышать 1/4 полной высоты или толщины элемента. В опорных узлах глуби­на врубки не должна превышать 1/3 полной высоты бру­са. Минимальная глубина врубки должна быть не менее: для брусьев 2 см; для бревен 3 см.

Силы трения между соединяемыми элементами, кото­рые оказывают разгружающее действие, в расчете сое­динений элементов деревянных конструкций как прави­ло не должны учитываться, за исключением случаев однократного, кратковременного (при аварии и монтаже) действия прижимающих сил.