Лекция 4. Часть 3. Деревянные конструкции

Соединения элементов деревянных конструкций

При создании деревянных конструкций часто приходится соединять бревна, брусья и доски между собой, т.к. исходный лесоматериал имеет наибольшие размеры поперечного сечения 25…28 см и предельную длину 6,5 м.

Различают соединения:

а) сращивания (или стыки) — для увеличения длины;

б) сплачивания— для увеличения размеров поперечного сечения;

в) узловые — для скрепления элементов под углом.

Соединения осуществляют большей частью специальными связями.

В зависимости от характера работы связей различают следующие виды соединений:

• Лобовые врубки;

• Нагельные;

• Гвоздевые;

• Клеевые.

• Все связи (кроме клеевых) являются податливыми, т. е. не обеспечивают полной монолитности соединения. Деформации возникают вследствие неплотностей, неизбежных при изготовлении, от усушки и смятия древесины и от изгиба связей.

• Развитие деформаций происходит по-разному. Во врубках большая часть деформации возникает сразу же при первом загружении, а в процессе эксплуатации деформация мало увеличивается.

• Нагельные соединения (особенно гвозди) обладают свойством ползучести: в начальный период деформация невелика, но со временем сильно возрастает.

• Если в одном сопряжении применены различные типы связей, то нельзя в расчете их учитывать одновременно, поскольку разные связи обладают неодинаковой податливостью и будут разрушаться сначала более жесткие, затем более податливые.

• Соединения на лобовых врубках

• Врубки — соединения, в которых усилия от одного элемента к другому передаются непосредственно через площадки смятия и скалывания, а специальные рабочие связи отсутствуют (но для восприятия монтажных нагрузок и случайных ударов почти всегда ставятся вспомогательные металлические крепления: болты, скобы, хомуты, штыри и т.п.).

• Название сохранилось со старины, когда врубки полностью выполнялись лишь топором, без пилы (появившейся только при Петре I). Известно множество разнообразнейших врубок, но большая часть их не применяется из-за большой трудоемкости и ненадежности.

• В несущих конструкциях теперь используются лишь лобовые упоры, лобовые врубки с одним зубом, врубки с подушками, в ограждающих конструкциях применяются врубки — «в обло», «в лапу» — для бревен, «в шпунт», «в четверть» — для досок и др.

• Лобовые упоры — самые простые и надежные соединения: сжатый элемент своим торцом попросту упирается в опору. Опорой может служить каменная, бетонная кладка (рис. а) или другой деревянный элемент (рис. б). Конец примыкающего сжатого элемента надо обрезать под прямым углом к оси.

• Чаще всего с помощью лобовых упоров решаются соединения двух деревянных элементов — стыки свай и стоек, узлы сопряжения стоек с насадками, узлы сопряжения подкосов с ригелем и др.

• - на скалывание

• N_с cos   F_ск R_{cк ср} ,

• где N_с – расчетное усилие в примыкающем элементе;

• F_см – расчетная площадь смятия;

• R_cм  - расчетное сопротивление материалами смятию под углом  к направлению волокон;

• F_ск – расчетная площадь скалывания;

• R_{cк ср} – расчетное среднее сопротивление по площадке скалывания

• Нагельные соединения

• Нагелями называются вкладыши, препятствующие взаимному сдвигу сплачиваемых элементов, при этом сами нагели работают преимущественно на изгиб.

• Нагели бывают цилиндрическими и пластинчатыми.

• Цилиндрическими нагелями называют вкладыши в виде цилиндра, которые препятствуют смещению соединенных элементов (болты, штыри, гвозди).

• Для конструкций, эксплуатируемых в агрессивной среде, нагели изготовляют из алюминиевых сплавов, пластмасс, дуба.

• Штыри и болты закладывают в плотные гнезда (диаметр отверстия равен диаметру нагеля), просверленные электросверлами сразу через весь пакет сплачиваемых элементов.

• Гвозди (диаметр которых не превосходит 6 мм) забивают в цельную древесину.

• Шурупы и глухари завинчивают в предварительно просверленные отверстия меньшего диаметра.

• Нагели работают на изгиб, древесина – на смятие. Различают – одно-, двух- и много- срезные соединения.

• Нагель работает как балка в сплошной упругопластической среде. Разрушение нагельного соединения может произойти в результате изгиба нагеля, смятия древесины нагельного гнезда, скалывания и растяжения поперек волокон древесины между отверстиями (из-за распирающего действия радиальных сминающих напряжений).

• Пластинчатые нагели — стальные и деревянные (обычно из дуба или антисептированной березы) используют для балок составного сечения. Пластинки (или шпонки) препятствуют взаимному сдвигу брусьев и заставляют оба бруса работать как единое целое.

• Направление волокон в пластинчатых нагелях обязательно должно быть перпендикулярно шву сплачивания, иное положение не допускается.

• Клеевые соединения

• Склеивание деревянных деталей применялось уже много веков, но лишь в последние годы разработаны водо- и биостойкие строительные клеи, обеспечивающие прочность клеевого шва на сжатие и скалывание не ниже прочности древесины (работа клеевых швов на растяжение не допускается). Создание надежных клеев (на основе синтетических смол) для деревянных конструкций имеет столь же революционное значение, как появление сварки для стальных конструкций.

• В качестве клея используется – фенолформальдегидные и карбамидные клеи.

• Расчет клеевых соединений не требуется, так как прочность соединения выше прочности древесины первого сорта.

• Недостаток клееных конструкций - необходимость изготовления их в заводских условиях при тщательном контроле за правильностью технологии. Монтажные клеевые соединения сложны.

Преимущества клееных конструкций:

1. из досок небольших размеров можно склеить элементы любой длины с поперечными сечениями любой формы, высота сечений может измеряться метрами;

2. в них отсутствуют ослабления врубками и врезками, нет сдвигов в швах;

3. изготовление клееных конструкций в заводских условиях легко автоматизируется и поэтому нетрудоемко;

4. при склеивании можно использовать короткомерные и пониженного качества лесоматериалы (после вырезки значительных пороков с последующим стыкованием);

5. металлоемкость клееных конструкций весьма незначительна;

6. вследствие массивности сечений клееные элементы обладают высокой огнестойкостью.