13. Расчет соединений элементов конструкций. Общие указания. Влияние угла наклона волокон древесины к нагелям и его учет в работе.

Р асчёт соединений сводится к определению действующих на них усилий и сравнению их с несущей способностью соединений Т (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Врезки в элементах соединений

а - несимметричная; б - симметричная; в, г - схемы скалывания в соединениях

Расчётную несущую способность соединений определяют по формулам:

а) из условия смятия (сжатия) древесины

кН;б) из условия скалывания древесины

кНгде - расчётное сопротивление древесины к смятию под углом к направлению волокон; F_cM- расчётная площадь смятия;R_CK^cp- расчётное среднее по площадке скалывания сопротивление древесины скалыванию вдоль волоконR_ck^cp=R_ck/(1+βl_ck/e) Здесь R_CK - расчётное сопротивление скалыванию вдоль волокон (при расчёте по максимальному напряжению); - расчётная длина плоскости скалывания: е – плечо сил скалывания, принимаемое равным 0,5h при расчёте элементов с несимметричной врезкой в соединениях без зазора между элементами и е=0,25h при расчёте симметрично загружаемых элементов с симметричной врезкой;F_CK - расчётная площадь скалывания; β - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений скалывания.

При условии обжатия по плоскостям скалывания β принимается равным:

а) при расчёте на скалывание растянутых элементов соединений с односторонним расположением площадки скалывания β =0,25 (рис. 4.5, а),

б) при расчёте на скалывание сжатых элементов соединений с промежуточным расположением площадки скалывания β =0,125 (рис. 4.5, г).

Длину площадки скалывания назначают не более 10h_вр и не менее 3е (3е≤l_CH≤10h_kp). Это обеспечивает учёт косослоя, влияние растягивающих напряжений поперёк волокон и торцевых усушечных трещин. Минимальную глубину врубки назначают не менее 2см для брусьев, 3см – брёвен.

Р азрушающее действие трения при расчёте соединений элементов деревянных конструкций, как правило, не должно учитываться, за исключением случаев однократного, кратковременного действия прижимающих сил. Коэффициенты трения k_тр=0,2-0,6.

Рис. 4.5 Опирание стоек на гори­зонтальный дере­вянный элемент а — фиксацией с помощью цилиндрических нагелей (1); б— то же, металлическими уголками (2); в — с подкладкой из твердых пород древесины (3); г — то же, из стального швеллера (4); д — с деревянными вставками (5); на болтах (6)

С опряжения на нагелях Нагелями называются стержни или пластинки препятствующие взаимному сдвигу сплачиваемых элементов деревянных конструкций и работающие в основном на изгиб. Чаще всего нагели изготавливают в виде простых стержней круглого сечения из стали, твёрдых пород древесины и из пластмасс. Нагели ставят в гнёзда, предварительно просверленные перпендикулярно плоскостям сплачивания.

В зависимости от характера приложения сил и количества пересекаемых нагелем рабочих швов сплачивания различают соединения: симметричные (а) – двух- и многосрезные и несимметричные (б) – одно- и многосрезные (рис. 4.12, 4.13).

Рис. 4.12 Нагельные соединения

а - симметричные; б - несимметричные

Если несущую способность нагеля привести к одному срезу, т.е. отнести её к одному рабочему шву, пересекаемому нагелем, то расчётное количество нагелей определяется по следующей формуле:

где N – расчётное усилие, действующее в растянутом стыке, кН(кг);n_cp- количество срезов нагеля, т.е. число швов, которое они пересекают; T_H- наименьшая расчётная несущая способность одного среза нагеля, кН

Рис. 4.13 Нагельные соединения со стальными накладками

а - на болтах; б - на глухих цилиндрических нагелях

Расстановка нагелей

Можно найти такие минимальные расстояния, при которых несущая способность по скалыванию и раскалыванию будет превышать несущую способность нагеля по его изгибу и смятию древесины нагельного гнезда. Тогда несущая способность нагеля вычисляется только из условий изгиба нагеля и смятия древесины нагельного гнезда.

О пределение расчётной несущей способности одного среза нагеля Два метода расчёта несущей способности нагеля: теоретический –нагель рассматривается как балка, лежащая на упругом или упруго-пластическом основании и экспериментально-теоретический, когда задают эпюры напряжений смятия по толщине элементов, а нагель также рассматривается как стержень, работающий в упругопластической среде. Расчётные формулы из условия изгиба нагеля в общем виде имеют следующий вид: а) полная несущая способность

б) увеличивая толщину или то же самое длину нагеля, уменьшаем максимальный момент, тем самым увеличиваем несущую способность нагеля. При этом Расчётные формулы из условия смятия элементов, примыкающих к шву: гдеk_u, k₁, k₂, k₃ -– коэффициенты;a– толщина крайнего элемента, см;с – толщина среднего элемента, см; d_H– диаметр нагеля, см; R_CM – расчётное сопротивление смятию древесины нагельного гнезда, МПа (кгс/см²); условно принимается постоянным для всех диаметров нагеля; R_и– условное сопротивление нагеля изгибу; R_u=M_пред/W_H

где W_H=Пd_H³/32 Коэффициент k_aв этих формулах учитывает уменьшение несущей способности нагеля при действии усилия под углом α к направлению волокон древесины; он также зависит от диаметра нагеля. Чем меньше диаметр нагеля, тем сильнее сопротивление смятию древесины нагельного гнезда.

2. Виды пластмасс применяемых для строительных, ограждающих и несущих конструкций.

Пластмассы и полимеры снижают массу несущих конструкций и эффективно используются в ограждающих (плитах и стеновых панелях), в пространственных конструкциях. Применение пластмасс эффективно в многослойных плоских и криволинейных ограждающих конструкциях, в пространственных конструкциях, т.к. большинство пластмасс имеют низкий модуль упругости. Полимеры бывают природными: целлюлоза, натуральный каучук, белки и природные смолы. и синтетическими: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, смолы: фенолформальдегидные, карбамидные, полиэфирные и др. В сочетании с наполнителем полимер составляет пластик. В качестве наполнителя используются материалы: стекловолокно, древесный шпон или отходы древесины, ткани, прочная бумага и т. д. Стекловолокно и древесный шпон используются для получения конструктивных пластмасс – стеклопластиков и древесно-слоистых пластиков. В пластмассах для придания им тех или иных свойств могут присутствовать различные добавки: гипс, сажа, цемент, красители и т. п. Пластмассы делятся на две группы: термопластичные получаются на основе поливинилхлорида, полиэтилена, термопластичных смол (полиамидных, акриловых и др.). Термопласты при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении снова отвердевают и термореактивные получаются на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, и др. термореактивных синтетических смол. Они после формования переходят в неплавкое, нерастворимое состояние. Стеклопластики состоят из стекловолокнистого наполнителя и связующего и подразделяются по виду стекловолокнистого наполнителя, по виду связующего и по способу изготовления.

Рис. 2.6 Стеклопластики:

а — стеклопластик — 1; б — стеклопластик — 2 плоский; в — стеклопластик — 2 волнистый; 1 — непрерывное стекловолокно; 2 — рубленое стекловолокно; 3 — поперечные волны; 4 — продольные волны; 5 — сечение волны

Стеклопластики делятся на следующие группы:

1. Стеклопластик типа СВАМ.

2. Стеклопластик АГ-4 двух марок В и С.

3) Стеклопластик полиэфирный

4) Стеклотекстолит КАСТ-В

Термопласты - полиметилметакрилат (оргстекло), винипласт (поливинилхлорид), полиэтилен и др.

Важными свойствами оргстекла являются его высокая ударная прочность и способность пропускать видимые и ультрафиолетовые лучи света .Недостатками оргстекла являются низкая поверхностная твердость и абразивная стойкость, малая теплостойкость и подверженность процессам старения.Оргстекло применяется для светопрозрачных стеновых и кровельных панелей, теплиц и парников, светопрозрачных конструкций криволинейного очертания - сводов, куполов, оболочек фонарей и т. д.Винипласт – жесткий термопластичный материал, получаемый на основе поливинилхлоридной смолы.Винипласт выпускается трех типов: 1) ВН – непрозрачный натурального цвета или окрашенный; 2) ВП – прозрачный бесцветный или окрашенный; 3) Нетоксичный, используемый в тех случаях, когда он соприкасается с продуктами. Он имеет высокую механическую прочность, химическую стойкость к агрессивным средам, эластичность. Недостатками винипласта являются ползучесть и малая морозостойкость. Полиэтилен представляет собой твердый белый роговидный продукт. Из полиэтилена изготовляют трубы и арматуру к ним, профильные изделия, болты. Древесные пластики – материалы, полученные путем соединения синтетическими смолами продуктов переработки древесины. Относятся: древеснослоистые пластики (ДСП), древесноволокнистые плиты (ДВП) и древесностружечные плиты.

1. ДСП состоит из тонких листов сухого шпона, пропитанного и склеенного синтетическими клеями под высоким давлением и температурой. Прочность пластиков ДСП выше прочности древесины

2. ДВП изготовляют из раздробленной и растертой до волокон древесины, склеенной канифольной эмульсией, а для сверхтвердых плит добавляют фенолформальдегидную смолу.

3. Древесностружечные плиты получают горячим прессованием древесных стружек, пропитанных синтетическими термореактивными смолами. По конструкции плиты делятся на сплошные, пустотелые, многослойные, облицованные и необлицованные.

Ткани и армированные пленки применяются в пневмоконструкциях. Они должны удовлетворять требованиям: обеспечивать прочность и долговечность, воздухо- и влагонепроницаемость, прошиваемость или склеиваемость.Ткани, прорезиненные капроновые однослойные применяются для воздухоопорных конструкций, двух- и трехслойные - для сильно напряженных пневмокаркасных конструкций. Пленки изготовляются из термопластов – полиэтилена, полиамида, полиэфира. Для повышения прочности и снижения деформативности пленки армируют тканевыми сетками из капрона, лавсана, стекловолокна. Для устройства среднего слоя в трехслойных плитах применяют пенопласты и сотопласты. Пенопласты имеют пористую структуру с замкнутыми порами, легкие. Сотопласты изготовляются в виде сот из бумаги, тканей, различных листовых материалов, стеклоткани. Ленты требуемой ширины склеивают друг с другом в шахматном порядке. Для упрочнения стенок сотопластов материал может пропитываться смолами.