4. Средства соединения элементов деревянных конструкций
4.1. Общие сведения.
Для соединения элементов деревянных конструкций используют весьма своеобразные средства. По характеру работы эти средства соединения можно разделить на 6 групп:
1) врубки;
2) шпонки;
3) нагели;
4) связи, работающие на выдергивание;
5) растянутые связи;
6) клей.
В практике нашего строительства наиболее распространены нагели, клей и врубки, реже – шпонки и растянутые связи.
Основной недостаток всех видов соединения (за исключением клея) – большая податливость. Гвозди, например, обладают хорошей плотностью в период загружения, но дают больше деформации в процессе эксплуатации, находясь под расчетной нагрузкой.
Средства соединения деревянных элементов имеют ограниченную область применения, обусловленные специфическими их особенностями. Так, врубки и косые шпонки используют только для передачи усилий одного направления и преимущественно в конструкциях из брусьев или бревен, кольцевые и зубчатые шпонки- в дощатых сквозных конструкциях, клей – в дощатых конструкциях сплошных поперечных сечений.
Соединения на кольцевых шпонках, на пластинчатых нагелях и на клею применяют в конструкциях, которые изготовляют на заводах. Соединения на врубках и цилиндрических нагелях, особенно на гвоздях широко используют в конструкциях построечного изготовления. Соединения на врубках и на цилиндрических нагелях требуют наименьшей затраты рабочей силы на изготовление по сравнению со всеми остальными видами соединений.
4.2. Соединения на нагелях.
Нагелями называют стальные и деревянные вкладыши в форме цилиндра или пластинки, препятствующие смещению соединяемых элементов без распора последних. К цилиндрическим нагелям относят болты и штыри (стержни из круглой стали), а также проволочные гвозди. Значительно реже в строительстве встречаются дубовые цилиндрические нагели, трубки (обрезки газовых труб), глухари и шурупы.
В зависимости от способа постановки нагелей различают:
- нагели, закладываемые в приготовленные для них отверстия, соответствующие их полному размеру – болты, штыри, трубки, дубовые цилиндрические и пластинчатые нагели;
- нагели, забиваемые или завинчиваемые без предварительной подготовки гнезда – гвозди проволочные диаметром до 6 мм, некоторые виды стальных пластинок и тонкие шурупы диаметром не более 4 мм.
Работа нагелей весьма сложна и, в некоторой мере, напоминает работу клееного соединения.
При расчете нагельных соединений, так же как и болтовых, пренебрегают неравномерностью распределения сминающих напряжений по цилиндрическим поверхностям в направлении поперек оси нагеля и учитывают условные напряжения, отнесенные к диаметральному сечению и распределенные по нему равномерно.
Способ расчета нагельных соединений, принятый в практике нашего проектирования предусматривает проверку прочности соединений на смятие.
4.3. Размещения нагелей.
Прочность древесины на скалывание или раскалывание должна быть обеспечена надлежащим порядком размещения нагелей в соединениях. Нагели ставят в отверстия, заранее рассверленные на полный диаметр и полную глубину, в отверстия, рассверленные не полностью, или забивают без предварительной подготовки отверстий.
Сверлить отверстия рекомендуется электросверлом с направляющей рамой. Диаметр сверла назначают обычно равным диаметру нагеля. Вследствие упругих свойств древесины фактический диаметр отверстия оказывается немного меньше диаметра сверла, что и обеспечивает достаточную начальную плотность соединения.
Рис. 4.1. Размещение цилиндрических нагелей и гвоздей:
а - нагелей; б - гвоздей рядовое; в — шахматное; г — косыми рядами
При назначении минимального расстояния между гвоздями необходимо учитывать опасность раскалывания древесины, которое тем более вероятно, чем больше диаметр забиваемого гвоздя и чем тоньше пробиваемая доска.
Если с ≥ 10d (рис. 4.1.) S1 = 15d; с = 4d; S1 = 25d.
Значения S1 для промежуточных соотношений с:d можно принимать S1 = 15d; расстояние S2 ≥ 15d; S3 ≥ 4d или S3 ≥ 3d.
Для соединения элементов строительных конструкций обычно применяют гвозди d=4 мм ;длиной l=100 и 120 мм; d=5 мм ;длиной l=120 и 150 мм; d=6 мм ;длиной l=150 и 200 мм.
Дощато-гвоздевые спаренные прогоны (рис. 4.2) являются многопролетными неразрезными. Они состоят из двух рядов досок толщиной не менее 4 см, соединенных пластями при помощи гвоздей. Крайние пролеты этих прогонов, включая сечение над второй опорой, где действуют большие, чем в среднем, изгибающие моменты, усиливаются третьей доской. Они устанавливаются в скатных покрытиях поперек скатов с шагом не более 1,5 м и опираются на наклонные верхние кромки основных несущих конструкций и поперечных стен зданий так же, как и однопролетные брусчатые прогоны. Так же как и те, они крепятся к опорам от перемещений вниз по скатам покрытий.
Концы досок каждого ряда соединяются гвоздевыми расчетными стыками. Стыки соседних рядов досок располагаются по длине прогона вразбежку на расстояниях, равных 1/5 длин пролетов от опор там, где изгибающие моменты имеют значения, близкие к нулевым. При этом накладкой в каждом стыке является соседняя цельная доска. Между стыками соседние доски соединяются гвоздями через каждые полметра.
Рис. 4.2. Дощато-гвоздевые прогоны покрытий:
а - общий вид; б - стыки; в — расчетная схема; 1 - доски; 2 - гвозди
Дощато-гвоздевые прогоны применяют только в сочетании с настилами, например перекрестными, воспринимающими скатные составляющие нагрузок и предупреждающими возникновение косого изгиба, на который эти прогоны работают ненадежно. Дощато-гвоздевые прогоны требуют меньшего расхода древесины, чем брусчатые, но их изготовление значительно более трудоемко.
Дощато-гвоздевые спаренные прогоны работают и рассчитываются на изгиб от действия к скату покрытия равномерно распределенных нагрузок от собственного веса всех элементов покрытия g и веса снега s. При шаге прогонов В и угле наклона покрытия α эта нагрузка определяется из выражения:
q = (g /соs α + s)соs2 α·a.
Расчетной схемой дощато-гвоздевого прогона является горизонтальная многопролетная неразрезная шарнирно опертая балка с равными пролетами. Максимальные изгибающие моменты в ней возникают в сечениях над средними опорами, они принимаются равными М = q·l2/12 и над вторыми от концов прогона опорами М1 = q·l2/10.
Подбор сечения и проверка нормальных напряжений при изгибе производятся по максимальному моменту на промежуточных опорах с использованием формулы:
,
где М – расчетный изгибаемый момент;
Rи – расчетное сопротивление древесины изгибу (см. прил. 1).