1. Соединения деревянных конструкций

Соединения являются наиболее ответственными частями дере­вянных конструкций. Для создания большинства строительных конструкций деревянные элементы должны быть прочно и на­дежно соединены между собой. Соединение элементов по длине называют сращиванием, по ширине — сплачиванием, под углом и прикрепление к опорам — анкеровкой.

При изготовлении многих соединений в элементах конструк­ций делаются отверстия и врезки, ослабляющие их сечения и повышающие деформативность. Разрушения деревянных конст­рукций в большинстве случаев начинаются в соединениях. Таким образом, от правильного решения, расчета и изготовления со­единений зависят прочность и деформативность конструкций в целом. Анизотропия строения, малая прочность древесины при скалывании, растяжении поперек волокон и смятии являются причиной многообразия типов соединений деревянных конст­рукций.

Наиболее просто и надежно решаются конструкции соедине­ний сжатых деревянных элементов, в которых усилия передаются непосредственно от элемента к элементу и не требуется спе­циальных рабочих связей. Сложнее решаются соединения изги­баемых элементов, в которых для передачи усилий необходимы рабочие связи. Наиболее сложно осуществляются соединения растянутых элементов, так как в них имеется опасность хрупкого разрушения древесины по ослабленным сечениям, а также воз­можность скалывания и растяжения поперек волокон. Примене­ние в соединениях растянутых элементов податливо работающих связей уменьшает опасность их хрупкого разрушения. Сложность соединений растянутых деревянных элементов приводит в ряде конструкций к замене их на стальные.

По характеру работы, все основные соединения деревянных конструкций могут быть разделены на следующие группы:

а) без специальных связей, требующих расчета, — лобовые упоры и врубки;

б) со связями, работающими на сжатие, — шпонками и колодками;

в) со связями, работающими на изгиб, — болтами, стержнями, гвоздями, винтами и пластинками;

г) со связями, работающими на растяжение, — болтами, винтами и хомутами;

д) со связями, работающими на сдвиг-скалывание, — клеевыми швами.

В связи с тем, что одни и те же связи входят в разные груп­пы, удобно изучать соединения деревянных конструкций в сле­дующем порядке:

- соединения без специальных связей; с ме­таллическими связями;

- с клеевыми связями;

- с деревянными связями.

Клеевые соединения, наиболее прогрессивные и техно­логичные, являются основными соединениями при заводском из­готовлении клеедеревянных конструкций. Соединения, не требую­щие специальных связей, и металлические могут применяться при изготовлении деревянных конструкций в любых условиях, как на специальных заводах, так и в условиях строительных площадок. Соединения с деревянными связями требуют значи­тельных затрат ручного труда, поэтому они применяются редко. По характеру работы соединения деревянных конструкций делятся также на податливые и жесткие. Податливые соединения изготовляются без применения клеев. Деформации в них возни­кают в результате неплотностей, образующихся при изготовле­нии, от усушки и смятия древесины, особенно поперек волокон и от изгиба связей. Величина этих деформаций при длительном действии нагрузок в соединениях, где древесина работает попе­рек волокон, принимается равной, 3 мм, в остальных случаях - 1,5...2 мм. Они учитываются при определении прогибов конст­рукций.

В большинстве соединений деревянных конструкций, кроме клеевых, в результате действия сжимающих сил или начального обжима, например при постановке болтов, возникают между со­единяемыми элементами силы трения, которые уменьшают уси­лия в связях. Однако эти силы в результате знакопеременности усилий, усушки древесины и ослабления начальных натяжений болтов могут снизиться до нуля и поэтому расчетом не учиты­ваются. Они учитываются только при кратковременном действии сжатия с коэффициентами трения пласти по пласти 0,2 и торца по пласти 0,3 и когда они вызывают дополнительные напряже­ния с коэффициентом трения 0,6. Жесткие клеевые соединения такой податливости не имеют. Расчет соединений деревянных конструкций по прочности производится на основе методики, изложенной в лекции № 22.

В соединениях без специальных связей действуют незначи­тельные усилия или усилия передаются непосредственно от од­ного элемента другому. Они не требуют специальных связей, работающих и подлежащих расчету. К таким соединениям от­носят конструктивные врубки и лобовые упоры.

Конструктивные врубки (рис. 1) являются соединениями, в которых возникают усилия, намного меньшие их несущей спо­собности, и они не нуждаются в расчете. В деревянных конструк­циях наибольшее применение находят конструктивные соедине­ния в четверть, в шпунт, в полдерева и косой прируб.

Рис. 1. Конструктивные врубки: а — врубка в полдерева; б — косой прируб; в — сплачивание в четверть; г — сплачивание в шпунт

Соединение в четверть представляет собой сплачивание до­сок кромками по ширине. Для этого в них механически образу­ются односторонние пазы глубиной, несколько большей их тол­щины, в которые входят односторонние выступы соседних досок. Обшивки наружных стен из досок, соединенных в четверть, пре­пятствуют продуванию стен ветром и проникновению в них атмо­сферных осадков. Сосредоточенные нагрузки в таких обшивках распределяются на две соседних доски.

Соединение в шпунт представляет собой сплачивание досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезаны двусторон­ние пазы, а в другой — один средний паз — шпунт, равный при­мерно трети толщины, в который входит образовавшийся вы­ступ — гребень соседней доски или бруса. Настилы из досок, соединенных в шпунт и гребень, препятствуют просыпанию за­сыпок перекрытий и обеспечивают совместную работу досок или брусьев на изгиб.

Врубка в полдерева представляет собой соединение концов брусьев или бревен с вырезками до половины их толщины, стя­нутое конструктивным болтом. Так, например, соединяются кон­цы стропильных ног в коньке крыш.

Косой прируб представляет собой продольное сращивание брусьев или бревен, в концах которых сделаны односторонние наклонные вырезки длиной, равной удвоенной высоте сечения с торцами, и высотой, равной 0,15 высоты сечения. Косые прирубы стягиваются конструктивными болтами и применяются для со­единения прогонов и балок по длине.

Лобовые упоры (рис. 2) являются наиболее простыми и надежными соединениями и применяются в большинстве видов деревянных конструкций для крепления сжатых элементов. Они работают и рассчитываются на смятие, возникающее в них от действия продольных сжимающих усилий. На растяжение они работать не могут. Расчет их производится по формуле (15).

Рис. 2. Лобовые упоры: а – продольный вдоль волокон древесины; б – поперечный поперек древесин; в – наклонный под углом к волокнам;; 1 – элементы; 2 – стяжные болты; 3 – накладки; 4 – стальные крепления; 5 – опора; 6 – штырь: 7 – эпюры напряжения смятия; угол смятия.

Продольный лобовой упор — это соединение обрезанного под прямым углом сжатого стержня с опорой или с диафрагмой опорного башмака или с таким же стержнем в сжатом стыке. В стыке лобовой упор скрепляется двусторонними конструк­тивными деревянными накладками толщиной не менее трети толщины стержней и длиной не менее трех высот сечения и стяги­вается конструктивными болтами. В продольном лобовом упоре древесина работает на смятие вдоль волокон и имеет наиболее высокое расчетное сопротивление смятию, равное расчетному сопротивлению сжатию . В большинстве случаев напряжения смятия в продольных лобовых упорах достигают значительной величины и требуют проверки прочности по формуле (15) в тех случаях, когда на смятие работает только часть площади торца элемента.

Поперечный лобовой упор — это соединение двух стержней под прямым углом, когда торец сжатого элемента упирается в пласть другого и закрепляется неработающими связями. Так, например, соединяются стойки с верхними и нижними горизон­тальными элементами каркаса. В таком соединении древесина торца стойки работает на смятие вдоль волокон, а древесина пласти горизонтального элемента — поперек волокон. Это соеди­нение рассчитывается только по меньшей прочности древесины поперек волокон по формулам (13) и (15).

Наклонный лобовой упор представляет собой соеди­нение концов двух сжатых элементов, оси которых расположены под углом ос друг к другу. При этом торец одного элемента мо­жет быть перпендикулярным его оси или торцы обоих элементов наклонены к их осям (рис. 2, в). Так, например, соединяются стержни стропил и подкосных рам. В этих соединениях необхо­димо проверять прочность древесины при смятии торцов только расположенных под углом к осям элементов. Расчет производится по формулам (14) и (15).

Соединения со стальными связями — это соединения деревян­ных элементов, в которых действующие в них усилия передаются при помощи стальных болтов, стержней, гвоздей, винтов, хому­тов, зубчатых пластинок и других изделий. Наиболее распростра­ненными стальными связями являются болты и гвозди.

Болты представляют собой стандартизованные изделия, из малоуглеродистой стали марки С38/23. Болты, применяемые в деревянных конструкциях, изготовляются без точной обработки и называются черными. Они отличаются большой длиной, соответ­ствующей значительным размерам сечений деревянных элемен­тов, и имеют толстые квадратные шайбы, необходимые для рас­пределения усилия в болте на достаточную площадь древесины, работающую на смятие. Размеры сечений болтов приведены в таблице 1. Наибольшее распространение получили болты с диа­метрами 12, 16 и 20 мм (табл. 1).

Таблица 1

Рекомендуемый сортамент болтов

Диаметр, мм		Площадь сечения, см2		Размеры квадратных шайб стяжных болтов, мм
по стержню	по нарезке	по стержню	по нарезке	ширина	толщина
12	9,7	1,13	0,74	45	4
16	13,4	2,01	1,41	55	4
20	16,7	3,14	2,18	70	5
24	20,1	4,52	3,16	90	7
27	23,1	5,72	4,18	100	8
30	25,4	7,06	5,06	-	-
36	31,2	8,30	7,44	-	-

Для постановки болтов в соединяемых элементах просвер­ливаются отверстия такого же диаметра, что и болты. Для на­дежного совпадения отверстий при сборке конструкций сверлить отверстия рекомендуется одним проходом сверла через соединяе­мые элементы или в отдельных элементах по шаблонам. Болто­вые соединения бывают со стяжными, растянутыми и изгибаемы­ми болтами.

Соединения со стяжными болтами служат для плотного со­единения отдельных элементов при их поперечном сплачивании и в некоторых узлах конструкций. В них могут возникать лишь незначительные усилия, поэтому их расчет не требуется. Сечения стяжных болтов устанавливаются по конструктивным соображе­ниям. Диаметр стяжных болтов должен быть не меньше 12 мм и не менее 1/20 общей толщины соединяемых элементов. Шайбы стяжных болтов допускаются не менее 3,5 их диаметра толщиной до 0,25 диаметра. В первые годы эксплуатации конструкций в результате усушки древесины их натяжение нередко ослабевает, и они нуждаются в подтяжке.

Соединения с растянутыми болтами применяются при анкер­ном креплении деревянных конструкций к опорам, при подвеске к конструкциям перекрытий и оборудования и в узловых соеди­нениях. Они работают и рассчитываются на действующие в со­единениях растягивающие силы от расчетных нагрузок (рис.3). Болт рассчитывается на растяжение по площади сечения, ослаб­ленной нарезкой:

(1)

где — расчетное сопротивление стали, R = 235 МПа; 0,8 — коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в зоне нарезки.

По этой же формуле, переписанной относительно тре­буемой площади сечения болта, с помощью табличных данных можно подобрать сечение болта.

Рис. 3. Соединение на растянутых болтах: а — болт; б — схема работы болта и древесины; г — схема работы шайбы; / — шайба; 2 — головка; 3 — стержень; 4 — гайка; 5 — эпюры напряжений

Древесина под шайбами болта должна быть проверена по прочности при местном смятии по формуле (15). По этой же формуле, переписанной относительно требуемой площади шай­бы , можно подобрать размеры сторон шайбы: Расчетное сопротивление древесины местному смятию под шай­бами, учитывая поддерживающее действие древесины, окружаю­щей шайбу, принимается = 4 МПа. Шайбы растянутых болтов работают и рассчитываются на изгиб от реактивного дав­ления сминаемой древесины, как квадратные пластинки шири­ной , опертые в центре на гайки болтов. При этом наибольший изгибающий момент М в среднем сечении шайбы, ослабленном отверстием, диаметром d и требуемую толщину шайбы можно приближенно определить из выражений: ; ;

Аналогично рассчитываются тяжи сквозных конструкций круглого сечения с шайбами и гайками на концах, работающие на растяжение. Их максимальная гибкость не должна превы­шать 400. Если в соединении применено несколько тяжей, рас­четное сопротивление стали снижается с учетом коэффициен­та 0,85. При этом учитывается возможная неравномерность рас­пределения усилия между ними.

Соединения с изгибаемыми болтами относятся к классу так называемых нагельных (рис. 4), в которых связи (в данном случае болты) работают, главным образом, на изгиб и в незна­чительной степени на срез.

Эти соединения широко применяются в стыках и узлах деревянных конструкций, препятствуя взаим­ным сдвигам соединяемых элементов, причем усилия в них могут быть знакопеременными, сжимающими и растягивающими. Шай­бы этих болтов не воспринимают расчетных усилий и могут иметь такие же размеры, как и у стяжных болтов. От действия про­дольных сил в таком соединении по площади контакта болта со стенками отверстия в древесине возникают неравномерные по периметру и по длине напряжения смятия, а также растяже­ния поперек волокон между отверстиями. В результате реактив­ного давления древесины в болте возникают усилия изгиба и среза.

Расстановка болтов в соединении бывает прямая, шахматная и производится по правилам, исключающим опасность прежде­временного разрушения древесины от скалывания и растяжения поперек волокон. Расстояния между осями болтов вдоль волокон древесины и до торцов элемента должны быть не меньше 7d, а поперек волокон между осями — не более 3,5d и до кромок — 3d.

Рис. 4. Соединения на изгибаемых болтах: a — схемы расстановки; б — расчетные схемы; в — схема работы; / — прямая расстановка; 2 — шахматная; 3 — при стальных на­кладках; 4 — в соединениях под углом; 5 — симметричное двух-срезное; 6 — несимметричное односрезное; 7 — эпюра напряже­ний смятия древесины

Болтовые соединения могут быть симметричными, когда про­дольные силы действуют вдоль оси симметрии соединения, и не­симметричными, когда оси сил не совпадают с осями элементов. Соединяемые элементы могут располагаться на одной оси вдоль волокон древесины или под углом друг к другу. Швами, или срезами, в болтовых соединениях называются плоскости сдвига между элементами, от числа которых прямо зависит несущая способность соединения. Однако напряжения среза в сечениях болтов незначительны и не определяют их несущей способности. Например, наиболее распространенный болтовой стык растяну­тых элементов с двусторонними деревянными накладками является симметричным двух срезным соединением, а такой же стык с односторонней накладкой — несимметричным односрезным со­единением (см. рис. 4).

Расчет соединения на изгибаемых болтах производится на действие продольных сил N от расчетных нагрузок:

(2)

где — требуемое число болтов на половине соединения; пш -число срезов (швов); Т — наименьшая несущая способность бол­та в одном шве, которая определяется с учетом диаметра бол­та d (см), толщины среднего элемента с (см), толщины крайних элементов а (см), симметричности и угла наклона между элемен­тами, коэффициентом из следующих выражений по прочности:

- болта при изгибе при деревянных накладках

, кН;

- по прочности болта при изгибе при стальных накладках

, кН;

- среднего элемента при смятии

, кН;

- крайнего и более тонкого односрезного элемента при смятии

, кН;

- крайнего и более толстого односрезного элемента при смятии

, кН.

Коэффициент учитывает меньшую несущую способность болтового соединения на изгибаемых болтах под углом в резуль­тате меньшей прочности и большей податливости древесины при смятии под углом к волокнам. Они зависят от величины угла , диаметра болта d и принимаются по нормам. Например, при угле между элементами = 90° для болтов диаметрами d = 12, 16 и 20 мм соответственно =0,7, 0,6 и 0,55.

Болтовые соединения со стальными накладками применяются в узлах конструкций. Накладки делаются обычно двусторонними из листовой или уголковой стали. Расстояние от осей болтов до краев накладок должно быть не менее двух диаметров болтов вдоль и полутора — поперек направления действия сил. При стальных накладках болты работают на изгиб лучше ввиду их частичного защемления в отверстиях накладок.

Соединения с изгибаемыми стальными стержнями выполня­ются с применением гладкой арматуры класса A-I. Эти соеди­нения работают и рассчитываются так же, как и соединения с изгибаемыми болтами. Расставляются они по тем же правилам, что и болты. В болтовых соединениях с изгибаемыми болтами с целью снижения их стоимости 3/4 болтов могут заменяться такими стержнями. Короткие стальные стержни в соединениях со стальными накладками вставляются в несквозные отверстия в древесине. Они работают и рассчитываются как односрезные, симметричные изгибаемые связи и называются глухими на­гелями.

Подбор сечений болтов и стержней производится из условия, чтобы сумма допускаемых расстояний между ними и до кромок элемента, зависящих от их диаметра d, не превышала высоты сечения элемента h. Например, диаметр болтов d при расста­новке их в два продольных ряда в элементах с высотой сече­ния h должен быть не более .

Изгибаемые болты в соединениях деревянных элементов, ра­ботающих в химически агрессивных или влажных средах, могут изготовляться также из алюминия Д-16 и стеклопластика АГ-4С. Их расчетная несущая способность в одном срезе соединения соответственно равна и .

Гвоздевые соединения просты, но трудоемки и применяются в основном при небольшом объеме изготовляемых конструкций. Гвозди изготовляются из холоднотянутой, стальной проволоки в соответствии с ГОСТ 4028—63*. Острие гвоздя имеет четырех­гранную форму и длину, равную полутора диаметрам. Шляпка имеет диаметр, равный двум диаметрам гвоздя. Рекомендуемый сортамент гвоздей приведен в таблице 2.

Таблица 2

Рекомендуемый сортамент гвоздей

Диаметр, мм.	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6
Длина, мм.	70, 80	80, 90	100, 110	125	150	175	200

Наибольшее примене­ние в деревянных конструкциях находят гвозди

диаметром 3, 4, 5 и 6 мм и длиной соответственно 80, 100, 150 и 200 мм. Гвозди забивают в цельную древесину ударами ручного или пневмати­ческого молотка (табл. 2).

Гвоздь при забивке частично раздвигает и разрывает волокна древесины, образуя в ней отверстие с уплотненными стенками. Благодаря этому он прочно зажимается в древесине и хорошо сопротивляется выдергиванию, однако по этой же причине в ней возникают дополнительные напряжения растяжения поперек во­локон. Кроме того, малая изгибная жесткость гвоздей приводит к повышенной ползучести гвоздевых соединений. Поперечному расхождению стыков препятствуют стяжные болты.

Правила расстановки гвоздей в соединениях исключают опас­ность раскалывания древесины соединяемых элементов, которая повышается по мере уменьшения их толщины, и поэтому диа­метр гвоздей должен быть не больше четверти толщины эле­ментов. Расстояние между осями гвоздей диаметром d вдоль волокон древесины соединяемых элементов должно быть не ме­нее: от торцов — I5d, между осями в элементах толщиной, рав­ной и большей , между осями в элементах толщиной , а в элементах промежуточной толщины это расстояние принимается по интерполяции. Расстояние между осями гвоздей поперек волокон и до кромок элементов должно быть при прямой расстановке не менее 4d, при шахматной и косой расстановке не менее 3d (рис. 5).

Рис. 5. Соединения на изгибаемых гвоздях: а — схемы расстановки; б — расчетные схемы; в — схема работы эпюры напряжений смятия древесины; 1, 2 — прямая и шахматная расстановка; 3 — в стальных на­кладках; 4 — в соединениях под углом; 5 — симметрич­ное двухсрезное; 6 — несимметричное односрезное

Соединение с конструктивными гвоздями применяют для крепления обшивок и настилов, в которых гвозди не несут рас­четных усилий и не рассчитываются.

Соединения с выдергиваемыми гвоздями (рис. 6) относят к классу соединений с растянутыми связями. Они применяются для крепления досок подшивок потолков, щи­тов перекрытий и опалубки железобетона. От действия нагрузок в них возникают растягивающие силы N, стремящиеся выдер­нуть гвозди из древесины элемента, к которому прибиты доски. Этому усилию сопротивляются силы трения между поверхностью гвоздей и окружающей древесиной.

Расчет гвоздя на выдергивание производится на действие растягивающей силы от расчетных нагрузок по формуле

, (3)

где — несущая способность гвоздя при выдергивании, МН; = 0,3 МПа — расчетное сопротивление сухой древесины вы­дергиванию из нее гвоздя поперек волокон; = 0,1 МПа - при сырой древесине, учитывая опасность появления трещин усушки в зоне гвоздя; d — диаметр гвоздя, м; —расчетная длина гвоздя, равная его общей длине , из которой исключены толщина прибиваемых досок (м), длина острия, равная 1,5 d (м), и ширина возможной щели, равная 0,2 см, между со­единяемыми элементами, м.

Требуемое число выдергиваемых гвоздей , необходимых для восприятия растягивающей силы N (МН) от расчетных нагрузок, определяется из выражения . Размеры вы­дергиваемых гвоздей подбираются из условий, чтобы расчетная длина гвоздя была не меньше и не меньше двойной толщины прибиваемых досок .

Рис. 6. Соединение на выдергиваемых гвоздях: а — гвоздь; б — схема работы и эпюра напряжений трения; в — деформа­ция древесины

Соединения с изгибаемыми гвоздями (рис. 5) относятся к тому же классу соединений с изгибаемыми связями, что и болтовые соединения с изгибаемыми болтами. Они приме­няются в стыках и узлах дощатых конструкций, препятствуя взаимным смещениям соединяемых элементов. Соединения с из­гибаемыми гвоздями работают и рассчитываются аналогично соединениям с изгибаемыми болтами — гвозди работают на изгиб, а окружающая древесина — на смятие, но с некоторыми особенностями.

Гвозди имеют повышенную по сравнению с болтами проч­ность, поскольку холоднотянутая проволока, из которой они из­готовляются, имеет более высокий предел текучести. Ввиду ма­лой толщины и плотного защемления в древесине несущая способность гвоздевых соединений не зависит от угла действия усилий по отношению к направлению волокон древесины соеди­няемых элементов и при расчете не учитывается. Если гвоздь пробивает все элементы насквозь, расчетная длина его при забивке элемента уменьшается на 1,5 см, создавая опасность отщепления крайних волокон при выходе острия. Если гвоздь не пробивает соединения насквозь, учитывается только глубина его защемления в последнем элементе, определяемая так же, как и у выдергиваемых гвоздей при условии, что она не ме­нее 4d. Несущая способность гвоздя в одном срезе по прочности при изгибе определяется из выражения кН, но не менее .

Несущая способность одного среза гвоздя по прочности дре­весины при смятии с среднего и а крайних элементов определя­ется по тем же выражениям, что и при расчете соединений на изгибаемых болтах. Несущая способность гвоздя в одном сре­зе Т является наименьшей из вычисленных значений.

Соединения с изгибаемыми гвоздями и стальными накладка­ми применяются в узлах некоторых конструкций. Гвозди при этом забиваются через отверстия, просверленные в стальных накладках. Это соединение по отношению к работе гвоздей явля­ется несимметричным и односрезным. Несущая способность гвоз­дя в одном срезе определяется из соответствующего выражения для болтовых соединений с учетом глубины его защемления в древесине а, а по его изгибу — с учетом его частичного защем­ления в отверстии накладки из выражения .

Винтовые соединения (рис. 7, а).

Винты представляют со­бой стандартизированные стальные изделия и состоят из головки, гладкой и нарезанной частей. Их диаметр d измеряется по глад­кой части. Винты диаметром меньше 12 мм называются шуру­пами. Они имеют сферические или плоские головки с прорезями для завертывания их в древесину отвертками. Винты диаметром 12 мм и более называются глухарями. Они имеют квадратные или шестигранные головки и завертываются в древесину клю­чами.

Рис. 23.7. Соединения на винтах: а — глухарь; б — шуруп; в — схема работы винтов на изгиб; г — то же, на выдергивание

Винты применяют для крепления стальных накладок и де­талей к деревянным элементам в узлах конструкций. Они завер­тываются через отверстия в стальных деталях в отверстие в дре­весине. Диаметр отверстия в древесине должен быть равным 0,8 диаметра гладкой части винта, для того чтобы нарезка пол­ностью врезалась в древесину.

В соединениях винты расставляются на больших расстояниях, чем болты. Вдоль волокон расстояния между их осями должны быть не менее десяти их диаметров — 10d, поперек волокон - не менее 5d, поскольку уменьшенный диаметр отверстия вызы­вает дополнительно напряжения растяжения древесины поперек волокон. Глубина защемления гладкой части винта должна быть не менее .

Соединения с выдергиваемыми винтами относятся к классу соединений с растянутыми связями. Винты здесь препятствуют отрыву от древесины стальных деталей, в которых действуют растягивающие силы. Выдергиванию винта сопротивляется, глав­ным образом, древесина стенок винтовых желобков, образован­ных нарезанной частью винта длиной , работающих на смятие. Благодаря этому расчетное сопротивление выдергиванию винтов выше, чем гвоздей, и составляет = 1 МПа. Несущая способ­ность винтов при выдергивании определяется по формуле (3).

Соединения с изгибаемыми винтами относятся к классу со­единений с изгибаемыми связями. Винты препятствуют смещению по поверхности деревянных элементов стальных накладок и де­талей при действии продольных сил N. При этом винты работают на изгиб, а окружающая древесина на смятие, как в несиммет­ричных односрезных болтовых соединениях со стальными наклад­ками. Несущая способность винта определяется, как и изгибае­мого болта при стальной накладке.

Соединения с хомутами относятся к классу соединений с рас­тянутыми связями. Они соединяют элементы, в которых дейст­вуют поперечные растягивающие силы N. При этом они могут иметь прямоугольную, полугнутую и гнутую формы. Поперечные элементы хомутов соединяются болтами. Поперечные элементы хомутов могут состоять из листовой или профильной стали. Болты хомутов работают и рассчитываются на растяжение, а поперечные элементы — на изгиб. На растяжение рассчитыва­ются также и гнутые хомуты. Древесина под хомутами работает и рассчитывается на смятие.

Соединения на гвоздевых пластинах выполняются при помо­щи стальных пластин прямоугольной формы толщиной 1...2 мм. Эти пластины имеют многочисленные односторонние острия, на­зываемые условно гвоздями (иногда когтями), которые обра­зуются методом штамповки. Они впрессовываются одновременно с обеих сторон соединяемых элементов при изготовлении конст­рукций, причем элементы могут располагаться параллельно или под углом. Преимуществами этих соединений являются быстрота и малая трудоемкость изготовления, а основным недостатком - невысокая несущая способность. Эти соединения воспринимают продольные растягивающие и сжимающие силы. При этом гвозди пластин работают на изгиб, древесина вокруг них — на смятие, а сама пластина — на растяжение или сжатие. Несущая способ­ность гвоздевых пластин определяется экспериментально. Гвоз­девые пластины применяются, главным образом, в конструкциях малых пролетов из досок.

Соединения со скобами относятся к классу конструктивных соединений. Скобы изготовляются из прутковой стали диаметром 3...16 мм и имеют П - образную форму с заостренными и зазубрен­ными концами. Они забиваются в цельную древесину и обеспе­чивают проектное положение соединяемых элементов из брусьев или бревен при сборке конструкций близ места их установки.

Клеевые соединения — это наиболее прогрессивные виды со­единений при заводском изготовлении клееных деревянных кон­струкций. Их основой являются конструкционные синтетические клеи. Эти соединения имеют ряд важных достоинств. Склеивание дает возможность из досок ограниченных размеров сечений и длин изготовлять клеедеревянные элементы несущих конструкций практически любых размеров и форм. Они могут быть прямыми и изогнутыми, постоянного, переменного и профильного сечений, высотой, измеряемой метрами, а длиной — десятками метров.

Клеевые соединения являются не менее прочными, чем реаль­ная древесина, монолитными и имеют столь малую податливость, что ее можно не учитывать при расчетах и считать клеедеревян­ные элементы как цельные. Клеевые соединения являются водо­стойкими. Они не подвержены загниванию и стойки против воз­действия ряда химически агрессивных сред, что обеспечивает долговечность клеедеревянных элементов. Эти соединения техно­логичны и их изготовление без особых затруднений механизи­руется и автоматизируется, требуя ограниченных трудозатрат. При склеивании можно использовать древесину маломерную и пониженного качества путем удаления значительных пороков с последующим стыкованием. Клееные соединения являются без­метальными, что важно для конструкций, эксплуатируемых в по­мещениях с химически агрессивными средами.

Однако изготовление клеедеревянных конструкций допускает­ся только в специально оборудованных цехах, отапливаемых, с кондиционированием воздуха и приточно-вытяжной вентиля­цией, для удаления вредностей, возникающих при приготовле­нии и применении клеевых растворов, и под строгим лаборатор­ным контролем.

Клеевые соединения применяются также для изготовления фанеры и склеивания древесины со стальными элементами. При склеивании клеедеревянных элементов несущих конструкций в настоящее время применяются клеи на основе термореактивных синтетических смол (фенолформальдегидной и резорциновой, а для склеивания древесины со сталью — эпок­сидной).

Клеевые стыки по их расположению и особенностям работы могут быть разделены на поперечные, продольные и угловые (рис. 8).

Стык по пластям (поперечный) представляет собой клеевое соединение досок пластями. Применяется для создания клеедеревянных элементов требуемой высоты сечения и для обеспечения их изогнутой формы по длине, поскольку пре­пятствует распрямлению изогнутых досок в элементе, восприни­мая скалывающие напряжения, а также при изгибе от нагрузок. Стык по кромкам представляет собой клеевое соединение досок кромками. Применяется при изготовлении клеедеревянных элементов с шириной сечений, большей, чем ширина отдельных досок. По высоте сечения эти стыки располагаются обыкновенно вразбежку. В этих стыках не возникает значительных скалы­вающих напряжений. Стык по пластям и кромкам представляет собой клеевое соединение пласти одной доски с кромкой другой. Он применяется при изготовлении клеедеревянных элементов тавровой, двутавровой и рельсовидной форм ма­лых сечений со стенками из досок на ребро. В нем тоже возни­кают напряжения скалывания при изгибе.

Рис. 8. Клеевые соединения: а — поперечные стыки; б — продольные стыки; в — угловой стык; / — стыки по пластям; 2 — по кромкам; 3 — по пласти и кромке; 4 — зубчатый шип; 5 — усовой стык фанеры; 6 — угловой зубчатый шип

Зубчатый шип представляет собой клеевое соединение концов досок по зубчатой поверхности в виде ряда острых клинь­ев, выходящих на пласти или кромки досок. Такая форма прида­ется концам досок наборной зубчатой фрезой на фрезерном стан­ке. Зубчатый шип характеризуется тремя параметрами — длиной зубьев , шириной их у основания t и шириной у вершины - затуплением . Длина зубьев обычно не превышает толщины досок, а другие параметры обеспечивают необходимый уклон зубьев по отношению к оси досок не более 1:8 и затупление не более 1 мм. Только такие параметры обеспечивают необходи­мую прочность стыка в элементах несущих конструкций. Пара­метры зубчатого шипа, применяемого в большинстве случаев, приведены на рис. 23.8, б. Зубчатый шип очень экономически эффективен, поскольку имеет малую длину, позволяет соединять короткие доски и может изготовляться автоматически.

От действующих растягивающих сил N в зубчатой поверх­ности стыка возникают основные скалывающие напряжения , действующие под небольшими углами к направлению волокон древесины, и дополнительные растягивающие напряжения , дей­ствующие почти поперек волокон древесины. Эти напряжения не превосходят напряжений, возникающих при расчетной несу­щей способности стыка, поскольку площадь зубчатой поверхно­сти его достаточно велика.

Разрушение зубчатого шипа происходит мгновенно от глав­ных растягивающих напряжений . Они имеют максимальную величину у концов зубьев, где остаются небольшие прямоуголь­ные отверстия после изготовления шипа и поверхность разрыва всегда проходит через эти отверстия. Однако ослабление сечения этими отверстиями значительно меньше, чем ослабление сечений досок 1-го сорта пороками, которые вообще не допускаются в зоне шипов. Поэтому ослабление сечений этими отверстиями может не учитываться. При действии продольных сжимающих сил зубчатый шип имеет большую прочность, так как при этом в нем не возникает поперечных растягивающих напряжений.

Усовое соединение представляет собой клеевое продольное соедине­ние

концов досок по наклонным поверхностям, образованным их обрезкой под углом 1: 10 к осям. Его тоже иногда применяют при заготовке длинных досок для элементов значительной длины. Клеевой шов работает в усовом соединении тоже на скалывание и растяжение, как в зубчатом шве, и достаточно прочный. Однако он имеет значительную длину, тенденцию к сдвигам в процессе склеива­ния и менее соответствует требованиям автоматизации изготовления. Примене­ние усового стыка допускается только там, где отсутствует возможность изготов­ления зубчатого шва.

Угловой зубчатый шип имеет ту же форму, что и прямой, и применяется, главным образом, при изготовлении ломаноклееных полурам. Элементы этих рам располагаются под углом более 120°. Зубья шипа должны выходить только на верхние и нижние кромки соединяемых элементов в зоне упора их, срезанных под углом концов. Такой зубчатый шип работает на сжатие с изгибом как цельнодеревянное наклонное сечение. Соединение досок по пластям под углом представляет собой клеевое соединение досок пластями по площади их пересечения. Так могут соединяться доски шириной до 10 см при угле 90° и шириной до 15 см при углах до 45° между ними. От продольных сил в этом соединении возникают скалывающие и дополнительно поперечные растягивающие напряжения ввиду эксцентричного действия сил.

Клеевые соединения фанеры и фанеры с древесиной применя­ются при изготовлении клеефанерных конструкций. Усовое со­единение фанерных листов имеет уклон кромок1/12 и применя­ется для клеевого соединения кромками по длине и по ширине. У него пониженная по сравнению с цельными листами прочность ввиду неполного совпадения соответствующих шпонов фанерного листа, которая принимается равной всего 0,6 от прочности не­стыкованных участков. В некоторых случаях применяются также клеевые соединения фанеры с двусторонними накладками шири­ной не менее 30 толщин соединяемых листов.

В случае клеевого соединения с досками при перпендикуляр­ном направлении волокон досок к волокнам наружных шпонов фанеры ширина досок должна быть не более 10 см, чтобы при их большей ширине не возникла опасность перенапряжения клеевых швов в результате коробления досок при колебании их влаж­ности.

Все клеевые швы должны иметь минимальную толщину, из­меряемую долями миллиметра, и высокую прочность, превосхо­дящую прочность древесины при сжатии и скалывании. Проч­ность клеевых швов при растяжении ввиду их хрупкости неве­лика и соответствует примерно малой прочности древесины при растяжении поперек волокон. Адгезионные и когезионные связи клеевых швов должны быть выше прочности древесины, и клее­вые соединения должны разрушаться при нагружении выше пре­дела прочности не по клеевым швам и не по пограничным слоям, а по цельной древесине.

Расчет клеевых соединений, ввиду того что они имеют проч­ность выше прочности древесины 1-го сорта, не требуется.

Соединения на вклеенных стальных стержнях представляют собой клеевые соединения клеедеревянных элементов при помощи коротких стержней из арматуры периодического профиля классов А-II и A-III диаметром 12...25 мм. Они вклеиваются в прямо­угольные пазы с накладками или в круглые отверстия клеем (например, эпоксидно-цементным), обеспечивающим надежное соединение древесины со сталью (рис. 9).

Глубина вклеивания должна быть не менее 10 и не более 30 диаметров d стержня, ширина паза или диаметр отверстия выполняется на 5 мм больше диаметра стержня. Расстояние между осями стержней принимается не менее 3d, а до краев сечения — не менее 2d. Вклеенные стержни применяются для продольного и углового соединений клеедеревянных элементов, работающих на продольные силы или изгибающие моменты. Они воспринимают растягивающие продольные силы N

	(выдергива­ние) или сжимающие (вдавливание). Скрытые в толще древеси­ны стальные стержни защищены от химически агрессивной среды и быстрого нагревания при пожаре, что повышает стойкость соединения против коррозии и предел огнестойкости конструкции. Соединения на продольно вклеенных стержнях работают на скалывание древесины
Рис. 9. Соединение на вклеенных стержнях: а — на продольно вклеенных; б — на наклонно вклеенных; в — схема работы; / — арматурный стержень; 2 — отверс­тие; 3 — паз; 4 — рейка

вдоль волокон. Разрушаются они почти мгновенно без заметных деформаций, в основном от скалывания древесины по площади внутренней поверхности бывших отвер­стий. Напряжения скалывания по длине площади скалывания распределяются неравномерно и значительно увеличиваются у ее наружных концов, что учитывается коэффициентом неравномер­ности .

Расчет соединения на продольно вклеенных стержнях произ­водится на действие максимальных сжимающих или растяги­вающих сил от расчетных нагрузок в следующем порядке.

Расчетная несущая способность продольно вклеенного стерж­ня (МН) при выдергивании или вдавливании производится по формуле, предложенной Г.Н. Зубаревым и В. М. Головиной:

(4)

где — глубина вклеивания, м; d — диаметр стержня, м; — 2,1 МПа — расчетное максимальное сопротивление древесины местному скалыванию вдоль волокон в соединениях; — коэф­фициент, учитывающий неравномерности распределения напря­жений скалывания подлине вклеивания;

Требуемое число продольно вклеенных стержней в соедине­нии, на которое действуют растягивающие или сжимающие си­лы N от расчетных нагрузок, определяется по формуле

(5)

Сами стальные вклеенные стержни работают в этом соедине­нии на растяжение обычно с большими запасами прочности.

Соединения на поперечно вклеенных стерж­нях работают аналогично, но более надежно, чем на продольно вклеенных, на сдвиг и смятие поперек волокон древесины близ поверхности отверстия. Работают они вначале упруго, затем пластично и разрушаются после больших деформаций, как при местном смятии древесины. Несущая способность такого соеди­нения выше, чем продольно работающего, и коэффициент неравномерности напряжений тоже выше. Расчетная несущая спо­собность такого соединения может производиться в запас проч­ности тоже по формуле (4). Для определения несущей спо­собности таких стержней Т (МН) можно рекомендовать более точную эмпирическую формулу

(6)

где = 3 МПа — расчетное сопротивление поперечному мест­ному смятию в узловых соединениях конструкций, а -- коэффициент неравномерности напряжений смятия.

Соединения на поперечно вклеенных стальных стержнях с большим эффектом применяются в опорных и промежуточных узлах конструкций. При этом исключается работа древесины элемента на смятие поперек волокон, и размеры соединений су­щественно уменьшаются.

Соединения на наклонно вклеенных стальных стержнях ра­ботают так же, как и на поперечно вклеенных, на растяжение стержней и на смятие древесины и могут рассчитываться анало­гично с учетом угла смятия.

Исследования показали, что наклонно вкле­енные стержни имеют достаточную прочность и могут эффектив­но применяться в соединениях клеедеревянных конструкций круп­ных сечений для воспринятия продольных сил, например в жест­ких креплениях стоек, стыках растянутых элементов, жестких узлах рам и других конструкциях.

Соединения с деревянными связями применяются для сплачивания двух или трех брусьев, составных балок, совместно работающих на изгиб. Связями служат небольшие деревянные вкладыши (пластинки, шпонки, стержни). Они плотно вставляются в соответствующие гнезда или отверстия и воспринимают сдвигающие силы, возникающие при изгибе.

Пластинки дубовые или березовые, называемые пластинча­тыми нагелями, имеют толщину = 1,2 см, длину = 5,8 см и ширину , равную ширине сечений соединяемых брусьев. Пластинки вставляются в пазы соответ­ствующих размеров, выбранные в соседних кромках соединяемых брусьев. На­правление волокон древесины пластинок должно быть перпендикулярным на­правлению волокон древесины брусьев.

Пластинки работают на изгиб и смятие поперек волокон от действия сдви­гающих сил Т, возникающих при изгибе составных балок от расчетных нагру­зок, и не создают поперечного распора брусьев. Расчетная несущая способность пластинки указанных выше размеров , кН. Соединения на пластинках применяются в некоторых случаях при изготовлении составных брусчатых балок.

Стержни дубовые или березовые круглого сечения, называемые деревянными нагелями, вставляются в круглые отверстия в соединяемых эле­ментах и работают на изгиб и смятие поперек волокон древесины. Расчет их про­изводится по формулам, аналогичным формулам для расчета изгибаемых болтов, но с другими коэффициентами. Деревянные стержни применяются в конструк­циях небольших гидротехнических сооружений.

Шпонки и колодки — призматические бруски из хвойной древесины — плотно вставляются в гнезда, вырезанные в кромках соседних брусьев составных брусчатых балок. Направление волокон древесины шпонок должно совпадать с направлением древесины соединяемых брусьев. Колодки — это шпонки большей толщины, чем высота гнезда, благодаря чему между брусьями возникает венти­ляционный осушающий зазор. Эти соединения требуют точности изготовления для того, чтобы все шпонки участвовали в работе соединения.

Шпонки и колодки работают на сдвигающие силы при изгибе и рассчиты­ваются по прочности при смятии и скалывании древесины вдоль волокон. В этих соединениях возникает также поперечный распор в результате эксцентричного действия сдвигающих сил, который воспринимается болтами, работающими и рассчитываемыми на растяжение. Эти соединения применяются в некоторых слу­чаях при полевом изготовлении мостовых составных балок.