5.4.2. Соединения на нагелях

Нагели являются одним из наиболее широко применяющихся до настоящего времени механических рабочих связей. Нагелем называется гибкий стержень, который соединяет элементы деревянных конструкций и препятствует их взаимному сдвигу, а сам в основном работает на изгиб.

Работу нагеля можно рассмотреть на примере соединения двух сдвигаемых элементов (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Схема работы нагеля а — первоначальное положение; б — поворот; в — деформированный нагель; г — эпюры сминающих упругопластических напряжений древесины; Т — сдви­гающее усилие; Т1, Т2 — равнодействующие сминающих напряжений древе­сины

Силы, сдвигающие сплачиваемые элементы, стремятся опроки­нуть нагель. Под действием этих сил нагель после неко­торого поворота, обусловленного, неплотностями и обмятием древесины, упирается в нее сначала по краям эле­ментов, а затем начинает изгибаться. При изгибе наге­ля увеличивается поверхность его контакта с древесиной, что вызывает появление в ней неравномерных напряже­ний смятия по всей длине нагеля (рис. 5.14, в). Напря­жения смятия древесины нагелем имеют разные знаки, и их равнодействующие образуют две пары взаимно уравновешенных продольных сил (рис. 5.14, г), пре­пятствующих повороту нагеля. По условию равновесия нагеля моменты этих пар равны: T₁e₁ = T₂e₂ или T₁/T₂ = е₂ /е₁ .

Таким образом, равновесие нагеля в отличие от рав­новесия шпонки обеспечивается только продольными си­лами, параллельными направлению сдвига соединяемых элементов. В нагельных соединениях отсутствуют попе­речные силы, образующие распор, для восприятия кото­рых в шпоночных соединениях приходится ставить рас­тянутые связи.

Цилиндрические нагели изготовляют в виде гладких стержней круглого сечения из стали, металлических сплавов, твердых пород древесины и из пластмасс. По характеру своей работы в соединениях сдвигаемых эле­ментов к цилиндрическим нагелям относятся также бол­ты, гвозди, глухари (винты большого диаметра с шести­гранной или четырехгранной головкой) и шурупы (рис. 5. 15). Цилиндрические нагели устанавливают в предварительно рассверленные гнезда. Диаметр отверстия для нагеля обычно принимают равным диаметру нагеля. Однако нормами некоторых стран с целью увеличения плотности соединений, особенно при переменной влажности и усушке древесины, предусматривается диаметр отверстия на 0,2—0,5 мм меньше диаметра нагеля. Для шурупов и глухарей необходимо предварительное про­сверливание отверстия сверлом диаметром меньше диа­метра нарезной части шурупов и глухарей. Обычные гвозди изготовляют из гладкой проволоки диаметром до 6 мм и чаще забивают в древесину без предварительного сверления гнёзд.

Ц илиндрические нагели и болты применяют для спла­чивания элементов деревянных конструкций, соединения их по длине (рис. 5.16, а), а также в узловых примыканиях (рис. 5.16, б). Соединения деревянных элемен­тов на нагелях бывают симметричными и несимметрич­ными.

Н

Рис. 5.16. Узловые соединения на цилиндрических нагелях

а — с прямой расстановкой;

б —с кру­говой расстановкой

а плотность соединений на нагелях значительно вли­яет совпадение отверстий под нагели в соединяемых эле­ментах. Чтобы получить хорошее совпадение отверстий и достичь максимальной плотности соединения, необхо­димо сверлить отверстия в предварительно собранном и обжатом пакете. Для обжатия соединений ставят стяж­ные болты в количестве около 25 % общего числа наге­лей. Если стяжные болты сделаны из того же материала, что и нагели, то их включают в расчетное количество нагелей.

В растянутых стыках по ширине элемента следует ставить только чётное количество продольных рядов на­гелей. Это требование объясняется тем, что при нечетном числе рядов средний оказывается по оси доски в зоне наиболее возможного появления продольных трещин в результате усушки древесины.

По аналогии с соединениями на заклёпках в металли­ческих конструкциях каждое пересечение нагеля с рабо­чим швом называется «условным срезом». Однако при общности действующих явлений в том и в другом случае работа нагеля в соединениях деревянных элементовзначительно отличается от работы заклепки в металлических элемен­тах. Заклёпка соединяет тонкие стальные элементы. От­ношение длины заклёпки к её диаметру невелико, что характеризует большую относительную жёсткость, при которой изгибные напряжения не имеют существенного значения и могут не учитываться. Несущую способность заклепки определяют из расчёта на смятие и срез.

В соединениях деревянных элементов отношение дли­ны нагеля к его диаметру значительно больше, поэтому нагель работает как гибкий стержень главным образом на изгиб и неравномерно сминает древесину в гнезде. Напряжения среза в нагеле не учитываются в расчёте, поскольку срезать деревянным элементом нагель, даже деревянный, не говоря уже о стальном, нельзя. Термин «срез» употребляется для характеристики соединения по количеству плоскостей относительного сдвига между со­единяемыми элементами, которые пересекаются наге­лями. В зависимости от расположения срезов по отноше­нию к осям действия сил различают симметричные и не­симметричные соединения (рис. 5.17),

Рис. 5.17. Соединения на цилиндрических нагелях деревянных растянутых элементов

а — симметричное двухсрезное;

б — несимметричное односрезное

Расчёт нагельных соединений основан на том поло­жении, что действующее на соединение (связь) усилие не должно превышать расчётной несущей способности соединения (связи) Т. Расчётное количество нагелей принимают не менее двух с диаметром 12—24 мм и оп­ределяют по формуле

nN_н>N/n_cpT_u,

где N — расчетное усилие, действующее в растянутом стыке, Н; n_cр — количество срезов нагеля; Т_н — наименьшая расчетная несу­щая способность одного среза нагеля, Н.

Для сплачивания двух или трёх брусьев, составлен­ных по высоте, применяют пластинчатые нагели, вставляемые в гнезда, прорезаемые цепнодолбежным стан­ком (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Соединения на пластинчатых нагелях

а — со сквозными пластинками; б — с глухими пластинками

Применение дубовых или березовых пластинчатых нагелей допускается для сплачивания брусьев в состав­ных элементах со строительным подъёмом, работающих на поперечный изгиб и на сжатие с изгибом. Размеры пластинчатых нагелей и гнёзд для них, а также расста­новку в сплачиваемых элементах следует принимать по нормам (см. рис. 5.18). Направление волокон в пластинках должно быть перпендикулярно плоскости спла­чивания элементов.

Расчётную несущую способность дубового или бере­зового пластинчатого нагеля с размерами, даваемыми СНиП 11-25-80 в соединяемых элементах из древесины сосны и ели, следует определять по формуле Т = 0,75 b_пл ,

где b_пл — ширина пластинчатого нагеля, см, которую следует брать равной ширине сплачиваемых элементов b_пл=b при сквозных пла­стинках, b_пл=0.5b -при глухих.

При применении для сплачивания элементов из дру­гих пород древесины следует вводить поправочный коэф­фициент (табл. 4 СНиП II-25-80).

Для конструкций, эксплуатируемых в условиях повы­шенной влажности или температуры и рассчитываемых на действие кратковременных или постоянной и длитель­ной временной нагрузок, расчётную несущую способность пластинчатых нагелей следует умножать на поправочные коэффициенты по табл. 5 и 6 (СНиП П-25-80).