Требования по размещению болтов в соединении

(извлечение из табл. 37 СП 53-102-2004)

№ п.п.	Характеристика расстояния и предела текучести соединяемых элементов	Расстояние при размещении болтов, мм
1 2 3	Расстояние между центрами отверстий для болтов в любом направлении: минимальное: при Rуп≤375 МПа при Rуп>375 МПа максимальное в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков при растяжении и сжатии максимальное в средних рядах, а также в крайних рядах при наличии окаймляющих уголков: при растяжении при сжатии Расстояние от центра отверстия для болта до края элемента минимальное вдоль усилии: при Rуп≤375 МПа при Rуп>375 МПа то же, поперек усилия: при обрезных кромках при прокатных кромках максимальное минимальное во фрикционном соединении при любой кромке и любом направлении усилия Расстояние, максимальное между центрами отверстии вдоль усилия для болтов, размещаемых в шахматном порядке	От 2d до 2,5d 3d 8d или 12t 16d или 24t 12d или 18t От 1,5d до 2d 2,5d 1,5d 1,2d 4d или 8t 1,3d u+1,5d
Обозначения, принятые в таблице 5.13: d — диаметр отверстия для болта (мм); t — толщина наиболее тонкого наружного элемента (мм); u - расстояние поперек усилия между рядами отверстий (мм). Примечания. 1. Диаметр отверстий принимают: для болтов класса точности А d =db; для классов В и С- d=db + 3 мм.

6.7.3.Расчет и конструирование соединений деревянных конструкций

Классификация соединений

Соединения являются наиболее ответственными частями деревянных конструкций.

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 начинается в соединениях.

От правильного решения соединения, его расчета и изготовления зависит прочность и деформативность конструкций в целом.

По характеру работы все соединения могут быть разделены на следующие группы:

• Без специальных связей, требующих расчета - лобовые врубки и упоры.

• Со связями, работающими на сжатие – шпонками и колодками.

• Со связями, работающими на изгиб – болтами, стержнями, гвоздями, винтами и пластинами.

• Со связями, работающими на растяжение – болтами, винтами и хомутами.

• Со связями, работающими на сдвиг – скалывание – клеевыми швами.

По характеру работы соединения деревянных конструкций делятся на податливые и жесткие. Податливые соединения изготавливаются без применения клеев.

Конструктивные врубки (рис.22.1) являются соединения, в которых возникают усилия, намного меньше, чем их несущая способность и они не

нуждаются в расчете.

Лобовые упоры (рис. 22.2) являются наиболее простыми и надежными соединениями и применяются в большинстве видов деревянных конструкций для крепления сжатых элементов. Они работают и рассчитываются на смятие, от действия сжимающей продольной силы.

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 соединениями являются болты и гвозди. Наибольшее распространение получили болты с диаметрами 12,16 и 20мм.

Для постановки болтов в соединяемых элементах просверливаются отверстия такого же диаметра, что и болты. Болтовые соединения бывают со стяжными, растянутыми и изгибаемыми болтами (рис. 22.3).

Гвоздевые соединения применяются при не большом объеме изготавливаемых конструкций. Наибольшее применение в деревянных конструкциях находят применение гвозди диаметром 3,4.5, и 6мм,м длиной 80, 100,150, и 200 мм.

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

Соединения с выдергиваемыми гвоздями относятся к классу соединений с растянутыми гвоздями. Они применяются для крепления досок подшивок потолков, щитов перекрытия и опалубки железобетона.

Соединения с изгибаемыми гвоздями (рис.22.4) относятся к тому же классу соединений с изгибаемыми связями, что и болтовые соединения с изгибаемыми болтами. Они применяются в стыках и узлах дощатых конструкций; гвозди работают на изгиб, а древесина – на смятие.

Винтовые соединения (рис.22.5) представляют стальное изделие. Винты диаметром 12мм называются шурупами. Винты применяют для крепления стальных накладок и деталей к деревянным элементам в узлах конструкций.

Соединения с хомутами относятся к классу соединений с растянутыми связями. Болты хомутов работают и рассчитываются на растяжение , а поперечные элементы - на изгиб.

Соединения на скобах относятся к классу конструктивных соединений. Скобы изготавливаются из прутковой стали диаметром 8…16 мм и имеют П – образную форму с заостренными и зазубренными концами.

Клеевые соединения – наиболее распространенные виды соединений при заводском изготовлении клееных деревянных конструкций. Их основой являются конструкционные синтетические клеи.

Клеевые стыки по их расположению и особенностям работы могут быть разделены на поперечные, продольные и угловые (рис. 22.6). Стык по пластям (поперечный) представляет собой соединение досок пластями. Стыки по кромкам – соединение досок кромками. Стыки по пластям и кромкам – соединение пласти одной доски с кромкой другой.

Зубчатый стык (рис. 22.6) представляет собой клеевое соединение концов досок по зубчатой поверхности в виде ряда острых клиньев, выходящих на пласти или кромки досок.

Наклон боковых граней шипа в зубчатом клеевом соединении принимается не более 1/10,5. В этом случае отношение длины шипа ℓ к его шагу t равно 4. При шаге 8 мм длина шипа равна 32 мм, а при шаге 12 мм – 50 мм. Затупление шипа b должно быть от 1,0 до 1,5 мм.

Соединения на вклеенных стальных стержнях – клеевые соединения клеедеревянных элементов при помощи коротких стержней из арматуры классов А-2, А-3 диаметром 12…25 мм. Они вклеиваются в прямоугольные пазы с накладками или в круглые отверстия клеем, обеспечивающим надежное соединение древесины со сталью (рис. 22.7).

Расчет и конструирование соединений на врубках.

Врубкой называют соединение, в котором усилие элемента, работающего на сжатие, передается другому элементу не посредственно без вкладышей или в брусчатых фермах получается экономия материала (рис. 22.8).

Середине настенного (“ мауэрлатного”) бруса должна располагаться точно под центром узла (точкой пересечения осей верхнего и нижнего поясов фермы). Чтобы обеспечить правильность размещения настенного бруса, в подбалке делают фиксирующий подрез.

Узел должен быть стянут болтом, перпендикулярным верхнему поясу. Шайба на другом конце этого болта размещается на торце балки (без подбалки пришлось бы ослаблять нижний пояс врезкой). Болт называют аварийным, он должен воспринять усилие верхнего пояса и предупредить внезапное обрушение фермы в случае, если из-за образования усушечных трещин с торца растянутого пояса произойдет скалывание площадки БВ.

Расчету подлежат: площадка БВ – на скалывание площадка АБ – на смятие и аварийный болт.

По нормам проектирования деревянных конструкций (СНиП 11-20-25) необходимо соблюдать следующих условий: см – в брусьях; см – бревнах; - в промежуточных узлах сквозных конструкций; - в остальных случаях. Расчетную длину площадки скалывания нельзя принимать больше . При больших усилиях в поясах ферм решение опорного узла лобовой врубки становиться не возможным. В этом случае можно применить опорный узел на лобовом упоре с натяжными хомутами из круглой стали.

Узел врубки необходимо обязательно стягивать болтом, устанавливаемым перпендикулярно верхнему поясу. Этот болт называют аварийным, он должен воспринять усилие верхнего пояса и предотвратить хрупкое разрушение торца растянутого пояса в результате скалывания площадки АС из-за возможных пороков древесины или других причин и тем самым предупредить внезапное обрушение фермы.

Лобовую врубку с одним зубом рассчитывают на смятие древесины под углом к волокнам нижнего растянутого элемента по площадке контакта стыка АБ

(22.1)

где А_см – площадь смятия.

Площадь смятия находят из выражения

(22.2)

R_{см α} – расчётное сопротивление смятию древесины под углом α.

Прочность площадки БГ на скалывание проверяют по условию

(22.3)

где А_ск – площадь скалывания по БВ- определяют по формуле

(22.4)

В лобовых врубках при стяжные болты устанавливают перпендикулярно направлению раскоса. Болт принимают диаметром не менее его длины в пределах 12…24 мм. Рассчитывают болт на аварийный случай сохранения соединения от разрушения при скалывании древесины. Усилие растяжения в болте в аварийном соединении определяют с учетом силы трения, возникающей между стыкуемыми элементами (угол трения скольжения принимается равным 17˚), тогда учитывается распределение усилий в опорном узле

(22.5)

требуемую площадь определяют по условию

(22.6)

где - расчетное сопротивление болта растяжению (кН/см²)

см. табл. 5.7.

Подбалку с фиксирующим подрезом в зоне опирания конструкции на стану или колонну рассчитывают на смятие поперек волокон от опорного давления по условию

(22 . 7)

Соединения на врубках относятся к податливым соединениям, так как перед разрушением происходят значительные деформации.

Нагельные и гвоздевые соединения

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 совместному сдвигу, а сам в основном работает на изгиб (рис. 22.9).

Работу нагеля можно рассмотреть на примере соединения двух сдвигаемых элементов (рис. 22.9). 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. Таким образом, равновесие нагеля в отличии 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 изготавливают в виде гладких стержней круглого сечения из стали, металлических сплавов, твердых пород древесины и пластмасс. По характеру своей работы в соединениях сдвигаемых элементов к цилиндрическим нагелям относятся так же болты, гвозди, глухари (винты большого диаметра с шестигранной или четырехгранной головкой) и шурупы (рис. 20.41). 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 переменой влажности и сушке 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 изготавливают из гадкой проволоки диаметром до 6 мм и чаще забивают в древесину без предварительного сверления гнезд.

Цилиндрические нагели и болты применяют для сплачивания элементов деревянных конструкций, соединения их по длине, а также в узлах.

Для определения несущей способности одного среза нагеля необходимо рассмотреть напряженное состояние нагельного соединения. Действующее в соединяемых элементах, усилие стремится сдвинуть их относительно друг друга. Нагель, препятствуя этому, изгибается. Изгиб нагеля зависит от жесткости самого нагеля и смятия древесины нагельного гвоздя.

Несущая способность нагеля принято определять на один шов сплачивания или на один срез. Под срезом принимается плоскость соединения элементов, пересекаемая нагелем.

Число нагелей в симметричном соединении, кроме гвоздевого, следует определять по формуле :

(22.8)

где N – расчетное усилие (кН);

T – наименьшая расчетная несущая способность определяется по формулам табл.22.1

- число расчетных швов одного нагеля.

Расположение нагеля в соединении определяется нормами и принимает вдоль волокон древесины S , поперек волокон S и от кромки элемента S не менее (рис. 22.9) для стальных нагелей S = 7d; S =3.5d; S =3d;

Для алюминиевых и стеклопластиковых нагелей S = 6d; S =3.5d; S =3d;

Для дубовых нагелей S = 5d; S =3d; S =2,5d;

При толщине пакета b менее 10d (см. рис. 10) допускается принимать:

Для стальных, алюминиевых и стеклопластиковых нагелей S = 6d; S =3d; S =2,5d;

Для дубовых нагелей S = 3d; S =S =2,5d;

Нагели в растянутых стыках следует располагать в два или четыре продольных ряда; в конструкциях из круглых лесоматериалов допускается шахматное расположение нагелей в два ряда с расстоянием между осями нагелей вдоль волокон 2S , а поперек волокон S = 2,5d.

Соединение на гвоздях

Гвозди в соединениях сдвигаемых элементов работают как нагели. Их обычно забивают в древесину без предварительного просверливания.

Диаметр гвоздей, забиваемых в цельную древесину не превышает 6 мм и поэтому их несущая способность не зависит от угла между направлением действия силы и направления волокон. Для гвоздевых соединений он не учитывается.

При определении расчетной длины защемления конца гвоздя не следует учитывать заостренную часть гвоздя длиной 1,5d; кроме того, из длины гвоздя следует вычитать по 2мм на каждый шов между соединяемыми элементами.

Если расчетная длина защемления гвоздя получается меньше 4d, его работу в примыкающем к нему шве учитывать не следует.

При свободном выходе гвоздя из пакета расчетную длину последнего элемента следует уменьшать на 1,5d (рис. 22.10).

Диаметр гвоздей следует принимать не более 0,25 толщины прибиваемых элементов. Расстояние между осями гвоздей вдоль волокон древесины следует принимать не менее:

S =15d при толщине пробиваемого элемента с 10d;

S =25d при толщине пробиваемого элемента с=4d.

Для промежуточных значений толщины с наименьшее расстояние следует определять по интерполяции.

Для элементов, не пробиваемых гвоздями на сквозь, не зависимо от их толщины, расстояние между осями гвоздей следует принимать S 15d.

Расстояние вдоль волокон древесины от гвоздя до торца элемента во всех случаях следует принимать не менее S =15d.

Расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины при прямой расстановке гвоздей следует принимать не менее S = 4d; при шахматной расстановке или расстановке их косыми рядами под углом расстояние может быть уменьшено до 3d.

Расстояние S от крайнего ряда гвоздей до продольной кромке элемента следует принимать не менее 4d.

Применение шурупов и глухарей в качестве нагелей, работающих на сдвиг, допускается в одно срезных соединениях со стальными накладками из бакелизированной фанеры. Расстояния между осями шурупов следует принимать как для стальных цилиндрических нагелей.

Несущую способность шурупов и глухарей при заглублении их ненарезной части в древесину не менее чем на два диаметра следует определять по правилам для стальных цилиндрических нагелей.

Расчётная несущая способность нагельных и гвоздевых соединений считается обеспеченной, если соблюдаются правила размещения их на расстояниях, предусмотренных нормами.

Клеевые соединения

Равнопрочность, монолитность и долговечность клеевых соединений в деревянных конструкциях могут быть достигнуты только применением водостойких конструкционных клеев. Долговечность и надежность клеевого соединения зависят от устойчивости адгезиозных связей, вида клея, его качества, технологии склеивания, эксплуатационных условий и поверхностной обработки досок.

Урок

Практическое занятие занятие № 4