Смятие древесины поперек волокон и под углом к волокнам:

а — по всей площади (по всей длине и ширине); б — местное (по всей ширине и на части длины); в — местное под штампом (на части длины и части шири­ны); г — под шайбой

В результате этого деформации древесины несколько уменьшаются, а расчетное сопротивле­ние смятию увеличивается. При мест­ном смятии на части длины и ши­рины (например, под шайбами) де­формации древесины наименьшие, а сопротивление наибольшее за счет вовлечения в работу на изгиб и рас­тяжение волокон всех смежных неза­груженных участков древесины и рабо­ты на сжатие волокон, расположенных под штампом (рис. в).

При смятии деревянных элементов под углом к направлению волокон со­противление древесины смятию зави­сит от угла а (рис. г). Сопротив­ление древесины смятию вычисляется по формуле

R _смα= R _см/│1+( R _см/ R _см90 -1)sin³α│

где R _см и R _см90— соответственно рас­четные сопротивления древесины на смятие вдоль и поперек волокон.

Скалывание. Разрушение сдвигаю­щими усилиями связей между волок­нами древесины называется скалы­ванием.

В деревянных конструкциях древе­сина на скалывание работает, как пра­вило, вдоль волокон и очень редко по­перек и под углом к волокнам.

Разрушение при скалывании про­исходит хрупко (мгновенно) при очень малых деформациях, поэтому это один из самых опасных видов разрушения древесины. Пороки древесины заметно снижают сопротивление скалыванию.

Соединения элементов деревянных конструкций

Ограниченность сортамента лесома­териалов и листовых древесных мате­риалов по длине и сечениям привели к разработке различных видов соеди­нения элементов деревянных конструк­ций, которые можно подразделить на следующие три вида: сращивание, т. е. соединение элементов по длине; спла­чивание, т. е. соединение элементов по ширине и высоте; узловые соедине­ния элементов под различными углами.

По характеру работы соединения де­ревянных конструкций делят на шесть групп:

1) работающие преимуществен­но на смятие и скалывание — врубки и шпонки;

2) преимущественно на из­гиб — нагели и металлические зубча­тые пластины нагельного типа;

3) на растяжение — тяжи, болты, хомуты, накладки;

4) на выдергивание — винты и гвозди;

5) преимущественно на сдвиг — клеевые, в том числе на клеестальных шайбах;

6) предотвращаю­щие случайные смещения элементов деревянных конструкций, которые час­то не рассчитывают, а принимают по конструктивным соображениям — ава­рийные связи (болты и скобы).

Все виды соединения элементов де­ревянных конструкций, за исключе­нием клеевых и на клеестальных шай­бах, податливы и поэтому порождают дополнительные деформации конструк­ций или отдельных элементов.

Податливость соединений деревян­ных конструкций способствует вырав­ниванию усилий в отдельных связях и элементах узлов, благодаря чему уменьшается концентрация напряже­ний в соединениях, что повышает его надежность в целом. С другой стороны, чем больше деформации соединения, тем заметнее деформации конструкции в целом и тем больше дополнительные напряжения, вызываемые прогибами конструкций.

Большинство соединений деревян­ных конструкций, находясь под дей­ствием длительных нагрузок, сопро­вождаются непрерывно возрастающи­ми деформациями (ползучестью).

В некоторых видах соединений (на­пример, болтовых) имеется возмож­ность устранять появляющиеся дефор­мации ползучести подтяжкой в про­цессе эксплуатации конструкции. В других (например, гвоздевых) такая возможность исключена. Эти обстоя­тельства учитываются при проектиро­вании деревянных конструкций.

Несущая способность соединений, работающих на смятие и скалывание, определяется сопротивлением древесины этим видам напряженного состоя­ния. Решающее значение, как правило, имеет скалывание, так как оно ведет к разрушению всего соединения, тогда как смятие только увеличивает деформативность конструкции, но работо­способность соединения сохраняется.

Соединения на врубках — один из наиболее старых способов соединения деревянных конструкций, где передача усилий от одного элемента другому по плоскостям смятия и скалывания про­исходит без использования вспомога­тельных связей.

В современных деревянных кон­струкциях применяются в основном про­стейшие виды врубок — лобовые. Ло­бовая ортогональная врубка представляет собой непосредственный упор соответственно опиленных эле­ментов и используется при углах до 45°. Ось сжатого элемента должна проходить через центр площадки смя­тия.

Глубину врубки h_sp находят из ус­ловия смятия древесины под углом α. Условие прочности на смятие растяну­того элемента:

σ=N_p/(bh_sp/cos α )≤ R _смα, откуда hsp₌ N_p cos α/(b R _смα)

Нормы проектирования ограничива­ют глубину врубки h_sp величинами h/4 в промежуточных узлах и h/3 в остальных случаях. При этом мини мальную глубину врубок принимают равной 2 см для брусьев и 3 см для бревен (кругляка).

Условие прочности на скалывание:

τ= N_p/(bl _ск )≤ R _ск

где b и /_ск — соответственно ширина и длина площадки скалывания, откуда /_ск= N_p/(b R_ск )

. Лобовые врубки: а—ортогональная (опорный узел); 6— биссектрисная (проме­жуточный узел); /—подбалка; 2— аварийный болт; т — т — вер­тикаль центрирования по ослаб­ленному сечению нижнего пояса; я — п — то же, но цельному сечению

Растянутый элемент в месте наи­большего ослабления проверяют по формуле центрального растяжения, которое обеспечивается центри­рованием растягивающего усилия N_p по оси ослабленного элемента (рис.а). Для этого центр опорного узла располагают по вертикали m—m, проходящей через точку пересечения усилий N_р и N_c. Если растягивающее усилие приложено с эксцентриситетом е относительно центра ослабленного сече­ния (центр узла на вертикали п — п), то расчет его выполняют как растянуто-изгибаемого элемента по формуле σ=N/Fn+(M_x/W)(R_p/ R_и) ≤ R_p, в которой М = N_p е.

В опорных узлах конструкций обя­зательно ставят аварийные болты, ко­торые препятствуют разрушению узла. Их работа при расчете врубки не учитывается, так как они включаются в работу только после скалывания кон­ца элемента.

Соединения на нагелях. Нагелями называют круглые стержни или плас­тинки, которые, соединяя элементы деревянных конструкций, препятству­ют взаимному сдвигу сплачиваемых элементов, работая преимущественно на изгиб.

Нагели бывают цилиндрическими и пластинчатыми. К цилиндрическим от­носят: стальные стержни (штыри) диа­метром более 6 мм; с головкой и резь­бой — болты и винты; пластмассовые или металлические штыри (последние могут быть трубчатыми); деревянные круглые стержни из древесины твердых пород (дуб или антисептированная бе­реза) ; стальные стержни с головкой (гвозди) диаметром до 6 мм, забиваемые в цельную древесину; стальные шурупы диаметром до 6 мм.

Работа нагельных соединений сопро­вождается изгибом самого нагеля и смятием древесины нагельного гнезда.

Нагельные соединения обладают следующими достоинствами: 1) просты в изготовлении и могут выполняться индустриальными методами; 2) рас­пределяя общее усилие, действующее в соединении, между большим числом гибких и податливых связей, они уменьшают концентрацию усилий, вы­равнивают действующие усилия и от­вечают принципу «дробности»; 3) повы­шают надежность соединения, так как хрупкое разрушение от скалывания дре­весины исключается; 4) мало ослабля­ют сечения сопрягаемых деревянных элементов; 5) тонкие металлические на­гели (гвозди) диаметром до 6 мм не требуют предварительного сверления отверстий.

Соединения с помощью цилиндрических стальных нагелей: а— нагели d≥6 мм; б — нагели d≤б мм; в — работа нагеля под действием сдвигающих сил N (нагель изгибается, а края и середина нагельных гнезд сминаются); г — симметрич­ные соединения; д— несимметричные соединения; /— штырь (труба); 2—болт; 3— глу­харь; 4— гвоздь; 5— шуруп; σ см — напряжения смятия древесины нагельного гнезда

Основным недостатком нагельных соединений является их маломощ­ность.

Соединения на клею являются наи­более надежным средством соединения элементов деревянных конструкций. По сравнению с цельной древесиной кле­еные элементы отличаются более бла­гоприятным распределением материала. Так как в многослойных клееных эле­ментах пороки древесины (сучки, косо­слой, свилеватость и др.) рассредото­чиваются, влияние их на прочность клееных элементов значительно пони­жается и новый материал становится более однородным.

Для склеивания элементов деревян­ных конструкций применяют в основ­ном синтетические водостойкие клеи. Строительные клеи и клеевые швы с их использованием должны отвечать сле­дующим основным требованиям: обес­печивать прочность шва на сдвиг и на растяжение не ниже прочности скле­иваемой древесины на скалывание вдоль волокон и на ее растяжение по­перек волокон; быть водостойкими и биостойкими; обладать свойством хо­лодного (без подогрева) отверждения; обладать жизнеспособностью (не те­рять склеивающих свойств) в течение трех часов; обладать невозгораемостью; быть нетоксичными как в процессе при­готовления и полимеризации, так и при эксплуатации; обладать задан­ной долговечностью.

Для склеивания элементов дере­вянных конструкций, не защищенных от атмосферных воздействий, применя­ются водо- и биостойкие клеи: фе-нолформальдегидные КБ-3, СП-2. При полимеризации они выделяют от 4 до 7 % свободного фенола и поэтому мо­гут быть использованы только в спе­циальных помещениях, оборудованных вентиляционными устройствами.

В последнее время для конструкций, эксплуатируемых в наиболее жестких условиях, стали применять резорцино­вые клеи типа ФР-12, ФР-12Т (моди­фицированный тиоколом), фенольно-резиновые клеи типа ФРФ-50, ФРФ-50Т (модифицированный тиоколом или по­лусульфидным каучуком), а также ал-кидно-резорциновые клеи типа ФР-ЮО, ДФК-1АМ, ДФК-14Р. Отвердителем для этих клеев является параформаль-дегид. Также используются клеи на основе эпоксидных смол.

Для конструкций, защищенных от атмосферных воздействий, применя­ются карбамидно-меламиновые клеи типа К-17, КС-В-КС, КС-68, М-19, КФ-Ж и др.

Виды клеевых соединений: а — впритык; б — «на ус»; в — д — зубчатым шипом продольным; е—то же, под углом