Конструирование и расчет соединений с механическими связями.

ЛЕКЦИЯ 5
4. Соединения элементов ДК
4.3. Конструирование и расчет соединений ДК
с механическими связями
 При расчете соединений должно выполняться условие:
действующее на соединение (связь) усилие не должно
превышать расчетной несущей способности соединения
(связи) Т.
NT
4.3.1. Соединения на шпонках.
1) Линейные (призматические) шпонки – вкладыши
препятствующие взаимному сдвигу элементов.
1)
Шпонки работают на скалывание, сжатие и смятие, древесина на
скалывание и смятие.
2)
Распорное соединение – шпонки стремятся повернуться и раздвинуть
сплачиваемые элементы. Требуется постановка стяжных болтов.
3)
В соединении возможны рыхлые деформации.
4)
Разрушение хрупкое.
Площадка
скалывания
2) Цилиндрические шпонки – вкладыши в виде стальных колец
вставляемых в предварительно выработанные кольцевые пазы в
соединяемых элементах.

Распор воспринимается центральным болтом.

Древесина работает на смятие и скалывание.

Разрушение хрупкое.
4.3.2. Соединения на нагелях
 Нагели – связи, препятствующие взаимному сдвигу элементов.
1) Сами нагели работают на изгиб и смятие, древесина соединяемых
элементов на смятие.
2) Рыхлые деформации незначительны.
3) Перед разрушением развиваются значительные пластические
деформации.
1) Нагели пластинчатые – пластинчатые вкладыши, препятствующие
взаимному сдвигу элементов.
Пластинки изготавливают из дубовых или березовых досок, из металла или
стеклопластиков.
Применяют для сплачивания брусьев или бревен при изготовлении балок на
строительной площадке
 Размеры пластинок, гнезд для них, расстановка в сплачиваемых
элементах:
b
а) сквозные нагели;
110
h
58 60
h
12
б) глухие.
55
h
h
55
 Нагельная пластина работает на изгиб.
 Древесина под нагелем – на смятие.
 Расчетная несущая способность дубового или березового нагеля
стандартного размера в соединениях элементов из сосны или ели:
T  0,75  bï ë ( êÍ );
T  75  bï ë (êãñ),
где:
 bпл = b – ширине сплачиваемых элементов для сквозных нагелей;
 bпл = 0,5 b для глухих нагелей.
 В случае применения для сплачивания элементов из других пород
следует вводить поправочный коэффициент mп.
 Число срезов связей, равномерно расставленных в каждом шве
составного элемента на участке с однозначной эпюрой Q:
nc 
где:
1,5( M B  M A )Sбр
T  I бр
;
Т – расчетная несущая способность связи в данном шве;
МА, МВ – изгибающие моменты в начальном А и конечном В
сечениях рассматриваемого участка
(при наличии в шве связей разной несущей способности, но одинаковых по характеру
работы, несущие способности их следует суммировать)
В
А
2) Нагели цилиндрические – разнообразны по конструктивному
решению:
стержни из металла, прочной древесины или стеклопластика тугой
посадкой вставляют в заранее просверленные отверстия;
гвозди диаметром до 6 мм в соединение забивают;
шурупы, глухари завинчивают в заранее просверленные отверстия.

Основной вид соединений при монтаже и создании конструкций
построечного изготовления.

Выполняют стыки растянутых элементов, узловые сопряжения,
прикрепление связей.
Соединение на гвоздях
Соединение на
болтах
Соединения на цилиндрических
нагелях (болтах):

а — схемы расстановки;

б — расчетные схемы;

в — схема работы;
1 — прямая расстановка;
2 — шахматная;
3 — при стальных накладках;
4 — в соединениях под углом;
5 — симметричное двухсрезное;
6 — несимметричное односрезное;
7 — эпюра напряжений смятия
древесины
Соединения на цилиндрических нагелях
(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
 Нагель работает на изгиб, древесина под нагелем сминается.
В начальный момент приложения
сдвигающих усилий происходят рыхлые
деформации – обминка. Распределение
напряжений смятия можно считать
равномерным
При увеличении сдвигающих усилий
нагель начинает изгибаться,
препятствуя сдвигу элементов.
Появляется неравномерность
При дальнейшем росте усилий
напряжений смятия.
напряжения смятия по толщине
элементов меняют знаки и их
равнодействующие образуют пару
взаимно уравновешивающих
продольных сил.
Т1·е1 = Т2·е2
Соединение безраспорное
 Расчетную несущую способность одного цилиндрического нагеля (T1):



на один шов сплачивания,
в соединениях элементов из сосны и ели,
при направлении усилий передаваемых
 нагелями – вдоль волокон,
 гвоздями – под любым углом
следует определять по табл.20 СП «Деревянные конструкции».

Несущая способность одного нагеля в каждом шве сплачивания T1 определяется:


из условия смятия древесины в нагельном гнезде каждого из соединяемых
элементов;

Тсм,а = ?

Тсм,с = ?
из условия изгиба нагеля


Тизг = ?
В необходимых случаях к T1 вводятся
поправочные коэффициенты:

к Т из условия смятия древесины в нагельном
гнезде:
Т1,см·mп mв mт mд mн ka
ka вводится при смятии под углом к волокнам;

к Т из условия изгиба нагеля –
Т1,изг·√ mп mв mт mд mн ka
 Несущая способность всего соединения T определяется
умножением меньшего из значений T1, найденных из условий
смятия и изгиба, на количество швов сплачивания и количество
нагелей:
T = T1∙nш∙nн
 Усилие, действующее на соединение, не должно превышать его
расчетной несущей способности:
NT
 Задача при проектировании – определить необходимое количество
нагелей
n  T / T1∙nш
nш=1
nн=9
nш=2
nн=9
Влияние диаметра нагеля на работу соединения
Несущая способность соединения
определяется изгибом нагеля
Несущая способность соединения
определяется смятием древесины
Чем меньше диаметр нагеля, тем меньше раскалывающие напряжения.
Чем больше количество нагелей, тем меньше вероятность совпадения одного из них с усушечной
трещиной или косослоем.
НО ! Напряжения смятия тем значительнее, чем меньше жесткость нагеля.
Диаметр нагелей принимают по расчету, но не менее 12 мм.
Шайбы под болты должны иметь диаметр (или размер сторон) не
менее 3,5 диаметра болта и толщину не менее 0,25 диаметра.
С каждой стороны стыка должно быть поставлено не менее трёх
стяжных болтов (остальные нагели могут быть гладкими
стержнями).
Скалывание в нагельных соединениях
 Напряжения смятия неравномерны по контуру нагельного гнезда.
Равнодействующие радиальных
напряжений R слева и справа от
продольной оси дают продольные
Т и поперечные Q составляющие,
которые вызывают,
соответственно, скалывание по
площадкам а-а и раскалывание по
площадке б.
Несущая способность нагельного
соединения по скалыванию и
раскалыванию зависит от длины
площадки скалывания –
расстояния между нагелями и
обеспечивается конструктивно,
ограничением минимального
расстояния между нагелями.
Соблюдая правила расстановки нагелей вдоль и поперек волокон, можно
исключить скалывание и раскалывание древесины
Особенности работы гвоздевых соединений
Длина защемленной (рабочей) части гвоздя в последней
доске определяется за вычетом заостренной части гвоздя
или отщепа древесины.
Если длина защемления меньше 4d, работу гвоздя в
примыкающем шве не учитывают.
Диаметр гвоздей следует принимать не более 0,25
толщины пробиваемых элементов.
Несущая способность гвоздя не зависит от направления
действия усилий по отношению к волокнам древесины.
Недостатки:
 значительная ползучесть при длительно действующих нагрузках;
 выше опасность раскалывания древесины за счет уплотнения древесины при забивке гвоздя.

Расстояние между осями гвоздей вдоль волокон не менее:
S1 = 15d при толщине пробиваемого элемента С ≥ 10d;
S1 = 25d при толщине пробиваемого элемента С = 4d;
(для промежуточных значений С – по интерполяции).

Для элементов не пробиваемых гвоздями насквозь S1 ≥ 15d.

Расстояние от торца элемента во всех случаях S1 = 15d.

S3 = S2 ≥ 4d
S1
S1
S1
S3
S2
S3
4.3.3. Соединения на зубчатых пластинах

По характеру работы напоминают работу группы нагелей.

Разрушение вязкое – с развитием значительных пластических
деформаций.

Соединения на МЗП рассчитывают из условия смятия древесины в гнездах
и изгиба зубьев.
Используют в узловых соединениях сквозных конструкций.
Расчетная несущая способность соединения, как правило, приводится в
таблицах.


МЗП изготавливают из оцинкованной листовой углеродистой стали выштамповкой зубьев.
Требования к пиломатериалу: влажность  25 %, не ниже 2-го сорта, допуск по толщине не более 1 мм
Выпускают МЗП различной конфигурации и типоразмеров.
Короткие зубья по
периметру круглых
отверстий повышают
сдвиговую жесткость
соединения.
Пиловидный профиль зубьев
повышает несущую
способность на выдергивание.
Разворот зубьев в плане под
углом к главным осям повышает
их устойчивость при запрессовке.
Такой же эффект дает
выштамповка трех зубьев из
одного отверстия.



Форма зубцов может быть различной.
Зубцы могут быть односторонними и двусторонними.
Односторонние пластины накладываются снаружи:
двусторонние запрессовываются между соединяемыми
элементами:
4.3.4. Соединения на растянутых связях

Гвозди и винты работающие на выдергивание.

Болты и тяжи работающие на растяжение.

Хомуты, скрутки, скобы работающие на растяжение.
Соединение на растянутых болтах:



а — болт;
б — схема работы болта и древесины;
в — схема работы шайбы;
Соединения на хомутах.
Прочность растянутой связи
рассчитывается на усилие растяжения по
площади нетто.
Древесина проверяется на смятие в местах
опирания шайб и хомутов.
Соединение на выдергиваемых гвоздях
Òâ.ã.  Râ.ã.  d  L1
d –диаметр гвоздя;
L1 – расчетная длина защемленной части;
Rв.г. – расчетное сопротивление выдергиванию
на единицу поверхности трения:
0,3 МПа для воздушно-сухой древесины,
0,1 МПа для сырой, высыхающей в
конструкции.
Соединение на выдергиваемых винтах
Òâ.ø .  Râ.ø .  d  L1
d – наружный диаметр нарезной части шурупа;
L1 –длина нарезной части шурупа,
сопротивляющейся выдергиванию;
Rв.ш. – расчетное сопротивление выдергиванию
на единицу поверхности трения = 1 МПа для
воздушно-сухой древесины.
В необходимых случаях Tв.г. и Tв.ш. умножаются на
коэффициенты: mв, mт, mд, mн.
 Длина защемленной части гвоздя L1 должна быть:
 не менее двух толщин пробиваемого деревянного элемента
 и не менее 10d гвоздя.
 При d > 5 мм в расчет вводят d = 5 мм.
 Расстановку гвоздей и длину защемленной части принимают как
е
для нагельных соединений.
 При наклонной забивке расстояние до наружной кромки должно
быть не менее 10d:
Скобы
 Скобы применяют в качестве вспомогательной или фиксирующей
связи.
 При длине шипа скобы 6…7dск несущая способность скобы
примерно равна несущей способности нагеля диаметром 15 мм.
 При забивке скоб следует соблюдать конструктивные требования,
предотвращающие раскалывание древесины: