Строительные конструкции

Раздел: Строительство

Нагельные соединения—самые надежные, простые и экономичные средства соединения деревянных элементов, позволяющие широко внедрять индустриальные методы при изготовлении конструкций.

Кроме того, сопряжения на нагелях в отличие от других сопряжений (например, шпоночных) нё дают распора и при этом в них наиболее равномерно по сечению распределяются усилия, передающиеся на соединяемые элементы. Именно поэтому нагельные соединения получили самое широкое распространение в деревянных конструкциях.

К числу нагелей относятся ( 22.7): стальные круглые стержни с нарезкой для гайки на одном конце и головкой на другом (болты) или без гаек (штыри), стальные трубчатые стержни, деревянные круглые стержни, гвозди, винты, глухари, стальные пластинки и т. п.

Схемы соединений на нагелях в зависимости от приложения нагрузок могут быть симметричными и несимметричными (см.  22.8,ж, з), а в зависимости от числа швов в соединении — односрезными, двухсрезными и многосрезными.

Направление усилий в нагельных соединениях может совпадать с направлением волокон в древесине и не совпадать (соединения под углом а). В первом случае несущая способность нагеля по смятию волокон древесины будет больше, во втором — меньше.

Рассмотрим работу нагеля вдоль волокон в симметричном двухсрезном соединении (см.  22.8, б). Нагель в таком соединении работает на изгиб, а его древесное гнездо — на смятие. При возрастании нагрузки, приложенной к соединению, распределение напряжений в нагельном древесном гнезде будет меняться в зависимости от жесткости нагеля, отношения толщины сопрягаемых элементов к его диаметру, наличия шайб и гаек на концах нагеля н др.

характерные виды деформаций нагелей и их древесных гнезд в соединениях: на жестком стальном штыре ( 22.8,а), относительно гибком (тонком) штыре (б), дубовом нагеле ( в), болте ( г), на гвоздях ( д) и на нагелях, вклеенных в нагельные гнезда ( е). При достаточно жестком стальном нагеле наблюдается равномерное смятие нагельных гнезд. При большой деформации самого нагеля нагельные гнезда сминаются неравномерно. Наибольшие напряжения смятия (бортовые смятия) появляются в местах срезов нагеля.

Полное разрушение соединений при расстояниях между нагелями не меньше 6 d обычно происходит от раскалывания деревянных элементов комком смятой древесины, сосредоточенным у бортов, и является следствием сложных, взаимно связанных процессов: изгиба нагеля как защемленной балки в упругой среде, неравномерного смятия древесного гнезда, раскалывания древесины и др. Соединения на дубовых нагелях разрушаются от смятия и излома самого нагеля.

Точный расчет нагеля как балки на упругом основании представляет большую трудность и приводит к громоздким формулам, не только не удобным для практического применения, но и не отображающим действительную работу соединений. Объясняется это тем, что нагельное гнездо представляет собой неоднородную среду, и прочность его зависит от пороков древесины, неравномерности распределения этих пороков по сечению, качества обработки гнезда, размера и вида нагеля, жесткости и т. п,

Способность стального нагеля воспринимать нагрузку исчерпывается в тех случаях, когда:

при относительно тонком нагеле его сопротивление изгибу окажется недостаточным (например, при появлении в стальном нагеле пластических шарниров);

в нагельном гнезде относительно тонкого среднего элемента наступит предельная деформация смятия;

в нагельном гнезде относительно тонкого крайнего элемента наступит предельная деформация смятия. При этом одновременно может наступить предельное сопротивление нагеля изгибу и предельная деформация смятия древесины среднего и крайнего элементов.

При проектировании конструкций нагель рассчитывают по изложенным выше случаям работы, т. е. определяют его наибольшую расчетную несущую способность нагеля: по прочности его на изгиб Ти при принятых расчетных сопротивлениях материала нагеля на изгиб и древесного гнезда смятию; по предельной работе на смятие гнезда средних элементов Тс при принятом расчетном сопротивлении смятию; по предельной работе на смятие гнезда крайних элементов Та при принятом расчетном сопротивлении смятию; на срез (по плоскости скольжения) аналогично расчету заклепок (для нагелей из синтетических материалов).

Число элементов в соединении может быть разным, поэтому в качестве измерителя работы нагеля принято определять несущую расчетную способность на один его срез, причем под срезом понимается каждая плоскость скольжения соединения, пересекаемая нагелем.

Стальные нагели. Расчетная несущая способность цилиндрических нагелей (болтов, стальных штырей, гвоздей) в соединениях элементов из воздушно-сухой сосны и ели при направлении усилий, передаваемых стальными и дубовыми цилиндрическими нагелями вдоль волокон элементов и гвоздями под любым углом, при расчете на воздействие постоянной и временной нагрузок деревянных конструкций групп Al, А2, Б1 (см.  1 [1]), защищенных от нагрева, определяется по формулам, приведенным в  22.1.

Расчетную несущую способность нагеля в несимметричных (кососимметрнчных) соединениях ( 22.8, з) при неодинаковой толщине элементов определяют по формулам  22.1 в зависимости от отношений толщин а и с, причем: при толшине крайних элементов а<;0,5с расчетную несущую способность нагеля из условия смятия нагельного гнезда в среднем элементе с определяют умножением табличного значения (п. 2  22.1) на коэффициент 0,7. При промежуточных значениях между 0,5 с и I с коэффициент принимают по интерполяции между значениями 0,7 и 1;

при толщине крайних элементов о>»с расчетную несущую способность нагеля определяют из условия смятия нагельного гнезда в крайних элементах (п. 2  22.1) с заменой в формулах с на а.

При определении расчетной несущей способности из условий изгиба нагеля толщина крайнего элемента а, подставляемая в формулы (п. 3  22.1), принимается не более 0,6 с.

Поскольку нагельные соединения могут работать под любым углом (0—90°), следует расчетную несущую способность, определенную по  22.1, изменять умножением на коэффициент ka при расчете на смятие древесины нагельного гнезда и Yka при расчете нагеля на изгиб. ka — коэффициент, зависящий от диаметра нагеля и наибольшего угла смятия нагелем древесного гнезда. Значение ka определяют по  21 Норм [1].

Для гвоздей при любом угле соединения, учитывая, что при забивке их нагельное гнездо уплотняется, ka принимается равным единице.

Нагельные соединения могут применяться в конструкциях, изготовленных из древесных пород, обладающих разной прочностью, в конструкциях всех групп, работающих в условиях повышенной влажности или температуры или проверяемых на воздействие только постоянной и временной длительной нагрузкой или рассчитываемых на воздействие кратковременных нагрузок (ветровой, монтажной и сейсмической), а также в деревянных конструкциях гидротехнических сооружений. В этом случае их несущая способность, определенная по формулам  22.1, должна быть изменена умножением на коэффициент Утн (или тн), учитывающий все неблагоприятные условия.

Расчетное сопротивление нагелей из пластмассы на срез принимают из таблиц прочностных характеристик данного пластика. На срез стальные нагели не рассчитывают.

Винты и глухие стальные нагели (глухари) ставят в предварительно просверленные в стальных накладках отверстия. Работают они как односрезные соединения.

Винты и глухие стальные нагели рассчитывают по формулам  22.1 (несимметричные соединения) с учетом диаметра брутто и длины рабочей части винта, входящей в древесину.

Глухие стальные цилиндрические нагели должны иметь заглубление в древесину не менее 4d. В случае заглубления ненарезанной части винтов в древесину меиее 2d (где d — диаметр не ослабленного резьбой сечения винта) расчет винтов (глухарей) как нагелей на сдвиг в древесине следует вести по внутреннему диаметру ослабленного резьбой сечения.

Винты завинчивают в отверстия, предварительно сделанные сверлом; диаметр отверстий должен быть примерно иа 2 мм меньше дна- метр.ч отверстия стальной накладки.

Пример 22.3. Рассчитать соединение на стальных нагелях диаметром 20 мм в сопряжении под углом 30° ( 22.9).

Гвозди. Кроме нагелей, ставящихся в заранее просверленные отверстия, в строительстве широко применяются забивные нагели — гвозди, изготовляемые из круглой холоднотянутой проволоки. В некоторых зарубежных странах применяют гвозди из нержавеющей стали, алюминия или оцинкованные гвозди со спиральной и кольцевой нарезкой (см.  22.8,г), а также из пластмасс. Такие гвозди коррозиеустойчивы и обладают большой несущей способностью.

Для забивки гвоздей существуют специальные автоматические молотки (см.  22.8, з). При диаметре, меньшем или равном 0,6 см, гвозди в соединениях из хвойных и мягких лиственных пород забивают без предварительного рассверливания гнезд. В соединениях из твердых лиственных пород, а также в случае применения гвоздей диаметром более 0,6 см для предохранения древесины от образования трещин необходимо предварительно рассверливать гнезда диаметром 0,9 dm. Гвоздевые соединения в конструкциях из лиственницы ввиду ее легкой раскалываемости не допускаются.

Для изготовления щитовых конструкций за рубежом применяют гвозди-скобы диаметром до 2 и длиной до 40 мм (см.  22.8,ж). При забивке гвоздей-скоб благодаря особому заострению концы их уходят от направления забивки, обеспечивая тем самым большую несущую способность на срез и на выдергивание.

Опытами установлено, что сопротивление древесины смятию вдоль и поперек волокон в гнезде нагеля диаметром меньше 0,65 см приблизительно одинаково, а поэтому при расчете несущей способности гвоздей угол между направлением усилия и направлением волокон элементов (угол смятия) не учитывается, ka принимается равным единице. Коэффициент т„ во всех случаях расчета учитывается.

Найденная с учетом указанных выше соображений расчетная длина ар принимается для определения расчетной несущей способности гвоздя для того среза, к которому примыкает данная расчетная длина.

Полная расчетная несущая способность гвоздя по всем пробиваемым им срезам будет равна сумме наименьших значений расчетных несущих способностей гвоздя на один срез, определенных по формулам  22.1 для каждого шва.

При забивке гвоздя волокна древесины раскалываются и частично разрушаются. При воздействии на срез гвоздя постоянной силы Т происходит обмятие разрушенных волокон, что приводит к сдвигу плоскостей соединения. Ползучесть соединений при уменьшении нагрузки не устраняется, а только пропорционально уменьшается. Учитывая это, применение гвоздевых конструкций в капитальном строительстве ограничено.

Размещение нагелей. Работа нагелей зависит не только от сопротивления нагеля изгибу и его гнезда смятию, но также и от прочности соединяемых элементов по раскалыванию и скалыванию древесины на участке между нагелями.

Чтобы обеспечить совместную работу всех нагелей, прикрепляющих элементы, отверстия следует сверлить в собранном и плотно обжатом пакете элементов.