Соединения деревянных конструкций

Создавая силовую схему деревянного каркаса здания, приходится в той или иной степени использовать способы соединения деревянных элементов, опыт выполнения которых формировался веками. При этом соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачиванием, а для увеличения их продольной длины — сращиванием. Кроме того, деревянные элементы каркаса могут соединяться в узлах конструкций под различными углами. Искусство подгонки деревянных соединений шлифовалось столетиями.

Раньше, когда промышленное изготовление металлических соединителей (гвоздей, шурупов и т.п.) не было налажено и их себестоимость была высока, научились так подгонять концы или края деревянных заготовок друг к другу, чтобы они выдерживали эксплуатационную нагрузку и сопротивлялись воздействию окружающей среды.

По способу передачи усилий соединения деревянных элементов разделяют на следующие виды:

1. соединения на механических связях (на болтах, гвоздях, шурупах, и т.п.);

2. соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов (шипов, врубок, нагелей и т.п.);

3. соединения на клеях.

Соединения на механических связях обладают достаточно высокой прочностью и надежностью. Передача сил в таких соединениях происходит от одного элемента к другому через отдельные точки и компенсируется силами трения между металлом и волокнами древесины (гвоздевое соединение) или упорами винтовой нарезки и прорезаемыми в древесине винтовыми желобками (соединение на шурупах). Гвоздевые соединения осуществляются при помощи гвоздей. Наиболее применимые из них даны на рис.18. Количество гвоздей определяют расчетным путем, а в некоторых случаях назначают конструктивно, например, при настилке полов, установке встроенного оборудования, обшивке потолков и перегородок и т.п. В гвоздевых соединениях конструкций, изготовляемых из древесины лиственницы и твердых лиственных пород, гвозди диаметром более 6 мм следует забивать в заранее просверленные отверстия (рис. 19). Причем, диаметр отверстий должен составлять 0,9 диаметра забиваемого гвоздя. В соединениях из досок мягких пород гвозди независимо от диаметра забивают без предварительного сверления. При забивке гвоздей следует придерживаться нескольких правил, которые повышают эффективность соединения и избавляют от нежелательных последствий:

- чтобы древесина не раскололась во время забивания гвоздя, нужно притупить его кончик (или откусить его кусачками). Такой гвоздь будет сминать волокна древесины, а не раскалывать ее;

- нужно помнить, что гвоздь, забитый вдоль волокон, держится намного слабее, чем гвоздь, забитый поперек волокон;

- несколько забитых гвоздей, расположенных близко друг к другу вдоль одного слоя древесины, могут ее расколоть. Древесина расколется и в том случае, когда толстый гвоздь забить близко от кромки. Чтобы избежать этого, гвозди лучше брать меньшего диаметра, увеличивая их количество. Забивать их лучше в шахматном порядке.

Соединения на шурупах и глухарях более надежны, так как для выдергивания шурупов потребуются достаточно большие усилия. Шурупы различаются размерами, формой шляпки и шагом резьбы. Как правило, часть поверхности стержня шурупа резьбы не имеет. Самыми крупными шурупами являются так называемые «глухари». Они имеют квадратную или шестигранную шляпку и закручиваются гаечными ключами. Некоторые из таких шурупов обладают прорезью на шляпке, что позволяет использовать отвертку. Расстановка шурупов и глухарей и размеры просверленных гнезд должны обеспечивать плотный обжим стержня с древесиной, исключая ее раскалывание. Расстояния между осями винтов в продольном направлении должны быть не менее 10 диаметров стержня, а поперек волокон — 5 диаметров. Диаметр прилегающей к шву части гнезда должен точно соответствовать диаметру ненарезной части глухаря. Диаметр заглубленной части шурупа или глухаря по всей длине нарезной части должен быть на 2—4 мм меньше полного его диаметра, что обеспечит надежный упор винтовой нарезки. В древесину шуруп завертывают отверткой или электрошуруповертом, а не забивают. При забивании шурупа в древесину винтовое соединение получается непрочным, так как сминается нарезка и нарушается древесина в месте прохождения шурупа. При этом соединение теряет до 40% силы, удерживающей шуруп в древесине. Для прочного соединения шуруп необходимо заворачивать до отказа. При этом прочность соединения во многом зависит от плотности древесины, размеров и количества шурупов, глубины их завертывания. В древесину твердых пород шурупы заворачивают в заранее просверленные отверстия, диаметр которых должен составлять 0,9 от диаметра ненарезанной части шурупа. Во влажную древесину заворачивать шурупы не рекомендуется, так как они будут быстро корродировать и прочность соединения нарушится.

Болтами можно соединять как изогнутые, так и прямые детали. Крепежный болт используется для крепления досок сечением 50×100 мм. Машинный и каретный болты применяют для установки деревянных деталей на стальных конструкциях. Параметры болта определяют заданным его диаметром и длиной от нижней плоскости шляпки до конца. Длина крепежного болта с плоской шляпкой измеряется от верхушки до конца.

Соединения на нагелях препятствуют взаимному сдвигу стыкуемых элементов, поэтому гвозди и шурупы в некоторой степени можно считать разновидностью нагелей. В нагельном соединении, находящемся под воздействием внешней нагрузки, сам нагель работает на изгиб, а древесина соединяемых элементов под нагелями подвергается смятию. Нагели бывают стальные, пластмассовые и деревянные, а по форме — цилиндрические и пластинчатые (рис. 23). В конструкциях, которые находятся в агрессивной среде, используют алюминиевые, пластмассовые и дубовые нагели. Древесина для нагеля подбирается из твердых пород, а ее влажность должна быть на 3-5% ниже, чем влажность основной древесины. В этом случае при достижении баланса влажности нагель плотно заклинивается в гнезде, создавая прочное соединение. Если влажность нагеля и основной древесины будет одинаковой, то при высыхании древесины плотность посадки нагеля уменьшается и соединение может разрушиться. Выбор того или иного диаметра нагеля целиком и полностью зависит от толщины соединяемых деталей и от требований к прочности соединения. Расчетную несущую способность на один срез нагеля определяют исходя из трех условий:

1. изгиба металлического нагеля;

2. смятия древесины крайнего соединяемого, а также более тонкого элемента толщиной а;

3. смятия древесины среднего соединяемого, а также более толстого элемента толщиной с.

Различают две группы соединения на нагелях: симметричные и нессиметричные.

Соединения на клеях — наиболее прогрессивный способ соединения древесины, отвечающий индустриальным методам изготовления. Этому во многом способствует наличие водостойких и биостойких строительных клеев (на основе синтетических смол), открывших широкие возможности использования клееных конструкций в индустриальном и гражданском строительстве. К достоинствам клееных конструкций относятся возможность компоновки крупноразмерных конструкций из мелкоразмерного сортамента, использование древесины низких сортов в менее напряженных зонах конструкций, отсутствие ослаблений врезками и врубками, надежная работа на сдвиг в швах и т.д. Недостатком клееных конструкций считается необходимость тщательного контроля в заводских условиях и сложность изготовления соединений при монтаже. Технологический процесс склеивания состоит из нескольких операций, поэтому правильная подготовка поверхностей и подбор склеиваемых деталей по годичным слоям древесины играют не последнюю роль в прочности соединения. Если древесина неверно подобрана, то в процессе эксплуатации (при изменении температурно-влажностного режима} детали могут неравномерно разбухать, в результате клеевое соединение разрушится. Прочное и надежное соединение получится тогда, когда соблюдаются следующие условия:

1. влажность древесины при склеивании должна быть такой, как в и процессе эксплуатации. При этом обе склеиваемые детали должны иметь одинаковую влажность;

2. склеиваемые поверхности должны располагаться таким образом, чтобы годичные слои были направлены в противоположные стороны или под углом друг к другу;

3. сопрягаемые поверхности должны быть очищены от пыли, жировых включений и подогнаны друг к другу без зазоров;

4. соединяемые кромки лучше склеиваются, если они относятся к одной и той же части ствола (заболони или ядра);

5. тонкие заготовки лучше склеиваются, чем толстые.

В настоящее время для создания клееных конструкций используют доски и брусья хвойных пород влажностью не более 12% и толщиной не более 42 мм в прямолинейных элементах и 33 мм в криволинейных. Применяют дощатые клееные конструкции в сочетании со строительной фанерой, а также с фанерой и сталью. Склеивание производят под давлением 0,3—0,5 МПа при длительности запрессовки 4—24 часа.. Для склеивания шипы и все сопрягаемые поверхности деталей смазывают клеем, собирают и проверяют прямоугольность соединения. После этого склеенные элементы сжимают струбцинами или другими приспособлениями и оставляют до полного засыхания клея. Надежность соединения будет зависеть от того, как правильно будет зафиксированы склеиваемые детали до полного высыхания клея.

Поперечные сечения клееных конструкций бывают прямоугольными, двутавровыми, коробчатыми и пр. Клееные соединения применяют при изготовлении несущих и ограждающих конструкций, выполненных из досок или строительной фанеры. К числу таких конструкций относятся составные из досок балки, дощато-фанерные балки, гнутые арки, рамы, щиты ограждающих частей зданий, стропильные фермы и др.

5.2.Составные элементы.

С целью увеличения несущей способности конструкций применяют составные сечения, сплачивая их из отдельных брусьев или досок. Для увеличения длины конструкций прибегают к сращиванию элементов путем устройства стыков. Составные балки индустриального изготовления выполняются в виде брусчатых или клееных балок. Брусчатые балки сплачиваются из двух или трех брусьев на пластинчатых нагелях. Пролет балок на пластинчатых нагелях ограничен длиной лесоматериала (обычно 6 м), так как устройство стыков в них недопустимо. Клееные балки не имеют этого ограничения и их пролет может значительно превышать длину доски, достигая 12—15 м.