Металеві зв'язки нагельного типу

9.5.1 Металеві зв'язки нагельного типу згідно ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 поділяються на дві основні групи:

- металеві зв'язки нагельного типу - це зв'язки, в яких рівновага нагеля забезпечується тільки поздовжніми силами, паралельними напрямку зсуву з'єднувальних елементів, наприклад, цвяхи, шурупи, нагелі, болти, скоби тощо;

- зв'язки, що викликають зминання деревини в з’єднувальному елементі по контактним площадкам, наприклад, штампована металева пластина, розрізні кільця тощо.

9.5.2 Цвяхи

9.5.2.1 Цвяхи, що застосовуються в з'єднаннях елементів дерев'яних конструкцій, за типом стрижня поділяються на гладкі цвяхи, цвяхи з кільцевою і гвинтовою нарізкою, а за формою поперечного перерізу - на круглі і квадратні. Цвях з гвинтовою нарізкою забезпечує більш легке входження у волокна деревини, що дозволяє виключити розколи в деревині або матеріалах на її основі. Цвях з кільцевою нарізкою на стрижні має поперечні насічки, завдяки яким він краще працює на висмикування. За рахунок наявності кільцевої та гвинтової нарізок підвищується рівень надійності з'єднань, в порівнянні з з'єднаннями з використанням звичайних цвяхів.

Цвяхи виготовляються із сталевого дроту по EN 10218-1 або з катанки нелегованої сталі за EN 10016 відповідно до EN 10230.

Для цвяхів, що випускаються за EN 10230-1, номінальний діаметр d повинен бути не менше 1,9 мм (рис. 9.2)

Площа капелюшка цвяха A_h повинна бути не менше 2,5 d₂, а товщина капелюшка h_t не повинна бути менше 0,25 d (рис. 9.2). Довжина l_р вістря цвяха повинна бути не менше 0,5 d та не перевищувати 1,5 d.

Для профільованих цвяхів довжина нарізної частини l_g повинна становити не менше4,5d. Допуски на розміри для цвяхів повинні відповідати вимогам EN 10230-1.

Рисунок 9.2 – Загальний вигляд типів цвяхів і їх параметри

9.5.2.2 Механічна міцність цвяхів характеризується наступними величинами:

– характеристичним значенням згинального моменту M_y,k пластичної деформації;

– характеристичним значенням міцності при висмикуванні f_ax,k;

– характеристичним значенням міцності при втискуванні f_h,k;

– характеристичним значенням міцності при проштовхуванні головки f_head,k;

– характеристичним значенням межі текучості f_u матеріалу цвяха.

При визначенні характеристичних значень цвяхових з’єднань, діаметр цвяха приймається рівним номінальному значенню d.

9.5.2 Гвинти й шурупи

9.5.2.1 Гвинти поділяються на шурупи, самонарізні гвинти, або саморізи та гвинти, що вкручують у заздалегідь просвердлені отвори. Гвинти зі стрижнем конічної форми найчастіше називають шурупами, а циліндричної - гвинтами.

У маркуванні гвинта присутні два числа, наприклад - 4 × 30. Перше число вказує діаметр гвинта під головкою в міліметрах, друге - довжину в міліметрах ділянки гвинта, що знаходиться всередині елемента, тобто довжину від вістря до більшого з поперечних перерізів головки. Для гвинтів з потайною головкою, це сумарна довжина стрижня і головки, а для гвинтів з напівкруглою головкою - тільки довжина стрижня.

9.5.2.2 Гвинти можуть виготовлятися відповідно до вимог EN 10083-2 або EN 10016 (всі частини). Матеріал гвинтів повинен відповідати вимогам EN 10083-1 або EN 10088-2. У з'єднаннях елементів дерев'яних конструкцій найчастіше використовуються гвинти 6 мм ≤ d ≤ 12 мм с 0,6 ≤ d₁/d ≤ 0,75. Тут d – зовнішній діаметр різьблення, а d₁ – внутрішній діаметр різьблення (рис. 9.3).

Рисунок 9.3 – Загальний вигляд гвинта

9.5.2.3 Гвинти повинні завжди бути закріплені шляхом вгвинчування в деревину, але не шляхом забивання. Всі характеристичні значення міцності, наведені в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 для гвинтів, засновані на даному положенні. Гвинти з діаметром гладкої частини 6мм і менше загвинчуються в елемент без попереднього свердління отворів. Якщо діаметр гвинта більше 6 мм, то його загвинчування виконується в попередньо просвердлені отвори, які повинні відповідати таким вимогам ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1:

– глибина попередньо просвердленого отвору для гвинта повинна дорівнювати його довжині;

– діаметр попередньо просвердленого отвору повинен становити приблизно 70% від діаметра гвинта.

9.5.2.4 Механічна міцність гвинтів характеризується наступними властивостями:

– характеристичним значенням згинального моменту M_yk пластичної деформації;

– характеристичним значенням міцності f_ax,k при висмикування гвинта з деревини;

– характеристичним значенням міцності f_tens,k при проштовхуванні головки гвинта;

– характеристичним значенням межі текучості f_u,k матеріалу гвинта;

– коефіцієнтом характеристичного опору крученню f_tor,k/R_tor,k.

Механічна жорсткість гвинтів характеризується кутом згину a і визначається на підставі характеристичного значення згинального моменту M_yk пластичної деформації, який визначається на підставі випробування за EN 409, або розраховується за відповідними формулами.

9.5.3 Болти і нагелі

9.5.3.1 Нагелі - циліндричні стержні, що виготовляються в основному із сталі. Вони мають гладку або бороздчату поверхню. Діаметр нагелів може бути від 6 до 30 мм. Болти - нагелі з різьбленням, з шестикутними або напівсферичними головками і шестикутними гайками. Діаметр болтів, що використовуються в з'єднаннях елементів дерев'яних конструкцій, може досягати 30мм. Нагелі і болти, в основному, використовуються для сприйняття в з'єднаннях великих зсувних зусиль між елементами в порівнянні з цвяхами і шурупами. Болти можуть використовуватися в з'єднаннях у вигляді розтягнутих зв'язків, але там вони не виконують функцій нагелів.

9.5.3.2 При використанні болтів в якості нагелів, в обов'язковому порядку між головкою і гайкою, повинні встановлюватися шайби. Критерієм загвинчування болтів є втоплювання шайби у елемент з’єднання на один виток різьблення.

9.5.3.3 Нагелі повинні встановлюватися в попередньо просвердлені отвори. Діаметр отворів повинен бути не більше діаметра нагеля. У випадку з'єднання на болтах, діаметр попередньо просвердленого отвору в деревині не повинен бути більше ніж на 1 мм від діаметра болта.

9.5.4 Основні положення з розрахунку з’єднань на металевих зв'язках нагельного типу, прийняті в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1

9.5.4.1 У ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, при розрахунку з'єднань на металевих зв'язках нагельного типу, передбачається, що в з'єднанні раніше настане пластичне руйнування (зминання деревини нагельного гнізда, вигин нагеля), а потім тільки крихке (розколювання деревини нагелем). Це досягається шляхом дотримання, встановлених в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 вимог щодо розстановки нагелів.

9.5.4.2 Для оцінки граничного навантаження нагельного з'єднання використовується жорстко-пластична модель. Відповідно до цієї моделі, з'єднані між собою кріпильний елемент і деревина (або матеріал на її основі) повинні працювати як абсолютно жорстко-пластичні матеріали відповідно до залежностей «напруження-деформація».

Відповідно до прийнятої моделі, в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 наведені вирази з визначення характеристичних значень несучої здатності кріпильних елементів, що враховують можливі форми руйнування, які можуть виникнути у з'єднаннях елементів «деревина-деревина», «плитний матеріал на основі деревини-деревина» і «деревина-сталь».

Вирази з визначення характеристичних значень несучої здатності кріпильних елементів для з'єднань «деревина-деревина» і «плитний матеріал на основі деревини-деревина» наведені в таблиці 9.1, а для з’єднань «деревина-сталь» в таблиці 9.2.

9.5.4.3 У ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 в однозрізних і двозрізних нагельних з'єднаннях зі сталевими пластинами («деревина-сталь»), тонкими пластинами називаються пластини, що відповідають товщині яке менше 0,5 діаметра (d) нагеля, а товсті - товщиною і більше діаметра (d)здопуском для отвору нагеля менше 0,1 d.

9.5.4.4 Вирази, наведені в таблицях 9.1 і 9.2, як і в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, відносяться до характеристичної несучої здатності для одного кріпильного елемента в площині зсуву.

Для з’єднань з однією площиною зсуву (рис. 9.4 а-в), характеристична несуча здатність у площині зсуву F_v,Rk, дорівнює мінімальному значенню з виразів для відповідних випадків зсуву по одній площині, представлених у таблицях 9.1 і 9.2.

Для симетричних з’єднань з двома площинами зсуву (рис. 9.4 г), характеристична несуча здатність кріпильного елемента в площині зсуву F_v,Rk, дорівнює мінімальному значенню рівняння для відповідних випадків зсуву, представлених у таблицях 9.1 і 9.2, і форма руйнування буде відповідати такому рівнянню. Однак, оскільки зєднання має дві площини зсуву, характеристична несуча здатність кріпильного елемента має визначатись як 2 F_v,Rk.

Основні складові, використані у виразах (9.1 - 9.2) - це діаметр нагеля d, характеристичний момент, що викликає плинність кріпильного елемента M_y,Rk, характеристична міцність при втискуванні f_h,i,k i-го елемента з'єднання, значення яких наводяться нижче.

а)

б)

в)

г)

a), б) і в) - приклади однозрізних з’єднань; г) - приклад двозрізного з'єднання

Рисунок 9.4 - Металеві зв'язки нагельного типу в з'єднаннях

Таблиця 9.1 - Вирази для визначення характеристичної несучої здатності кріпильного елемента по площині зсуву для з'єднань «деревина-деревина» і «деревина-плитний матеріал на основі деревини» *

З’єднання з однією площиною зсуву
форми руйнування
Характеристична несуча здатність кріпильного елемента по площині зсуву Fv, Rk, - мінімальне значення з виразів для форм руйнування: (EN1995-1-1, вир. (8.6))		форма (а) (9.1) форма (b) (9.2) форма (c) (9.3)     форма (d) (9.4)   форма (e) (9.5)   форма (f) (9.6)
Характеристична несуча здатність кріпильного елемента по площині зсуву Fv,Rk, - мінімальне значення з виразів для форм руйнування: (EN1995-1-1, вир. (8.7))		форма (g) (9.7) форма (h) (9.8)   форма (j) (9.9)   форма (k) (9.10)
* На підставі п.п. 8.2.2 и 8.2.3 ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1

Таблиця 9.2 - Вирази для визначення характеристичної несучої здатності кріпильного елемента по площині зсуву для з'єднань «сталь-деревина» *

форми руйнування	З’єднаньи з однією площиною зсуву - форми (a) і (b) мають тонкі пластини, а форми (c), (d) і (e) мають товсті пластини.	З’єднаньи з двома площинами зсуву - пластини будь-якої товщини, якщо нижче не визначено інше
Характеристична несуча здатність кріпильного елемента по площині зсуву Fv,Rk, - мінімальне значення з виразів для форм руйнування:(EN1995-1-1, вир. (8.9), (8.10))		форма (а) (9.11) форма (b) (9.12) форма (c) (9.13) форма (d) (9.14) форма (e) (9.15)
Характеристична несуча здатність кріпильного елемента по площині зсувуFv,Rk, - мінімальне значення з виразів для форм руйнування: (EN1995-1-1, выр. (8.11), (8.12), (8.13))		форма (g) (9.16) форма (h) (9.17) форма (j) (9.18) форма (k) (9.19) форма (l) (9.20) форма (m) (9.21)
* На підставі п.п. 8.2.2 и 8.2.3 ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1

9.5.4.5 Величина діаметра зв'язку нагельного типу, у виразах таблиць 9.1 і 9.2, залежить від типу кріпильного елемента, використовуваного в з'єднанні, який визначається за правилами, встановленими в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 (таблиця 9.3).

9.5.4.6 Значення характеристичного моменту текучості M_y,Rk, для різних типів металевих кріпильних елементів, може бути визначено з виразів, наведених в таблиці 9.4.

9.5.4.7 Характеристична міцність вдавлення f_h,k з'єднувального елемента в масив деревини або матеріалу на її основі - це міцність при стисненні деревини або матеріалу на її основі від впливу жорсткого металевого нагеля.

9.5.4.8 Характеристична міцність при вдавлюванні для цвяхів діаметром ≤ 8 мм змінюється залежно від діаметра використовуваного цвяха, типів використовуваних матеріалів у з'єднанні і від того, чи використовувалася попереднє свердління. Визначення міцності при вдавлюванні для можливих випадків, що виникають при розрахунку, наведено в таблиці 9.5.

9.5.4.9 Характеристична міцність при вдавлюванні для скоб визначається з використанням виразів, наведених в таблиці 9.5 для цвяхів, а якщо скоба має прямокутний поперечний переріз, то діаметр повинен визначатися як квадратний корінь з добутку розмірів двох сторін поперечного перерізу стрижня

Таблиця 9.3 - Вимоги ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 за визначенням діаметра кріпильного елемента

Таблиця 9.4-Вирази з визначення My,Rk згідно вимогам ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1

Кріпильний елемент	My,Rk, Н·мм
Цвяхи: - гладкі круглі цвяхи (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, выр.8.14) - квадратні цвяхи (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, выр.8.14)	, (9.22) , (9.23)
Скобы (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, вир.8.29)	, (9.24)
Болти (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, вир.8.30)	, (9.22)
Нагелі (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, 8.6.1)	, (9.22)
Гвинти (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, 8.7.1): гвинти з гладкою частиною діаметром d ≤ 6 мм гвинти з гладкою частиною діаметром d > 6 мм	Як для нагелів Як для болтів
Примітка. Тут d – діаметр цвяха, скоби або нагеля, мм. Для скоб з прямокутними перетинами, d - квадратний корінь добутку розмірів двох сторін поперечного перерізу стрижня, а для гвинтів d – розрахунковий діаметр, який визначається таблиці 9.3; fu – міцність при розтягу дроту для цвяха (або матеріалу гвинта) Н/мм2; fu,k – характеристична міцність при розтягу болта (або матеріалу гвинта), Н/мм2.

Таблиця 9.5 - Характеристична міцність при вдавлюванні для цвяхів

Умова	fh,k ,Н/мм2
Для з’єднань з деревини і LVLс використанням цвяхів діаметром до 8мм: - без попереднього свердління отворів (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, вир.8.15); - з попереднім свердлінням отворів (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, вир.8.16)	, (9.25) , (9.26)
Для з’єднань з деревини і LVL з використанням цвяхів діаметром більше 8мм	Застосовуються вираження в Таблиці 9.7 як для болтів
Для з’єднань «плита-деревина», з використанням цвяхів, в яких діаметр капелюшка не менше 2d, і умови, що матеріал плити - це: клеєна фанера (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, вир.8.20) ДВП (відповідно до EN 622-2 (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, вир.8.21)) ДСП або OSB (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, вир.8.22))	, (9.27) , (9.28) , (9.29)
Примітка. Тут d – діаметр цвяха, мм; ρk – характеристична густина деревини, LVL або матеріалу плити, кг/м3; t – товщина плити, мм.

9.5.4.10 Характеристична міцність при вдавлюванні для болтів, цвяхів (діаметром > 8 мм) і нагелів визначається з використанням виразів, наведених в таблиці 9.6.

9.5.4.11 Характеристична міцність при вдавлюванні для гвинтів принимается:

– як і для цвяхів, при використанні гвинтів з гладкою частиною діаметром d £ 6мм;

– як і для болтів, при використанні гвинтів з гладкою частиною діаметром d > 6мм.

Таблиця 9.6 - Характеристична міцність при вдавлюванні при використанні болтів, цвяхів (діаметром > 8 мм) або нагелів

Умови	fh,k, Н/мм2
Для деревини та LVL: - навантажування вздовж волокон (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, выр.8.32) -навантажування під кутом до волокон (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, вир.8.31)	, (9.26)   ,(9.30)
Для з'єднання плити з деревиною, навантажених під будь-яким кутом до поверхні, якщо матеріал плити - клеєна фанера, то характеристична міцність при вдавлюванні в матеріалі плити буде дорівнювати: (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, выр.8.36):	, (9.31)
Для з’єднань плити з деревиною, навантажених під будь-яким кутом до поверхні, якщо матеріал плити - ДСП або OSB, то характеристична міцність при вдавлюванні в матеріалі плити буде дорівнювати: (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, выр.8.37):	. (9.32)
Примітка. Тут d – діаметр кріпильного елемента; ρk – характеристична густина прийнятого матеріалу; t – товщина матеріалу плити; α – кут додатку сили до кріпильних елементів по відношенню до волокон; k90 = (1.35 + 0,015d) – для м’яких (хвойних) порід, (1,3 + 0,015d) – для LVL и (0,9 + 0,015d) – для твердих порід деревини.

9.5.4.12 У з'єднанні елементи ділити на елемент 1 і елемент 2, як показано в таблицях 9.1 і 9.2, а їх товщини позначати відповідно, як t₁ і t₂.

Для з'єднань на цвяхах:

t₁ – це: - товщина матеріалу з основною частиною цвяха, якщо з'єднання з однією площиною зсуву; - мінімальне значення з товщини матеріалу з основною частиною цвяха і величини забитої частини цвяха в разі двохзрізного з'єднання.

t₂– це: - величина забитої частини цвяха, якщо з'єднання з однією площиною зсуву; - товщина центрального елемента в разі двохзрізного з'єднання.

За «товщину матеріалу основної частини цвяха» слід приймати товщину елемента, що включає капелюшок цвяха, а за «величину забитої частини цвяха» - відстань, на яку загострений кінець цвяха входить в елемент.

Для з'єднань на скобах: t₁ і t₂ приймаються відповідно до рис. 9.5;

Рисунок 9.5 - Розміри скоби

Для з'єднань на болтах: t₁ – товщина матеріалу основної частини болта, якщо з'єднання з однією площиною зсуву або двома площинами зсуву (припускаючи з'єднання симетричним); t₂ – товщина елемента, в який закручений болт, якщо з'єднання з однією площиною зсуву або товщина центрального елемента - у разі двохзрізного з'єднання.

Для з'єднань з нагелями: t₁ – це: - довжина нагеля в елементі 1, якщо з'єднання з однією площиною зсуву; - мінімальна довжина нагеля в зовнішніх елементах - у разі двохзрізного з'єднання.

t₂ – це: - довжина нагеля в елементі 2, якщо з'єднання з однією площиною зсуву; - товщина центрального елемента - у разі двохзрізного з'єднання.

Для з'єднань на шурупах:

- при визначенні t₁ і t₂ застосовуються правила як для цвяхів.

9.5.4.13 У виразах (таблиць 9.1 та 9.2) з визначення характеристичних значень несучої здатності, крім згину з'єднувального елемента і вдавлення (зминання) деревини, враховуються ефекти тертя і висмикування кріпильного елемента, що виникають при його згині. У ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, для врахування ефекту тертя, що виникає між контактуючими поверхнями з'єднувальних елементів, використовується відношення характеристичної міцності елемента 2 при вдавлюванні (f_h,2,k) до характеристичної міцності елемента 1 при вдавлюванні (f_h,1,k), тобто

. (9.33)

При впливі на кріпильний елемент з'єднання зусилля зсуву, він буде відчувати і розтяг (висмикування). У ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 для обліку ефекту висмикування кріпильного елемента, у виразах з визначення характеристичної несучої здатності кріпильного елемента, введено додатковий доданок F_ax,Rk/4, де F_ax,Rk – характеристична осьова несуча здатність кріпильного елемента при висмикуванні. Визначення F_ax,Rk для цвяхів і скоб наведено в п. 8.3.2 ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1; для болтів - у п. 8.5.2 ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1; для шурупів - у п. 8.7.2 EN 1995 - 1-1.

При визначенні характеристичних значень F_ax,Rk з'єднувальних елементів повинні дотримуватися такі вимоги по анкеруванню:

а) для гладких цвяхів, мінімальна довжина анкерування з боку загостреного кінця в деревині, не повинна бути менше 8d. При довжині анкерування цвяха 8d, значення несучої здатності при висмикуванні цвяха приймається рівною нулю. Якщо довжина анкерування цвяха з боку загостреної частини менше або дорівнює 12d, то використовується повне характеристичне значення міцності при його висмикуванні, яке визначається з виразу (8.25) в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1. Якщо довжина анкерування становить від 8d до 12d, то несуча здатність цвяха при висмикуванні повинна множитися на (t_pen/4d – 2), де t_pen –довжина анкерування цвяха з боку загостреного кінця.

б) для інших типів цвяхів, які наведені в EN 14592, мінімальна довжина анкерування з боку загостреного кінця, не повинна бути менше 6d. При довжині анкерування цвяха 6d, значення несучої здатності при його висмикуванні приймається рівним нулю. У разі, коли довжина анкерування цвяха з боку загостреного кінця менше або дорівнює 8d, в розрахунках приймається повне характеристичне значення несучої здатності цвяха при висмикуванні, а якщо довжина анкерування знаходиться в інтервалі від 6d до 8d, то несуча здатність при висмикуванні повинна множитися на (t_pen/2d – 3);

в) для цвяхів, забитих у торці дерев'яних елементів, повинні застосовуватися вимоги, наведені в п. 8.3.1.2 (4) ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1;

г) для скоб, мінімальна довжина анкерування t₂ з боку загостреного кінця, повинна бути менше або дорівнювати 14d, де d - діаметр скоби (рис. 9.5);

д) для гвинтів, мінімальна довжина анкерування з боку загостреного кінця різьбової частини, повинна становити 6 зовнішніх діаметрів гвинта, вимірюваних на різьбовій частині.

9.5.4.14 Наведені в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 і в таблицях 9.1 і 9.2 вирази за визначенням значень характеристичної несучої здатності справедливі тільки в тому випадку, коли виключена поява розколювання або зсуву в деревині, що призводять до крихкого характеру руйнування з'єднання. Для виконання даної умови повинні бути дотримані всі вимоги щодо розміщення кріпильних елементів нагельного типу, що стосуються дотримання мінімальних відстаней від кромки і торця до осі з'єднувального елемента і кроку між осями кріпильних елементів (рис. 9.6). Мінімальні відстані для з'єднань з використанням цвяхів, скоб, нагелів і шурупів наведені в таблицях 9.7 і 9.8.

При використанні в з'єднаннях цвяхів діаметром більше 6мм і гвинтів з гладкою частиною (неповним різьбленням) діаметром більше 6мм, для їх установки повинно виконуватися попереднє свердління отворів. Вимоги для таких кріпильних елементів наведені в розділі 10 ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1.

Попереднє свердління отворів також слід виконувати в щільній деревині:

– для цвяхів, що забиваються в деревину з характеристичною густиною понад 500 кг/м³; – для всіх шурупів, які встановлюються в твердих породах деревини.

а)	б)
в) -90° £ a £ 90°	г) 90° < a < 270°	д) 0° £ a £ 180°	е) 180° £ a £ 360°

а) і б) - величина кроку вздовж і впоперек волокон відповідно при рядовому і шаховому розташуванні кріпильних елементів, б) і г) - відстань від осі кріпильного елемента до торця елемента відповідно навантаженого і ненавантаженого; д) і е) - відстань від осі кріпильного елемента до кромки елемента відповідно навантаженої і ненавантаженої

Рисунок 9.6 - Розстановка з'єднувальних елементів нагельного типу

Окрім вимог, наведених в таблиці 9.7, для вузлів з цвяхами або скобами повинні дотримуватися такі додаткові вимоги ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1:

а) для поперечно навантажених цвяхів згідно з п. 8.3.1.1 (2) у деревині виконується попереднє свердління отворів якщо: - характеристична густина > 500 кг/м³; - діаметр цвяха перевищує 6d.

- для з'єднання «деревина-деревина» на цвяхах, згідно з п. 8.3.1.1 (6), сполучаються елементи повинні попередньо свердлитися, якщо товщина дерев'яних елементів менше, ніж t, яка визначається з виразу

, (9.34)

де t – товщина дерев'яного елемента, в якому виконується попереднє свердління отворів, мм; ρ_k - характеристична густина деревини, кг/м³; d – діаметр цвяха (мм).

Таблиця 9.7 - Мінімальні величини кроку або відстані до торця або кромки при використанні цвяхів або скоб діаметром d для з'єднань «деревина-деревина» *

Мінімальна величина кроку або відстані
Величина кроку або відстані і α **	Цвяхи	Скоби (рис. 9.5 і нижче)
З попередньо просвердленими отворами	З попередньо просвердленими отворами d > 6мм і/або ρk>500 кг/м3
rk£ 420 кг/м3	420 кг/м3<rk£500 кг/м3
Крок вздовж волокон – a1 0° £a£ 360°	d < 5 мм; (5+5|cosa|)d d ³5 мм; (5+7|cosa|)d	(7+8|cosa|)d	(4+|cosa|)d	для q³30° ; (10+5|cosa|)d для q<30° ; (15+5|cosa|)d
Крок поперек волокон– a2 0° £a£ 360°	5d	7d	(4+|sina|)d	15d
Відстань до навантаженого торця a3,t -90° £a£ 90°	(10+5|cosa|)d	(15+5|cosa|)d	(7+5|cosa|)d	(15+5|cosa|)d
Відстань до ненавантаженого торця a3,с -90° £a£ 270°	10d	15d	7d	15d
Відстань до навантаженої кромки a4,t 0° £a£ 180°	d< 5 мм; (5+2sina)d d³5 мм; (5+5sina)d	d< 5 мм; (7+2sina)d d³5 мм; (7+5sina)d	d< 5 мм; (3+2sina)d d³5 мм; (3+4sina)d	(15+5|sina|)d
Відстань до незавантаженої кромки a4,с 180° £a£ 380°	5d	7d	3d	10d
* На підставі таблиць 8.2 и 8.3 в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 ** α – кут між напрямком прикладається зусилля до цвяха і волокнами

б) для з'єднання на цвяхах «плита-деревина», згідно з п. 8.3.1.3 (1), мінімальні величини кроку для всіх з'єднань на цвяхах «плита-деревина» рівні наведеним в таблиці 9.7, помноженим на 0,85. Відстані до торця / кромки залишаються незмінними, якщо в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 не визначено інше.

Згідно з п. 8.3.1.3 (2), мінімальні відстані до торця і кромки в елементах з клеєної деревини має прийматися 3d на ненавантаженому торці (кромці) і (3 + 4 sinα)d – на навантаженому торці (кромці).

в) для з'єднання на цвяхах «сталь-деревина», згідно з п. 8.4.1.4 (1) мінімальні величини кроку дорівнюють наведеним в таблиці 9.7, помноженим на 0,7. Мінімальні відстані до торця і кромки залишаються незмінними.

Величина кроку і відстані до торця і кромки для з’єднань з болтами і / або нагелями наведені в таблиці 9.8.

Таблиця 9.8 - Мінімальні величини кроку або відстані до торця або кромки при використанні болтів і / або нагелів для з'єднань «деревина-деревина», «плита-деревина» і «сталь-деревина» *

Величина кроку і відстані до торця і кромки для з’єднань з гвинтами (ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, п. 8.7.1) приймаються наступними:

– Для гвинтів з гладкою частиною з діаметром більше 6мм слід застосовувати правила як для болтів.

– Для гвинтів з гладкою частиною і діаметром £ 6мм слід застосовувати правила як для болтів.

Тут d – діаметр гладкої частини гвинта.

9.5.4.15 Якщо з'єднання «сталь-деревина» розташоване біля торця дерев'яного елемента і працює на розтяг вздовж волокон, то при визначенні характеристичних значень несучої здатності, слід керуватися п. 8.2.3 (5) і Додатком А до ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 тільки в тому випадку:

- Якщо в ряду 10 або більше металевих кріпильних елементів нагельного типу d ≤ 6мм, розташованих вздовж волокон;

- Якщо в ряду 5 або більше металевих кріпильних елементів нагельного типу d > 6мм, розташованих вздовж волокон

9.5.4.16 Якщо з'єднання схильне до дії сили, що розтягує, спрямованої під кутом до волокон (рис. 9.7), то повинна бути виконана перевірка міцності від її складової (F_Edsina), яка викликає розтяг поперек волокон, виходячи з умови

, (9.35)

, (9.36)

де F_90,Rd – розрахункова несуча здатність при розколюванні деревини поперек волокон, що визначається з виразу

, (9.37)

F_v,Ed,1 and F_v,Ed,2 – розрахункові зусилля зсуву в кожному елементі з'єднання (рис. 9.7).

Рисунок 9.7 - Елемент під дією розтягу під кутом до волокон

9.5.4.17 Для вузлів дерев'яних ферм, елементи яких виготовлені з м'яких (хвойних) порід деревини, характеристична несуча здатність при розколюванні елемента А чи елементів (рис. 9.8), буде визначатись:

, (9.38)

де w – поправочний коефіцієнт, який для металевої штампованої пластини (МЗП) визначається , а для всіх інших кріпильних елементів w =1; F_90,Rk – характеристична несуча здатність при розколюванні, Н; h_e – відстань від найвіддаленішого кріпильного елемента або торця металевої штампованої пластини до навантаженої кромки, мм; h – висота елемента, мм; b – товщина елемента, мм; w_pl – ширина металевої штампованої пластини вздовж волокон, мм.

а)	б)
в)

а) - з'єднання нагельного типу, б) - з'єднання з металевою штампованою пластиною (МЗП), в) - розташування елементів

Рисунок 9.8 - Вузли ферм

9.5.4.18 Несуча здатність з'єднання залежить від кількості кріпильних елементів у з'єднанні. У ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 число кріпильних елементів, що розташовуються вздовж лінії паралельної напрямку волокон (рис. 9.9), називають рядом кріпильних елементів вздовж волокон.

а)	б)
в)

а) і б) - лінії кріпильних елементів; в) - ряди з одиночних цвяхів

Рисунок 9.9 - Ряди кріпильних елементів

Згідно ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1, наведена характеристична несуча здатність кріпильних елементів вздовж волокон F_v,ef,Rk, визначається з виразу

, (9.39)

де F_v,ef,Rk – наведена характеристична несуча здатність в поперечному напрямку в площині зсуву одного ряду кріпильних елементів, розташованих вздовж волокон; n_ef – розрахункова кількість кріпильних елементів в площині зсуву в ряду вздовж волокон; F_v,Rk - характеристична несуча здатність в поперечному напрямку в площині зсуву кріпильних елементів одного типу.

9.5.4.19 Розрахункова кількість кріпильних елементів n_ef в з'єднанні залежить від типу кріпильних елементів і напрямку дії навантаження по відношенню до волокон, яке визначається:

- для з'єднань на цвяхах:

а) навантажених вздовж волокон.

Якщо цвяхи зміщені в ряду менш ніж на величину діаметра цвяха в напрямку поперек волокон (рис. 9.9 в), то вони всі є частиною ряду, а якщо вони зміщені більш ніж на величину діаметра цвяха в напрямку поперек волокон, то це приймається за два окремих ряда.

Для цвяхів у ряді, навантаженому в з'єднанні вздовж волокон:

- при використанні окремих цвяхів з однією або двома площинами зсуву

, (9.40)

- при використанні, коли цвяхи заходять один за одного

, (9.41)

тут n_ef – розрахункова кількість цвяхів в ряду вздовж волокон; n – кількість цвяхів в ряду вздовж волокон (для одиночних цвяхів); n_p – кількість цвяхів, що заходять один за одного в ряду вздовж волокон (зауважимо, що такий цвях внапусток складається з двох цвяхів); k_ef – показник, що залежить від кроку цвяхів та попереднього свердління. Значення даного коефіцієнту наведені в таблиці 9.9.

Таблица 9.9 – Значення показників k_ef для виразів (9.40) і (9.41)*

б) навантажених поперек волокон.

Якщо цвяхи навантажені поперек волокон в однозрізному або двозрізному з'єднаннях (рис. 9.9 б), то розрахункова кількість цвяхів n_ef в кожному ряді, має прийматися рівною фактичній кількості цвяхів n при використанні одиночних цвяхів, або кількістю цвяхів внапусток, як було визначено у виразі (9.41). При такому навантаженні з'єднання, його несуча здатність буде дорівнювати меншій з величин несучої здатності розколювання елемента (-ів), під дією розтягуючого зусилля, і несучої здатності з'єднання, що обчислюється шляхом підсумовування несучої здатності кріпильних елементів.

с) навантажених під кутом до волокон.

Якщо цвяхи, в однозрізному або двозрізному з'єднанні, поперечно навантажені зусиллям, яке діє під кутом до волокон, то повинні обчислюватися складові зусилля вздовж і впоперек волокон: (1) складова розрахункового зусилля, що діє вздовж волокон, не повинна перевищувати несучої здатності, визначеної з розрахункового числа цвяхів в ряду; (2) складова розрахункового зусилля, що діє поперек волокон, не повинна перевищувати несучої здатності.

– для з'єднань на скобах:

Для з'єднань з використанням скоб, n приймається рівним подвоєній кількості скоб в ряду вздовж волокон. Якщо кут θ між верхньою частиною скоби і напрямком волокон деревини більше 30º, то слід користуватися виразом (9.40).

Якщо кут θ менше 30º, то слід користуватися виразом (9.40), але несуча здатність у поперечному напрямку повинна множитися на коефіцієнт 0,7.

Для кількох скоб в ряду, n_ef визначається як для цвяхів.

- для з'єднань на болтах і нагелях:

а) навантажених вздовж волокон.

Оскільки болти / нагелі жорсткіше, ніж цвяхи або скоби, то для з’єднань з однією або двома площинами зсуву, зниження несучої здатності ряду вздовж волокон, менше. Розрахункова кількість болтів / нагелів, в цьому випадку, слід визначати з виразу

, (9.42)

де n_ef – розрахункова кількість болтів або нагелів в ряду вздовж волокон; a₁ – крок болтів / нагелів вздовж волокон; d – діаметр болта / нагеля; n – кількість болтів / нагелів в ряду.

б) навантажених поперек волокон.

При навантаженні поперек волокон у з'єднаннях з однією або двома площинами зрізу, зниження несучої здатності не спостерігається, тоді коли

(9.43)

с) навантажених під кутом до волокон.

Несуча здатність вздовж волокон або поперек волокон повинна визначатися таким же чином, як для цвяхів, у відповідності з вимогами пункту п. 9.5.4) цих норм. Для кутів 0º <α <90º n_ef може визначатися лінійною інтерполяцією.

– для з'єднань на гвинтах:

Якщо діаметр гвинта гладкої частини дорівнює 6мм або менше, то при визначенні n_ef слід застосовувати правила як для цвяхів, а якщо більше 6мм - правила як для болтів.

9.5.4.19 Якщо з'єднання схильне до дії короткочасних знакозмінних зусиль, то характеристична несуча здатність не буде змінюватися.

Якщо з'єднання схильне до дії знакозмінних зусиль, викликаних дією тривалих і середньострокових навантажень, то характеристична несуча здатність з'єднання буде знижуватися. У цьому випадку, якщо розрахункове зусилля в з'єднанні змінює знак від розтягування на стиск, то з'єднання повинно розраховуватися на наступні зусилля

N_t,Ed= (F_t,Ed + 0,5 F_c,Ed), (9.44)

N_c,Ed= (F_c,Ed + 0,5 F_t,Ed), (9.45)

де F_t,Ed –розтягуюче зусилля; F_c,Ed –стискуюче зусилля; N_t,Ed– розрахункове розтягуюче зусилля; N_c,Ed – розрахункове стискуюче зусилля.

9.5.4.20 Розрахункове значення несучої здатності поперечно навантаженого з'єднання з металевими нагелями визначається в припущенні, що в з'єднанні, розрахункова несуча здатність при зсуві кріпильних елементів, буде завжди перевищувати розрахункову несучу здатність, яка визначається з виразів несучої здатності деревини / плити для відповідних типів кріпильних елементів. Якщо необхідно визначати несучу здатність при зрізі кріпильного елемента, то вона повинна визначатися відповідно до вимог EN 1993-1-1.

9.5.4.21 Розрахункове значення несучої здатності поперечно навантаженого з'єднання з металевими нагелями при дії зусиль вздовж волокон, визначається з виразу

, (9.46)

де k_mod – поправочний коефіцієнт, що приймається з таблиці 3.1 в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1. Якщо з'єднання включає два дерев'яних елемента, то значення k_mod,1 и k_mod,2 повинні визначатися як ; γ_M – коефіцієнт надійності за матеріалом для з’єднань, що приймається з таблиці 2.3 в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1.

F_v,Rk – характеристична несуча здатність кріпильного елемента в площині зсуву при поперечному навантаженні, тобто найменше значення, отримане з відповідних виразів, наведених в таблицях 9.1 і 9.2.

Для з'єднання, що складається з r_pl рядів поперечно навантажених кріпильних елементів, розташованих вздовж волокон, кожен з яких включає n кріпильних елементів однакового розміру з однаковими відстанями, при розрахунковій міцності кожного елемента в площині зсуву F_v,Rd, розрахункова несуча здатність з'єднання вздовж волокон F_v,ef,Rd буде рівна:

, (9.47)

де n_ef – розрахункова кількість кріпильних елементів у кожному ряду з'єднання вздовж волокон; n_sp – кількість площин зсуву в з'єднанні.

9.5.4.22 Розрахункове значення несучої здатності поперечно навантаженого з'єднання з металевими нагелями, при дії зусиль поперек волокон, має визначатися з двох умов міцності:

- міцності деревини в результаті розколювання при розтягу поперек волокон (дана умова описана в п. 9.5.4 цих норм);

- плинності кріпильного елементу. Для цього умови, при кількості r_pr рядів кріпильних елементів, коли кожен ряд включає n кріпильних елементів однакового розміру, то

, (9.48)

де F_v,ef,Rd – прийнята розрахункова несуча здатність кріпильного елемента в площині зсуву при їх поперечному навантаженні та дії зусиль поперек волокон; n_sp – кількість площин зсуву в з'єднанні; n – кількість кріпильних елементів у кожному ряду кріпильних елементів поперек волокон. Якщо використовуються цвяхи внапусток, то n буде дорівнювати числу цвяхів внапусток; F_v,Rd – розрахункова несуча здатність поперечно навантаженого одного кріпильного елемента в площині зсуву при дії зусиль поперек волокон.

Для цвяхів і скоб d ≤ 8мм, а так само для шурупів з гладкою частиною d ≤ 6мм, несуча здатність буде такою ж, як для кріпильного елемента при дії зусиль вздовж волокон. Для болтів і нагелів, а так само для шурупів d> 6мм і цвяхів d> 8мм в з'єднаннях з використанням LVL, несуча здатність, що визначається з виразів таблиць 9.1 і 9.2, повинна визначатись з урахуванням вимог виразу (8.31) в EN 1995-1 - 1, де характеристична міцність при вдавлюванні деревини або LVL в з'єднанні дорівнює:

(9.49)

Для даного випадку розрахункова несуча здатність з'єднання F^*_v,ef,Rd, навантаженого поперек волокон, буде визначатись:

, (9.50)

де F_90,Rd – розрахункова несуча здатність, що визначається з виразу (9.35).

9.5.4.23 При розрахунку дерев'яних конструкцій за граничними станами несучої здатності (SLS) та експлуатаційної придатності (ULS) з з’єднаннями нагельного типу, повинні враховуватися піддатливості з'єднань, які позначаються на розподілі зусиль між елементами конструкції. Згідно вимогам ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 зміщення у з'єднаннях вузлів конструкції повинні враховуватися при будь-якому розрахунку переміщень конструкції. Величинами, що дозволяють враховувати жорсткості таких з’єднань, при розрахунку дерев'яних конструкцій за граничними станами USL, є значення модуля жорсткості K_ser, а при розрахунку за граничним станами експлуатаційної придатності – K_u.

Вирази з визначення K_ser наведені в таблиці 9.10.

Таблиця 9.10 - Значення K_ser в Н/мм для кріпильних елементів у з'єднаннях «деревина-деревина» і «деревина-плита на основі деревини» *

Тип використовуваного кріпильного елемента	Модуль жорсткості по SLS, Kser
Цвяхи Без попереднього свердління З попереднім свердлінням
Скоби
Шурупи
Болти з зазорами і без зазорів **
Нагелі
* На основі таблиці 7.1 в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 ** Якщо існує допуск на зазори для болта, то вони повинні бути додані до зміщення з'єднання.

9.5.4.22 Значення K_ser залежить від діаметра кріпильного елемента d(мм) і середньої щільності ρ_m(кг/м³) матеріалу з'єднання. Якщо з'єднання складається з елементів з різною щільністю ρ_m1 і ρ_m2, то ρ_m, яке повинно використовуватися у виразах таблиці 9.10, буде визначатись наступним чином:

. (9.51)

9.5.4.23 Загальна величина миттєвого зміщення у з'єднанні u_inst, що складається з двох елементів, дорівнює сумі зміщень u_inst1 в елементі 1 і u_inst2 в елементі 2 (рис. 9.10).

u_inst = u_inst1 + u_inst2. (9.52)

Якщо елементи мають однакові характеристики, то

u_inst = u_inst2 + u_inst2 = 2 u_inst2. (9.53)

Якщо один з елементів виготовлений із сталі, то зсув в сталевому елементі дорівнює нулю, а в елементі 2 становить u_inst2. Тоді загальна величина зсуву в з'єднанні дорівнює:

u_inst = 0 + u_inst2 = u_inst2. (9.54)

Для з’єднань «сталь-деревина» миттєве зміщення буде становити половину значення в з'єднанні «деревина - деревина». Тому їх жорсткість буде теоретично дорівнювати подвійному значенню модуля жорсткості з'єднання «деревина - деревина», тобто 2·K_ser. Це є наближенням до реальної поведінки з'єднання, оскільки не враховується зазор між кріпильним і сталевим елементами. Обертання кріпильного елемента в сталевому елементі і плинність сталевого елементу не враховуються, що призводить до завищення жорсткості. У п. 7.1 (3) ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 вказано, що модуль жорсткості для з'єднань «сталь-деревина» і «бетон-деревина» може прийматися рівним 2·K_ser, якщо розраховується конструкція чутлива до відхилень, рекомендується використовувати менші значення.

а)

б)

а) - навантажене з'єднання «деревина-деревина», б) - навантажене з'єднання «сталь-деревина»

Рисунок 9.10 - Миттєві зміщення в з'єднанні

9.5.4.24 При визначенні несучої здатності з'єднання з декількома металевими кріпильними елементами нагельного типу, у виразі несучої здатності вузла використовується фактичне число кріпильних елементів n з'єднання, а при обчисленні несучої здатності вздовж волокон, має використовуватися розрахункова кількість кріпильних елементів n_ef. У ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 не наведено рекомендацій по визначенню жорсткості з'єднання. Тому, незалежно від кута навантаження по відношенню до волокон, для з’єднань з однією або двома площинами зсуву, рекомендується завжди використовувати фактичну кількість кріпильних елементів n.

Значення жорсткості з’єднань, що містять n кріпильних елементів в площині зсуву, K_ser,sc для однозрізних K_ser,dc – для двозрізних з’єднань визначаються:

а) для з'єднання, що складається з n кріпильних елементів з однією площиною зсуву (рис. 9.11 а);

K_ser,sc = nK_ser,, (9.55)

б) для з'єднання, що складається з n кріпильних елементів і двома площинами зсуву (рис.9.11 б);

K_ser,dc = 2nK_ser,, (9.56)

в) для вузла з двома з’єднанями з однією площиною зсуву (рис. 9.11в);

K_ser,sc = 1/(1/K_ser,sc1+ 1/K_ser,sc2), (9.57)

г) для вузла з двома з’єднаньами і двома площинами зсуву (рис. 9.11г);

K_ser,dc = 1/(1/K_ser,dc1 + 1/K_ser,dc2), (9.58)

де K_ser– модуль жорсткості з'єднання для однієї площини зсуву; K_ser,sc– жорсткість з'єднання для двох площин зсуву; K_ser,dc – модуль жорсткості з'єднання для двох площин зсуву; K_ser,sc1– жорсткість з'єднання 1 для однієї площини зсуву у вузлі, рівна n₁K_ser; K_ser,sc2 – модуль жорсткості з'єднання 2 для однієї площини зсуву у вузлі, рівна n₂K_ser; K_ser,dc1 – модуль жорсткості з'єднання 1 для двох площин зсуву у вузлі, рівна 2n₁K_ser; K_ser,dc1 – модуль жорсткості з'єднання 2 для двох площин зсуву у вузлі, дорівнює 2n₂K_ser.

а)	б)
в)
г)

а) - з'єднання з однією площиною зсуву; б) - з'єднання з двома площинами зсуву; в) - вузол з двома з’єднанями з однією площиною зсуву; г) - вузол з двома з’єднанями з двома площинами зсуву

Рисунок 9.11 - Схеми з'єднань і вузлів з однією і двома площинами зсуву

9.5.4.24 Для з’єднань з одним кріпильним елементом і однією площиною зсуву, величина зсуву визначається з виразу

, (9.59)

де F – навантаження що діє на з’єднання за першим граничним станом; K_ser – модуль жорсткості кріпильного елемента в площині зсуву в експлуатаційних умовах; с – зазор (допуск), який приймається для болтів 1 мм.

9.5.4.25 Якщо конструкція знаходиться під дією характеристичного постійного навантаження G_k , домінуючого характеристичного навантаження Q_k,1 і супутніх незалежних характеристичних змінних навантажень Q_k,i, то розрахункове навантаження F_d, діюче на з'єднання, за граничними станами SLS, визначатиметься з розрахунку конструкції при дії комбінації характеристичного навантаження, тобто:

, (9.60)

де ψ_0,i – коефіцієнт поєднання в комбінації при дії змінного навантаження Q_k,i, що визначається згідно з національним додатком до EN 1990.

Для визначення кінцевої деформації з'єднання в даному методі розрахунку повинні враховуватися залежності характеристик матеріалів від часу як самих елементів з'єднань, так і елементів конструкції.

9.5.4.25 Для конструкцій, які включають елементи, компоненти і з'єднання з однаковою поведінкою при повзучості, кінцева деформація визначається застосуванням комбінованої характеристичної і практично постійною комбінацією впливів на конструкцію. У даному випадку, розрахункове навантаження на з'єднання з характеристичної комбінації F_cd, визначатиметься з розрахунку конструкції при дії комбінованої характеристичної і практично постійної комбінацій, тобто:

, (9.61)

де ψ_2,i – коефіцієнт поєднання для практично постійного впливу і практично постійної комбінації, визначених у національному додатку до EN 1990; k_def – коефіцієнт деформації для деревини і матеріалів на її основі для практично постійних впливів, який визначається з таблиці 3.2 в ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1.

G_k, Q_k,1, Q_k,і – були визначені вище.

У цьому випадку, кінцева деформація u_fin за граничними станами SLS з'єднання з однією площиною зсуву в конструкції, що включає елементи, компоненти і з’єднання, що мають однакові характеристики повзучості, буде становити:

. (9.62)

Вираз (9.62) застосовується для статично визначених конструкцій (наприклад, ферм з шарнірними вузлами) і якщо з'єднання мають не співпадаючі з елементами характеристики повзучості.

9.5.4.26 Для конструкцій, які включають елементи і з'єднання з різними характерис