3.3.2. Соединения на нагелях

Нагели являются одним из видов наиболее широко применяющихся до настоящего времени механических рабочих связей. Нагелем называется гибкий стержень или пластина, который соединяет элементы деревянных конструкций и препятствует их взаимному сдвигу, а сам в основном работает на изгиб.

Работу нагеля можно рассмотреть на примере соединения двух сдвигаемых элементов (рис.3.14). Силы, сдвигающие сплачиваемые элементы, стремятся опрокинуть нагель. Под действием этих сил нагель после некоторого поворота, обусловленного неплотностями и обмятием древесины, упирается в нее сначала по краям элементов, а затем начинает изгибаться. При изгибе нагеля увеличивается поверхность его контакта с древесиной, что выззывает появление в ней неравномерных напряжений смятия по всей длине нагеля (рис.3.14,в). Напряжения смятия древесины нагелем имеют разные знаки, и их равнодействующие образуют две пары взаимно уравновешенных продольных сил (рис.3.14,г), препятствующих повороту нагеля. По условию равновесия нагеля моменты этих пар равны: или

Рис. 3.13. Виды кольцевых и зубчатых шпонок: а - ногтевая Леннова; б -двусторонняя кольцевая типа "Аппель"; в - то же, односторонняя; г - тарельчатая типа " Христон"; д - коггевая системы Фрис и Нельсона; е - двусторонняя зубчато-колцевая Котова; ж - двусторонняя зубчатая типа "Гека"; з - то же, односторонняя; и- двусторонняя кольцевая типа "Аллигатор"

Таким образом, равновесие нагеля в отличие от равновесия шпонки обеспечивается только продольными силами, параллельными направлению сдвига соединяемых элементов. В нагельных соединениях отсутствуют по перечные силы, образующие распор, для восприятия которых в шпоночных соединениях приходится ставить растянутые связи.

Цилиндрические нагели изготавливаются в виде гладких стержней круглого сечения из стали, металлических сплавов, твердых пород древесины и их пластмасс. По характеру своей работы в соединениях сдвигаемых элементов к цилиндрическим нагелям относятся также болты, гвозди, глухари (винты большого диаметра с шестигранной или четырехгранной головкой) и шурупы (рис.3. 15). Цилиндрические нагели устанавливают в предварительно рассверленные гнезда. Диаметр отверстия для нагеля обычно принимают равным диаметру нагеля. Однако нормами некоторых стран с целью увеличения плотности соединений, особенно при переменной влажности и усушке древесины, предусматривается диаметр отверстия 0,2-0,5 мм меньше диаметра нагеля. Для шурупов и глухарей необходимо предварительное просверливание отверстия сверлом меньше диаметра нарезной части шурупов и глухарей. Обычные гвозди изготавливают из гладкой проволоки диаметром до 6 мм и, как правило, забивают в древесину без предварительного сверления гнезд.

Таблица 3.3

Основные технические характеристики шайб шпоночного типа

Тип шайб (шпо­нок)	Разм Диа­метр,	еры шайб, Высота,	им Тол щи-на,	Площадь ослабле­ния		Диаметр болта, мм	Наимень­шие разме­ны сечений соединяе­мых эле­ментов, см	Наименьшее расстояние между шай­бами по осям, см		Несущая пособносп шайбы, кН
1	2	3	4	5		6	7	8		9
Когтевая Лен-нова	80 100 120 150	15,3 18,7 22 27	2 2 2 2,5	8 12 18 28		20 20 24 24	5x10 6x13 7,5x15 9x18	16 20 24 30		9,6 15 21,6 33,8
Двустронняя и односторонняя (для при­соединения ме­таллических пластин) систе­мы "Аппель"	65 80 95 126 128	30 30 30 30 45	5 6 6 6 8	7,8 10,1 12,3 17 25,9		12 12 12 12 12	4x10 5x11 6x12 6x16 6x20	14 18 22 25 30		11,5 14 17 20 28
Тарельчатые системы "Хри-стофа и Унма-ка"	60 80 100 120_,	20 25 30 35	4,5 5 5 5	4,7 8,4 13,1 18,8		12 12 12 12	4x10 5x11 6x13 6x16	16 21 24 27		12,5 16,0 20,0 23,0
Двусторонняя зубчато-кольцевая сис­темы "Фреерс и Нильсон"	90 130 155	30 40 45	6,5 8 10	9,7 19,8 27,6		12 12 16	6x14 8x20 10x20	20 25 32		14,5 22,0 31,5
Двусторонняя системы Котова	120 140 160 180 200 220	30 30 30 30 30 30	3 3 3 3 3 3	18 021 24 27 30 33		20 22 27 27 30 30	6x15 6x18 6x20 7,5x22 7,5x24 8x26	24 28 32 36 40 44		18 21 24 27 30 33
Двусторонняя системы "Гека"	50 65 80 95 115	27 27 27 27 27 ,	3 3 3 3 3	2,8 3,6 4,6 5,6 7		12 16 20 24 32	4x10 4x11 5x13 6x14 6x17	12 14 17 20 23		8 11,5 17 21 27
Односторонняя системы "Гека"	50 65 80 95 115	15 15 15 15 15	3,4 4,5 5,5 6,9 8,6	3 3 3 3 3		12 16 20 22 24	4x10 4x11 5x13 6x14 6x17	12 14 17 20 23		8 11,5 17 21 27
системы "Алли­гатор"	70 95 115 125	19 24 24 29	1,45 1,5 1,5 1,65	2,6 4,5 5,6 7,3		16 20 22 24	5x12 6x14 8x18 8x19	14 17 20 23		8 12 16 18

Рис. 3.14. Схема работы нагеля: а - первоначальное положение; б - поворот; в -и-формированный нагель; г - эпюры сминающих упругопластичных напряжений (ревесины; Товар - сдвигающее усилие; Т₁, Т₂ - равнодействующие сминающих напряжений древесины

Рис. 3.15. Основные виды циклических нагелей: а - болт с гайкой и круглыми (могут быть также квадратными) шайбами; б - цилиндрический нагель из стали (1), из твердых пород древесины или стеклопластика (2); в - гвоздь; г - шуруп с полузакругленной головкой; е - глухарь; ж,з - особые виды гвоздей с профильной поверхностью

Цилиндрические нагели и болты применяют для сплачивания элементов деревянных конструкций, соединения их по длине (рисЗ. 16,а), а также в узловых примыканиях (рис.3.16,в). Соединения деревянных элементов на нагелях бывают симметричными и несимметричными.

На плотность соединений на нагелях значительно влияет совпадение отверстий под нагели в соединяемых элементах. Чтобы получить хорошее совпадение отверстий и достичь максимальной плотности соединения, необходимо сверлить отверстия в предварительно собранном и обжатом пакете. Для обжатия соединений ставят стяжные болты в количестве 25% общего числа нагелей. Если стяжные болты сделаны из того же материала, что и нагели, то их включают в расчетное количество нагелей.

В растянутых стыках по ширине элемента следует ставить только четное количество продольных рядов нагелей. Это требование объясняется тем, что при нечетном числе рядов средний оказывается по оси доски в зоне наиболее возможного появления продольных трещин в результате усушки дерева.

По аналогии с соединениями на заклепках в металлических конструкциях, каждое пересечение нагеля с рабочим швом называется «срезом». Однако при общности действующих явлений в том и в другом случае работа нагеля в соединениях элементов значительно отличается от работы заклепки в металлических элементах. Заклепка соединяет тонкие стальные элементы. Отношение длины заклепки к ее диаметру невелико, что характеризует большую относительную жесткость, при которой изгибные напряжения не имеют существенного значения и могут не учитываться. Несущую способность заклепки определяют из расчета на смятие и срез.

В соединениях деревянных элементов отношение длины нагеля к его диаметру значительно больше, поэтому нагель работает как гибкий стержень главным образом на изгиб и неравномерно сминает древесину в гнезде. Напряжения среза в нагеле не учитываются в расчете, поскольку срезать деревянным элементом нагель, даже деревянный, не говоря уже о стальном, нельзя. Термин «срез» употребляется для характеристики соединения по количеству плоскостей относительного сдвига между соединяемыми элемен­тами, которые пересекаются нагелями. В зависимости от расположения срезов по отношению к осям действия сил различают симметричные и несимметричные соединения (рис. 3.17). Расчет нагельных соединений основан на том положении, что действующее на соединение (связь) усилие не должно превышать расчетной несущей способности соединения (связи) Т. Расчетное количество нагелей принимают не менее двух с диаметром 12-24 мм и определяют по формуле

где N - расчетное усилие, действующее в растянутом стыке,- количество срезов нагеля;Т_н - наименьшая расчетная несущая способность одного среза нагеля,

Рис. 3.16. Узловые соединения на цилиндрических нагелях: а - с прямой расстанов­кой; б - с круговой расстановкой

Рис. 3.17. Соединения на цилиндрических нагелях деревянных растянутых элемен­тов:

а - симметричное двухсрезное;

б - несимметричное односрезное

Для сплачивания двух или трех брусьев, составленных по высоте, применяют пластинчатые нагели, вставляемые в гнезда, прорезанные цепнодолбежным станком (рис.3.18).

Применение дубовых или березовых пластинчатых нагелей допускается для сплачивания брусьев в составных элементах со строительным подъемом, работающих на поперечный изгиб и на сжатие с изгибом. Размеры пластинчатых нагелей и гнезд для них, а также расстановку пластинча­тых нагелей в сплачиваемых элементах следует принимать по нормам /21 (см. рис.3.18). Направление волокон в пластинках должно быть перпендикулярно плоскости сплачивания деревянных элементов.

Расчетную несущую способность дубового или березового пластинчатого нагеля [кН] с размерами, даваемыми СНиП 11-25-80 в соединяемых элементах из древесины сосны и ели, следует определять по формуле

где- ширина пластинчатого нагеля, см., которую следует братьравной ширине сплачиваемых элементовпри сквозных пластинах, - при глухих.

Рис. 3.18. Соединения на пластичных нагелях: а - со сквозными пластинками; б - с глухими пластинками

При применении для сплачивания элементов из других пород древесины следует вводить поправочный коэффициент т_п (табл. 11.2 Приложения II или табл.4 СНиП П-25-80).

Для конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности или температуры и рассчитываемых на действие кратковременных или постоянной и длительной временной нагрузок, расчетную несущую способность пластинчатых нагелей следует умножать на поправочные коэффициенты (табл. 11.5 и 11.6 Приложения II или табл. 5 и 6 СНиП П-25-80).