38. Основные виды соединений деревянных и пластмассовых конструкций. Требования, предъявляемые к ним. Указания по расчету.

Соединения являются наиболее ответственными деталями деревянных конструкций. При изготовлении многих соединений в элементах конструкций делают отверстия и врезки, ослабляющие их сечения и повышающие их деформативность. Разрушение деревянных конструкций начинается в большинстве случаев в соединениях. Деформативностью соединений объясняются повышенные прогибы деревянных конструкций. Т. о. , от правильного решения, расчета и изготовления соединений зависят прочность и деформативность конструкции в целом.

Виды соединений:

Соединения на врубках - соединения, в которых возникают усилия намного меньше их несущей способности, и они не нуждаются в расчете. В деревянных конструкциях наибольшее применение находят конструктивные соединения в четверть, в шпунт, в полдерева и косой прируб.

Соединение в четверть – сплачивание досок кромками по ширине, для чего в них вырезается односторонние пазы глубиной, несколько большей половины толщины, в которые входят образовавшиеся выступы кромок соседних досок. Обшивки стен из досок. Соединенных в четверть, препятствуют продуванию стен и проникновению атмосферных осадков. Сосредоточенные нагрузки в таких обшивках распределяется на две соседние доски.

Соединение в шпунт – сплачивание досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезаны двусторонние пазы, а в другой – один средний паз (шпунт), равный примерно 1/3 толщины, в который входит образовавшийся выступ (гребень) соседней доски. Настилы из досок, соединенных в шпунт, препятствуют просыпанию засыпок, и сосредоточенные нагрузки на них распределяются на ряд соседних досок.

Врубка в полдерева - соединение концов брусьев или бревен с врезками до половины толщины под углом в одной плоскости, стянутых конструктивным болтом (концы стропильных ног в коньке крыш).

Косой прируб – продольное сращивание брусьев или бревен концами, в которых сделаны односторонние наклонные врезки длиной, равной удвоенной высоте сечения, с торцами 0,15 высоты сечения. Косые прирубы стягиваются конструктивными болтами и применяются для соединения прогонов и балок по длине.

Лобовые упоры являются наиболее простыми и надежными соединениями, применяемые в большенстве видов деревянных конструкций для крепления сжатых стержней. Они работают и рассчитываются на смятие, возникающее в них от действия сжимающих усилий. На растяжение они работать не могут. Лобовые упоры бывают продольными, поперечными и наклонными.

Продольный лобовой упор – это соединение обрезанного под прямым углом конца сжатого стержня с опорой, диафрагмой узла или торца другого такого же стержня в сжатом стыке. В стыке упор перекрывается конструктивно двусторонними накладками толщиной не менее 1/3 толщины стержней и длиной не менее трех высот сечений на болтах. В продольном лобовом упоре древесина работает на смятие вдоль волокон и имеет наиболее высокое расчетное сопротивление. В большинстве случаев напряжения смятия достигают значительной величины и требует проверки по формуле только в опорах, где на смятие работает только часть площади торца.

Поперечный лобовой упор – это соединение двух стержней под прямым углом, когда торец сжатого стержня упирается в пласть другого и закрепляется конструктивными накладками на болтах.( соединение стойки с верхними и нижними элементами каркаса). В этом соединении древесина торца работает на смятие вдоль волокон, а древесина пласти – поперек волокон. Соединение рассчитывается только по меньшей прочности древесины при местном смятии поперек волокон.

Наклонный лобовой упор – соединение двух сжатых стержней под углом меньше прямого. При этом конец одного из них образуется под прямым углом (соединяются подкосы с ригелями в подкосных конструкциях). В этом соединении площадь, где смятие происходит под углом к волокнам древесины, имеет меньшее сопротивление смятию и должна быть проверена по прочности при общем смятии под углом и поперек волокон.

Лобовая врубка с одним зубом является простым в изготовлении соединением двух стержней под углом. Она применяется для соединения стержней малопаролетных ферм и подкосных систем в узлах при их построечном изготовлении, причем один из них, врубаемый, д.б. сжат. Примером лобовой рубки является опорный узел треугольной брусчатой малопролетной фермы.

длина площадки скалывания д.б. не менее l 1,5h

R_ск - среднее напряжение сдвига по длине площадке скалывания;

Нагельное соединение: Нагель – гибкий стержень, который соединяет сплачиваемые элементы, препятствует появлению взаимному изгибу. Нагелями называют также болты, глухари (винты большого диаметра с шестигранной или квадратной головкой), шурупы и гвозди. Нагель м. б. стальным, деревянным, пластиковым.

По виду деформации нагели в соединениях бывают: а) симметричные; б) несимметричные.

По количеству срезов: односрезный; двухсрезный; многосрезный; По форме нагель м.б. цилиндрическим и пластинчаты.

Стальные цилиндрические нагели, диаметр которых от12 до 24м с шагом через 2мм. Дубовые цилиндрические нагели диаметром от12до 30мм, с шагом через 4мм. Нагель вставляют в отверстие равному диаметру.

Расстояние между осями нагелей и от оси последнего ряда до торца элемента:

- для нагелей S₁ , , ,

- для гвоздей S₁ при с >10d_гв , S₁ при с =4d_гв

Количество нагелей: , где N – действующее усилие; n_ср- кол-во срезов нагеля; T_min – минимальная несущая способность одного нагеля на один срез (зависит от болтов и гвоздей).

Из условия смятия крайнего элемента при симм-чном: а – толщина крайнего элемента, см;

с- середине элемента, см;

Для несимм. соединения:

Соединение на шпонках шпонками называют вкладыши, которые препятствуют взаимному сдвигу сопрягаемых элементов и сами работают в основном на сжатие. Шпонки бывают деревянные, стальные, пластмассовые. При достаточной длине шпонки ра спор воспринимается при помощи стяжных болтов без заметного вдавливания торцевых срезов шпонки поперек волокон сплачиваемых элементов. Глубина врезки шпонок в брусьях д.б. не более . Расстояние между шпонками в свету д.б. не менее длины шпонки. Расчет шпонки сводится к проверке несущей способности шпонки и брусьев по сжатию и скалыванию. Несущая способность многорядового соединения в целом из-за неодинаковой плотности понижается на 30%. При сплачивании брусьев с зазором требуется применение шпонок увеличенной толщины и длины, называемых колодками. В качестве шпонок могут использоваться различные профили из стали и пластмасс. Переход от призматических (линейных) шпонок к круглым (центровым)шпонкам, характеризуется упрощением и обеспечивает возможность перехода от продольного сплачивания к узловым соединениям под любым углом. Зубчато-кольцевая шпонка, для которой предварительно не устраивают гнезда, а вдавливают остро отточенными краями в цельную древесину сплачиваемых элементов. Обеспечивается совершенная плотность соединения. Повышенная несущая способность соединений поперек волокон определяется наличием дробного приложения сминающих сил через разветвленную систему зубьев. Шпонки м. и. Зубья или когти с одной или с двух сторон. Односторонние зубчатые шпонки обычно используются для сборно-разборных соединений и для крепления элементов к металлическим.

Клеевые соединения - наиболее прогрессивные виды соединений элементов деревянных конструкций заводского изготовления. Их основой являются конструкционные синтетические клеи. Эти соединения характеризуются важными достоинствами. Склеивание дает возможность из досок ограниченных сечений и длин изготовлять клееные элементы несущих конструкций любых размеров и форм. Они м. б. Прямыми и изогнутыми, постоянного, переменного и профильного сечения, длиной, измеряемой десятками метров, и высотой, измеряемой метрами. Клеевые соединения являются прочными, монолитными и имеют такую малую податливость, что ее можно учитывать при расчетах и считать клееные элементы как цельные. Клеевые соединения являются водостойкими, стойкими против загнивания и воздействия ряда химически агрессивных сред, что обеспечивает долговечность клееных элементов. Клеевые соединения применяют для склеивания досок из хвойной древесины толщиной не более 50мм и влажностью не выше 12%. При нарушении этих ограничений клеевые соединения могут разрушиться от усилий, возникающих в результате коробления досок при высыхании. Склеиваемые поверхности древесины д.б. остроганы, а поверхности других материалов обработаны в соответствии с инструкциями. Для клееных деревянных конструкций толщину досок принимают не более 33мм (после острожки). Ширину досок согласовывают с номинальной шириной клееного элемента с учетом припусков на сушку и механическую обработку. При компоновке поперечных сечений клееных элементов рекомендуется использовать древесину только одной породы и одного сорта в растянутых и сжатых элементах при гибкости <60; в изгибаемых, сжато-изгибаемых и сжатых при 60 допускается применять древесину двух сортов, двух пород или разных сортов и пород. При склеивании досок между собой и сфанерой под углом 90º ширину их принимают не более 100мм, а при углах 30…45º - не более 150мм. Если при склеивании пакета по ширине требуется уложить две или более доски, то смещение их кромок принимают не менее толщины слоя досок (рис 3.1. а). Доски стыкуют с помощью зубчатых клеевых соединений: по пласти, фанеру – на «ус», зубчатое соединение. В изгибаемых и сжато-изгибаемых элементах стыки по пластям работают и рассчитываются на скалывание при изгибе по формуле , где - коэффициент условий работы, учитывает возникновение непроклеек, уменьшающих расчетную ширину шва.

Клееметаллические соединения – соединения деревянных клееных элементов при помощи вклеенных или наклееных стальных деталей. Соединения на вклееных стержнях состоят из коротких стержней из арматуры классов А-II или А-III диаметром 12-32мм, вклееных в прямоугольные пазы или круглые отверстия клеем, обеспечивающим надежное соединение древесины с металлом (эпоксидно-цементным). Глубина вклеивания l д.б. не менее 10 и не более 30диаметров стержня, ширина паза или отверстия на 5мм больше диаметра стержня, расстояние не менее 3d.Вклееные стержни применяют для продольного углового соединения клееных элементов, работающих на продольные силы или изгибающие моменты. Они воспринимают продольные силы при растяжении (выдергивание) или сжатии (вдавливание). Клеевые соединения стержней работают на скалывание по площади, равнойпроизведению глубины вклеивания на периметр отверстия π(d+0,5)см. Напряжения скалывания распределяются по длине вклеивания неравномерно, уменьшаясь к концам стержней. Расчет соединения на скалывание производят с учетом коэффициента неравномерности (концентрации) распределения скалывающих напряжений k_ск, определяемого в зависимости от диаметра стержня и глубины вклеивания. Расчетная несущая способность стержня определяется по скалыванию клеевых соединений по формуле Т=πl(d+0,5)R_скk_с, где k_с =1,2-0,02l/d ; R_ск – расчетное сопротивление скалыванию;

Соединение на растянутых связях и вклеенных стержнях: Для соединения деревянных элементов применяют стальные связи: болты, тяжи, хомуты, работающие на растяжение, гвозди и винты, работающие на выдергивание, а также крепежные детали: стяжные болты, скобы, стальные подвески и накладки. Широко распространены вклееные в древесину стальные стержни, работающие на выдергивание, продавливание и изгиб. Растянутые тяжи, болты и хомуты из круглой стали применяют в затяжках арок и рам, растянутых элементах ферм, анкерах, крепящих конструкции к фундаментам, опорных узлах ферм, при подвеске элементов перекрытий. Рабочие связи всегда затягивают для плотного прилегания к древесине и ликвидации рыхлых деформаций в узлах с помощью гаек и контргаек на концах связей или стяжных муфт, располагаемых по их длине в местах, удобных для периодического подтягивания. Во избежание обмятия ребер брусьев под хомуты ставят прокладки из угловой стали (рис. 3.7. а) или согнутой под прямым углом полосы (рис. 3.7. б); хомуты полукруглой формы прижимают к поверхности бревен через изогнутую по окружности стальную полоску (рис. 3.7. в). Тяжи стыкуют при помощи сварки (рис. 3.7. г, д), ненатяжных петель (рис. 3.7. е) или стяжных муфт (рис. 3.7. ж). Растянутые связи рассчитывают по ослабленному нарезкой сечению , где R_у – расчетное сопротивление стали на растяжение; F – площадь поперечного сечения ( по нарезке); - коэффициент условий работы;

Площадь шайб и размеры траверс определяют расчетом древесины на смятие, сечение шайб – на изгиб под действием нагрузки. Равной напряжению смятия в древесине. При одиночных тяжах шайбу применяют как консольную плиту, при двойных предусматривают траверсу из профильной стали, объединяющих их, и рассчитывают ее как балку на двух опорах.

Гвозди и винты. Работающие на выдергиваие, применяют для крепления второстепенных элементов (подшивок, накладок) при статических нагрузках. Забивать гвозди можно только поперек волокон древесины и без предварительного рассверливания гвоздя принимают не менее двух толщин прикрепляемого элемента и не менее 10d_гв. Винты завинчивают в предварительно просверлинные в древесине отверстия, диаметром которых на 2…41 мм меньше диаметра ненарезной их части. Расстояние между винтами Расчетная несущая способность на выдергивание одного гвоздя (винта), установленного поперек волокон древесины, кН T=πdl₁R_в^, где d – диаметр гвоздя или нарезанной части винта, см; l₁ – длина защемленной части гвоздя или длина нарезанной части винта, см; R_в – расчетное сопротивление выдергиванию, кН/см².

СКЛЕИВАНИЕ ПЛАСТМАСС

Для склеивания применяются клеи, основанные на синтетических смолах. Склеивание элементов из высокопрочных стеклопластиков (СВАМ, КАСТ) может производиться эпоксидными клеями на основе смол ЭД-5, ЭД-6. Соединение элементов светопроницаемых конструкций (панелей) из полиэфирного стеклопластика целесообразно выполнять на полиэфирных клеях. Для склеивания разнородных материалов, имеющих сильно отличающиеся коэффициенты расширения и усадки, а также модули упругости, пригодны эластичные высокопрочные каучуковые клеи.

Стеклопластики, древесные пластики соединяются между собой и другими материалами разнообразными видами клеевых соединений (рис.). Расчет соединений внахлестку, с накладками, врезных, в полсечения, в шпунт, с муфтами (втулками), в раструб на сдвиг производится по формуле

где N — расчетное усилие; — коэффициент распределения сдви­гающих напряжений по длине шва; F_ш — площадь шва; т — коэф­фициент условий работы (=1);R_Ск — расчетное сопротив­ление сдвигу клеевого шва.

СВАРКА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПЛАСТМАСС

Благодаря сравнительно низкой термостойкости термопластмасс, температура сварки у них невысока. Нагрев обычно совмещают с дав­лением, это дает возможность не доводить материал в месте стыка до полного расплавления, ограничиваясь только переходом его в вязко-текучее состояние. На практике применяются четыре способа сварки: воздушно-газо­вый, контактно-термический, токами высокой частоты, нагретым ин­струментом или присадочным материалом. Прочность швов зависит от типа шва и способа сварки. МЕХАНИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПЛАСТМАСС

В механических соединениях тонколистовых материалов могут применяться следующие крепления: заклепки, самонарезающие винты, трубчатые заклепки. При присоединении тонколистовых ма­териалов к массивным деревянным элементам используются нагели, болты, шурупы.

Заклепки, самонарезающие винты, трубчатые заклепки, шурупы обычно применяются для присоединения наружных обшивок к обрамлению и ребрам панелей ограждения и для стыкования листовых материалов по длине и ширине.