Лобовые врубки

Врубкой называется примыкание сжатого элемента к растянутому под углом не более 45°, при этом усилие от одного элемента другому передается непосредственно без вкладышей. Врубки применяются при конструировании узлов деревянных и металлодеревянных ферм. Основное достоинство врубок: простота изготовления по шаблонам. Недостатки врубок: передают только сжимающие усилия, ослабляют сечение растянутого элемента врезкой, разрушаются от скалывания. Классическим примером лобовой врубки с одним зубом является конструкция опорного узла треугольной брусчатой фермы (рис. 4.3

Рисунок 3 - Лобовая врубка:

1 — аварийный болт; 2 — врубаемый элемент; 3 —опорный элемент; 4 — гвозди;  5 — подбалка; 6 —опорная подкладка

Правила конструирования лобовой врубки с одним зубом для ферм из брусьев:

- ось сжатого элемента должна проходить через центр площадки смятия перпендикулярно к ней (ортогональные врубки); - ось растянутого элемента центрируется по сечению нетто

- минимальная глубина врезки должна быть не менее 20 мм, максимальная глубина врезки - не более 1/3 высоты сечения растянутого элемента в опорных узлах и не более 1/4 высоты сечения в промежуточных узлах ферм;- длина площадки скалывания должна быть не менее 1,5 высоты растянутого элемента; - врубка стягивается аварийным болтом, который ставится перпендикулярно к оси сжатого элемента, диаметр болта 16...24 мм;Конструктивные особенности лобовой врубки (см. рис. 4.3): А - В - площадка скалывания; С - В - площадка смятия; В - D - нерабочая площадка, зазор делается для уменьшения опасности раскалывания.

Аварийный болт служит для недопущения случайного взаимного смещения элементов при монтаже и эксплуатации, а также предотвращает полное разрушение узла при скалывании по площадке А - В.

Подбалка служит для упора аварийного болта и в некоторой степени предохраняет растянутый элемент от загнивания в опорной части.

Лобовая врубка работает и рассчитывается на смятие от действия сжимающего усилия во врубаемом стержне N и на скалывание от действия горизонтальной проекции этого усилия Т, равного растягивающему усилию в нижнем поясе фермы.

Смятие древесины. От действия сжимающего усилия N по площади упора торца сжатого стержня в рабочую поверхность врезки растянутого возникают равномерные напряжения смятия . Площадь смятия F определяют в зависимости от глубины врубки hвр, угла наклона сжатого стержня а и ширины врубки b, которая в брусьях равна ширине сечения, а в бревнах диаметром d находят из выражения Соответственно площадь смятия равна во врубках брусьевво врубках бревенРасчет производят по прочности рабочей площади врезки при местном смятии под углом к волокнам растянутого стержня . Расчетное сопротивление местному смятию под углом к волокнам ввиду малой длины площади смятия и значительного поддерживающего действия соседних участков древесины определяют по формуле (5.14) с учетом повышенного коэффициента условий работы

Проверку прочности лобовой врубки при местном смятии производят по формуле (5.15). По этой же формуле, переписанной относительно сжимающего усилия N, определяют несущую способность врубки по смятию древесины.

Скалывание древесины. От действия скалывающих усилий Т вдоль волокон древесины по площади скалывания F равной "произведению ширины врубки b на длину скалывания lск возникают скалывающие напряжения . Длина площади скалывания lск равна расстоянию от нижней точки врубки до конца растянутого стержня, но учитывается не более длины, равной 10 глубинам врубки hвр (см. гл. 5).

Напряжения скалывания  распределяются по длине площади скалывания особенно неравномерно, так как силы скалывания действуют с одной стороны от площади скалывания и достигают максимума близ врубки. Напряжения же отрыва здесь несколько снижаются в результате прижима, создаваемого вертикальной составляющей усилия сжатия.

Расчет производят по прочности при скалывании по средним значениям скалывающих напряжений. Расчетное среднее сопротивление скалыванию определяют по формуле (5.17), где принимается коэффициент, а плечо пары сил скалывания При учете длины площади скалывания, равной не более двойной высоты сечения растянутого стержня, разрешается принимать расчетное среднее сопротивление скалыванию равным  Лобовую врубку проверяют по прочности на скалывание по формуле (5.18). По этой же формуле, но относительно скалывающих усилий Т можно определить несущую способность врубки по скалыванию.

Нагельные соединения

Нагелем называются гибкие стержни или пластинки, предназначенные для соединения элементов деревянных конструкций в стыках и узлах ферм, в составных стержнях и балках. Стальные нагели представляют собой стержни круглого или трубчатого сечения. К нагелям цельного сечения относятся болты, проволочные гвозди, шурупы и глухари (рис. 69, а, б, в, г, д, е, ж). Деревянные круглые и пластинчатые нагели изготовляются из твердой и вязкой древесины (из дуба или антисептированной березы).

Рис. 69. Виды нагелей: а-болт; б-круглый стальной нагель; в-проволочный гвоздь: г-шуруп: d-глухарь; е-дубоный цилиндрический нагель; ж-стальной трубчатый нагель; и-глухой пластинчатый нагель; з-дубовый или березовый нагель для гкнозного гнезда; к-стальной пластинчатый нагель

Все цилиндрические нагели ставятся в равные их диаметру заранее просверленные отверстия. Для пластинчатых нагелей гнезда сверлятся с помощью специального портативного электродолбежного станка. Гвозди диаметром не свыше 6 мм забиваютсяв древесину. Шурупы и глухари завинчиваются в отверстия, несколько меньшие, чем диаметр ненарезанной их части.

При деформации нагельное соединение не дает распора, который свойственен шпоночному соединению. В данном случае момент от действующих возле шва сопрягаемых элементов Т1e1 будет уравновешиваться обратным моментом Т2е2, где T1 и T2 - равнодействующие соответствующих усилий смятия (рис. 70).

Рис. 71. Схема нагельных соединений: а-симметричное доухсрезное; б-симметричное че-тырехсрелиос; в-несимметричное односрезиое; г- несимметричное трсхсрезное; д-симметричное двухсрезное - на гвоздях

В зависимости от способа приложения внешних сил и числа швов в соединении, различают два вида соединения нагелей: симметричное-двухсрезное и многосрезное (рис. 71, а, б) и несимметричное - односрезное и многосрезное (рис. 71,в,г). При этом срез считается условным, так как прежде всего изгибается сам нагель. Поворот и изгиб нагеля вызывают неравномерное смятие древесины в гнезде.

Кроме изгиба, деревянный нагель работает на смятие. При расчете пренебрегают силами трения вследствие возможного появления щелей между досками при усушке древесины. Не следует ставить нагели по средней линии элемента, где могут появиться продольные трещины.

Благодаря большой гибкости гвоздей и цилиндрических нагелей малого диаметра нагельное соединение отличается податливостью. По этой причине усилие равномерно распределяется между нагелями, что способствует повышению надежности нагельного соединения по сравнению с другими.

Рис. 70. Схема распределения напряжения смятия в древесине (упрощенная)

Расстановка цилиндрических нагелей может быть прямая (рис. 72, а) и шахматная (рис. 72,6), а для гвоздей принята расстановка еще и косыми рядами (рис. 72, в).

По нормам (НиТУ-122-55) расстояние между осями цилиндрических нагелей вдоль волокон s1, поперек волокон s2 и от кромки s3 должно быть не менее:

для стальных нагелей S1 = 7d; s2 = 3,5d; s3 = 3d; для дубовых нагелей S1 = 5d; S2=3d; S3=2,5d. при толщине пакета b < 10d разрешается принимать:

для стальных нагелей S1 = 6d; S2=3d; S3 = 2,5d; для дубовых нагелей S1 = 4d; S2 = S3 = 2,5d.

Расстояние между осями гвоздей вдоль волокон должно быть не менее: S1 = 15dгв при толщине пробиваемого элемента (с) больше 10dгв и S1=25dгв при толщине пробиваемого элемента (с), равной 4dгв.

Рис. 72. Нормативная расстановка цилиндрических нагелей: а-прямая; б-шахматная; в-косая (для гвоздей); г-трещина при забивке гвоздя; д-при глухой забивке; е-при сквозной с выходом конца. Для стальных нагелей S1 = 7d; S2 = 3,6d; S3 = 3d; при 1нг< 10 d; S1 = 6d; S2 = 3d; S3 = 2,5d

Расстояние между гвоздями поперек волокон должно быть не менее S2 = 4dгв при прямой расстановке и не менее S2 = 3dгв при шахматной расстановке и расстановке косыми рядами. Большее расстояние между гвоздями, принятое в нормах, объясняется образованием при забивке гвоздей в древесине продольных коротких трещин, уменьшающих сопротивление скалыванию промежутков между гвоздями (рабочих площадей скалывания) (рис. 72,г).

В гвоздевых соединениях должно быть учтено уменьшение рабочей длины гвоздя в крайнем элементе за счет возможного зазора между досками 2 мм и за счет отщепа при свободном выходе гвоздя. В соединениях на нагелях крупного диаметра возможно появление трещин на концах соединяемых элементов, вызванное расклинивающим действием таких нагелей. В соединениях подуглом указанные расстояния между осями нагелей должны быть соблюдены для каждого из соединяемых элементов.

В односрезных сопряжениях со стальными накладками применяются шурупы и глухари. Нормы расстановки их такие же, как и для нагелей из круглой стали.

Рис. 73. Пластинчатый нагель и его нормативные размеры: а - часть составной балки на сквозных пластинчатых нагелях; б - нижний брус с вставленными сквозными пластинчатыми нагелями; в - сквозной пластинчатый нагель при < 15 см в разрезе; г - глухой пластинчатый нагель при h > 15 см; д - сквозной пластинчатый нагель; е - глухой пластинчатый нагель; s - 9 q; q - 12 или 16 мм; lпл = 54 или 72 мм

Пластинчатые нагели изготовляются длиной 1пл = 54 или 72 мм и толщиной q =12 или 16 мм (рис. 73). Глубина глухого гнезда на 2 мм больше длины пластинок, причем последние врезаются в каждый брус на глубину не более 1/5 его высоты. Для более плотного прилегания .пластинок к стенкам гнезда начальная влажность древесины (дуба или антисептированной березы) не должна превышать 8-10%, т. е. быть значительно ниже влажности сплачиваемых брусьев. Последующее набухание этих (сухих) пластинок будет способствовать более плотному сопряжению.

Глубина врезки пластинок и расстояние между ними показаны на рис. 73.