Лекция №10
Основные виды соединений и требования, предъявляемые к ним.
Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий разделяются на следующие виды:
1) соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов - контактные соединения;
2) соединения на механических связях;
3) клеевые соединения.
Несущая способность и деформативность деревянных конструкций в целом зависит от надежности соединения их отдельных элементов.
Соединение растянутых деревянных элементов, как правило, связано с их местным ослаблением. В ослабленном сечении растянутых деревянных элементов наблюдается концентрация опасных местных напряжений, не учитываемых расчетом. Наибольшую опасность в стыковых и узловых соединениях растянутых деревянных элементов представляют сдвигающие и раскалывающие напряжения. Эта опасность усугубляется в случае наложения этих напряжений на напряжения, которые возникают в древесине вследствие её усушки.
Скалывание и разрыв вдоль и поперек волокон относятся к хрупким видам разрушения древесины. В отличие от работы конструкционной стали, в древесине не происходит пластического выравнивания напряжений в местах соединений. Для того, чтобы уменьшить опасность последовательного, по частям, хрупкого разрушения от скалывания или разрыва в растянутых элементах деревянных конструкций, приходится снижать природную хрупкость древесины вязкой податливостью работы их соединений.
Наиболее вязким видом работы древесины является смятие. Следовательно, в соединениях элементов деревянных конструкций должно происходить выравнивание напряжений за счет вязкой податливости работы древесины на смятие, прежде чем произойдет хрупкое разрушение от разрыва или скалывания.
Для придания вязкости соединениям растянутых деревянных элементов, как правило, используют принцип дискретной передачи усилий.
Согласно этого принципа, усилие в узле передается от одного конструктивного элемента другому небольшими частями, через возможно большее число рабочих связей (соединительных деталей).
Рис. 10.1. Проявление принципа дискретной передачи усилий в работе стыкового соединения растянутых досок сечением 50×120 мм при замене одного стального нагеля диаметром 24 мм (а) шестнадцатью тонкими нагелями диаметром 5 мм (б).
К примеру, использование вместо одной, сосредоточенно приложенной связи диаметром 24 мм (чрезмерно жесткой для досок толщиной 50 мм), шестнадцати рассредоточено приложенных вязкоподатливых связей диаметром 5 мм, при одинаковой затрате стали значительно увеличивает несущую способность (рис. 10.1).
Вязкость соединений сжатых деревянных элементов обеспечивается вязкой работой древесины на смятие.
Указания по расчету соединений.
Расчетное усилие, действующее на соединение, не должно превышать несущей способности соединения.
Сложное напряженное состояние в соединениях из-за наложения различных напряжений требует определения несущей способности соединения исходя из нескольких условий.
Несущая способность соединения определяется расчетом соединяемых элементов на смятие и скалывание с учетом угла между действующей силой и направлением волокон в древесине.
Кроме клеевых, соединения элементов деревянных конструкций практически невозможно сделать жесткими, поэтому при расчете деревянных конструкций необходимо учитывать податливость их соединений. Клеевые соединения при расчете конструкций следует рассматривать как неподатливые.
Из опыта эксплуатации деревянных зданий и сооружений, предельный относительный сдвиг между соединяемыми элементами ограничивается 2 мм.
Усилие, которое вызывает предельный сдвиг, принимают за несущую способность соединения, если оно меньше несущей способности, определенной из условий смятия и скалывания.
Передача сил от одного соединяемого элемента другому осуществляется непосредственно через поверхность их контакта или через рабочие связи.
Сравнение различных видов соединений растянутого симметричного стыка показывает, что наибольшей несущей способностью, приведенной к единице контактной поверхности, обладает клеевой шов.
Наибольшую несущую способность среди всех других соединений имеют нагели небольшого диаметра (до 5 мм), устанавливаемые в предварительно рассверленные отверстия с шагом, принятым как для цилиндрических нагелей согласно СНиП II-25-80.
Силы трения между соединяемыми элементами оказывают разгружающее действие и в расчете соединений элементов деревянных конструкций не учитываются, за исключением случаев однократного, кратковременного действия прижимающих сил (при аварии и монтаже).
Расчет соединений сводится к определению действующих на них усилий и сравнению их с несущей способностью соединения Т.
Расчетную несущую способность соединения, работающего на смятие и скалывание, следует определять по формулам:
а) из условий смятия древесины:
б) из условия скалывания древесины:
где Fcм - расчетная площадь смятия;
Fск - расчетная площадь скалывания;
- расчетное сопротивление древесины смятию под углом к направлению волокон;
- расчетное среднее по площадке скалывания сопротивление древесины.
Среднее по площадке скалывания расчетное сопротивление скалыванию следует определять по формуле:
где Rск – расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон (при расчете по максимальному напряжению);
lск – расчетная длина плоскости скалывания, принимаемая не более 10 глубин врезки в элемент;
е – плечо сил скалывания, принимаемое равным 0,5h при расчете элементов с несимметричной врезкой в соединениях без зазора между элементами (рис.10.2, а) и 0,25h при расчете симметрично загруженных элементов с симметричной врезкой (рис.10.2, б); отношение lск /е должно быть не менее 3:
Рис. 10.2. Врезки (врубки) в элементах соединений:
а – несимметричная;
б – симметричная;
h – полная высота поперечного сечения элемента;
β – коэффициент, принимаемый равным 0,25 при расчете соединений, работающих по схеме, показанной на рис. 10.3., (а) и β = 0,125 при расчете соединений, работающих по схеме согласно рис. 10.3., (б), если обеспечено обжатие по плоскостям скалывания.
Рис. 10.3. Схемы скалывания в соединениях.
Для того, чтобы уменьшить опасное влияние растягивающих напряжений поперек волокон и торцевых усушечных трещин на несущую способность соединения, длина площадки скалывания lск должна быть не менее 3е.
Расчетное сопротивление древесины смятию под углом к направлению волокон определяется по формуле:
Увеличение длины площадки скалывания lск за пределами десяти глубин врезки hвр в расчете на скалывание не учитывается, поскольку, при допускаемом нормами косослое скалывание может произойти на длине lск = 10hвр и при большей длине запроектированной площадки скалывания.