Контактные соединения деревянных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Под контактными соединениями деревянных элементов подразумевают соединения, в которых усилия от одного элемента другому передаются через их соответственно обработанные и опиленные контактные поверхности. Дополнительно поставленные в таких соединениях рабочие связи несут обычно функции фиксации отдельных элементов или служат аварийными связями, включающимися в работу при разрушении соединений. При контактных соединениях деревянных элементов в местах примыканий между собой и с элементами из других строительных материалов решающим оказывается работа древесины на смятие. Значительным преимуществом решения соединений деревянных элементов простым опиранием одних на другие является незначительное влияние на их работу деформаций древесины при колебаниях температурно-влажностного режима в период эксплуатации конструкции, особенно если силы сжатия соединяемых деревянных элементов направлены вдоль волокон.

Контактные соединения деревянных элементов

деревянный деформация врубка монтажный

Под контактными соединениями деревянных элементов подразумевают соединения, в которых усилия от одного элемента другому передаются через их соответственно обработанные и опиленные контактные поверхности. Дополнительно поставленные в таких соединениях рабочие связи несут обычно функции фиксации отдельных элементов или служат аварийными связями, включающимися в работу при разрушении соединений.

При контактных соединениях деревянных элементов в местах примыканий между собой и с элементами из других строительных материалов решающим оказывается работа древесины на смятие.

Значительным преимуществом решения соединений деревянных элементов простым опиранием одних на другие является незначительное влияние на их работу деформаций древесины при колебаниях температурно-влажностного режима в период эксплуатации конструкции, особенно если силы сжатия соединяемых деревянных элементов направлены вдоль волокон.

Контактные соединения со сжатием перпендикулярно к волокнам встречаются в соединениях стоек в местах примыкания к горизонтальным ригелям, опираний прогонов, балок, ферм на стены и т.д.. В этих случаях расчет соединений сводится к определению напряжений смятия по контактным поверхностям в деревянном элементе, в котором силы сжатия приложены перпендикулярно к волокнам, и сравнению их с соответствующим расчетным сопротивлением. Поскольку сопротивление древесины на смятие поперек волокон незначительно, то при действии больших усилий часто приходится увеличивать опорные площадки или контактные поверхности соединяемых элементов.

Площадка контакта для распределения усилий сжатия на большую поверхность может быть увеличена с помощью подкладок из твердых пород древесины, имеющих повышенное сопротивление смятию поперек волокон или подкладок из металлических профилей, а также деревянными вставками в опорные части стоек.

Если опорную площадь нельзя увеличить по каким-то конструктивным соображениям, то для поднятия сопротивляемости древесины смятию в этой части применяют различные накладки, например, из фанеры, прикрепляемые к боковым граням нагелями или клеями. Эффект повышения сопротивляемости смятию в этом случае достигается не только вследствие увеличения площади опирания, сколько передачей и распределением усилий с помощью накладок на массив элемента.

Заслуживает внимания и дальнейшей проработки предложенный в нашей стране вариант усиления клееных балок в опорной части. Суть этого метода состоит в том, что в опорной части дощато-клееных балок большого поперечного сечения выпиливается уголок под углом 45є, а затем после разворота на 90є вклеивается обратно. В результате опорная площадка балки работает и должна быть проверена на смятие вдоль волокон, клеевой шов - на срез, а древесина по шву - на смятие по углом 45є к волокнам.

Контактные соединения деревянных элементов с действием сил вдоль волокон имеются, например, при наращивании по длине. В этом случае сопротивление смятию вдоль волокон максимально и совпадает с сопротивлением сжатию вдоль волокон. Однако при этом возникает опасность взаимопроникновения деревянных элементов из-за того, что более плотные слои древесины в одном элементе будут продавливать менее плотные слои в другом. В результате этого может произойти деформация древесины в торцах.

Концы соединяемых элементов должны быть точно совмещены и приторцованы. Чтобы предотвратить смещение концов элементов, устанавливают цилиндрические нагели в торцах или боковые накладки.

Поскольку размеры поперечного сечения сжатых стоек принимают из расчета на продольный изгиб, этой площади бывает вполне достаточно для восприятия напряжений смятия вдоль волокон, поэтому расчет торцов элемента на смятие при передаче усилий по всей площади поперечного сечения обычно не проводят. Работа древесины в местах соединений по контактным поверхностям на смятие под углом возникает в соединениях деревянных элементов, находящихся под различными углами, например, стык наклонных деревянных элементов. В этих случаях древесину по контактной поверхности проверяют на смятие под углом.

Боковые накладки или различные вкладыши между соединяемыми элементами служат для фиксации элементов и восприятия поперечных сил. Соединение наклонных сжатых элементов с горизонтальными растянутыми элементами без рабочих связей осуществляют чаще на врубках, конструкция и работа которых будет рассмотрена в последующих параграфах.

Лобовая врубка

Нормальное решение лобовой врубки характеризуется примыканием сжатого элемента под углом 45° к растянутому. При этом обязательным условием является прохождение оси сжатого элемента через центр площадки смятия (рис. 1).

Исследование работы лобовой врубки показало, что наиболее целесообразным расположением площадки смятия будет перпендикулярное к оси сжатого элемента (ортогональные врубки). При другом направлении этой площадки, например по биссектрисе внешнего угла врубки (рис. 2), усилие N_c должно быть разложено на две составляющие: одну -- N₁, проходящую через центр площадки смятия, направленную перпендикулярно биссектрисе, а другую -- N₂ перпендикулярную к площадке наклонного среза в сжатом элементе. Вторая составляющая из-за возможного появления в этом месте сопряжения щели от усушки древесины, а также и возможного поворота сжатого элемента (против часовой стрелки), не всегда может быть воспринята, особенно при сравнительно небольших углах к, когда сила трения, возникающая в результате действия значительно большей по величине силы N₁, поглощает силу N₂, и через площадку смятия передается полностью все усилие N_c под прежним углом , а не /2, как это предусматривается смыслом биссектрисной врубки, имеющей целью уменьшить угол смятия и резко увеличить расчетное сопротивление по смятию. Поэтому указанное разложение сил практически не может иметь места. Кроме того, в биссектрисной врубке уменьшается прижимающее усилие по площадке скалывания и наоборот может появиться отрывающее усилие за счет поворота сжатого элемента по часовой стрелке при наличии плотной пригонки скошеннон площадки, следовательно, ухудшается работа врубки. Биссекгрисное решение лобовой врубки не рекомендуется. Оно может быть оправдано лишь при больших углах . примыкания одного элемента к другому, когда составляющие усилия близки друг к другу.

Для предотвращения взаимного смещения сопрягаемых элементов под действием случайных причин (например, при монтаже конструкции или в их эксплуатации), лобовые и другие врубки рекомендуется связывать болтами, хомутами или скобами.

Установка таких болтов (называемых аварийными) в опорных узлах сквозных конструкций из бревен или брусьев требует поверки их расчетом с учетом возможного повреждения плоскости скалывания. Этим предотвращается полное разрушение узла с последующей аварией всей конструкции.

Площадка смятия в сжатом элементе сминается под углом 0° вдоль волокон, а в растянутом -- под углом к направлению его волокон, поэтому она должна быть рассчитана в растянутом элементе.

Расчет лобовой врубки должен проводиться по несущей способности из условия прочности на смятие и скалывание по формулам (1) и (2)

(1)(2)

Подставив в (1) значение получим

(3)

(4)

Несущая способность растянутого элемента должна быть проверена в месте наибольшего ослабления врубкой по формуле (4), которая справедлива при равномерном распределении напряжений в указанном сечении F_нт при обязательном центрировании растягивающего усилия N_р по оси этого сечения, если же растягивающее усилие приложено с эксцентрицитетом е по отношению к центру ослабленного сечения, то необходимо учесть дополнительное напряжение в растянутом элементе от изгибающего момента М. Расчет в этом случае нужно производить как для внецентренно-растянутого элемента.

При центрировании растягивающего усилия по ослабленному сечению центр опорной подушки должен быть расположен на вертикальной линии, проходящей через точку пересечения указанного растягивающего усилия с осью сжатого элемента (подкоса).

Расчет показывает, что даже небольшое нарушение центрирования по. ослабленному сечению приводит к некоторому снижению насущен способности узла.

Для увеличения запаса прочности растянутый элемент следует укрепить подкладным брусом (подбалкой), который одновременно служит для упора стяжного (аварийного) болта и в известной мере для защиты от загнивания в опорной части растянутого элемента. Чтобы зафиксировать проектное положение опорной подушки и улучшить центрирование, в подбалке делается подрезка, а в самой опорной подушке--небольшие скосы.

В тех случаях, когда при расчете лобовой врубки с одним зубом по условиям смятия глубина врезки оказывается больше в опорном узле или больше в промежуточных узлах (что недопустимо), применяют лобовую врубку с двумя зубьями (рис.3).

Построение такой врубки производится с таким расчетом, чтобы вершина второго зуба находилась в точке пересечения верхней грани пояса с осью сжатого элемента, а площадка скалывания его была ниже площадки скалывания первого зуба не менее чем на 2 см. При этом глубина врезки второго зуба не должна превышать указанных выше нормативных значений для лобовых врубок с одним зубом. Лобовые врубки с двумя зубьями разрешается применять при углах смятия не менее 45°, так как в этом случае решающим фактором будет не скалывание, а смятие, что менее опасно.

Расчет лобовой врубки с двумя зубьями должен производиться из условия смятия в предположении, что усилие сжатого элемента распределяется пропорционально расчетным площадкам смятия первого зуба и второго зуба . Определим эти усилия.

Из пропорции

Имеем ,

Или

Следовательно ;

Или расчетные усилия для первого и второго зуба соответственно

(5)

Из тех же зависимостей можем написать

(6)

Расчет на скалывание по нижней плоскости на глубине второго зуба при производится на полную силу скалывания Т_ск=N_p, так как усилие, восприятие первым зубом, также передается второй площадкой скалывания. Более равномерное распределение за счет этого суммарных скалывающих напряжении по второй площадке скалывания учитывается введением поправочного коэффициента 1,15.

Верхнюю площадку скалывания достаточно проверить на действие усилия с учетом неблагоприятных условий ее работы и возможной перегрузки путем введения коэффициента 0,8 к несущей способности на скалывание.

Для лобовых врубок в конструкциях, выполненных из бревен, разрешается центрировать узловые сопряжения по оси растянутого элемента, так как в этом случае эксцентрицитет оказывается весьма малым за счет неизбежной подрезки бревна снизу. Качество изготовления лобовой врубки с двумя зубьями должно обеспечивать наибольшую плотность примыкания обоих зубьев. Все лобовые врубки изготовляются при помощи специальных шаблонов путем пропилов по их наклонным плоскостям.

Простой, двойной и трехлобовой упоры

Простой лобовой упор имеет широкое применение в сжатых стыках элементов, в которых сжимающие усилия направлены вдоль или поперек волокон; примером может служить конструкция опорного узла сквозной фермы, показанная на рис.4, а, в которой усилие сжатого элемента передается вкладышу всей поверхностью торца. Вертикальная составляющая сжимающего усилия передается на опорный брус, а горизонтальная -- через тяжи, болты и нагели на растянутый элемент. Такая конструкция опорного узла имеет широкое распространение в треугольных сквозных фермах.

Врубки с двумя лобовыми упорами применяются в некоторых фермах и подкосных системах. При этом передача усилий подкосов на прикрепленные к стойке колодки (двухстепенная передача усилий) нежелательна, так как крепление ее осуществляется обычно на податливых связях (болтах, гвоздях и т. п.). В узловых соединениях трех сжатых элементов, а также в соединениях растянутого элемента с двумя стержнями, сходящимися под большим углом. применяется трехлобовой упор (рис.5). Наиболее целесообразным является решение, в котором поверхности смятия направлены по биссектрисам углов сопрягаемых элементов (рис. 5, а). Отсутствие в такой врубке скалывания волокон древесины является большим ее достоинством. Трехлобовой упор применяется в конструкциях опорных узлов, в которых верхний пояс или опорный подкос примыкает под углом от 40 до 60°, а также во внутренних углах рамных систем. В этих случаях применение трехлобового упора будет целесообразнее простого. Кроме того, применение биссектрисного сопряжения исключает смещение опертых под углом элементов. Расчет простого и двойного упора производится по формуле (1). При двойном упоре требуется разложение усилия подкосов на две составляющие, перпендикулярные площадкам смятия; напряжения по площадкам смятия проверяются по величине этих составляющих.

При расчете трехлобового упора каждое из трех сжимающих усилий раскладывается на две составляющие, нормальные к плоскостям смятия; при этом угол между направлением сжимающей силы и волокнами уменьшается вдвое, что дает возможность значительно повысить расчетное сопротивление смятию. Как видно из треугольников сил, все усилия смятия перпендикулярны к площадкам смятия и пересекаются в одной точке. Аналогичное построение будет иметь место и при неравной ширине элементов и неравностороннем силовом треугольнике. По биссектрисе тогда следует располагать площадки смятия наиболее напряженных элементов.

При изготовлении конструкции с трехлобовым упором требуется особенно тщательная приторцовка поверхностей смятия, осуществляемая простым опиливанием концов элементов по специальным шаблонам.

Монтажный или аварийный болт

Опорные узлы ферм на лобовых врубках снабжаются монтажными болтами, которые выполняют дополнительные функции аварийной связи. Работа болта как аварийной связи в основном расчете опорного узла не учитывается, поскольку начальная жесткость его сопротивления сдвигу, особенно после усушки древесины, ничтожно мала по сравнению с начальной жесткостью работы врубки на смятие и скалывание.

Аварийная связь должна полностью включиться в работу при скалывании зуба растянутого пояса и обеспечить временное закрепление нижнего конца пояса в результате соответствующей деформации болта и работы его на растяжение.

Экспериментальные исследования выявили решающее влияние местного вмятия нижнего концевого ребра верхнего пояса в волокне нижнего пояса на отклонение силы отпора Nomn от направления, перпендикулярного плоскости скалывания. Образовавшаяся местная вмятина, увеличиваясь по мере возрастания силы упора, предотвращает дальнейший сдвиг верхнего пояса даже при отсутствии связей.

Размещено на Allbest.ru