СОЕДИНЕНИЯ НАГЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ
ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Термины и определения по ГОСТ Р 56711-2015:
Нагельное соединение – это соединение элементов конструкций, выполненное с использованием цилиндрических или пластинчатых нагелей из различных материалов, плотно установленных в предварительно подготовленные отверстия или прорези и работающих на сдвиг, сопровождающийся изгибом нагеля и смятием древесины.
Цилиндрический нагель - нагель цилиндрической формы, изготовленный из металла, пластмасс или древесины.
Разновидности:
1 - болт, штырь, шпилька;
болт - крепежная деталь, представляющая собой стержень, имеющий на одном конце головку, а на другом конце — резьбу, на которую навинчивается гайка,
штырь – отрезок гладкого стержня круглого профиля,
шпилька - крепежная деталь, представляющая собой стержень, имеющий на обоих концах или по всей длине резьбу, на которую навинчиваются гайки.
2 - винт (глухарь, шуруп, саморез);
винт: крепежная деталь, представляющая собой стержень с головкой и спиральной нарезкой, служащий для соединения деталей путем ввинчивания.
глухарь: шуруп большого диаметра с квадратной или шестигранной головкой.
шуруп: винт со стержнем конической формы и прорезью в головке для завинчивания его в деревянные элементы.
саморез: винт, ввинчиваемый непосредственно в деревянный элемент без предварительного сверления.
3 – гвоздь - крепежная деталь, представляющая собой стержень, заостренный на одном конце, устанавливаемый в соединяемые элементы путем забивания.
4 - пластинчатый нагель - нагель в виде пластинки, изготовленный из металла, пластмасс или древесины.
Общие положения устройства соединений на
Цилиндрических нагелях
Нагельные соединения являются наиболее распространенным видом соединений элементов деревянных конструкций и относятся к соединениям на механических связях. Они предусматривают использование нагелей в качестве связей сдвига при их работе преимущественно на изгиб, а сами соединения являются безраспорными.
Для работы нагельных соединений характерна их вязкая податливость, связанная с работой древесины на смятие, что за счет выравнивания напряжений (усилий) в элементах соединений исключает преждевременное их хрупкое разрушение от разрыва или скалывания древесины.
На практике использования нагельных соединений применяют следующий диапазон размеров нагелей:
диаметр гладких цилиндрических нагелей и болтов: от 6 до 24 мм;
диаметр гвоздей: от 2 до 6 мм;
диаметр винтов, шурупов или: 6 - 16 мм; саморезов по дереву 2,5 и 3,2 мм
диаметр глухарей: от 12 до 20 мм;
толщина и длина пластинчатых нагелей соответственно 12 и 58 мм.
Посадочные отверстия для гвоздей, а также винтов, шурупов или саморезов диаметром до 6 мм, как правило, не устраивают. Гвозди диаметром более 6 мм, гвозди, устанавливаемые в древесину лиственницы и промороженную древесину, а также при толщине деревянного элемента менее 7 d забивают в предварительно рассверленные отверстия диаметром 0,9 d. Гвозди, забитые в предварительно рассверленные отверстия диаметром, равным диаметру гвоздя, рассчитывают как нагели; минимальные расстояния между осями гвоздей принимаются как для нагелей.
Для гладких цилиндрических нагелей и болтов сверлят отверстия такого же диаметра, как у нагелей, а в отдельных случаях, для увеличения плотности их посадки, диаметр отверстия выбирают на 0,2—0,5 мм меньше диаметра нагеля.
Основные размеры расстановки нагелей: шаг, расстояние между рядами и минимальное расстояние оси нагеля до края соединяемого элемента, как правило, обосновываются экспериментально-теоретическими методами и регламентируются нормами с целью предотвращения преждевременного разрушения соединений при их работе от скалывания или разрыва древесины.
Конструктивные требования к расстановке нагелей изложены в СП 64.13330.2017 (пп. 8.20 - 8.25).
Нагели применяют преимущественно для устройства различных видов узловых соединений элементов из цельной древесины хвойных пород, клееной древесины (ультралама LVL или перекрестно клееной древесины типа CLT и др.):
для сплачивания в поперечном направлении элементов конструкций,
сращивания элементов в продольном направлении, а также
для крепления к таким элементам деталей из металла, фанеры, пластика и других материалов.
По характеру действующих усилий и количеству швов сдвига (срезов) между сопрягаемыми элементами различают следующие схемы работы соединений (рисунок 1):
симметричные — двухсрезные и многосрезные;
несимметричные — односрезные, двухсрезные и многосрезные.
Для крепления накладок из различных материалов используют болты, шпильки, винты различных типов и гвозди, для крепления прокладок — нагели, болты и шпильки.
Рис. 1 Виды соединений по конструктивному сочетанию нагелей и
соединяемых деревянных элементов
а) - симметричные; б) - несимметричные
Для изготовления соединений в качестве деревянных элементов следует использовать цельную и многослойную клееную древесину, а также другие массивные изделия (LVL, CLT) и древесные плитные материалы (фанера, ДСП, ДВП, OSB, ЦСП), выпускаемые в соответствии с действующими стандартами.
Качество цельной и многослойной клееной древесины должно соответствовать требованиям ГОСТ 33080 и ГОСТ 33081.
Требования к несущей способности и деформациям соединений
Для обеспечения несущей способности соединений исходной является расчетная несущая способность нагеля на один шов сплачивания (условного среза), подтвержденная результатами испытаний соединений в соответствии с требованиями настоящего стандарта, регламентированные величины которой установлены действующими нормами проектирования деревянных конструкций.
Несущая способность соединения должна быть определена с учетом напряженного состояния его конструкционных частей (нагелей и соединяемых элементов) при восприятии расчетных нагрузок: изгиба нагеля и смятия элементов, а также физико-механических свойств этих частей: расчетных сопротивлений и предельных деформаций, в зависимости от их вида и материала.
Деформация сдвига нагельных соединений при полном использовании их несущей способности не должна превышать 2 мм, а при неполном использовании — пропорциональна действующему на соединение усилию.
Влажность древесины соединяемых элементов и используемых деревянных нагелей и пластинок должна соответствовать ожидаемой эксплуатационной равновесной влажности с целью исключения высыхания древесины и ослабления соединений.
Указания по применению цилиндрических нагелей
Болтовые соединения применяют со стяжными, растянутыми или изгибаемыми болтами.
Соединения со стяжными болтами служат для плотного соединения отдельных элементов в основном при их поперечном сплачивании. При этом возникают незначительные усилия, расчет болтов не требуется, а их размеры назначаются конструктивно, но диаметром не менее 1/20 общей толщины соединяемых элементов.
Соединения с растянутыми болтами применяют при анкерном креплении конструкций к опорам, при подвеске к конструкциям перекрытий и оборудования в узловых соединениях. При этом болт рассчитывается на растяжение от действующего усилия.
Соединения с изгибаемыми болтами широко применяют в стыках и узлах конструкций для сопротивления взаимным сдвигам соединяемых элементов.
Гвоздевые соединения являются простыми и доступными и наиболее широко применяются в построечных условиях изготовления деревянных конструкций. Применяют соединения с так называемыми конструктивными гвоздями для крепления дощатых обшивок и настилов, где действуют минимальные усилия и расчет гвоздей не требуется, а также соединения с выдергиваемыми и изгибаемыми гвоздями с особенностями работы, аналогичными болтовым соединениям.
Соединения на винтах и шурупах применяют в основном для крепления стальных накладок, обшивок и деталей из различных материалов к основным деревянным элементам. Работать в соединении винты и шурупы могут аналогично рассмотренным выше болтам или гвоздям.
Конструктивные требования по расстановке нагелей
Рис. 2 Обозначения расстояний между нагелями и их рядами
при прямой (вверху) и шахматной расстановке
Рис. 3 Расстановка гвоздей косыми рядами
При определении расчетной длины защемления конца гвоздя не следует учитывать заостренную часть гвоздя длиной 1,5 dгв; кроме того, из длины гвоздя следует вычитать на возможную усушку по 2 мм на каждый шов между соединяемыми элементами. Если расчетная длина защемления конца гвоздя получается менее 4 dгв, его работу в примыкающем к нему шве учитывать не следует. При свободном выходе гвоздя из пакета расчетную толщину последнего элемента следует уменьшать на 1,5 (рис. 4). Диаметр гвоздей следует принимать не более 0,25 толщины пробиваемых элементов.
Рис. 4- Определение расчетной длины защемления конца гвоздя
Расчет соединений на цилиндрических нагелях
Расчетную несущую способность цилиндрического нагеля на один шов сплачивания в соединениях элементов из сосны и ели, в том числе клееных, и древесины из однонаправленного шпона при направлении усилий, передаваемых нагелями вдоль волокон, гвоздями под любым углом и стальными нагелями, установленными в торец клееных деревянных элементов, для режима нагружения А, следует определять по таблице 18 СП 64.13330.2017 с учетом указаний п. 8.16.
Рис. 5 Соединение на глухих цилиндрических нагелях, установленных
в торец клееного элемента
В таблице: с - толщина средних элементов, а также равных по толщине или более толстых элементов односрезных соединений; а – толщина крайних элементов, а также более тонких элементов односрезных соединений; d - диаметр нагеля; все размеры приведены в сантиметрах.
Расчетную несущую способность нагеля в двухсрезных несимметричных соединениях при неодинаковой толщине элементов следует определять с учетом следующего:
а) расчетную несущую способность нагеля из условия смятия в среднем элементе толщиной при промежуточных значениях между а между с и 0,5 с следует определять интерполяцией между значениями по пункту 2а) и 2б) настоящей таблицы;
б) при толщине крайних элементов а > с расчетную несущую способность нагеля следует определять из условия смятия в крайних элементах по поз. 2 а таблицы с заменой с на а;
в) при определении расчетной несущей способности из условий изгиба нагеля толщину крайнего элемента а в поз. 3 таблицы следует принимать не более 0,6 с.
Значения коэффициента k н для определения расчетной несущей способности при смятии в более тонких элементах односрезных соединении при с ≥ а ≥ 0,35 с приведены и таблице 22 СП.
Расчетную несущую способность нагеля в рассматриваемом шве следует принимать равной меньшему из всех значений, полученных по формулам таблиц.
Расчет нагельных соединений на скалывание производить не следует, если выполняются условия расстановки нагелей в соответствии с конструктивными требованиями.
Диаметр нагеля d следует назначать из условия наиболее полного использования его несущей способности по изгибу.
Число нагелей п н в соединении следует определять по формуле
где N - расчетное усилие;
Т - наименьшая расчетная несущая способность, найденная по формулам таблицы;
п ш - число расчетных швов одного нагеля.
В соединениях число нагелей должно быть не менее 2. Исключение составляют нагели, устанавливаемые конструктивно (например, на период сборки и монтажа).