Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения
Nbsp;
Лекция
«Соединения элементов конструкций и их расчет»
Для бакалавров (сокращенный срок обучения)
Учебные вопросы.
• Общие сведения.
• Лобовые врубки.
• Лобовые упоры.
• Нагельные соединения:
- общие сведения;
- напряженно-деформированное состояние нагельного соединения;
- расчет нагельных соединений;
- гвоздевые с соединения;
- клеевые соединения.
Учебная литература.
• Конструкции из дерева и пластмасс. Под ред. Г.Г. Карлсена, Москва, Стройиздат, - 1975 г.
• Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. /М.М. Гаппоев и др. – М.; Издательство АСВ, 2004 г.;
• Деревянные конструкции. Примеры расчета и конструирования: учебное пособие / под ред. Д.К. Арленинова. – М.; Издательство АСВ, 2006 г.;
• Деревянные конструкции. Учебное пособие / А.В. Калугин. – М.; Издательство АСВ, 2008 г.
СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Общие сведения
При проектировании деревянных конструкций появляется необходимость соединения элементов. Соединение элементов по длине называется сращиванием; по ширине — сплачиванием; под различными углами — узловыми сопряжениями. Все виды соединений (связей) по характеру работы условно можно разделить на шесть групп — это соединения, работающие преимущественно:
• на смятие и скалывание (врубки, шпонки);
• изгиб (все виды нагелей);
• выдергивание (шурупы, гвозди);
• растяжение (тяжи, накладки, хомуты, болты);
|
|
|
• сдвиг (клеевые соединения);
-предотвращение случайных смещений из плоскости соединяемыхэлементов (аварийные связи: болты, скобы, хомуты и др.).
Основные виды соединений элементов деревянных конструкций показаны на рис. 4.1.
Отличительной особенностью шпоночных соединений (см. рис. 4.1, в) является распор между соединяемыми элементами, который устраняется установкой стяжных болтов. Остальные виды соединений являются безраспорными.
В настоящее время, наряду с традиционными видами соединений, применяются новые, например, в узловых соединениях элементов деревянных ферм - нагельные соединения «Грэйм» (рис. 4.2, а): в зоне узла в поясах и решетке прорезают пазы, в которые вводят стальные оцинкованные пластинки толщиной 1.. .2 мм (от 2 до 6 пластинок в узле), затем узел скрепляют гвоздями. При конструировании узлов дощатых ферм и рам применяются металлические зубчатые пластины (МЗП) типа «Гэнг-Нейл» (рис. 4.2, б) и фанерные накладки с клеегвоздевой запрессовкой. Металлические зубчатые пластины изготавливаются из листовой стали толщиной 1...2 мм методом холодной штамповки. Разработано большое количество типоразмеров МЗП, отличающихся формой зубьев и пластин. В стыках КДК применяются соединения на вклеенных стальных стержнях, работающих на выдергивание или продавливание (рис. 4.2, в, г).
|
|
|
Основные правила конструирования соединений:
• ослабление сечения элементов связями должно быть минимальным,
при этом в одном соединении не рекомендуется использовать разные типы связей ввиду их различной податливости;
• в соединениях растянутых элементов необходимо соблюдать принцип дробности, т. е. распределять усилия на большее число связей
для увеличения плоскостей скалывания;
• связи размещаются симметрично относительно оси элемента и не должны вызывать в нем появления дополнительных усилий.
Значения предельных деформаций соединений при полном использовании их расчетной несущей способности (мм): в лобовых врубках — 1,5; для нагельных соединений всех видов — 2,0; в примыканиях поперек волокон — 3,0; в клеевых соединениях — 0,0.
Лобовые врубки
Врубкойназывается 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). Применяются также лобовые врубки с двумя (рис. 4.4) или тремя зубьями.
|
|
|
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.
Рис. 4.3. Лобовая врубка с одним зубом:
1— опорная подушка; 2 — прибоина; 3 — подбалка; 4 — аварийный болт
Рис. 4.4. Опорный узел треугольной деревянной фермы, выполненный лобовой врубкой с двумя зубьями
• длина площадки скалывания lск должна быть не менее 1,5 высоты растянутого элемента (в расчетах учитывается lскне более 10hвр);
|
|
|
• врубка стягивается аварийным болтом, который ставится перпендикулярно к оси сжатого элемента, диаметр болта 16.. .24 мм;
• размеры подбалки и опорной подушки назначаются конструктивно.
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 болтслужит 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. Для обеспечения надежного центрирования элементов в узле в подбалке делается подрезка либо к ней прибивается снизу дополнительный элемент, называемый прибойной.
Расчет лобовой врубки.После конструирования узла производится его расчет по несущей способности из условия прочности на смятие, скалывание и растяжение.
• Расчет на смятие по площадке С-В. Площадка смятия в сжатом элементе расположена перпендикулярно направлению волокон древесины, а в растянутом элементе — под углом α к направлению волокон, поэтому прочность на смятие рассчитывается в растянутом элементе по формуле:
σсм.α = Nс / Fсм ≤ Rсм.α (4.1)
где: Nс — расчетная сжимающая сила;
Fсм — площадь смятия, Fсм = bhвр /cos α; b — ширина растянутого элемента; hвр — глубина врезки;
Rсм.α —расчетное сопротивление древесины смятию под углом α поформуле (3.27) с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы.
• Расчет на скалывание по площадке А-В. Проверка средних скалывающих напряжений по длине площадки скалывания производится по формуле
τск = Tск / Fск ≤ Rск(4.2)
где Tск— расчетная скалывающая сила, Tск =Nр= Nссоs α;
Fск — площадь скалывания, Fск = blск;lск — расчетная длина площадки скалывания; b— ширина растянутого элемента;
Rск - среднее по площадке скалывания расчетное сопротивление древесины скалыванию с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы, см. формулу (3.31).
3. Расчет на растяжение нижнего пояса. Проверка напряжений в нижнем поясе производится в месте наибольшего ослабления врезкой по формуле
σр = Nр / Fнт ≤ Rр (4.3)
где Nр— расчетное усилие растяжения;
Fнт — площадь сечения нетто растянутого элемента,
Rр— расчетное сопротивление древесины на растяжение с учетом ослабления врезкой в расчетном сечении и всех других необходимых коэффициентов условий работы.
Лобовые упоры
Лобовые упоры — наиболее простые и надежные соединения деревянных элементов. Классическим примером лобового упора является конструкция опорного узла треугольных ферм из брусьев (рис. 4.5, 4.6).
Конструктивные особенности. Усилие, возникающее в сжатом элементе, передается опорному вкладышу всей поверхностью торца элемента. Вертикальная составляющая сжимающего усилия передается на опорную подушку, а горизонтальная составляющая — через стальные тяжи, деревянные накладки и нагели — на растянутый элемент. Толщина деревянных накладок принимается равной половине ширины растянутого элемента. Диаметр нагелей и тяжей определяется расчетом (12...24 мм).
Достоинства:по сравнению с лобовой врубкой лобовой упор обладает большей несущей способностью, характеризуется отсутствием площадки скалывания и меньшим ослаблением сечения растянутого элемента. Недостатки:сложность изготовления и повышенный расход металла на тяжи и нагели.
Расчет лобового упора. После конструирования узла выполняются следующие проверки:
• Проверка опорного вкладыша на смятие [обозначения — см. формулы (4.1), (4.2)]:
σсм.α = Nс / Fсм ≤ Rсм.α(4.4)
Где Fсм — площадь смятия опорного вкладыша, Fсм = bh, b, h — размеры верхнего пояса фермы.
2. Проверка деревянных накладок на растяжение:
σр = Nр / Fнт ≤ Rр (4.5)
гдеFнт — площадь сечения нетто деревянных накладок,Fнт = 2а(h — 2d), а, h — ширина и высота сечения накладок; d — диаметр нагеля.
• Проверка стальных тяжей на растяжение:
σр = Nр / Fт ≤ Rр0,8 0,85 (4.6)
где Fт — площадь ненарезанной части поперечного сечения стальных тяжей;
Rр - расчетное сопротивление стали на растяжение;
0,8 — коэффициент, учитывающий ослабление сечения тяжей нарезкой резьбы;
0,85 — коэффициент, учитывающий возможность неравномерного натяжения отдельных тяжей.
• Проверка необходимого количества нагелей для крепления деревянных накладок к растянутому элементу производится по формуле (4.7).
Рис. 4.5. Эскиз опорного узла фермы, выполненного лобовым упором:
1 — опорный вкладыш; 2 — подбалка; 3 — опорная подушка; 4 — прибоина; 5 — нагели; б — болты; 7 — стальные тяжи; 8 — накладки
Рис. 4.6. Опорный узел треугольной деревянной фермы из брусьев, выполненный лобовым упором
Нагельные соединения
Общие сведения
Нагелемназывается длинный гибкий стержень (пластинка), который, соединяя элементы деревянных конструкций между собой, препятствует их взаимному сдвигу. Сам нагель при этом работает преимущественно на поперечный изгиб. Основные виды нагельных соединений даны на рис. 4.7. Нагели используются в стыках растянутых элементов, в составных стержнях и балках на податливых связях, в узлах деревянных ферм.
Нагельные соединения отличаются податливостью: усилия распределяются между нагелями достаточно равномерно, что способствует повышению надежности таких соединений. Простота изготовления и надежность нагельных соединений обеспечили их распространение и в современном строительстве.
Классификация нагелей:
• по материалу: стальные (С 245, С 255); деревянные (из твердых пород древесины: дуба, березы); пластмассовые (из конструкционных
стеклопластиков, типа АГ-4с);
• по форме поперечного сечения: цилиндрические (болты, штыри, гвозди, шурупы, глухари — шурупы большого диаметра с головкой
под ключ); пластинчатые (нагели Деревягина— см. подразд. 6.3);
• по способу постановки: собственно нагели, устанавливаемые в предварительно просверленные отверстия, при этом диаметр отверстия равен
диаметру нагеля (dотв=d); нагели, завинчиваемые в предварительно
просверленные отверстия, при этом dотв = 0,8d (шурупы и глухари); нагели диаметром менее 6 мм (гвозди), забиваемые в древесину без предварительного сверления отверстий;
• по способу приложения внешних, сил и числу швов, пересекаемых одним нагелем, различают два вида нагельных соединений(см. рис. 4.7): симметричные (двух- и многосрезные) и несимметричные (одно-, двух- и многосрезные).
Срезом нагеляв соединениях деревянных конструкций условно называется каждое рабочее пересечение нагеля с плоскостью сдвига (по аналогии с заклепками).
При изготовлении нагельных соединений отверстия сверлятся перпендикулярно плоскости сплачивания в собранном пакете, соблюдение этого условия обеспечивает плотность соединения. Соединения на нагелях должны быть обжаты стяжными болтами, которые устанавливаются в количестве 25 % от общего числа нагелей, но не менее 3 болтов с каждой стороны стыка. Диаметр болтов dб принимается по расчету. Размер сторон шайбы (диаметр) принимается не менее 3,5 dб, а толщина — не менее 0,25 dб.
Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения
Работу нагельного соединения рассмотрим на примере соединения двух сдвигаемых элементов (рис. 4.8). Под действием приложенной нагрузки элементы начинают сдвигаться и стремятся опрокинуть нагель, который, после некоторого поворота, упирается в древесину и начинает
Схема работы нагельного соединения:
сминать древесину, вначале по краям гнезда. С увеличением нагрузки поверхность контакта нагеля с древесиной увеличивается: в древесине появляются неравномерные напряжения смятия по всей длине нагеля, а сам нагель изгибается. Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения характеризуется: изгибом самого нагеля; смятием древесины нагельного гнезда; скалыванием древесины между нагелями; раскалыванием древесины поперек волокон.
Практически опасность скалывания и раскалывания древесины устраняется правильной расстановкой нагелей. Минимальные расстояния между нагелями назначаются таким образом, чтобы несущая способность нагеля по скалыванию и раскалыванию древесины заведомо превышала несущую способность нагеля по прочности на изгиб самого нагеля и прочности древесины нагельного гнезда на смятие.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 701; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!