Элементы соединения ДПК-панелей в цилиндрических оболочках



Введение

В связи с постоянно растущим технологическим прогрессом сейчас существует множество различных типов креплений, которые применяют в соединениях конструкций из древесно-полимерного композита (ДПК). Преимущества и недостатки определяются рядом требований, стоящих при строительстве и проектировании:

— Соединение должно обеспечивать должную несущую способность;

— Элементы соединения должны быть доступными, в финансовом плане и производственном;

— Удобство при монтаже, на строительной площадке.

Основными (главными) типами соединений цилиндрических оболочек из ДПК являются:

 Соединения на коннекторах;

 Соединения типа шип-паз со стягиванием шурупами;

 Соединения на саморезах и шурупах.

Соединение на коннекторах

Одним из самых практичных соединений является соединение на коннекторы. Коннекторы — это соединительный элемент из нержавеющей стали, его размеры и толщина проката определяются расчётом. На рисунке 1 показан коннектор для соединения сборных цилиндрических оболочек, такое соединение осуществляется на два болта, вкрученных под прямым углом к панели (параллельно направлению наружных крайних слоев рисунок 2). Установка подобного коннектора осуществляется в предварительно подготовленные пазы, обычно их вырезают в заводских условиях, для исключения негативного влияния человеческого фактора.

Рис. 1. Коннектор LSB

Рис. 2. Узловое соединение на коннекторы

Впервые такой тип соединения исследовали и применили японские конструкторы, при строительстве офиса лесной ассоциации в Наньо.

Согласно расчетам, соединение на коннекторы производилось с шагом 1 метр. Номинальный диаметр стержня составил 12 мм, размеры коннектора — 19x100x120. (Рис. 2) Помимо коннектора для предотвращения деформации сдвига использовались стальные пластины с размерами 6 х 160 х 360, рисунок 3. [2]

Рис. 3. Стальные пластины

Соединение на коннекторы считается эффективным, поскольку болт, вкручиваясь в древесину, стягивает коннектор с ДПК панелью, создавая плотное примыкание деревянных элементов конструкции. Такое соединение предотвращает внеплоскостные перемещения. Расчет коннекторного соединения ведется по двум основным критериям:

1. Предел прочности на растяжение болта определяется по таблице 1 в ГОСТ Р 52627–2006. [3]
2. Согласно СП 64.13330.2017 расчетную несущую способность соединений, работающих на смятие древесины определяют по формуле:

, (1)

где — расчетная площадь смятия;

расчетное сопротивление древесины смятию под углом к направлению волокон.

Соединение типа шип-паз со стягиванием шурупами

Соединение шип-паз имеет широко применяется в деревянных конструкциях, поскольку оно предотвращает деформации сдвига в плоскости.

Впервые для соединения оболочечных конструкций из ДПК применили при строительстве выставочного зала на выставке Landesgartenschau, которая состоялась в Швебиш-Гмюнде в 2014 году.

Стягивание шурупами выполнялось в каждом примыкании шипа и паза, в перекрестном Х-образном направлении, как показано на рисунке 4 (б), что обеспечивает жесткость соединения при внеплоскотных деформациях. [4]

Рис. 4. а) Соединение шип паз со стягиванием шурупами; б) вид соединения сбоку

Однако его применение требует тяжелый технологический процесс при производстве, многоугольные пластины зарезаются на станке ЧПУ, затем вручную фрезеруются пазы.

Расчет соединения производят по двум критериям: скалывание древесины, учитывающий плоскостные деформации и выдергивание самореза из древесины.

Согласно СП 64.13330.2017 [1] расчет прочности на скалывание древесины выполняется по формуле:

, (2)

где

— расчетная поперечная сила;

— статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения элемент относительно нейтральной оси;

— момент инерции брутто поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси;

— расчетная ширина сечения элемента;

— расчетное сопротивление скалыванию при изгибе.

Для проверки соединения необходимо определять расчетную несущую способность на выдергивание одного шурупа согласно СП 64.13330.2017 по формуле:

, (3)

где — расчетное сопротивление выдергиванию шурупа на единицу поверхности соприкасания нарезной части шурупа с древесиной, которое следует принимать для воздушно-сухой древесины равным 1 МПа; расчетное сопротивление выдергиванию следует умножать в соответствующих случаях на коэффициенты, приведенные в 6.9 и таблице 4 СП 64.13330.2017;

наружный диаметр нарезной части шурупа, м;

длина нарезной части шурупа, сопротивляющаяся выдергиванию, м;

в соответствии с п. 6.1 СП 64.13330.2017.

Соединение на шурупах

Соединение с применением шурупов считается основным видом соединения ДПК панелей. Их популярность обусловлена легкодоступностью и простотой, помимо этого они способны выдерживать как усилия сдвига, так и растяжения, а также простотой использования на строительной площадке, такое решение возможно осуществить без предварительного сверления. Сортамент шурупов очень широк их изготавливают диаметром от от 4 мм до 12 мм и длиной до 500 мм.

Для соединения цилиндрических оболочек рассматривалось узловое соединение как показано на рисунке 5. Шурупы вкручиваются перекрестно, проходя через центральный слой ДПК, с шагом 160мм, размер шурупа составил 0,8х140/80.

а)

б)

Рис. 5. Соединение цилиндрической оболочки из ДПК а) вид сбоку; б) вид сверху

При выборе шурупа необходимо следовать ряду правил и выполнять расчеты по несущей способности:

1. Шурупы хорошо переносят изгиб без признаков разрушения, при изгибе в следующих пределах:

для D6мм — до 33 °;

для D8мм — до 30 °;

для D6мм — до 29 °;

для D12мм — до 28 °.

2. Расчетная несущая способность, при установке шурупа под углом 90°≥ α ≤ 45° к направлению волокон:

, (4)

где — несущая способность по резьбовой части шурупа:

, (5)

где коэффициент сопротивления выдергиванию шурупа, Н/мм ² ;

— внешний диаметр по резьбовой части шурупа;

— расчетная длина нарезной части шурупа, сопротивляющаяся выдергиванию, мм;

коэффициент надежности.

3. Согласно СП 64.13330.2017 и и СтАДД 3.0–11, расстояния между шурупами следует принимать не менее значений полученных по формулам таблицы 1.

Таблица 1

Минимальные расстояния между осями шурупов

Примечания:

1. Для промежуточных значений толщины «с«, наименьшее расстояние следует определять по интерполяции.
2. Для элементов, которые не прошиваются шурупами насквозь, независимо от их толщины расстояние между осями шурупов следует принимать не менее 15°, за исключением оговоренных случаев.
3. Расстояние между шурупами вдоль волокон древесины в элементах из осины, ольхи, тополя и пихты следует увеличивать на 50 % по сравнению с указанными.
4. Если в направлении волокон древесины расстояние между винтами и до торца деревянного элемента составляет не менее 25d, то расстояние до ненагруженной кромки поперек волокон может быть сокращено до 3d.

Заключение

При проектировании деревянных конструкций перед инженером-проектировщиком стоит ряд проблем, основной из которых является выбор и расчет узловых соединений. В данной статье рассмотрены варианты расчета трех вариантов узлового соединения: на коннекторах, соединение типа шип-паз со стягиванием шурупами, соединение на саморезах и шурупах. Первые два варианта требуют высокую заводскую готовность, а также сложные соединительные элементы, изготовленные под заказ. Соединение на саморезах оказалось более доступным и простым вариантом.

Литература:

1. СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции 141 стр, https://spdom.pro/uploads/news/sp64133302017derevkonstr-c61d6e2560.pdf?ysclid=lwqunhixql544945284 (Дата обращения 20.04.2024)
2. «Link Element Arrangement for CLT Shells» 2022г 13 стр, https://www.ingentaconnect.com/contentone/iass/piass/2022/00002022/00000008/art00028 (Дата обращения 20.04.2024)
3. ГОСТ Р 52627–2006, 28 стр., https://www.reglament.by/wp-content/uploads/docs/gost-r/gost-r-52627–2006.pdf?ysclid=lwquxpz9lm356883283 (Дата обращения 01.05.2024)
4. «Segmental Timber Plate Shell for the Landesgartenschau Exhibition Hall in Schwäbisch Gmünd» 2015г, 19стр., https://www.researchgate.net/publication/282511465_Segmental_Timber_Plate_Shell_for_the_Landesgartenschau_Exhibition_Hall_in_Schwabisch_Gmund-the_Application_of_Finger_Joints_in_Plate_Structures