В несущих деревянных конструкциях довольно часто приходится решать вопросы стыкования элементов, в связи с ограниченностью сортамента пиломатериалов. Особенно это касается сквозных несущих конструкций: ферм, арок, рам, элементы которых могут быть выполнены из цельных досок, брусков или брусьев [1], [2]. При решении стыков в таких случаях, как правило, используют, парны или одиночные накладки, прокладки, которые, соединяясь с основными стыкуемыми элементами, образуют сдвиговое соединение, работающее на сжатие или на растяжение. Для восприятия сдвигающих усилий стык снабжается механическими связями (болтами, нагелями, гвоздями, шпонками и т. п.), количество которых определяется расчетом. Соединения, выполненные на механических связях, обладают податливостью, что приводит к повышенной деформативности и снижению несущей способности. Кроме того, при передаче значительных усилий требуется достаточно большое количество механических связей, что приводит к увеличению длины нахлестки в стыках, а, следовательно и к дополнительному перерасходу материалов.
а) б)
Рис. 1. Стыки деревянных элементов. а) — с деревянными накладками; б) — с металлическими накладками
Предлагается конструкция стыка деревянных элементов, где в качестве механических связей используются вклеенные стальные шайбы. Общий вид стыков показан на рис. 1.
Усилия N от одного элемента определяется в последовательности: элемент — шайба — болт — накладка, а от накладки в обратной последовательности другому элементу.
В отличие от обычного болтового соединения в предлагаемом стыке сосредоточенные усилие N передается деревянному элементу по достаточно большой площади, определяемой шайбой диаметром Dш при этом податливость соединения сведена, к минимуму, поскольку шайба вклеена в гнездо, а соединительный стальной болт работает на срез между двумя стальными шайбами.
|
|
||
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 2. Общий вид образцов, схема испытаний. а — общий вид образцов; б — параметры шайбы; в — схема испытания образцов
Несущая способность вклеенной шайбы будет определяться работой древесины на смятие под шайбой и на скалывание. Напряжения смятия и скалывания будут существенно зависеть от диаметра и толщины шайбы, толщины соединяемых элементов, шага расстановки шайб. Следовательно, эти параметры влияют и на предельную несущую способность соединения.С целью определения предельной нагрузки соединения, выявления характера работы его под нагрузкой были проведены испытания стыков. Стыки представляют собой соединения трех дощатых элементов с вклеенными в них на эпоксидном клее стальными шайбами. Форма образцов и схема испытаний приведены на рис. 2. Соединяемые элементы были выполнены из древесины сосны с влажностью W = 12 %.
Технология изготовления образцов состоит из следующих операций (рис.3):
|
а)
|
б)
|
в)
|
|
г)
|
д)
|
е)
|
Рис. 3. Технология изготовления образца. а). Просверливание центровочного отверстия; б). Процесс выбирания гнезда; г). Выполнение отверстия для болта; г) общий вид образца после этапов 1–3. д) образец с эпоксидным клеем е) вклеивание шайбы в деревянный образец.
- Для соблюдения симметричности изготовления образца, сверлом малого диаметра в деревянном образце просверливается сквозное отверстие, создавая центровочные отверстия на одной и другой плоскости деревянного образца (рис. 3а.)
- По центровочному отверстию выбирается гнездо диаметром на 1–2 мм большим стальной шайбы (Рис 3 б). Гнездо больше чем диаметр шайбы для дальнейшего удобства установки в него стальной шайбы. Гнезда выбираются с каждой из сторон деревянного элемента на толщину шайбы.
- Для стяжного болта сверлится отверстие (рис.3 в) на 2–3 мм больше диаметра стяжного болта. Это обусловлено тем, что болт не должен работать в данном виде соединения (т. е. не упираться в древесину и не создавать в ней напряжений). Отверстие под болт просверливается по уже имеющемуся центральному отверстию.
- Эпоксидным клеем заполняется гнездо (рис.3д), затем в гнездо с одной из сторон вставляется шайба (рис.3е). Клей который будет вытеснен шайбой по краям остается на месте, а клей который вытекает из отверстия собирается в емкость для дальнейшего использования. Спустя 2–3 дня проклеивается шайба на вторую сторону образца. Для образцов характерно образование клеевого пятна. При совмещении шайбы с гнездом залитым клеем, клей вытекает, образуя клеевое пятно вокруг шайбы. Этим клеем склеивается поверхность вокруг неё, что сказывается на прочности соединения и на несущей способности самой шпонки .Образец, подготовленный для испытаний, показан на рис.4.
Рис. 4. Готовый для испытания образец
Рис. 5. Усредненный график нарастания деформаций сдвига в образцах с параметрами (Dш=60 мм, t=8 мм; d=16 мм, а=50 мм, b=150 мм,s=200 мм.).
Испытание образцов проводились на прессе с поэтапным увеличением нагрузки. Величины этапа нагружения принимались равной 5 кН(500кгс). В процессе испытаний производились измерения деформации сдвига средних элементов относительно крайних. График нарастания деформаций сдвига представлен на рис. 5.
Испытания показали, что стыки с применением вклеенных стальных шайб обладают относительно небольшой деформацией сдвига, равной Δ=2.4 мм при действии условной расчетной нагрузки Русл = 8,5 кН. В пределах действия расчетной нагрузки наблюдается упругая работа, а величина разрушающей нагрузки, значительно превышает нагрузку, которую выдерживает стык сделанный на одном соединительном болте такого же диаметра, т. е. без шайб.
При принятых параметрах стыка, согласно СНиП 2–25–80, расчетная нагрузка составит Ррасч = 8,5 кН или Ркррасч = 12,70 кН. (если стык выполнен без шайб).
При средней величине разрушающей нагрузки на стык с шайбой Рразр = 93,7 кН увеличение предельной нагрузки произошло в 7.37 раза. Это значение говорит о том, что вклеенная шайба диаметром 60 мм равносильна дополнительной расстановке 7 болтов диаметром 17 мм.
В процессе испытаний установлено так же, что наружные шайбы в крайних элементах оказывают существенную положительную роль увеличивая, разрушающую нагрузку действующую на образец на 20 % (по сравнению с образцами где такие шайбы отсутствуют). Это связано с тем, что в образцах, где каждый соединяемый элемент имеет вклеенные шайбы с обеих сторон, соединительный болт работает преимущественно на срез. В то время как в образцах, где такие шайбы отсутствуют, болт дополнительно испытывает значительные напряжения изгиба, что приводит к увеличению деформативности и к уменьшению предельной нагрузки стыкового соединения.
Таким образом, предлагаемая конструкция стыка обладает незначительной деформативностью компактностью и повышенной несущей способностью.
Литература:
1. Арискин М. В Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния элементов соединений на вклеенных шайбах [Текст] / Арискин М. В., Д. В. Гуляев, И. Ю. Агеева, Гарькин И. Н.// Молодой ученый. — 2013. — № 2. — С. 27–31.
2. Арискин М. В., Д. В. Гуляев, И. Ю. Агеева, Гарькин И.Н Применение многорядных соединений в деревянных конструкциях в практике строительства [Текст] // Молодой ученый. — 2013. — № 5. — С. 35–38.
