Классификация и область применения различных видов соединяемых элементов ДК.

Соединение деревянных элементов по длине называется сращиванием, по ширине – сплачиванием, под углом – связыванием, прикрепление к опорам – анкерованием.

При изготовлении узлов и стыков деревянных соединений изготавливают всевозможные гнезда, отверстия и врезки, что уменьшает сечения и ослабляет деревянные конструкции. Разрушение деревянных конструкций, как правило, начинается с соединений. От правильности выбора вида соединения его расчета и изготовления, зависит прочность и надежность конструкции в целом.

При соединении сжатых элементов усилия сжатия передаются непосредственно от одного элемента другому. Это наиболее простой вид соединений, в котором не требуются рабочие связи. В соединении изгибаемых элементов уже необходимы рабочие связи – это более сложный вид соединений. Наиболее сложные узлы и стыки у соединений растянутых элементов. Здесь наиболее часто применяются металлические связи.

Существует, примерно, 40-50 различных типов соединений деревянных элементов (рис. 1), которые по характеру работы разделяются на две группы:

• Соединения без расчетных связей. В узлах присутствуют только конструктивные связи обеспечивающие пространственную и геометрическую неподвижность соединения. К этому типу соединений, например, относятся упоры и врубки работающие на сжатие.
• Соединения с расчетными связями. Работающими на сжатие (шпонками, колодками). Работающими на изгиб (нагелями, болтами, штырями, гвоздями, винтами, деревянными пластинками). Работающими на растяжение (болтами, гвоздями, винтами, хомутами, тяжами). Работающими на сдвиг (клеевыми швами).

рис. 1. Примеры соединений деревянных элементов (сращивание, сплачивание, связывание)

Так как в различных типах соединений могут присутствовать одинаковые виды связей целесообразно рассматривать соединения по следующей классификации:

• Без специальных связей.
• С деревянными связями.
• С металлическими связями.
• С клеевыми связями.

Главные требования предъявляемые ко всем соединениям деревянных элементов: обеспечение в узлах и стыках вязкости, дробности и плотности.

При работе древесины на сжатие, растяжение, растягивание и сдвиг в ней, в отличие от металлических соединений, не происходит пластических перераспределений напряжения, а наоборот, присутствует хрупкое разрушение: скалывание вдоль и поперек волокон. Нейтрализация скалывания обеспечивается, прежде всего, работой соединения на смятие древесины, это называется вязкостью соединения. Для наращивания вязкости, соединение «дробят»: увеличивают насколько возможно количество связей, за счет которых напряжения смятия передаются более равномерно. Для устранения «рыхлых» деформаций, соединение делают плотным. Иными словами, например, врубка одного деревянного элемента в другой, должна иметь достаточную площадь для передачи нагрузки, эта площадь для предотвращения скалывания, должна быть раздроблена на несколько площадей, а все соединение должно быть без зазоров, т.е. плотным.

10. Клеевые соединения. 5.4. При расчете конструкций клеевые соединения следует рассматривать как неподатливые соединения.
5.5. Клеевые соединения следует использовать:
а) для стыкования отдельных слоев на зубчатом соединении (рис. 6, а);
б) для образования сплошного сечения (пакетов) путем сплачивания слоев по высоте и ширине сечения. При этом по ширине пакета швы склеиваемых кромок в соседних слоях следует сдвигать не менее чем на толщину слоя по отношению друг к другу (рис. 6, б);
в) для стыкования клееных пакетов, сопрягаемых под углом на зубчатый шип по всей высоте сечения (рис. 6, в).

Рис. 6. Клеевые соединения
а -при стыковании отдельных слоев по длине зубчатым шипом, выходящим на пласть; б - при образовании пакетов и сплачивании по пласти и кромке; в-при стыковании клееных элементов под углом зубчатым шипом

Величина внутреннего угла между осями сопрягаемых под углом элементов должна быть не менее 104°.
5.6. Применение усового соединения допускается для фанеры вдоль волокон наружных слоев. Длину усового соединения следует принимать не менее 10 толщин стыкуемых элементов.
5.7. Толщину склеиваемых слоев в элементах, как правило, не следует принимать более 33 мм. В прямолинейных элементах допускается толщина слоев до 42 мм при условии устройства в них продольных прорезей.
5.8. В клееных элементах из фанеры с древесиной не следует применять доски шириной более 100 мм при склеивании их с фанерой и более 150 мм в примыканиях элементов под углом от 30 до 45°.

10. Нагельные соединения. 5.16. Нагельное соединение со стальными накладками и прокладками на болтах или глухих цилиндрических нагелях (рис. 9) допускается применять в тех случаях, когда обеспечена необходимая плотность постановки нагелей.

Рис. 9. Нагельные соединения со стальными накладкамиа - на болтах; б - на глухих цилиндрических нагелях
Глухие стальные цилиндрические нагели должны иметь заглубление в древесину не менее 5 диаметров нагеля.
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками, следует рассчитывать согласно указаниям пп. 5.13-5.15, причем в расчете из условия изгиба (п. 3 табл. 17) следует принимать наибольшее значение несущей способности нагеля.
Стальные накладки и прокладки следует проверять на растяжение по ослабленному сечению и на смятие под нагелем.
5.17. Несущую способность соединения на цилиндрических нагелях из одного материала, но разных диаметров следует определять как сумму несущих способностей всех нагелей, за исключением растянутых стыков, для которых вводится снижающий коэффициент 0, 9.
5.18. Расстояние между осями цилиндрических нагелей вдоль волокон древесины S1, поперек волокон S2 и от кромки элемента S3 (рис. 10) следует принимать не менее:

Рис. 10. Расстановка нагелей
а -прямая; б - в шахматном порядке
для стальных нагелей S1 = 7d; S2 = 3, 5d; S3 = 3d;
для алюминиевых и стеклопластиковых нагелей S1 = 6d; S2 = 3, 5d; S3 = 3d;
для дубовых нагелей S1 = 5d; S2 = 3d; S3 = 2, 5d.
При толщине пакета bменьше 10d (см. рис. 10) допускается принимать:
для стальных, алюминиевых и стеклопластиковых нагелей S1 = 6d; S2 = 3d; S3 = 2, 5d;
для дубовых нагелей S1 = 4d; S2 = S3 = 2, 5d.
5.19. Нагели в растянутых стыках следует располагать в два или четыре продольных ряда; в конструкциях из круглых лесоматериалов допускается шахматное расположение нагелей в два ряда с расстоянием между осями нагелей вдоль волокон 2S1, а поперек волокон S2 = 2, 5d.
5.20. При определении расчетной длины защемления конца гвоздя не следует учитывать заостренную часть гвоздя длиной 1, 5d; кроме того, из длины гвоздя следует вычитать по 2 мм на каждый шов между соединяемыми элементами.
Если расчетная длина защемления конца гвоздя получается меньше 4d, его работу в примыкающем к нему шве учитывать не следует.
При свободном выходе гвоздя из пакета расчетную толщину последнего элемента следует уменьшать на 1, 5d (рис. 11).

Рис. 11. Определение расчетной длины защемления конца гвоздя

Диаметр гвоздей следует принимать не более 0, 25 толщины пробиваемых элементов.
5.21. Расстояние между осями гвоздей вдоль волокон древесины следует принимать не менее:
S1 = 15d при толщине пробиваемого элемента с > = 10d;
S1 = 25d при толщине пробиваемого элемента с =4d.
Для промежуточных значений толщины с наименьшее расстояние следует определять по интерполяции.
Для элементов, не пробиваемых гвоздями насквозь, независимо от их толщины, расстояние между осями гвоздей следует принимать равным S1 > = 15d.
Расстояние вдоль волокон древесины от гвоздя до торца элемента во всех случаях следует принимать не менее S1 = 15d.
Расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины при прямой расстановке гвоздей следует принимать не менее S2 = 4d; при шахматной расстановке или расстановке их косыми рядами под углом =< 45° (рис. 12) расстояние может быть уменьшено до 3d.

Рис. 12. Расстановка гвоздей косыми рядами

Расстояние S3от крайнего ряда гвоздей до продольной кромки элемента следует принимать не менее 4d.
Примечание. Расстояние между гвоздями вдоль волокон древесины в элементах из осины, ольхи и тополя следуе увеличивать на 50 % по сравнению с указанными выше.
5.22. Применение шурупов и глухарей в качестве нагелей, работающих на сдвиг, допускается в односрезных соединениях со стальными накладками и накладками из бакелизированной фанеры. Расстояния между осями шурупов следует принимать по указаниям п. 5.18, как для стальных цилиндрических нагелей.
5.23. Несущую способность шурупов и глухарей при заглублении их ненарезной части в древесину не менее чем на два диаметра следует определять по правилам для стальных цилиндрических нагелей.
10. Гвоздевые соединения. 5.24. Сопротивление гвоздей выдергиванию допускается учитывать во второстепенных элементах (настилы, подшивка потолков и т.д.) или в конструкциях, где выдергивание гвоздей сопровождается одновременной работой их как нагелей.
Не допускается учитывать работу на выдергивание гвоздей, забитых в заранее просверленные отверстия, забитых в торец (вдоль волокон), а также при динамических воздействиях на конструкцию.
5.25. Расчетную несущую способность на выдергивание одного гвоздя в МН (кгс), забитого в древесину поперек волокон, следует определять по формуле

, (56)

где Rв.г - расчетное сопротивление выдергиванию на единицу поверхности соприкасания гвоздя с древесиной, которое следует принимать для воздушно-сухой древесины равным 0, 3 МПа (3 кгс/см2), а для сырой, высыхающей в конструкции, -0, 1 МПа (1 кгс/см2);
d -диаметр гвоздя, м (см);
l1 - расчетная длина защемленной, сопротивляющейся выдергиванию части гвоздя, м (см), определяемая согласно п. 5.20.
Примечания: 1. В условиях повышенной влажности или температуры, а также при расчете на действие кратковременной или постоянной и длительной временной нагрузок расчетное сопротивление выдергиванию для воздушно-сухой древесины следует умножать на коэффициенты, приведенные в табл. 5, 6 и пп. 3.2б и 3.2в настоящих норм.
2. При диаметре гвоздей более 5 мм в расчет вводят диаметр, равный 5 мм.

5.26. Длина защемленной части гвоздя должна быть не менее двух толщин пробиваемого деревянного элемента и не менее 10d.
Расстановку гвоздей, работающих на выдергивание, следует производить по правилам расстановки гвоздей, работающих на сдвиг (см. п. 5.21).
5.27. Расчетную несущую способность на выдергивание одного шурупа или глухаря в МН (кгс), завинченного в древесину поперек волокон, следует определять по формуле

, (57)

где Rв.ш - расчетное сопротивление выдергиванию шурупа или глухаря на единицу поверхности соприкасания нарезной части шурупа с древесиной, которое следует принимать для воздушно-сухой древесины равным 1 МПа (10 кгс/см2); расчетное сопротивление выдергиванию следует умножать в соответствующих случаях на коэффициенты, приведенные в табл. 5, 6 и пп. 3.2б и 3.2в настоящих норм;
d -наружный диаметр нарезной части шурупа, м (см);
l1 - длина нарезной части шурупа, сопротивляющаяся выдергиванию, м (см).
Расстояние между осями винтов должно быть не менее: S1 = 10d; S2 = S3 = 5d (см. рис. 10).

12. Лобовые врубки и лобовые упоры. Можно выделить следующие методы соединений деревянных элементов:

• встык
• врубка гребнем
• вшип
• на шипах

Соединение лобовым упором
При прямом стыке торцы стыкующихся деталей обязательно должны быть расположены перпендикулярно их продольной оси. Это требование должно выполняться неукоснительно.
При косом стыке торцы должны быть расположены строго по диагонали к их продольной оси. Такое соединение предпочтительней прямого, так как позволяет, за счет косого среза, увеличить опорную поверхность деревянных элементов. Важно четко осознавать, что стык не должен выступать в роли опоры.
Если в столярном изделии необходимо сделать несколько соединений лобовым упором, то целесообразно применять специальный шаблон: прямоугольный треугольник из куска толстой ровной фанеры, один из катетов которого должен быть равен ширине стыкуемых изделий. Его можно применять, например, при изготовлении балок перекрытия.
Если соединение подвергается растяжению, его обязательно необходимо укрепить одним из ниже приведенных способов:

• скобы
• хомуты
• деревянные накладки

Шиповое соединение лобовым упором применимо лишь при скреплении небольших деталей из дерева. В несущих конструкциях соединение лобовым упором ни в коем случае не должно находиться вне опоры.
Соединение – врубка
При методе соединения, называемом «прямая врубка», длина, как и при шиповом соединении лобовым упором, может быть любой величины. Например, врубка балки потолка, лежащая на стене, должна строго полностью покоиться на опорной плоскости. Если врубка длиннее опоры, то ее обязательно кладут на ребро и скрепляют болтами.
Косой прируб применяется при стыковых соединениях элементов столярных изделий, которые не могут быть усилены скобами, шинами или дощатой накладкой. Это актуально и для врубки с косым зубом при прямом соединении встык.
Соединения лобовым упором и врубкой не допускается для применения в пролете несущих деревянных конструкций.

Соединение (врубка) гребнем
Применяется в случае соединения деревянных элементов друг к другу под прямым углом. Иногда его применяют и для соединений под острым или тупым углом.
Полный гребень удерживает деталь от продольного смещения, наиболее часто используется для балконов и свесов крыши. Полугребень удерживает деталь и от продольного, и от поперечного сдвига.
Если вам необходимо соединить грубые необработанные детали из дерева, смещение предотвращают посредством соединения из гвоздей. В этом конкретном случае изготовление самих гребней намного упрощается.

К более сложным разновидностям соединения гребнем относят следующие его подтипы:

• двойной гребень
• гребень «ласточкин хвост»

Соединение вшип
При соединении вшип шип торцевого конца одного элемента вставляется в специальное отверстие в другом элементе. Такой тип соединения великолепно предупреждает боковые смещения деревянных элементов.

Различают следующие виды шипов:

• прямой
• косой
• сквозной

Простой шип ни в коем случае не должен упираться в дно подготовленного для него отверстия. Необходимо оставить своеобразный карман в несколько мм. Нагрузка должна прикладываться к поверхностям окружающим шип, а не к самому шипу.
К наиболее часто используемым шиповым соединениям относятся следующие виды шипов:

• угловой
• горизонтальный с прямым верхним срезом
• горизонтальный с косым верхним срезом
• простой косой
• простой с врубкой
• укосина с двойной врубкой
• сквозной
• сквозной с врубкой
• ложный сквозной
• простая врубка

Соединения на шипах можно применять только для соединения качественно обработанных деревянных элементов столярных изделий. Оно требует высокой профессиональной подготовки и уже отточенных навыков, что связано с высочайшими требованиями к точности измерений, разметки и пиления.
Для усиления надежности соединения деревянных элементов необходимо применять по мере надобности специальные средства, которые в данном случае будут дополнительными гарантами безопасной эксплуатации деревянных изделий в сборе. К этим специальным средствам относят:

• гвозди
• винты
• болты
• скобы
• хомуты
• столярный клей