Почему необходимы соединения в деревянных конструкциях
Перейти к содержимому

Почему необходимы соединения в деревянных конструкциях

  • автор:

Соединения деревянных конструкций

Соединения деревянных конструкций

Создавая силовую схему деревянного каркаса здания, приходится в той или иной степени использовать способы соединения деревянных элементов, опыт выполнения которых формировался веками. При этом соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачиванием, а для увеличения их продольной длины – сращиванием. Кроме того, деревянные элементы каркаса могут соединяться в узлах конструкций под различными углами.

Искусство подгонки деревянных соединений шлифовалось столетиями. Раньше, когда промышленное изготовление металлических соединителей (гвоздей, шурупов и т.п.) не было налажено и их себестоимость была высока, научились так подгонять концы или края деревянных заготовок друг к другу, чтобы они выдерживали эксплуатационную нагрузку и сопротивлялись воздействию окружающей среды.

По способу передачи усилий соединения деревянных элементов разделяют на следующие виды:

  • соединения на механических связях (на болтах, гвоздях, шурупах, и т.п.);
  • соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов (шипов, врубок, нагелей и т.п.);
  • соединения на клеях.

Рис. 1. Гвозди, используемые в строительстве: А – круглый гвоздь; Б – с выпуклой шляпкой; В – напольный гвоздь; Г – овальный гвоздь; Д – гвоздь без шляпки; Е – панельный гвоздь; Ж – штукатурный гвоздь; 3 – настенный гвоздь.

Соединения на механических связях обладают достаточно высокой прочностью и надёжностью. Передача сил в таких соединениях происходит от одного элемента к другому через отдельные точки и компенсируется силами трения между металлом и волокнами древесины (гвоздевое соединение) или упорами винтовой нарезки и прорезаемыми в древесине винтовыми желобками (соединение на шурупах). Гвоздевые соединения осуществляются при помощи гвоздей. Наиболее применимые из них даны на рис.1. Количество гвоздей определяют расчётным путём, а в некоторых случаях назначают конструктивно, например, при настилке полов, установке встроенного оборудования, обшивке потолков и перегородок и т.п. В гвоздевых соединениях конструкций, изготовляемых из древесины лиственницы и твердых лиственных пород, гвозди диаметром более 6 мм следует забивать в заранее просверленные отверстия (рис. 2). Причем, диаметр отверстий должен составлять 0,9 диаметра забиваемого гвоздя. В соединениях из досок мягких пород гвозди независимо от диаметра забивают без предварительного сверления. При забивке гвоздей следует придерживаться нескольких правил, которые повышают эффективность соединения и избавляют от нежелательных последствий:

  • чтобы древесина не раскололась во время забивания гвоздя, нужно притупить его кончик (или откусить его кусачками). Такой гвоздь будет сминать волокна древесины, а не раскалывать её;
  • нужно помнить, что гвоздь, забитый вдоль волокон, держится намного слабее, чем гвоздь, забитый поперек волокон;
  • несколько забитых гвоздей, расположенных близко друг к другу вдоль одного слоя древесины, могут ее расколоть. Древесина расколется и в том случае, когда толстый гвоздь забить близко от кромки. Чтобы избежать этого, гвозди лучше брать меньшего диаметра, увеличивая их количество. Забивать их лучше в шахматном порядке.
Виды гвоздевых соединений Шурупы и глухари
Рис. 3. Виды гвоздевых соединений: А – забивание под углом; Б – под углом во встречных направлениях; В – скрытность соединения подрубанием кромок; Г – два способа расположения режущих кромок на окончании гвоздя: в положении 1 режущие кромки расположены поперек волокон и не раскалывают заготовку; в положении 2 режущие кромик расположены вдоль и древесина может расколоться; Д – скрытность соединения при помощи пробки. Рис. 4. Шурупы и глухари: А – глухарь; Б – утопленный шуруп; В – шуруп с высокой головкой; Г – самонарезающий шуруп; Д – шуруп с полукруглой головкой; Е – шуруп с удвоенной резьбой.

Некоторые приёмы, которыми пользуются при забвении гвоздей показаны на рис. 3. Соединения на шурупах и глухарях (рис. 4) более надежны, так как для выдергивания шурупов потребуются достаточно большие усилия. Шурупы различаются размерами, формой шляпки и шагом резьбы. Как правило, часть поверхности стержня шурупа резьбы не имеет. Самыми крупными шурупами являются так называемые «глухари». Они имеют квадратную или шестигранную шляпку и закручиваются гаечными ключами. Некоторые из таких шурупов обладают прорезью на шляпке, что позволяет использовать отвёртку.

Расстановка шурупов и глухарей и размеры просверленных гнёзд должны обеспечивать плотный обжим стержня с древесиной, исключая ее раскалывание. Расстояния между осями винтов в продольном направлении должны быть не менее 10 диаметров стержня, а поперёк волокон – 5 диаметров. Диаметр прилегающей к шву части гнезда должен точно соответствовать диаметру ненарезной части глухаря. Диаметр заглубленной части шурупа или глухаря по всей длине нарезной части должен быть на 2–4 мм меньше полного его диаметра, что обеспечит надёжный упор винтовой нарезки.

В древесину шуруп завертывают отвёрткой или шуруповёртом, а не забивают. При забивании шурупа в древесину винтовое соединение получается непрочным, так как сминается нарезка и нарушается древесина в месте прохождения шурупа. При этом соединение теряет до 40% силы, удерживающей шуруп в древесине. Для прочного соединения шуруп необходимо заворачивать до отказа. При этом прочность соединения во многом зависит от плотности древесины, размеров и количества шурупов, глубины их завертывания. В древесину твёрдых пород шурупы заворачивают в заранее просверленные отверстия, диаметр которых должен составлять 0,9 от диаметра ненарезанной части шурупа. Во влажную древесину заворачивать шурупы не рекомендуется, так как они будут быстро корродировать и прочность соединения нарушится.

 Болты Соединения на нагелях
Рис. 5. Болты: А – болт с ограждением; Б – крепежный: В – машинный; Г – каретный. Рис. 6. Соединения на нагелях: 1 – дубовый нагель; 2 – стальной нагель-болт; 3 – пустотелый нагель; 4 – стальной нагель без шляпки; 5 – нагель-гвоздь; 6 – пластинчатые нагели.

Болтами (рис. 5) можно соединять как изогнутые, так и прямые детали. Крепёжный болт используется для крепления досок сечением 50×100 мм. Машинный и каретный болты применяют для установки деревянных деталей на стальных конструкциях. Параметры болта определяют заданным его диаметром и длиной от нижней плоскости шляпки до конца. Длина крепежного болта с плоской шляпкой измеряется от верхушки до конца.

Соединения на нагелях препятствуют взаимному сдвигу стыкуемых элементов, поэтому гвозди и шурупы в некоторой степени можно считать разновидностью нагелей. В нагельном соединении, находящемся под воздействием внешней нагрузки, сам нагель работает на изгиб, а древесина соединяемых элементов под нагелями подвергается смятию. Нагели бывают стальные, пластмассовые и деревянные, а по форме – цилиндрические и пластинчатые (рис. 6). В конструкциях, которые находятся в агрессивной среде, используют алюминиевые, пластмассовые и дубовые нагели.

Древесина для нагеля подбирается из твердых пород, а ее влажность должна быть на 3-5% ниже, чем влажность основной древесины. В этом случае при достижении баланса влажности нагель плотно заклинивается в гнезде, создавая прочное соединение. Если влажность нагеля и основной древесины будет одинаковой, то при высыхании древесины плотность посадки нагеля уменьшается и соединение может разрушиться. Выбор того или иного диаметра нагеля целиком и полностью зависит от толщины соединяемых деталей и от требований к прочности соединения. Расчетную несущую способность на один срез нагеля определяют исходя из трех условий:

  • изгиба металлического нагеля;
  • смятия древесины крайнего соединяемого, а также более тонкого элемента толщиной а;
  • смятия древесины среднего соединяемого, а также более толстого элемента толщиной с.

Различают две группы соединения на нагелях: симметричные и нессиметричные. Расчетную несущую способность цилиндрического нагеля на один шов сплачивания в соединениях сосны и ели принимают равному одному из значений, приведённых в таблице.

Методика определения несущей способности основных видов цилиндрических нагелей.

Схемы соединений Напряженное состояние соединения Расчетная несущая способность на один шов сплачивания (условный срез)
Гвоздя стального, алюминиевого, стеклопластикового нагеля Дубового нагеля
Симметричные соединения Смятие в средних элементах 0,5 cd 0,3 cd
Смятие в крайних элементах 0,8 ad 0,5 ad
Несимметричные соединения Смятие во всех элементах равной толщины, а также в более толстых элементах односрезных соединений 0,35 cd 0,2 cd
Смятие в более тонких средних элементах двусрезных соединений 0,8 ad 0,5 ad

Соединения на клеях – наиболее прогрессивный способ соединения древесины, отвечающий индустриальным методам изготовления. Этому во многом способствует наличие водостойких и биостойких строительных клеев (на основе синтетических смол), открывших широкие возможности использования клееных конструкций в индустриальном и гражданском строительстве. К достоинствам клееных конструкций относятся возможность компоновки крупноразмерных конструкций из мелкоразмерного сортамента, использование древесины низких сортов в менее напряженных зонах конструкций, отсутствие ослаблений врезками и врубками, надежная работа на сдвиг в швах и т.д. Недостатком клееных конструкций считается необходимость тщательного контроля в заводских условиях и сложность изготовления соединений при монтаже.

Технологический процесс склеивания состоит из нескольких операций, поэтому правильная подготовка поверхностей и подбор склеиваемых деталей по годичным слоям древесины играют не последнюю роль в прочности соединения. Если древесина неверно подобрана, то в процессе эксплуатации (при изменении температурно-влажностного режима) детали могут неравномерно разбухать, в результате клеевое соединение разрушится. Прочное и надежное соединение получится тогда, когда соблюдаются следующие условия:

  • влажность древесины при склеивании должна быть такой, как в и процессе эксплуатации. При этом обе склеиваемые детали должны иметь одинаковую влажность;
  • склеиваемые поверхности должны располагаться таким образом, чтобы годичные слои были направлены в противоположные стороны или под углом друг к другу;
  • сопрягаемые поверхности должны быть очищены от пыли, жировых включений и подогнаны друг к другу без зазоров;
  • соединяемые кромки лучше склеиваются, если они относятся к одной и той же части ствола (заболони или ядра);
  • тонкие заготовки лучше склеиваются, чем толстые.

Рис. 7. Клеевые соединения: А – склеивание продольное; Б – склеивание впритык; В – склеивание «на ус»; Г – склеивание зубчатым шипом; Д – склеивание под углом.

В настоящее время для создания клееных конструкций используют доски и брусья хвойных пород влажностью не более 12% и толщиной не более 42 мм в прямолинейных элементах и 33 мм в криволинейных. Применяют дощатые клееные конструкции в сочетании со строительной фанерой, а также с фанерой и сталью. Склеивание производят под давлением 0,3– 0,5 МПа при длительности запрессовки 4–24 часа. Основные виды клеевого соединения конструкций приведены на рис. 7. Для склеивания шипы и все сопрягаемые поверхности деталей смазывают клеем, собирают и проверяют прямоугольность соединения. После этого склеенные элементы сжимают струбцинами или другими приспособлениями и оставляют до полного засыхания клея. Надёжность соединения будет зависеть от того, как правильно будет зафиксированы склеиваемые детали до полного высыхания клея.

Поперечные сечения клееных конструкций бывают прямоугольными, двутавровыми, коробчатыми и пр. (рис. 8). Клееные соединения применяют при изготовлении несущих и ограждающих конструкций, выполненных из досок или строительной фанеры. К числу таких конструкций относятся составные из досок балки, дощато-фанерные балки, гнутые арки, рамы, щиты ограждающих частей зданий, стропильные фермы и др.

Дощатоклееные балки в виде многослойного пакета обладают рядом преимуществ перед другими составными балками:

  • они работают как монолитные;
  • их можно изготовлять с поперечным сечением большой высоты;
  • в балках длиной более 6 м отдельные доски стыкуют по длине с помощью зубчатого шипа и, следовательно, балки не будут иметь стыка, ослабляющего сечение;
  • в дощатоклееных балках можно рационально размещать доски различного качества по высоте – в наиболее напряженных зонах доски 1-го сорта, в менее напряженных зонах доски 2-го и 3-го сортов.
Балки дощатоклееные Балки дощатоклееные
Рис. 9. Балки дощатоклееные: А – типы балок; Б – варианты сечений балок; В – распределение составных элементов по сортам (по качеству). Рис. 10. Балки клеенофанерные с плоскими стенками и ребрами жесткости:
А – балка постоянной высоты; Б – двухскатная балка; В – балка с криволинейной геометрией верхнего пояса; Г – стык фанерной стенки с накладками; Д – стык фанерной стенки «на ус».

В отечественном строительстве применяют дощатоклееные балки пролётом до 24 м. Сечения дощатоклееных балок принимаются в большинстве случаев не более 16,5 мм, что позволяет изготовлять их из цельных широких досок, склеенных между собой кромками, с расположением этих стыков вразбежку по высоте. Высота сечения балок определяется расчётом и находится в пределах от 1/10 до 1/15 пролета. Форма дощатоклееных балок может быть прямоугольной, односкатной, сегментной и двускатной, постоянной и переменной высоты (рис. 9). Высота балок переменного сечения на опорах должна быть не менее 0,4 высоты сечения в середине длины. Балки склеивают из досок не более 44 мм. Доски перед склеиванием фрезеруют по лопастям на 2,5–3,5 мм, а после склеивания кромки балок фрезеруют в среднем на 5 мм.

Клеенофанерные балки состоят из фанерных стенок и дощатых поясов (рис. 10). Поперечное сечение клеенофанерной балки может быть двутавровым и коробчатым. Так как при этом пояса балки удалены от нейтральной оси, то материал в таких балках используется более эффективно. При этом клеенофанерные балки могут быть постоянной высоты, двускатными, а также с криволинейным верхним поясом. Балки с плоской фанерной стенкой рекомендуется использовать для пролётов до 15 м. Их высоту назначают в пределах 1/18–1/12 длины пролёта. Толщина стенок должна быть не менее 8 мм. Доски поясов балки могут располагаться как горизонтально, так и вертикально. Пояса балки по плоскостям склеивания с фанерными стенками должны иметь прорези для того, чтобы ширина клеевых швов не превосходила 10 см. Это предотвратит появление перенапряжения швов при колебаниях температуры и влажности.

Придание жёсткости фанерной стенке обеспечивается установкой дощатых рёбер жесткости, которые располагают в коробчатых балках в полости между двумя фанерными стенками. В двутавровых балках ребра жесткости располагают по обе стороны стенки. По длине ребра жёсткости ставятся с шагом, равным 1/8–1/10 пролёта.

Соединения элементов деревянных конструкций

Соединения элементов деревянных конструкций

Кроме обработки цельных кусков древесины, часто приходится соединять деревянные детали в узлы и конструкции. Соединения элементов деревянных конструкций называют посадками. Соединения в конструкциях деревянных деталей определяются пятью видами посадок: напряженная, плотная, скользящая, свободная и очень свободная посадка.

Узлы – это части конструкций в местах соединения деталей. Соединения деревянных конструкций подразделяются на виды: торцевые, боковые, угловые Т-образные, крестовидные, угловые L-образные и ящичные угловые соединения.

Столярные соединения имеют более 200 вариантов. Здесь рассмотрены только соединения, которыми пользуются на практике столяры и плотники.

Торцевое соединение (наращивание) – соединение деталей по длине, когда один элемент является продолжением другого. Такие соединения бывают гладкие, зубчатые с шипами. Дополнительно их закрепляют клеем, шурупами, накладками. Горизонтальные торцевые соединения выдерживают нагрузки на сжатие, растяжение и на изгиб (рис. 1 – 5). Пиломатериалы наращивают в длину, образуя на концах вертикальные и горизонтальные зубчатые соединения (клиновой замок) (рис. 6). Таким соединениям не нужно быть под давлением в течение всего процесса склеивания, так как здесь действуют значительные силы трения. Зубчатые соединения пиломатериалов, выполненные фрезерованием, отвечают первому классу точности.

Соединения деревянных конструкций должны быть изготовлены тщательно, в соответствии с тремя классами точности. Первый класс предназначен для измерительного инструмента высокого качества, второй класс – для изделий мебельного производства, а третий – для стройдеталей, сельскохозяйственного инвентаря и тары. Боковое соединение кромкой нескольких досок или реек называют сплачиванием (рис. 7). Такие соединения применяют в конструкциях полов, ворот, плотничных дверей и т. д. Дощатые, реечные щиты дополнительно укрепляют поперечинами и наконечниками. При обшивке потолков, стен верхние доски перекрывают нижние на 1/5 – 1/4 ширины. Наружные стены обшивают горизонтально уложенными досками внахлёст (рис. 7, ж). Верхняя доска перекрывает нижнюю на 1/5 – 1/4 ширины, что обеспечивает отвод атмосферных осадков. Соединение конца детали со средней частью другой образует Т-образное соединение деталей. Такие соединения имеют большое число вариантов, два из которых показаны на рис. 8. Эти соединения (вязки) применяют при сопряжении лаг перекрытий и перегородок с обвязкой дома. Соединение деталей под прямым или косым углом называют крестовидным соединением. Такое соединение имеет один или два паза (рис. 3.9). Крестообразные соединения применяют в конструкциях крыш и ферм.

Рис. 1. Торцевые соединения брусьев, сопротивляющиеся сжатию: а – с прямой накладкой вполдерева; б –с косой накладкой (на «ус»); в – с прямой накладкой вполдерева со стыком в тупой угол; г – с косой накладкой со стыком в шип.
Рис. 2. Торцевые соединения брусьев (наращивание), сопротивляющиеся растяжению: а – в прямой накладной замок; б – в косой накладной замок; в – с прямой накладкой вполдерева со стыком в косой шип (в ласточкин хвост).
Рис. 3. Торцевые соединения брусьев, сопротивляющиеся изгибу: а – с прямой накладкой вполдерева с косым стыком; б – с прямой накладкой вполдерева со ступенчатым стыком; в – в косой накладной замок с клиньями и со стыком в шип.
Рис. 4. Сращивание врубкой с усилением клиньями и болтами.
Рис. 5. Торцевые соединения брусьев, работающие на сжатие: а – впритык с потайным выдолбленным шипом; б – впритык с потайным вставным шипом; в – с прямой накладкой вполдерева (соединение может быть укреплено болтами); г–с прямой накладкой вполдерева с закреплением проволокой; д – с прямой накладкой вполдерева с закреплением металлическими обоймами (хомутами); е – с косой накладкой (на «ус») с закреплением металлическими обоймами; ж – с косой накладкой и закреплением болтами; з – разметка косой накладки; и – впритык с потайным четырехгранным шипом.
Рис. 6. Торцевые наращивания схемы фрезерования при торцевом склеивании заготовок: а – вертикальное (по ширине детали), зубчатое (клиновидное) соединение; б – горизонтальное (по толщине детали), зубчатое (клиновидное) соединение; в – фрезерование зубчатого соединения; г – выпиливание зубчатого соединения; д – выфрезерование зубчатого соединения; е – соединение в торец и склеивание.
Рис. 7. Сплачивание досок: а – на гладкую фугу; б – на вставную рейку; в – в четверть; г, д, е – в паз и гребень (с различными формами паза и гребня); ж – внахлест; з – с наконечником в паз; и – с наконечником в четверть; к – с перекрытием.
Рис. 8. Т-образные соединения брусков: а – с потайным косым шипом (в лапу или в ласточкин хвост); б – с прямой ступенчатой накладкой.
Рис. 9. Крестовые соединения брусков: а – с прямой накладкой вполдерева; б – с прямой накладкой неполного перекрытия; в – с посадкой в одно гнездо

Соединения двух деталей концами под прямым углом называют угловыми. Они имеют сквозные и несквозные шипы, открытые и впотёмок, вполупотёмок внакладку, вполдерева и т. п. (рис. 10). Угловые соединения (вязки) применяют в оконных неверных блоках, в соединениях парниковых рам и др.Шиповое соединение впотемок имеет длину шипа не менее половины ширины соединяемой детали, а глубина паза на 2 – 3 мм больше длины шипа. Это необходимо чтобы соединяемые детали легко сопрягались друг с другом, и в гнезде шипа после склеивания оставалось место для излишков клея. Для дверных рам применяют угловое шиповое соединение впотемок, а для увеличения размеров соединяемой поверхности– вполупотемок. Двойной или тройной шип повышает прочность углового соединения. Однако прочность соединения определяется качеством его выполнения. В мебельном производстве широко применяют разнообразные угловые ящичные соединения (рис. 11). Из них наиболее простое – открытое сквозное шиповое соединение. До изготовления такого соединения на одном конце доски шилом размечают по чертежу шипы. По разметке боковых частей шипа пилкой с мелкими зубьями делают пропил. Каждый второй пропил шипа выдалбливают стамеской. Для точности соединения сначала пропиливают и выдалбливают гнезда для шипов в одной детали. Ее накладывают на конец другой детали и размельчают. Затем пропиливают, выдалбливают и соединяют детали, зачищая соединение рубанком, как показано на рис. 11.

При соединении деталей на «ус» (под углом 45°) угловую вязку закрепляют стальными вставками, как показано на рис. 12. При этом следят, чтобы одна половина вставки или скрепа входила в одну деталь, а другая половина – в другую. Клиновидную стальную пластинку или кольцо помещают в выфрезерованные пазы соединяемых деталей.

Углы рам и ящиков соединяют прямым открытым сквозным шиповым соединением (рис. 3.13, а, б, в). При повышенных требованиях к качеству (с наружной стороны шипы не видны) угловую вязку выполняют косым соединением впотёмок, паз и гребень или косым соединением на рейку, как показано на рис. 13, г, д, е, ж и на рис. 14.

Коробчатую конструкцию с горизонтальными или вертикальными поперечными элементами (полки, перегородки) соединяют с помощью угловых Т-образных соединений, показанных на рис. 15.

В соединении элементов верхнего пояса деревянных ферм с нижним используют угловые врубки. При сопряжении элементов фермы под углом 45° или менее в нижнем элементе (затяжке) делают одну врубку (рис. 16,а), при угле более 45° – две врубки (рис. 16,6). В обоих случаях торцевой пропил (врубка) перпендикулярен направлению действующих сил.

Дополнительно узлы закрепляют болтом с шайбой и гайкой, реже скобами. Бревенчатые стены дома (сруба) из горизонтально уложенных бревен в углах соединяют врубкой «в лапу». Она может быть простой или с дополнительным шипом (лапа с приямком). Разметку врубки выполняют так: конец бревна обтесывают в квадрат, на длину стороны квадрата (вдоль бревна), чтобы после обработки получился куб. Стороны куба делят на 8 равных частей. Затем с одной стороны снизу и сверху удаляют 4/8 часть, а остальные стороны выполняют, как показано на рис. 17. Для ускорения разметки и точности изготовления врубок используют шаблоны.

Рис. 10. Угловые концевые соединения заготовок под прямым углом: а – с одинарным открытия сквозным шипом; б – с одинарным сквозным потайным шипом (впотемок); в–с одинарным глухим (несквозным) шипом впотемок; г – с одинарным сквозным полупотайным шипом (вполупотемок); д – с одинарным глухим шипом вполупотемок; е – с тройным открытым сквозным шипом; ж – в прямую накладку вполдерева; з – в сквозной ласточкин хвост; и – в проушины с подрезкой.
Рис. 11. Ящичные угловые соединения с прямыми сквозными шипами: а – выпиливание шиповых пазов; б – разметка шипов шилом; в – соединение шипа с пазом; г – обработка рубанком углового соединения.
Рис. 12. Угловые концевые соединения под прямым углом, укрепленные металлическими вставками – кнопками: а – 8-образной вставкой; б– клиновидной пластинкой; в– кольцами.
Рис. 13. Ящичные угловые соединения под прямым углом: а – прямыми открытыми сквозными шипами; б – косыми открытыми сквозными шипами; в – открытыми сквозными шипами в ласточкин хвост; г – паз на вставную рейку впритык; д – в паз и гребень; е – на вставных шипах; ж – на шипах в ласточкин хвост вполупотёмок.
Рис. 14. Косые (на «ус») ящичные соединения под прямым углом: а – косыми шипами впотемок; б – косым соединением на вставную рейку; в – косым соединением на шипы впотемок; г – косым соединением, укрепленным трехгранной рейкой на клею.
Рис. 15. Прямые и косые соединения заготовок: а – на двойное соединение в косые паз и гребень; б – на прямой паз и гребень; в – на трехгранный паз и гребень; г – на прямой паз и гребень впотемок; д – на прямые сквозные шипы; е – на круглые вставные шипы впотемок; ж – на шип в ласточкин хвост; з – на паз и гребень, укрепленные гвоздями.
Рис. 16. Узлы в элементах фермы.
Рис. 17. Сопряжение бревен стен сруба: а – простая лапа; б – лапа с ветровым шипом; в – разметка лапы; 1 – ветровой шип (приямок)

Виды соединений деталей из древесины

Станкозавод предлагает станки, которые разделывают пиломатериалы на стандартные бруски, брусья и доски. Из этих материалов можно создавать разнообразные деревянные продукты, эстетический вид и прочность которых будет зависеть от того:

  • из какой древесины изготавливает брус,
  • какие выбраны скрепления для составляющих.

У видов столярных соединений древесины нет единой классификации, одно соединение может иметь несколько названий.

Виды соединений древесины

Можно выделить 5 групп соединений деревянных заготовок:

  • Сращивание ― детали стыкуются торцами, удлиняя заготовку;
  • Наращивание ― компоненты заготовки соединяются по вертикали, добавляя высоту изделию;
  • Сплачивание ― путем скрепления добиваются нужной ширины;
  • Вязка ― скрепление под углом. Бывают угловые концевые и угловые серединные соединения;
  • Ящичные ― безгвоздевые угловые.

Разъемные соединения

Способ соединения деревянных деталей, позволяющий без вреда для составляющих разобрать конструкцию, подразумевает использование резьбовых соединений:

  • Винтовых ― для сцепления используется винт;
  • Болтовых ― применяется болт, шайба или гайка;
  • Шпилечных ― винт врезается в одну деталь;
  • Комбинированных ― сочетание нескольких видов.

Неразъемные соединения

Разобрать конструкцию на части, не повредив составляющие, не получится. Элементы скрепляются:

  • Клеем
  • Металлическими изделиями
  • Шиповыми соединениями

Сплачивание

Для придания составляющим конструкции нужного размера используются боковые соединения. Метод сплачивания используется для создания столешниц, пола, стен, кровли, разъемных корпусов и ящичков.

Волокна древесины у стыкуемых элементов должны располагаться параллельно.

Виды соединения деревянных конструкций:

  • На гладкую фугу: доски обрабатывают клеем, сфуговывают и фиксируют до высыхания.
  • На рейку. Изготавливается отдельно, вкладывается в подготовленные пазы стыковочных досок. Можно сделать видимой или прикрыть отделочным материалом.
  • Вгонка: соединение паз в гребень или упрощенная форма ― стык в четверть.
  • Вполдерева ― на составляющих вырезаются углубления, с помощью которые элементы можно пересекать в одной плоскости.
  • С шкантами: к одной составляющей крепяться выступы, в другой делается углубление. Соединение отличается надежностью. Дополнительно можно усилить скобами.

Сращивание

Длина деревянных элементов увеличивается соединениями:

  • Впритык ― бруски стыкуются под прямым углом на опоре, их плотно соединяют и скрепляют.
  • Косой прируб ― концы деталей срезаны под углом, укрепляют гвоздями или штырями.
  • Зубчатое клеевое ― наибольшая площадь склейки.
  • Замок ― стыкуемые части брусков и досок выполняют в виде пазлов.

Сращивание на ус и стыковка бруса с прирезкой

Ус ― это скосы на стыкуемых под углом составляющих конструкции. Прирезка нужна, чтобы при сочленении компонентов не появлялся видимый зазор.

Угловые соединения

  • Шиповые. Одинарный, двойной или тройной выступ входит в подготовленное углубление. Выемка бывает глухой ― открытой с одной стороны, сквозной ― доступ с двух сторон, проушиной ― с трех.
  • Внакладку или вполдерева. У каждой из соединяющихся деталей вырезается выемка наполовину толщины, после чего одна деталь накладывается на другую. Укрепляется нагелями на клею.
  • На шкантах ― крепление на дюбеля или шипы.
  • На ус.
  • Срединные или примыкающие ― конец одного бруска стыкуется с серединой другого.
  • Сквозной шип ― используется для спрятанных частей конструкции, на лицевой стороне закрываются отделкой.
  • Ласточкин хвост ― выпиливаются скошенные шипы и углубления.
  • Сковородень ― дает прочность на стык и растяжение.

Соединения в проушину

Проушина ― выемка, доступная с трех сторон. Соединение позволяет скреплять детали под углами: короб выдерживает нагрузку на смещение, сжатие, изгиб.

Используется для угловых и т-образных пересечений, укрепляется нагелями или склеивается.

Угловое соединение на ус

Эстетически привлекательное, но не самое надежное соединение. Укрепляется шипами, шпонками, клеем. Торцы стыкующихся деталей обрезают под углом:

  • прямым,
  • тупым,
  • остроугольным,
  • неравномерным.

Торцевое соединение

Используют для наращивания высоты изделия. Крепления устойчивы к нагрузкам от деформации древесины.

Для сопротивления сжатию наращиваемые брусья должны обладать пазом и выступом с одинаковыми размерами. Накладная часть может быть прямой и косой. Укрепляется шипами, шурупами, гвоздями или клеевой фиксацией.

Для сопротивления изгибу накладки делают с косым или ступенчатым стыком.

Для сопротивления растяжению накладки и пазы производятся с фигурными вырезами ― замками. Такие крепления надежно сохраняют скрепление от расстыковки.

Соединение врубкой/врезкой

Врубка ― это вид соединения деревянных конструкций, подразумевающий углубление, вырезаемое на одной детали, к которому крепится торец другой. Используется в угловых концевых и срединных соединениях.

  • В потемок или полупотемок ― углубление под простой или ступенчатый шип,
  • Угловая в четверть или фальц,
  • Угловая в потемок или полупотемок.

Соединение в паз и боковой гребень

По всей кромке одной составляющей выпиливается бороздка, по всей длине другой ― выемка. Используется для изготовления мебели, покрытия полов, окон и так далее.

Соединение в полдерева

Проверенный временем способ соединения деревянных деталей: в заготовках делаются углубления в половину их толщины. Срез бывает прямым или косым ― от этого будет зависеть предполагаемая нагрузка.

  • Поперечное ― для перекрещивающихся деталей.
  • Ласточкин хвост: к одной составляющей прикрепляется скошенный выступ, у другой выпиливается подходящее для такого шипа углубление.
  • Угловое ― концы заготовок, сочленяясь, образуют угол 90º.
  • Угловое на ус ― создается декоративная накладка.

Соединение шипом в гнездо

Используется для угловых стыков и пересекающихся брусков. Прочнейшее из рамных соединений.

  • с простым шипом,
  • со ступенчатым шипом ― полупотемок. Ступенька шипа заходит в специальное расширение паза и не дает шипу покинуть паз.

Гнезда бывают: глухие ― с углублением по заданному параметру и сквозные.

Склеивание и фиксация зажимами

  • ПВА
  • Контактный
  • Эпоксидный
  • Термоклей

Зажимы нужны для фиксации деталей на время склеивания. Между зажимом и заготовкой стоит размещать прокладку ― защиту от вмятин.

Чтобы собрать крепкую и долговечную конструкцию надо:

  • выбрать качественные пиломатериалы,
  • определить подходящий способ соединения деревянных деталей,
  • с максимальной точностью сделать опиловку стыковочных элементов,
  • аккуратно склеить заготовки.

На нашем «Тюменском станкостроительном заводе» можно приобрести любую продукцию из каталога и получить услуги:

  • Загрузочные и перезагрузочные устройства
  • Станки для деревообработки
  • Вспомогательное оборудование
  • Запчасти и комплектующие для деревообрабатывающих станков
  • Автоматизированные линии для сортировки бревен
  • Сервисное обслуживание
  • Металлоконструкции на заказ
  • Механообработка металла и деталей
  • Станки торцовочные по дереву

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ УЗЛОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Описываются различные варианты соединений деревянных конструкций . Описаны примеры применения различных соединений, наиболее распространённых на сегодняшний день. Проведен анализ преимуществ и недостатков таких соединений, приведены технические характеристики применяемых элементов. Описаны преимущества и недостатки стыков деревянных конструкций с применением композитных материалов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Никонова Е.В.

Технология усиления клееных деревянных конструкций металлическими зубчатыми пластинами
Соединения элементов деревянных конструкций на шпонках и шайбах

Деформации узловых соединений деревянных элементов на металлических зубчатых пластинах и жёстких нагелях с деревянными и металлическими накладками при действии сжимающих продольных сил

Оценка прочности зубчатого шипа в балочных деревянных конструкциях
Напряженное состояние наклонных металлических стержней в деревянных элементах составного сечения
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE MAIN WAYS OF CONNECTING THE NODES OF WOODEN STRUCTURES

Various options for connecting wooden structures are described. Examples of the use of various compounds, the most common today, are described. The advantages and disadvantages of such compounds are analyzed, and the technical characteristics of the elements used are given. Advantages and disadvantages of joints of wooden structures with the use of composite materials are described.

Текст научной работы на тему «ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ УЗЛОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ»

Основные способы соединения узлов деревянных конструкций

Национальный исследовательский московский государственный строительный

Аннотация: Описываются различные варианты соединений деревянных конструкций. Описаны примеры применения различных соединений, наиболее распространённых на сегодняшний день. Проведен анализ преимуществ и недостатков таких соединений, приведены технические характеристики применяемых элементов. Описаны преимущества и недостатки стыков деревянных конструкций с применением композитных материалов. Ключевые слова: Деревянные конструкции, стыки деревянных конструкций, анализ, механические связи, сравнение, нагрузка, прочность, нагель, клёвое соединение, сопряжение, зубчатые пластины.

На сегодняшний день проблема обеспечения прочности, жесткости, несущей способности узлов соединения деревянных конструкций является актуальной при проектировании и изготовлении деревянных конструкций [1]. В элементах конструкций, которые испытывают нагрузку на сжатие, применяют лобовые упоры, врубки, применяются дополнительные накладки, которые стягиваются болтами, для стабилизации работы соединения. При работе конструкции на растяжение предпочтительнее использовать соединение на механических связях. При этом необходимо помнить, что древесина в отличии от других строительных материалов имеет анатомические особенности, механические свойства древесины сильно отличаются от направления волокон. Сегодня основные узлы соединения деревянных элементов конструкций делят на две группы, основываясь на способах передачи усилий:

— соединения с применением механических связей;

— соединения с применением различных видов клеев.

К соединениям на гибких связах, которые работают на изгиб и выдёргивание, относят соединения, выполненные на гвоздях, шурупах, глухарях и т.д. «рис.1», которые получили достаточно широкое

распространение из-за простои технологии как изготовления, так и монтажа конструкции.

Рис. 1. — Варианты применяемых нагелеИ 1 — деревянныИ нагель, 2 — применяемые болты, 3 — применяемые штифты, 4 — применяемые винты, 5 — самонарезающие шурупы, 6 -шуруп Для механических связеИ в нагельных соединениях характерна нелинейная зависимость нагрузки и податливости самого стыка [2].

На «рис.2а» приведен узел сопряжения с применением стальных стержнеИ, которые применяются в узлах, работающих на сжатие, растяжение и сжато-изгибаемых узлах. На рисунке «рис.2б» приведена диаграмма растяжения зависимости нагрузки и перемещения, показывающая нелинейность зависимости параметров [3].

а) б) Рис. 2. — Нагельное соединение деревянных конструкциИ а) узел сопряжения б) диаграмма испытания узла сопряжения на растяжение Нагельные соединения «рис.3» как правило применяются при сборке, ремонте и усилении конструкций. Такие соединения, или, как их еще

называют, «соединения на гибких связях», представляют собой наиболее распространённый вид соединения деревянных элементов. Нагельное соединение препятствует сдвигу и по достижении критической нагрузки разрушается из-за изгиба нагелей [4].

Рис. 3. — Нагельное соединение деревянных конструкций

В ранее приведенных нагельных соединениях древесина работает на смятие (в гнездах), а применяемые в соединениях нагели работают на изгиб, несмотря на применяемый материал нагелей [5]. Расчет нагельного стыка необходимо вести согласно СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции», при этом максимальная допустимая величина деформации при полной потери несущей способности нагельного соединения принимается 2 мм.

Таблица № 1 Сравнительный анализ нагельного соединения

— простота конструкции и применения; — металлические нагели удобны в изготовлении; — предупреждение коробления наружных слоёв древесины; — сокращение сроков производства работ за счет применения механических способов крепления; — металлические нагели предотвращают деформацию при эксплуатации. — локальные ослабления поперечного сечения соединяемых элементов; — повышенная ползучесть при возникновении нагрузок, близких к критическим; — относительно высокая податливость; — металлические нагели невозможно использовать в агрессивных средах.

Со второй половины XX века начинается активное применение соединения деревянных элементов с использованием металлических зубчатых пластин (МЗП) «рис.4» [6]. В США наиболее распространенной считалась система Ганг-Нейл [7]. В Советском союзе в ЦНИИСК им. В.А.

М Инженерный вестник Дона, №1 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2021/6768

Кучеренко были разработаны и применялись соединения типа МЗП-1,2 и МЗП-2.

Рис. 4. — Применяемые металлические зубчатые пластины (МЗП) Конструкция металлической зубчатой пластины (МЗП) постоянно совершенствуется, благодаря чему расширяется область применения соединения на МЗП «рис.5».

Рис. 5. — Варианты соединений с использованием металлических

Расчетная несущая способность металлических зубчатых пластин рассчитывается на 1см поверхности пластины [8]. При этом необходимо сказать, что прочность и деформативность соединения на металлических зубчатых пластинах (МЗП) зависит от многих факторов: различное восприятие усилий зубьями, которые удалены от места стыка конструкций, вид применяемой пластины в соединении, при неравномерном расположении зубьев пластины возникает дополнительный изгибающий момент [9].

В металлической зубчатой пластине, кроме расчета несущей способности, поверхность проверяется на растяжение и срез. Расчетные

значения на растяжение и срез принимаются на 1 см сечения и 1 см длины, исходя из угла, образованного продольной осью пластины и направлением приложения усилия.

Сравнительный анализ соединения с применением металлических

зубчатых пластинах (МЗП)

— повышенная вязкость работы соединений; — высокая заводская готовность; — высокая технологичность производства; — сокращение продолжительности работ; — уменьшение количества металла; — при установке и работе минимальные повреждения волокон древесины; — изготовление различных вариантов зубчатых пластин. — достаточно низкий предел огнестойкости; — возможность раскола древесины при запрессовке конструкции; — податливость соединения.

Устройство стыков деревянных конструкций с задействованием технологии вклеивания, применение соединений с использованием клеестальных шайб в свое время были неэффективными, конструктивно несовершенными, трудоемкими, кроме того, применяемые на тот момент клеи не обладали высокой надежностью. Однако появление новых видов специальных клеев с уникальными свойствами (хорошая водостойкость, пожаробезопасность соединения) позволило соединять различные материалы в узлах. Применение стальных нагелей, которые вклеивались в тело деревянной конструкции, позволило решать главную задачу для проектирования жесткого стыка — исключить податливость соединения [10].

Исследование стыков с применением вклеиваемых стержней (арматура периодического профиля, при проведении экспериментов было установлено, что соединение с использованием арматуры периодического профиля прочнее 1,5 — 2 раза, в отличие от узла с применением гладкой арматуры) было проведено центральными научно-исследовательскими институтами «НИСИ им. В. В. Куйбышева», «СоюздорНИИ», «ЦНИИСК им. В.А.

Кучеренко», в которых были разработаны многочисленные решения различных узлов и стыков деревянных конструкций с применением вклеенных стержней «рис.6». В разработанных узлах применяемые нагели

работают на изгиб и выдергивание по шву.

Рис. 6. — Варианты разработанных узлов и стыков деревянных

Сравнительный анализ соединения конструкций на вклеенных

— высокие прочностные и жесткостные характеристики; — повышение огнестойкости и коррозионной стойкости; — плотный контакт стержней и древисины; — создание практически жесткого узла. — необходимость подготовки поверхности; — уменьшение прочности из-за старения узлов; — присутствует ползучесть различных вариантов клеев.

Основываясь на проведенном анализе различных вариантов соединения

деревянных конструкций, можно прийти к выводу, что каждый вариант имеет преимущества и недостатки, однако наиболее эффективным на сегодняшний момент является клеевое соединение, благодаря нахождению новых видов специальных клеев.

1. Вдовин В.М., Арискин М.В., Кравцов С.Ю. Клееметаллические соединения в несущих деревянных конструкциях // Региональная архитектура и строительство. 2007. № 1.С. 122-128.

2. Водянников М.А., Кашеварова Г.Г., Сравнительный анализ работы соединений деревянных конструкций на стальных и углепластиковых нагелях // Вестник волжского регионального отделения российской академии архитектуры и строительных наук 2017. №№ 20. с. 193-199.

3. Лабудин Б.В. Совершенствование клееных деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой. Архангельск : Арханг. гос. техн. ун-т, 2007. 267 с.

4. Лабудин Б.В., Гурьев А.Ю., Каратеев Л.П., Мамедов Ш.М. Металлодеревянные фермы. Архангельск, 2015. 205 с.

5. Наумов А.К. Исследование несущей способности нагеля-зуба в соединениях деревянных элементов // Вторая научная конференция молодых ученых Волго-Вятского региона. Йошкар-Ола. 1973. С. 16-17

6. Стяпин Р.А. Унификация изгибаемых клееных деревянных конструкций по принципу подобия // Инженерный вестник Дона, 2013, № 2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1608

7. Blass H.J., Schadle P. Ductility aspects of reinforced and non-reinforced timber joints // Engineering Structures. 2011. Vol. 33. Pp. 3018-3026.

8. Hilson B.O. Joints with Dowel-type Fasteners — Theory. Paper C3: Timber Engineering Step 1: Basis of Design, Material Properties, Structural Components and Joints, Almere, The Netherlands, Centrum Hout. 1995. C3/1-C3/11.

9. Malinowski C. Zur Geschichte der Verbindungstechnik-Verbinder aus Stahlblech / Bauen mit Holz. 1989. Bd. 11. Pp. 776-779; Bd. 12. Pp. 872-877.

10. Фурсов В.В., М. Пурязданхах, Бидаков А.Н. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований натурной арки из клееной древесины // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2395

1. Vdovin V.M., Ariskin M.V., Kravcov S.Ju. Regional’naja arhitektura i stroitel’stvo. 2007. № 1. pp. 122-128.

2. Vodjannikov M.A., Kashevarova G.G., Vestnik volzhskogo regional’nogo otdelenija rossijskoj akademii arhitektury i stroitel’nyh nauk 2017. №№ 20. pp. 193-199.

3. Labudin B.V. Sovershenstvovanie kleenyh derevjannyh konstrukcij s prostranstvenno-reguljarnoj strukturoj [Improvement of glued wooden structures with a spatially regular structure]. Arhangel’sk: Arhang. gos. tehn. un-t, 2007. 267 p.

4. Labudin B.V., Gur’ev A.Ju, Karateev L.P., Mamedov Sh.M. Metalloderevjannye fermy. Arhangel’sk, 2015. 205 p.

5. Naumov A.K. Vtoraja nauchnaja konferencija molodyh uchenyh Volgo-Vjatskogo regiona. Joshkar-Ola. 1973. pp. 16-17.

6. Stjapin R.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1608

7. Blass H.J., Schädle P. Engineering Structures. 2011. Vol. 33. Pp. 30183026.

8. Hilson B.O. Joints with Dowel-type Fasteners — Theory. Paper C3: Timber Engineering Step 1: Basis of Design, Material Properties, Structural Components and Joints, Almere, The Netherlands, Centrum Hout. 1995. C3/1-C3/11.

9. Malinowski C. Zur Geschichte der Verbindungstechnik-Verbinder aus Stahlblech. Bauen mit Holz. 1989. Bd. 11. Pp. 776-779; Bd. 12. Pp. 872-877.

10. Fursov V.V., Purjazdanhah M., Bidakov A.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2014. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2395

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *