ТехЛиб СПБ УВТ

1. Конструкции соединений деревянных конструкций прошли путь от простейших видов (врубки) до сложных современных видов (нагельные пластинки, вклеенные стержни) и продолжают совершенствоваться. Вопросы конструктивных решений соединений и их теоретического обоснования по-прежнему актуальны, поскольку именно на стыки деревянных конструкций приходится значительная доля затрат материалов и труда.
   

Вследствие ограниченности размеров дерева создание из него строительных конструкций больших пролетов или высоты невозможно без соединения отдельных элементов. Соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачиванием, а для увеличения их продольной длины — сращиванием, под углом и прикрепление к опорам – анкеровкой.

Увеличение заготовок по длине называется сращиванием. Увеличение заготовок по сечению называется сплачиванием. Соединения деревянных конструкций классифицируют по различным признакам. Например, по виду работы элемента и работы самой связи (соединения на растянутых связях, соединения на податливых связях).

По характеру работы все основные соединения делятся на:

• без специальных связей (лобовые упоры, врубки);
  
• со связями, работающими на сжатие (шпонки колодки);
  
• со связями, работающими на изгиб (болты, стержни, гвозди, винты, пластинки);
  
• со связями, работающими на растяжение (болты, винты, хомуты);
  
• со связями, работающими на сдвиг-скалывание (клеевые швы).
  

По характеру работы соединений деревянных конструкций делятся на податливые и жесткие. Податливые изготавливаются без применения клеев. Деформации в них образуются в результате неплотностей.

Принято различать три группы соединений деревянных конструкций:

1. Контактные соединения (без использования рабочих механических связей: врубки и другие соединения «впритык»)
   
2. Соединения с использованием механических связей (нагельные: болтовые, гвоздевые; шпоночные, соединения на шайбах, нагельных пластинках и т.п.)
   
3. Клеевые соединения и соединения комбинированного типа
   

Требования к соединениям

1. Надежность. В частности, рекомендуется сводить к минимуму неблагоприятные (ненадежные) виды работы древесины в соединениях (работа древесины на скалывание, смятие поперек волокон, растяжение поперек волокон). С понятием надежности тесно связан так называемый принцип дробности: «чем мельче связи и чем их больше, тем выше надежность соединения». Другими словами, десять болтов маленького диаметра предпочтительнее одного болта при одинаковых затратах металла, так как в первом случае древесина работает в основном на смятие («надежный» вид работы древесины), а во втором случае — на сдвиг («ненадежный» вид работы древесины)

2. Прочность. В частности, стремление к равнопрочности с основной частью конструкции, к отсутствию ослаблений (отверстия) в сечении.

3. Снижение трудоемкости при изготовлении и монтаже конструкций (технологичность)

4. Деформативность. Например, в контактных соединениях величина предельной деформации смятия ограничена

Работа древесины в соединениях. Виды работы древесины на смятие поперек и под углом к волокнам, а также на скалывание относятся к неблагоприятным. Именно эти виды работы древесины сопровождают работу соединений и именно они чаще всего являются прямой или косвенной причиной отказа конструкции.

Смятие. Работа древесины на смятие поперек и под углом к волокнам характеризуется повышенной деформативностью и низкой прочностью. Диаграмма «сила — деформация» при смятии древесины поперек волкон отражает эффект сплющивания трубчатообразных клеток древесины. Различают три вида смятия:

• n смятие по всей поверхности (R _см = 1,8 МПа, самый неблагоприятный вид смятия)
  
• n смятие на части длины
  
• n смятие на части поверхности (под шайбами) (R _см = 4 МПа)
  

Увеличение прочности в последнем случае объясняется подкрепляющим влиянием окружающих площадку смятия волокон древесины.

Основные эмпирические зависимости при смятии.

Зависимость сопротивления от угла между направлением силы и направлением волокон древесины

R _см,a = R_см,0 / (1 + (R _см,0 /R _см,90 — 1) sin³a

Зависимость сопротивления от длины площадки смятия

R _см,L = R _см (1 + 8 / (L_см + 1.2); [см]

Скалывание. Работа древесины на скалывание (сдвиг) характеризуется низкой прочностью и хрупким характером разрушения. В «чистом» виде скалывание практически не встречается. Обычно этот вид напряженного состояния комбинируется с другими (растяжение и сжатие поперек волокон).

Различают два вида скалывания: скалывание одностороннее и скалывание двустороннее. В первом случае прочность меньше, поскольку выше степень неравномерности распределения напряжений. В расчетах условно принимают равномерное распределение напряжений по длине площадки сдвига. Поэтому вводят понятие «среднее значение сопротивления сдвигу»

R _ск,ср = R_ск,ср / (1+ bL/e)

Формула отражает физическую сущность явления скалывания: коэффициент b учитывет вид скалывания, а отношение L/e учитывает влияние нормальных напряжений, сопутствующих скалыванию. R_ск,ср — сопротивление скалыванию при равномерном распределении касательных напряжений.

Зависимость сопротивления скалыванию от угла между направлением силы и направлением волокон древесины имеет вид:

R _ск,a = R_ск,0 / (1 + (R _ск,0 /R _ск,90 — 1) sin³a

Рекомендуемые разновидности соединений элементов деревянных конструкций

Основные виды соединений (при сплачивании)

1. Соединения на врубках, работающих без специальных рабочих связей. Соединения безраспорные; требуются лишь вспомогательные поперечные связи (устаревший вид сплачивания)

2. Соединения на шпонках, работающих в основном на сжатие (с), аналогично сжатым раскосам фермы (с). Распор Q_шп воспринимается рабочими поперечными связями (р) — болтами, хомутами и т. п., работающими на растяжение аналогично растянутым стойкам фермы (р)

3. Соединения на нагелях, работающих в основном на изгиб (и), аналогично стойкам (и) безраскосной фермы. Соединения безраспорные, требуются лишь вспомогательные поперечные связи

 4. Соединения на клею, работающем в основном на сдвиг (τ), аналогично сварному шву в металлических балках. Поперечная связь обычно обеспечивается самим клеевым швом

Соединения по ширине

При стыковке нешироких досок получаются щиты необходимых размеров.
Для соединения существует несколько способов.

1) Соединение на гладкую фугу;
При таком методе соединения каждая рейка или доска называется делянкой, а шов, который образуется в результате соединения, фугой. О качестве прифуговке говорит отсутствие просветов между стыками кромок смежных делянок.

2) Соединение на рейку;
По кромкам делянок выбирают пазы и вставляют в их рейки, скрепляющие между собой делянки. Толщина рейки и ширина паза не должны превышать 1/3 толщины доски.

3) Соединение в четверть;
В скрепляемых делянках выбирают по всей длине четверти. В таком случае размеры четверти, как правило, не превышают половину толщины делянки.

3) Соединение в паз и гребень (прямоугольный и треугольный);
Такой вид соединения обеспечивает делянку пазом с одной стороны и гребнем с другой. Гребень может быть как прямоугольным, так и треугольным, но последний редко используется, поскольку его прочность немного хуже. Соединение в паз и гребень довольно популярно и часто используется изготовителями паркета. Минусом такого соединения считается меньшая экономичность, поскольку используется больше досок.

4) Соединение «ласточкин хвост»;
Такой вид крепления немного похож на предыдущий, вот только гребень имеет трапециевидную форму. Ну отсюда и название.

Соединение досок в щиты: а — на гладкую фугу, б — в четверть, в — на рейку, г — в паз и прямоугольный гребень, д — в паз и треугольный гребень, е — в «ласточкин хвост»

Также при сборке щитов используют шпонки, наконечники в паз и гребень с вклейкой рейки в торец. Среди вклеенных реек встречаются треугольные, прямоугольные и наклеенные, а при использовании шпонки в основном выбирают паз «ласточкин хвост». Все это нужно для надежного скрепления щита.

Щиты: а — со шпонками, 6 — с наконечником в паз и гребень, в — с вклейной рейкой в торец, г — с вклейной треугольной рейкой, д — с наклеенной треугольной рейкой.

Соединение по длине

Среди популярных видов соединения по длине можно выделить: впритык, на «ус», в паз и гребень, на зубчатое клеевое соединение, в четверть и на рейку. Наибольшей популярностью пользуется зубчатое соединение, потому что оно имеет лучшую прочность.

Соединение брусков по длине: а — впритык, б — в паз и гребень, в — на ус, г, д — на зубчатое клеевое соединение, е — в четверть, ж — на рейку

 Также существует сращивание, когда более длинные отрезки стыкуются между собой. Это может происходить несколькими способами. Например, вполдерева, косым прирубом, косым и прямым накладным замком, косым и прямым натяжным замком и впритык. При выборе сращивания вполдерева необходимая длина соединения должны составлять 2 или 2,5 от толщины бруса. Для большей надежности используют нагеля, например, такое можно встретить при строительстве брусчатых домов.

При использовании косого прируба с подрезкой торца размеры составляют 2,5 — 3 от толщины бруса и так же крепится нагелями.

Соединение прямым или косым накладным замком используют в конструкциях, в которых присутствуют растягивающие усилия. Прямой накладной замок находится на опоре, а косой можно разместить у опор.

Если Вы решили использовать косой прируб с подрезкой торца, то соединение должно иметь 2,5 или 3 толщины бруса. В этом случае то же используются нагеля.

При стыковке прямым или косым натяжным замком можно не волноваться о прочности, но такое соединение имеет сложности в изготовлении, а также при усыхании древесины клинья ослабляются, поэтому такой метод соединения не подойдет для серьезной конструкций.

Сращивание впритык — это когда два конца бруса помещают на опору и надежно соединяются скобами.

Сращивание: а — вполдерева, б — косым прирубом, в — прямой накладной замок, г — косой накладной замок, д — прямой натяжной замок, е — косой натяжной замок, ж — впритык

Соединение брусьев или бревен можно встретить при возведении стен или в верхней или нижней обвязке в каркасных домах. К основным видам соединений можно отнести вполдерева, вполулапу, шиповое и угловой сковороднем.

Врубкой вполдерева считается вырубка или срезка половины толщины на концах брусьев, после чего они соединяются под углом в 90 градусов.

Соединение вполулапа образуется при зарезке на концах брусьев наклонных плоскостей, благодаря которым брусья плотно соединяются. Размер наклона определяется по формуле.

Врубка угловым сковороднем очень похожа на врубку вполдерева, но отличительной чертой является то, что при таком соединении один из брусьев теряет небольшую часть в ширине.

Соединение брусьев под углом: а — вполдерева, б — вполулапу, в — шиповое, г — угловое

Соединение по высоте

Крестообразное соединение брусьев можно встретить при строительстве моста. При таком способе можно использовать соединение вполдерева, треть и четверть дерева или зарубка одного бруса.

Крестообразное соединение брусьев: а — вполдерева, б — в треть дерева, в — в четверть дерева, г — с зарубкой одного бруса

Наращивание

Наращиванием брусьев и бревен называется соединение элементов по высоте, что часто используется при строительстве столбов или матч.

Существует несколько видов наращивания:
1) впритык с потайным шипом;
2) впритык со сквозным гребнем;
3) вполдерева с креплением болтами;
4) вполдерева с креплением хомутами;
5) вполдерева с креплением полосовой сталью;
6) косым прирубом с креплением хомутами;
7) впритык с накладками;
8) крепление болтами;

Длина стыков обычно составляет 2-3 от толщины соединяемых брусьев или 2-3 диаметра бревен.

Соединение бревен при наращивании: а — впритык с потайным шипом, б — впритык со сквозным гребнем, в — вполдерева с креплениес болтами, г — вполдерева с креплением полосовой сталью, д — вполдерева с креплением хомутами, е — косым прирубом с креплением хомутами, ж — впритык с накладками и креплением болтами

Шиповое соединение

При шиповой вязке брусков на одном делают зарезку шипа, а на другом проушину или гнездо. Шиповую вязку брусков часто используют при создании столярных изделий, дверей, окон или фрамуг. Все соединения делаются на клею. Можно использовать не только один, но и два или более шипа. Чем больше шипов, тем больше площадь склеивания.Такой вид соединения можно разделить на угловые концевые, угловые серединные и угловые ящичные.

При угловом концевом соединении используется открытый сквозной шип (один, два или три), шип с потемком сквозной и несквозной, вставные шканты. Угловые серединные соединения можно встретить на дверях. Угловые серединные и концевые могут дополнительно использовать гвозди, шурупы, нагеля или болты.

Угловые шиповые соединения: а — открытый сквозной одинарный шип УК-1, б — открытый сквозной двойной шип УК-2, в — открытый сквозной тройной шип УК-3, г — шип несквозной с полупотемком УК-4, д — шип сквозной с полупотемком УК-5, е — шип несквозной с потемком УК-6, ж — шип сквозной с потемком УК-7, з — соединение несквозное и сквозное на шкантах УК-8, и — на ус со вставными круглыми шкантами УК-9, к — несквозной на ус со вставным плоским шипом УК-10, л — сквозной на ус со вставным плоским шипом УК-11

Угловые серединные соединения на шип: а — несквозной типа УС-1, б сквозной УС-2, в — сквозной двойной УС-3, г — несквозной в паз и гребень УС-4, д — несквозной в паз УС-5, е — несквозной на круглых шкантах УС-6