ВКЛЕЕННЫЕ СТАЛЬНЫЕ ШАЙБЫ В СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Арискин М. В., Никишина О. В.

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 . 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.

Предлагается конструкция стыка деревянных элементов, где в качестве механических связей используются вклеенные стальные шайбы.

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 D_ш при этом податливость соединения сведена, к минимуму, поскольку шайба вклеена в гнездо, а соединительный стальной болт работает на срез между двумя стальными шайбами.

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. Соединяемые элементы были выполнены из древесины сосны с влажностью W = 12%.

Технология изготовления образцов состоит из следующих операций:

-Для соблюдения симметричности изготовления образца, сверлом малого диаметра в деревянном образце просверливается сквозное отверстие, создавая центровочные отверстия на одной и другой плоскости деревянного образца;

-По центровочному отверстию выбирается гнездо диаметром на 1-2 мм большим стальной шайбы. 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 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, затем в гнездо с одной из сторон вставляется шайба. 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 .

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.

Испытания показали, что стыки с применением вклеенных стальных шайб обладают относительно небольшой деформацией сдвига, равной Δ=2.4 мм при действии условной расчетной нагрузки Р_усл = 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.

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.