Крепежный элемент для соединения элементов деревянных конструкций

Область техники
Полезная модель относится к области применения строительства, а также неорганической и полимерной химии, более конкретно к изготовлению различными методами соединительных крепежных элементов, в частности метизов сложной формы, которые могут найти применение в различных областях техники, в частности в строительстве при соединении частей деревянных конструкций между собой.
Уровень техники
В процессе строительства деревянного строения, необходимо качественно, без зазоров, щелей между рядами, смонтировать силовую конструкцию из комплекта деревянных деталей из бруса, бревна или просто строганной балки. В строительстве известно применение различных крепежных элементов для соединения конструкций зданий и/или сооружений. В частности, при возведении стеновых конструкций деревянных зданий из обычного, профилированного или клееного бруса, для соединения бруса между собой по высоте применяют такие соединительные элементы, как деревянные нагели, гвозди длиной 300 мм, скобы, металлические резьбовые шпильки, или сборка элементов без каких-либо скрепляющих деревянные детали элементов.
Применение упомянутых способов сборки деталей оставляют конструкцию в «свободном» состоянии. Заложенные природой в древесину силы, проявляясь, не находя на своем пути препятствий, образуют различные деформации в виде зазоров, щелей и далее трещин усушки, через которые влага проникает в место размещения прокладки, да и в целом строение теряет герметичность и энергоэффективность. Стены деревянного дома так и не став герметичными, увеличивая теплопроводность, теряют тепло сбережение и свойственную им долговечность.
Известно быстроразъемное соединение, содержащее стержень с головкой и пружиной, размещенной на стержне с возможностью взаимодействия одним торцом с головкой, и откидной стопор, установленный в пазу хвостовика стержня, при этом пружина выполнена винтовой конической, взаимодействующей с головкой стержня посредством витка наименьшего диаметра, при этом на стержне выполнена кольцевая проточка, куда частично утоплен указанный виток пружины, а каждый внутренний диаметр последующего витка пружины имеет размер, превышающий наружный диаметр соседнего меньшего витка (см. патент RU 2125189 С1, 20.01.1999).
Известно быстроразъемное соединение, содержащее болт с головкой, шайбу, с прикрепленной к ее нижней поверхностью конической пружиной, другой конец которой взаимодействует с упорной шайбой, (см., заявка JPH 10318238 А, 02.12.1998).
Известен способ изготовления деревянных домов, строений, сооружений из деталей, при котором в деревянной детали, расположенной сверху, высверливают посадочное место, устанавливают в него крепежный узел и стягивают детали, при этом изготовление строения начинают со скрепления угла, скрепляют деревянные детали пружинным крепежным узлом, устанавливают угловой пружинный крепежный узел в посадочное место, высверленное соосно оси углового соединения стен строения, вворачивают его до выхода резьбовой части из верхней детали строения и вхождения в нижнюю деталь строения, стягивают верхнюю и нижнюю детали до полного сжатия пружины, до устранения зазора в межвенцовом посадочном месте, зажимая при этом деталь одной стены между двумя деталями другой стены; после установки на одну и другую стены очередных деталей высверливают в каждой из них посадочные места, смещая ось последних от осевой линии углового соединения стен строения по длине каждой детали для размещения смещенных крепежных узлов, которые соединяют очередную пару деталей одной стены (см., патент RU 2399729 С1, 20.09.2010).
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату выбран крепежный узел для сборки деревянных строений и конструкций, содержащий головку с гранями по ключ, стержень с резьбой на наружной цилиндрической поверхности, упорные элементы и пружину, головка с гранями под ключ соединена со стержнем неразъемно, между головкой и резьбой, расположенной на противоположном от головки конце стержня, на гладкой части стержня соосно размещены нанизанные на него с возможностью осевого перемещения верхний и нижний упорные элементы и пружина, расположенная между ними (см. патент RU 90510 U1, 10.01.2010).
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание крепежного узла, обеспечивающего простоту монтажа деталей деревянных конструкций, в том числе имеющих различные дефекты, такие как линейные деформации, и обеспечивающего постоянно-принудительную усадку строения, исключающего линейные деформации деталей деревянных конструкций в ходе усадки.
Поставленная проблема решается за счет того, что крепежный элемент для соединения элементов деревянных конструкций, включает в себя стержень с неразъемной головкой, выполненный из двух неразрывно связанных между собой верхней цилиндрической и нижней цилиндрической частей, с выполнением на последней резьбы, при этом на верхней цилиндрической части стержня соосно размещены нанизанные на него с возможностью осевого перемещения коническая пружина, контактирующая витком с наименьшим диаметром с нижней поверхностью головки стержня, и нижний упорный элемент, выполненный с возможностью опирания на него витка пружины с наибольшим диаметром и представляющий собой шайбу с кольцевым вертикальным буртиком, выполненным по наружному контуру шайбы, с образованием полости между центральным отверстием шайбы и буртиком.
В качестве стержня с головкой использован металлический, более конкретно, стальной болт, а головка выполнена с наружными гранями под ключ.
На нижней цилиндрической части выполнена резьба, имеющая угол при вершине 45°±3°, со средним шагом и углом наклона витков по отношению к вертикальной оси стержня 45°÷50°, при этом резьба выполнена на 2/3 длины нижней цилиндрической части.
Нижняя цилиндрическая часть выполнена с конусным наконечником.
Нижняя цилиндрическая часть выполнена меньшего диаметра, чем верхняя цилиндрическая часть, при этом зона сопряжения между этими частями выполнена конической.
Длина нижней цилиндрической части в 1,7÷2,4 раза больше длины верхней цилиндрической части.
Крепежный угол содержит стопорный элемент в виде разомкнутой шайбы с упором на концах в виде утолщений, контактирующий с нижним упорным элементом.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее техническое решение, является значительной уменьшение образование трещин между скрепляемыми элементами конструкции, возникающих в следствие усадки и линейных деформаций, за счет увеличения коэффициента жесткости при использовании данного крепежного узла в следствие исключения потери устойчивости из-за перекоса пружины при не перпендикулярной по отношению к основанию установке или перегрузке при затягивании крепежа, а также, как следствие, упрощение монтажа.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен общий вид крепежного элемента в сборе;
На фиг. 2 - то же в разборном виде;
На фиг. 3 - пример использования крепежного элемента.
Осуществление полезной модели
Заявленное устройство предназначено для сборки деревянных строений из любого вида стенового материала, от бревна различного вида обработки, до массивного или клееного бруса. Благодаря наличию в своей конструкции болта, который мгновенно устраняет зазоры между деталями, так как при вворачивании с огромным усилием прижимает детали друг к другу.
Крепежный элемент, по сути представляет собой крепежный узел, выполненный в виде стержня 1, представляющий собой стальной болт с неразъемной головкой 2, выполненный из двух неразрывно связанных между собой верхней 3 цилиндрической и нижней цилиндрической 4 частей.
Нижняя часть 4 выполнена меньшего диаметра (8-10 мм), чем верхняя цилиндрическая часть 3 (12 мм). Зона сопряжения между частями 3,4 выполнена конической формы 5. Длина нижней цилиндрической части 4 в 2 раза больше длины верхней цилиндрической части 3.
На нижней части 4 выполнен конусный наконечник 6, с которого начинается резьба, имеющая угол при вершине 45°±3°, со средним шагом и углом наклона витков по отношению к вертикальной оси стержня 45°÷50°, при этом резьба выполнена на 2/3 длине нижней цилиндрической части. При этом понятие «средний шаг» резьбы понятен специалисту, и имеется в ГОСТе согласно которому резьба бывает с мелким, средним и частым шагом витков.
Выполнение резьбы с приведенным углом при вершине является оптимальным для соединения именно деревянных поверхностей, где не требуется повышенная жесткость витков, как например при соединении металлических или бетонных частей, где угол при вершине составляет 60°. Диапазон угла наклона витков резьбы по отношению к вертикальной стержня также выбран из соображения соединения именно деревянных частей, поскольку обеспечивается более легкий заход крепежного элемента в тело соединяемы частей конструкции. При меньшем угле резко снижается соединительная способность крепежа, а при большем значении увеличивается трудоемкость монтажа.
На верхней цилиндрической части 3 стального стержня 1 соосно размещены нанизанные на него с возможностью осевого перемещения коническая пружина 7, контактирующая витком с наименьшим диаметром с нижней поверхностью головки 2 стержня 1, и нижний упорный элемент 8, выполненный с возможностью опирания на него витка пружины 7 с наибольшим диаметром. Нижний упорный элемент 8 представляет собой шайбу с кольцевым вертикальным буртиком 9, выполненной по наружному контуру шайбы, с образованием полости 10 между центральным отверстием шайбы и буртиком. Буртик 9 выполнен диаметром, превышающим диаметр витка пружины с наибольшем диаметром, при этом он служит удерживающим ограничителем пружины.
Головка 2 выполнена с наружными гранями под ключ размером 17-19 мм.
Крепежный узел содержит стопорный элемент 11 в виде разомкнутой шайбы с упорами на концах в виде утолщений 12. Элемент 11 нанизан на верхнюю цилиндрическую часть 3 и контактирует с нижней поверхностью упорного элемента 8, блокируя его перемещение.
По сравнению с наиболее близким налогом где использована цилиндрическая пружина сжатия, которая работает в течение многих лет, постоянно пытаясь разжаться, тянет через верхнюю шайбу с головкой болта, соответственно стержнем болта, нижний брус к верхнему, при этом оказывая значительное сжимающее ряд усилие в точке монтажа, не давая деталям скручиваться, изгибаться, тем самым образовывать зазоры между рядами, применена коническая пружина сжатия у которой по мере увеличения нагрузки, даже при смещении оси сжатия, увеличивается ее осадка и жесткость. Жесткость конической пружины при ее сжатии постепенно увеличивается, так как менее жесткие витки большего диаметра прижимаются друг к другу, или к упору раньше, чем более жесткие витки меньшего диаметра. Поэтому при рассмотрении характеристик рассматриваемых пружин видно, что коническая пружина имеет криволинейную характеристику, а цилиндрическая пружина линейную.
Кроме того, по причине того, что пружина сжатия цилиндрической формы, при ее монтаже требует к установке соблюдения некоторых неотъемлемых требований: обеспечение перпендикулярности по отношению к устанавливаемой поверхности (если нет направляющей втулки), в противном случае болт (шуруп) сам является направляющим элементом и направляет ось установки крепежа в целом, в том направлении, в котором работник сверлил установочное отверстие, что приводит к деформации пружины цилиндрической формы или попросту потере устойчивости, выраженной в виде изгибаний пружины от дополнительного момента при ее сжатии. При перегрузке может произойти выпячивание витков, так называемая форма потери устойчивости. Когда витки сомкнулись, и дальнейшая приложенная нагрузка на основании закона об изменении объема будет стараться выпячивать витки в радиальном направлении, что ведет к потере жесткости пружины цилиндрической формы и, соответственно ее применение теряет эффективность.
Для решения такого рода нюанса, и внедрена пружина коническая, которая способна лучше работать при значительных смещениях оси установки, более того увеличен диаметр проволоки, с 4 мм, до 5 мм. Для увеличения силы сжатия, увеличен диаметр проволоки, так как замечено в процессе эксплуатации строений, построенных с применением «Пружинных узлов», в конструкции которых пружины цилиндрической формы и проволока 4 мм, что имеют место быть незначительное осевое кручение деталей. Увеличение силы пружины, однозначно приведет к лучшему результату.
Удаление из конструкции лишнего элемента, такого как верхняя шайба (в наиболее близком аналоге), привело к вполне ощутимой экономии стоимости крепежа. Да и применение верхней шайбы не логично, так как головка шурупа прекрасно выполняет ее роль. Из-за того, что применена коническая пружина сжатия с внутренним размеров, узкой части 11 мм, то применение шайбы отпало само собой, как не нужный элемент конструкции.
Болт с шестигранной головкой по ключ 17 мм, остался прежним 10×200 мм, он хорошо зарекомендовал себя, как в части работы, так и в части стоимости изделия в целом.
В заключении можно сделать обобщающий вывод в качестве явного преимущества конической пружины;
- Более высокий коэффициент жесткости, около 34%.
- Исключена потеря устойчивости из-за перекоса пружины при не перпендикулярной по отношению к основанию установке или перегрузке при затягивании крепежа.
- Меньшая габаритная высота при полном сжатии, под нагрузкой, так как витки почти входят один в другой.
- Не требуется в данной конструкции, верхняя упорная шайба, так как головка шурупа, будет являться упором для пружины конической формы.
- Не требуется точность установки при монтаже.
- Исключена перегрузка пружины.
- Меньшая трудоемкость при производстве крепежа.
- Меньшая себестоимость/стоимость пружинного блока из-за отсутствия верхней шайбы, около 15%.