Крепежный узел для соединения элементов строительных конструкций

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована для сборки конструкций из дерева (бруса, бревна) и других строительных материалов, обладающих возможностью незначительной деформации, линейных и пространственных смещений и изменения объема/плотности в зависимости от времени и условий окружающей среды.
Из уровня техники известен 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, в котором 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. (Патент РФ №90510 на полезную модель "Крепежный узел для сборки деревянных строений и конструкций", МПК (2006.01) F16B 31/04, опубл. 10.01.2010, Бюлл. №1). Данный узел обеспечивает значительное уменьшение образования трещин между скрепляемыми элементами конструкции, возникающих вследствие усадки и линейных деформаций, за счет увеличения коэффициента жесткости. Однако использование цилиндрической пружины, а также стандартных плоских упорных шайб зачастую приводит к потере устойчивости узла, возможности перекосов пружины относительно общей оси, снижению качества сборки и увеличению затрат за счет замены частей узла или смены его позиции.
Недостатки данного крепежного узла частично были устранены крепежным элементом для соединения элементов деревянных конструкций, включающим стержень с неразъемной головкой, 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. (Патент РФ №180024 на полезную модель "Крепежный элемент для соединения элементов деревянных конструкций", МПК (2006.01) F16B 31/00, опубл. 30.05.2018, Бюлл. №16). В качестве стержня с головкой может быть использован стальной болт, а головка может быть выполнена с наружными гранями под ключ. Ряд конструктивных решений данного крепежного элемента направлен на улучшение качества крепежа и позиционирования, например, нижняя цилиндрическая часть выполнена меньшего диаметра, чем верхняя цилиндрическая часть, при этом зона сопряжения между этими частями выполнена конической, а также то, что нижняя цилиндрическая часть может быть выполнена с конусным наконечником.
Использование конической пружины, в которой при сжатии каждый последующий виток частично размещается в предыдущем, не полностью решило проблему перекоса оси крепежного узла при его закручивании в древесину. Конструкция нижнего упорного элемента по-прежнему не позволяет четко позиционировать пружину по оси стержня, кольцевой вертикальный буртик ограничивает полное "раскрытие" нижнего витка пружины для более плотной укладки всех витков, требует точного соответствия диаметров нижнего витка пружины и шайбы, не позволяет, при необходимости, увеличивать количество витков пружины для увеличения жесткости всего элемента. Кроме того, экспериментально установлено, что витки пружины, изготовленной стандартно, с правой навивкой, то есть навитой с увеличением диаметра витков сверху вниз по часовой стрелке, в процессе кручения и перегрузке по-прежнему могут смещаться друг относительно друга, выпирать радиально и выходить за пределы предыдущего витка, что приводит к замене пружины.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличенные время и трудозатраты на соединение деревянных конструкций крепежным узлом, снижение качества соединения за счет нарушения позиционирования пружины относительно оси стержня, отсутствия возможности увеличения прижимного усилия, а также вероятного повреждения пружины при установке узла.
Проблема решается крепежным узлом для соединения элементов строительных конструкций, включающим цилиндрический стержень с головкой, ограненной под ключ, состоящий из верхней и нижней частей, с выполнением на нижней части конусного наконечника и резьбы, последовательно нанизанные на цилиндрический стержень коническую пружину, упирающуюся меньшим витком в ограненную под ключ головку стержня, и нижний упорный элемент в виде шайбы с центральным отверстием, на который опирается больший виток конической пружины, в котором шайба с центральным отверстием имеет форму перевернутой вверх дном тарелки.
Коническая пружина может иметь левую навивку витков, а между головкой стержня, ограненной под ключ, и меньшим витком пружины может дополнительно устанавливаться плоская шайба с центральным отверстием. Нижняя цилиндрическая часть стержня может быть выполнена меньшего диаметра, чем верхняя цилиндрическая часть, при этом зона сопряжения между этими частями имеет форму конуса.
Техническим результатом, получаемым при использовании конструкции, является повышение точности осевого позиционирования конической пружины, обеспечение возможности увеличения ее прижимного усилия за счет применения шайбы в форме тарелки. Дополнительными результатами являются исключение смещения витков конической пружины при сжатии за счет использования конической пружины с левой навивкой, а дополнительная плоская шайба под шестигранной головкой обеспечивает снижение сил трения при завинчивании и направленность нагрузки по центральной оси крепежного узла. Для использования соединения элементов меньшей плотности, а также упрощения монтажа может использоваться стержень, в котором нижняя цилиндрическая часть стержня выполнена меньшего диаметра, чем верхняя цилиндрическая часть, при этом зона сопряжения между этими частями выполнена конической.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, которые для наглядности выполнены в трехмерном формате. На фиг. 1 изображен крепежный узел в сборе, на фиг. 2 и фиг. 3 - варианты выполнения цилиндрического стержня, фиг. 4 - коническая пружина, фиг. 5 - шайба в форме тарелки, фиг. 6 - плоская шайба, фиг. 7 и фиг. 8 - варианты установки крепежного узла.
Цилиндрический стержень 1, состоит из головки 2, ограненной под ключ, верхней части 3, нижней части 4, на которой выполнен конусный наконечник 5 и нанесена резьба 6, при разных диаметрах частей 3 и 4 зона сопряжения 7 верхней и нижней частей стержня 1 выполнена конической. В головку 2 витком меньшего диаметра 8 упирается нанизанная на стержень 1 коническая пружина 9, виток большего диаметра 10 которой опирается на шайбу 11 в форме тарелки, установленной вверх дном 12 через центральное отверстие 13 в дне 12 на стержне 1.
Коническая пружина 9 показана выполненной с левой навивкой, при которой увеличение диаметра витков от верхнего до нижнего витка происходит против часовой стрелки. Для увеличения сил трения при закручивании крепежного узла крайние поверхности контакта витков 8 и 10 конической пружины 9 выполнены плоскими, например, шлифованием.
В случае, когда головка 2, ограненная под ключ, выполнена не имеющей основания круглой формы, между витком меньшего диаметра 8 и головкой 2 стержня 1 установлена плоская шайба 14 с центральным отверстием 15.
Собирается, устанавливается и работает крепежный узел следующим образом. Для соединения элементов 16 и 17, в присоединяемом элементе 16, как правило, подготавливается углубление 18, в центре которого, соосно стенкам углубления, высверливается сквозной канал 19, в который устанавливается центральный стержень 1 с последовательно нанизанными на него плоской шайбой 14 (по необходимости), конической пружиной 9 и шайбой 11. Размер диаметра углубления 18 должен с небольшим запасом превышать диаметр шайбы 11 для свободного раскрытия витка 10 конической пружины 9. Сквозной канал 19 выполняется диаметром, соответствующим общему диаметру верхней 3 и нижней части 4 стержня 1, либо с небольшим запасом. В этом случае исключается плотное зажатие верхней части 3 стержня 1 материалом присоединяемого элемента 16 и прижимное усилие конической пружины 9 осуществляется в полной мере на протяжении всего времени работы соединения. Конусный наконечник 5 облегчает заход первых витков резьбы 6 в материал элемента 17.
В случае, когда материал соединяемых элементов имеет невысокую плотность и вероятность зажатия им верхней части 3 стержня 1 невелика, используется центральный стержень 1, в котором верхняя часть 3 имеет больший диаметр, чем нижняя часть 4. Зона сопряжения 7 между ними выполнена конусной для упрощения входа стержня 1 в материал элемента 16 при завинчивании. Такой вариант выполнения центрального стержня 1 технологичен в изготовлении и позволяет устанавливать крепежный узел, не подготавливая сквозной канал 19 в присоединяемом элементе 17.
В процессе закручивания резьбы 6 в материал элемента 17 с помощью инструмента (шуруповерта), вращающего головку 2 стержня 1, нижний виток 10, не встречая ограничения, в полной мере разворачивается по краям тарелки шайбы 11 до плотного сжатия меж собой всех витков конической пружины 9. При этом, с помощью дна 12 шайбы 11, происходит дополнительное центрирование нижних витков конической пружины 9, поскольку они, укладываясь один на другой, повторяют своими внутренними поверхностями трапециевидную форму поверхности дна 12 шайбы 11, исключая возможность смещения относительно оси стержня 1.
Левая навивка конической пружины 9, при вращении стержня 1 стандартно, по часовой стрелке, способствует последовательной укладке витков один на другой, не смещая их друг относительно друга, тем самым исключает их отбраковку.
В случае, когда шестигранная головка 2 стержня 1 выполнена без основания круглой формы, применение плоской шайбы 14, в особенности, в сочетании с контактирующей с ней шлифованной поверхностью верхнего витка 8 конической пружины 9 способствует центрированию нагрузки по оси и облегчает скольжение головки 2 при монтаже крепежного узла.
Конструкция специальной шайбы 11 в виде перевернутой вверх дном тарелки повышает качество сборки за счет позиционирования узла по оси, позволяет увеличить прижимное усилие узла за счет увеличения количества витков. Левая навивка конической пружины 9 исключает отбраковку пружины и уменьшает трудозатраты на сборку. Варианты конструкции центрального стержня 1 позволяют использовать крепежный узел для соединения элементов из материалов различной плотности.