Узловое соединение деревянных стержней
INTERCONNECTED WOODEN RODS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для соединения деревянных элементов в решетчатых плоских и пространственных конструкциях.
Известно узловое соединение деревянных стержней пространственного каркаса, включающее вставленные в пропилы стержней соединительные элементы в виде хомутов, скрепленные с древесиной посредством нагелей (в виде гвоздей или дюбелей), наружные и внутренние вкладыши с отверстиями, болт и ограничительную муфту (авторское свидетельство №947327, опубликовано 30.07.1982 г., БИ №28). Такое соединение способно воспринимать растягивающие и сжимающие усилия и применимо в решетчатых плоских и пространственных конструкциях. Для частичного уменьшения габаритов узлового соединения головка болта заглублена в отверстие, выбранное в торце деревянного стержня.
Недостатками данного узлового соединения является его повышенная деформативность из-за податливости нагельного соединения и металлоемкость из-за необходимости применения длинных соединительных хомутов для обеспечения нормативных требований по расстановке гвоздей (дюбелей) в соединении (СП 64.13330.2017. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП П-25-80, табл.17, п. 8.20). Кроме этого для размещения соединительных элементов в виде хомутов необходимо выполнить сквозные пропилы в деревянных элементах со стороны их торцов, что является технологически сложной операцией, приводящей к увеличению трудоемкости выполнения узлового соединения.
Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является повышение жесткости соединения, снижение его металлоемкости и трудоемкости изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что в узловом соединении деревянных стержней, включающем вставленные в пропилы деревянного стержня соединительные элементы, скрепленные с древесиной, наружный упорный элемент с отверстием, болт и ограничительную муфту, пропилы выполнены вдоль продольной оси деревянного стержня, в середине ширины сечения его боковых граней, на глубину, равную ширине соединительных элементов, а в качестве соединительных элементов выступают пластины, установленные в пропилы и скрепленные с древесиной посредством клея, например, эпоксидной смолы, причем наружные торцы пластин жестко соединены с наружным упорным элементом.
Кроме этого, по всей длине пластин по их продольной оси расположены отверстия.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен пример узлового соединения пяти деревянных стержней; на фиг. 2 - узловое соединение деревянных стержней в период сборки; на фиг. 3 - деревянный элемент, подготовленный к выполнению узлового соединения; на фиг. 4 - поэлементный комплект одного деревянного стержня.
Узловое соединение деревянных стержней включает в себя металлический узловой элемент 1, деревянные стержни 2, соединенные с металлическим узловым элементом 1 посредством болта 3, ограничительную муфту 4, насаженную на концевую часть болта 3 и скрепленную с ним шплинтом 5 и имеющую возможность смещаться вдоль болта 3 на величину овальных отверстий 6, наружный упорный элемент 7 с отверстием 8, в которое вставлен болт 3, соединительные элементы 9 в виде пластин, торцы которых жестко соединены с наружным упорным элементом 7, пропилы 10 в деревянных стержнях 2, в которые вставлены соединительные элементы 9, жестко соединенные с деревянными стержнями 2 при помощи клея. По длине соединительных элементов 9 по их продольной оси расположены отверстия 11. Для частичного уменьшения габаритов узлового соединения головки болтов 3 заглублены в отверстия 12, выбранные в торцах деревянных стержней 2.
Предлагаемое узловое соединение деревянных стержней может работать на знакопеременные нагрузки следующим образом.
При работе деревянных стержней 2 на сжатие их торцы передают сжимающие усилия на наружный упорный элемент 7 и далее на ограничительную муфту 4, которая, в свою очередь, передает усилие сжатия на узловой элемент 1. При этом в процессе сборке узлового соединения обеспечивается плотный контакт наружного упорного элемента 7 с ограничительной муфтой 4 и ограничительной муфты 4 с узловым элементом 1.
При работе деревянных стержней 2 на растяжение растягивающие усилия воспринимаются болтом 3, скрепленным с узловым элементом 1 посредством резьбы и передаются за счет головки болта 3 на наружный упорный элемент 7 и далее на соединительные элементы 9. Соединительные элементы 9, работая на выдергивание, передают усилия непосредственно на деревянный стержень 2 за счет их жесткого соединения при помощи клея.
За счет жесткого соединения при помощи клея соединительных элементов 9 с деревянными стержнями 2 исключаются деформации узлового соединения деревянных стержней в целом в сравнении с аналогом, в котором применены нагельные соединения. Например, проведенными экспериментальными исследованиями доказано, что в сравнении с нагельными соединениями, имеющими расчетную деформацию 2 мм (СП 64.13330.2017. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП П-25-80, табл. 17), деформации соединения на вклеенных соединительных элементах 9 в виде пластин составляют 0,35…0,39 мм (Лисицкий И.И. Способы повышения несущей способности соединений деревянных конструкций на стальных вклеенных пластинах. Известия ВУЗов. Строительство, 2018, №5(713), С. 39), что позволяет отнести предлагаемое узловое соединение деревянных стержней к жестким.
ху
у
Воспринимая растягивающие усилия, действующие в узловом соединении, в деревянных стержнях 2, в соединение соединительных элементов 9 в виде пластин с деревянным стержнем 2 действуют наиболее опасные, с точки зрения его разрушения, касательные напряжения τ, вызывающие скол древесины, и нормальные к вклеенной поверхности пластины напряжения σ, вызывающие отрыв контактных поверхностей друг от друга. Причем максимальные значения как нормальных, так и касательных напряжений находятся у торца деревянного элемента (Лисицкий И.И. Способы повышения несущей способности соединений деревянных конструкций на стальных вклеенных пластинах. Известия ВУЗов. Строительство, 2018, №5(713), С. 35). При устройстве в соединительных элементах 9 в виде пластин по всей их длине по продольной оси сквозных высверленных отверстий клеевая композиция в этих отверстиях будет выполнять роль шпонки, воспринимающей нормальные отрывные напряжения, за счет повышается несущая способность соединения в целом (Лисицкий И.И. Способы повышения несущей способности соединений деревянных конструкций на стальных вклеенных пластинах. Известия ВУЗов. Строительство, 2018, №5(713), рис. 6 на с. 37).
Изготовление и сборка узлового соединения деревянных стержней выполняется в следующем порядке.
1. По рабочим чертежам заготавливают металлический узловой элемент 1, болт 3, ограничительную муфту 4, шплинт 5, наружный упорный элемент 7, соединительные элементы 9 и деревянные стержни 2. После этого соединительные элементы 9, выполненные в виде стальных пластин с отверстиями 11, жестко соединяют, например, при помощи сварки, с наружным упорным элементом 7.
2. Со стороны торцов каждого из соединяемых деревянных стержней 2 при помощи механизированного инструмента выполняют пропилы 10 на ширину соединительных элементов 9 и отверстие 12.
3. В отверстие 12 помещают болт 3 головкой вовнутрь.
4. Пропилы 10 заполняют расчетным количеством клея и вводят в них соединительные элементы 9, пропуская болт 3 в отверстие 8 наружного упорного элемента 7.
5. После отверждения клея на болт 3 одевают ограничительную муфту 4 и соединяют ее с болтом 3 при помощи шплинта 5.
6. Сборку узлового соединения выполняют путем вращения ограничительной муфты 4 гаечным ключом. Крутящий момент передается от ограничительной муфты 4 к болту 3 шплинтом 5. Завинчивание болта 3 производят до полного упора противоположных торцов ограничительной муфты 4 соответственно в грани металлического узлового элемента 1 и в наружный упорный элемент 7, плотно прилегающий к торцу деревянного стержня 2. Сечение шплинта 5 подобрано таким образом, что при достижении предельной величины крутящего момента происходит его срез. Этим исключается срез резьбы у болта 3 или в металлических узловых элементах 1. Смещение болта 3 относительно ограничительной муфты 4 обеспечивается за счет овальных отверстий 6, выполненных на боковых гранях ограничительной муфты 4.
Для размещения соединительных элементов 9 в виде пластин в массиве деревянных стержней 2 требуется устройство пропилов 10 только лишь на ширину соединительных элементов 9, что существенно сокращает трудоемкость выполнения узлового соединения деревянных стержней в сравнении с аналогом, в котором необходимо устройство сквозных пропилов. При этом достигается и сокращение его металлоемкости при одинаковой несущей способности. Например, при действующем усилии в деревянном стержне 2 величиной 100 кН при его поперечном сечении 100×100 мм расход металла на соединительные пластины толщиной 4 мм и нагели диаметром 6 мм (аналог) составит 2,34 кг, а в предлагаемом варианте узлового соединения деревянных стержней - 1,45 кг, что обеспечивает снижение металлоемкости на 39% при прочих одинаковых расходах металла на другие составные элементы.