КРЕПЕЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к зубчатым металлическим крепежным элементам - пластинам для соединения на стыке деревянных конструкций штампованными фигурными захватами (зубьями).
Известны различные крепежные зубчатые, преимущественно пластины или «шиповые плиты», как средство соединения деревянных деталей в строительстве («Gang-Nail» - шип. плита». Инструкция к допуску в эксплуатацию «Gang-Nail» шиповых плит - средство для соединения деревянных деталей. Фирма «Gang-Nail»: Automated Building Соmр. Inc. США, Флорида, Майами, Швейцария, 8052, Цюрих, Зибахштрассе, 4; Признана Министерством Внутренних дел (Баден-Вюртенберг) 1 сентября 1871 г.).
Известен крепежный элемент для соединения деревянных деталей, выполненный в виде металлической пластины с выштампованными на ее поверхности рядами зубьев, шаг которых в продольном направлении выполнен кратным шагу зубьев в поперечном направлении, при этом зубья в смежных рядах пластины смещены относительно друг друга на шаг зубьев в поперечном направлении [А. св. СССР №1548374, 1987]. Такое выполнение крепежного элемента обеспечивает возможность соединения сходящихся под углом трех деревянных деталей, однако не исключает деформативность деревянных конструкций.
Известен соединительный элемент для крепления деревянных конструкций, включающий стальную пластину и выштампованные в ней зубья, наклонные к поперечным кромкам и расположенные продольными и поперечными рядами [А. св. СССР 1689544, 1991]. В средней части пластины смежные поперечные ряды зубьев размещены друг от друга на расстоянии 3а≥30б, где «а» расстояние между зубьями продольных рядов, «б» - толщина стальной пластины, а величина наклона верха зуба к его основанию определяется соотношением 0,02 L≤Δ≤0,03 L, где L - длина зуба, Δ - величина наклона зуба. Такое выполнение соединительного элемента повышает его несущую способность и снижает деформативность деревянных конструкций, однако технологически сложно, требует для изготовления дорогостоящей оснастки, увеличивает габариты крепежного элемента.
Поиску оптимального соотношения размеров конструктивных элементов и их геометрического исполнения описанного выше крепежного элемента, получившего в строительстве название «зубчатая пластина», посвятили свои работы многие авторы [например, а. с. СССР №№1596031, 1604945, 1760040; П.М. РФ №5603, а. з. ФРГ №1297835; 1459885 и др.]. Известен крепежный элемент для соединения деревянных деталей,
2
выполненный в виде металлической пластины с выштампованными на ее поверхности продольными и поперечными рядами вертикальных, фигурных в сечении - дугообразных зубьев, с заостренными концами [а. з. ФРГ №1459885, 1970]. Аналогичные зубчатые пластины - крепежные элементы описаны в обзоре, представляющем материалы Конференции, прошедшей в Кировском политехническом институте, в 1992 г. [Е.G.Stern, рис.6, 7, 8, сентябрь 1992 г.]. Пластина имеет толщину 1,21 мм (оптимальный по экономичности и надежности размер) длину зубьев ≈ в 8 раз большую толщины и плотное расположение продольных и поперечных рядов зубьев: ≈ на 6,45 см поверхности пластины выполнено 4,5 зубьев. Расстояние между соседними краями зубьев соседних рядов составляет примерно 1,25 ширины зуба. Зуб имеет V-образное изогнутое сечение, вогнутую внутреннюю поверхность и выпуклую обратную сторону. Соотношение размеров выполнения зубьев не приведено, что не позволило идентифицировать оптимальность их исполнения, такая пластина экономична, но имеет ограниченное применение в связи с ее достаточно значительным ослаблением плотным выполнением зубьев.
В качестве прототипа выбрана зубчатая пластина по свидетельству РФ на полезную модель №5603, кл. Е 04 В 1/49, Е 16 В 15/00 от 24.12.96.
Известная зубчатая крепежная металлическая пластина для соединения деревянных деталей содержит параллельные ряду выштампованных и вертикально отогнутых в одну сторону фигурных зубьев с внутренней и наружной стенками с заостренными концами и уширением по боковым торцам у основания.
Каждый зуб снабжен ребром жесткости, выполненным по оси симметрии на его внутренней стенке, длиной L, равной 0.8 высоты h уширения, глубиной b, выбранной из соотношения b=(0,6-0,7)t, где t - толщина пластины, и под углом к плоскости пластины, равным по меньшей мере 70°. В пластине длина зубьев выбрана из соотношения L=10,5t, где L - длина каждого зуба, t - толщина пластины. В пластине каждый боковой торец ступени выполнен с наклоном внутрь от вершины к основанию зуба под углом 5-10°.
Зубчатая крепежная металлическая пластина обеспечивает надежное крепление деревянных конструкций, однако технологически сложна.
Задачей полезной модели было расширение функциональных возможностей, повышение несущей способности при снижении деформативности деревянных конструкций.
Задача решается крепежным элементом для соединения деревянных конструкций, выполненным в виде металлической пластины с выштампованными по ее поверхности параллельными продольными и поперечными рядами прорезей, имеющих криволинейные зубья, отогнутые в одну сторону от поверхности и попеременно повернутые на 180° в соседних рядах, в котором, согласно предложению, расстояние d между соседними краями
1
1
2
2
1
2
прорезей соседних продольных рядов составляет две ширины b прорези, а каждый зуб в основании отогнут от поверхности пластины по радиусу R=t, где R - радиус отгиба, a t - толщина пластины, и шаг L между зубьями продольных рядов выбран из соотношения L=5,8t, а шаг L между зубьями поперечных рядов выполнен равным L=17t, где L и L расстояние между соответствующими рядами, a t - толщина пластины.
В крепежном элементе каждый зуб имеет в основании форму сегмента кольца, с толщиной, равной толщине пластины t и с наружной выпуклой поверхностью радиусом Rн=4t÷5t, где Rн - радиус наружной выпуклой поверхности, t - толщина пластины.
3
3
В крепежном элементе зуб выполнен длиной, выбранной из соотношения 10≤L≤10t, где t - толщина пластины, L - длина зуба.
Предлагаемое конструктивное выполнение крепежного элемента (пластины) и выбранные соотношения размеров являются оптимальными, проверены опытным путем, а именно: выбранное соотношение размеров между рядами прорезей с зубьями обеспечивает требуемую жесткость пластины, повышает ее несущую способность и, соответственно, жесткость соединения.
Выполнение зуба с закруглением (отогнутым) в основании по внутренней поверхности в заданном соотношении исключает подрезы и трещины металла, упрочняет металл в основании зуба.
Выполнение зуба в основании в виде сегмента кольца с заданными размерами увеличивает его жесткость, а выполнение зуба предлагаемой длины позволяет обеспечить максимальную несущую способность пластины.
Предлагаемый крепежный элемент поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен его вид в плане; на фиг.2 - продольное сечение зуба (на фиг.1); на фиг.3 - поперечное сечение в основании зуба (на фиг.1).
3
3
Крепежный элемент для соединения деревянных конструкций выполнен в виде металлической (стальной) пластины 1 с выштампованными на ее поверхности продольными и поперечными рядами 2, 3, соответственно, прорезями 4 с вертикальными фигурными - дугообразными, противоположно на 180°, отогнутыми в продольных рядах зубьями 5. Зубья 5 в сечении имеют в основании форму сегмента кольца, толщиной t, равной толщине t пластины - 1,2 мм, и с наружной выпуклой поверхностью, выполненной радиусом Rн=4t÷5t, что обеспечивает увеличение жесткости каждого зуба пластины. При этом, зуб в основании отогнут от поверхности пластины по радиусу R=t, выполнен длиной, определенной из соотношения 10t≤L≤10,5t, где L - длина зуба, t - толщина пластины.
Прорези на пластине выполняют при следующих соотношениях: расстояние d между соседними краями прорезей 4 соседних продольных рядов 2 составляет две ширины
1
1
2
2
1
2
b прорези, шаг L между зубьями продольных рядов выбран из соотношения L=5,8t, a шаг L между зубьями поперечных рядов 3 выполнен равным L=17t, где L и L расстояния, соответственно, между рядами по оси симметрии прорезей (зубьев).
Опытная партия крепежных элементов (пластин) (100 штук) была изготовлена на одном из предприятий г. Н. Новгорода и прошла (стендовые) испытания, подтвердившие ожидаемый эффект: расширена функциональная возможность пластины (крепежного элемента) - они могут использоваться для соединения двух деталей, нескольких, расположенных под углом друг к другу, конструкций изделий, и при этом имеют повышенную надежность и долговечность; деформативности деревянных деталей не отмечено.
Для изготовления оснастки и непосредственно крепежных элементов не потребовалось дорогостоящее специальное оборудование, дорогие материалы. Крепежные элементы произведены из доступной стали, просты в применении.
Ряды зубьев 5 на пластине 1 были выполнены штамповкой прорезей параллельными продольными и поперечными рядами. Зубья были отогнуты в одну сторону и попеременно повернуты на 180° в соседних рядах. Расстояние между прорезями с зубьями, отогнутыми в разные стороны вдоль направления проката и штамповки, было принято 17*t=20,4 мм, расстояние между поперечными рядами зубьев, перпендикулярных направлению проката и штамповки, было принято 5,8*t=6,96 мм, т.е. соотношение расстояний (шагов) между прорезями (зубьями) в двух направлениях принято равным 3. Для принятых размеров сечения зуба это отношение обеспечило армирующий эффект в древесине и предотвратило образование трещин, что подтверждается данными, приведенными в таблице 1.
Таблица 1
Соотношение расстояний между зубьями пластины вдоль и поперек волокон
Технический эффект
2
Появляются трещины в древесине из-за частого расположения зубьев
3
Оптимальное соотношение
4
Снижается количество зубьев на единицу площади пластины на 30%, что снижает несущую способность пластины на 30%.
Длина зуба составляла 12,6 мм и была принята оптимальной для толщины пластины 1,2 мм из условия максимальной несущей способности соединения (двух шарнирная схема потери несущей способности зуба по 1-ой группе предельных состояний). (Таблица 2).
Таблица 2
Угол между нормалью к широкой стороне зуба и направлением волокон древесины β°
Kb
Kt
0
0,545
0,998
90
0,605
0,896
Коэффициенты Kb и Kt, зависящие от длины, ширины зуба, находятся в пределах между 0,5 и 1,0 Это обеспечивает двух шарнирную схему работы зуба, что позволило максимально использовать несущую способность нагельного соединения.
Сечение в основании зуба имело форму сегмента кольца толщиной 1,2 мм и с наружным радиусом Rн=4*t÷5*t, что обеспечивало увеличение жесткости каждого зуба пластины. При деформировании основания зуба в виде сегмента кольца с наружным радиусом Rн=4*t установлено, что возможно возникновение порезов в основании зуба, что недопустимо.
При деформировании основании зуба в виде сегмента кольца с наружным радиусом более Rн=5*t увеличение жесткости зуба не превысила 5%, что лежит в пределах погрешности расчетов строительных конструкций, поэтому не может быть значимым в расчетах.
Таблица 3.
Радиус Rн по наружной грани
Сечение без выпуклости
Увеличение жесткости, %
Сечение без выпуклости 0 мм
0,461 мм<sup>4</sup>
Сечение с Rн=4*t=4,8 мм
0,523 мм<sup>4</sup>
13,4%
Сечение с Rн=5*t=6,0 мм
0,574 мм<sup>4</sup>
24,5%
В предлагаемом крепежном элементе прорези были выполнены на расстоянии, равном две ширины прорези, т.е. в пластине исключены ослабления, шириной большей ширины участков между ними, что сделало возможным универсальное применение крепежных элементов как в составных балках, так и в поясах ферм, где предъявляются повышенные требования к жесткости тела крепежного элемента (пластины) - табл.4.
Таблица 4
Отношение ширины участков между прорезями к ширине прорези
Технический эффект при использовании в составных балках и составных поясах ферм, где допускаются сдвиговые усилия
≤1
Потеря устойчивости участков между прорезями возможна раньше наступления расчетного предельного состояния нагельных соединений, характеризующегося изгибом зуба и смятием древесины. Это не позволяет использовать полностью прочность соединения и изменяет характер разрушения с предсказуемого вязкого на внезапный от потери устойчивости металла пластины
2
Устойчивость обеспечена
≤3
Устойчивость обеспечена. Количество зубьев на единицу площади пластины снижено на 25%, что соответственно снижает несущую способность пластины.
Радиус закругления основания зуба по внутренней поверхности, принятый равным t обеспечил отсутствие надрезов в основании зуба и сделал возможным упрочнение металла на 60% в основании зуба (Табл.5).
Таблица 5
Радиус закругления основания зуба по внутренней кромке по отношению к толщине металла
Технический эффект
<t
Образование подрезов и трещин металла в основании зуба.
t
Отсутствуют подрезы. Упрочнение металла в основании зуба при холодном деформировании - 60%
2*t и более
Отсутствуют подрезы. Упрочнение металла в основании зуба незначительно для учета в расчетах или отсутствует.