УЗЛОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
NODAL CONNECTION OF WOODEN ELEMENTS

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в конструкциях сооружений из дерева и пластмасс.
В настоящее время известны соединения деревянных элементов RU: 1654482, 2092661, 2182625, 2255188, 2397296.
Однако в известных соединениях деревянных элементов общим недостатком является сложность конструкции, связанных с коническими пирамидальными участками и недостаточная жесткость конструкции, особенно в местах болтовых соединений, а также зубчатых накладок и других пластин; высокая трудоемкость сборки и разборки, отсутствует возможность типового изготовления на месте строительства, т.е. не технологичность в целом изготовления.
Известно узловое соединение деревянных элементов пространственного каркаса, включающее соединительные элементы, каждый из которых снабжен упорным элементом и в которых закреплены нагелями концевые участки деревянных элементов, и проволочные скрутки, при этом каждый соединительный элемент выполнен в виде металлической трубы, вставленный в цилиндрический пропил в торце деревянного элемента, на примыкающей к деревянному элементу части, которой расположен упорный элемент, при этом в качестве нагелей используют гвозди-дюбели, равномерно распределенные по периметру деревянного элемента, а проволочные скрутки расположены на концах деревянного элемента (ПМ RU №48552, Е02В 1/38, Е04С 3/11 от 27.10.2005).
Недостатком известного узлового соединения является недостаточная долговечность усилия поперечного обжатия, создаваемого в соединении металлической трубы в деревянном элементе с упорной шайбой и необходимость дополнительно крепление проволочных скруток, препятствующие растрескиванию концов. Кроме того, с увеличением рабочих нагрузок увеличивается возможность скалывания в местах установки металлической трубы и крепления гвозди-дюбеля, а также самой упорной шайбы, при этом отсутствует технологичность монтажа элементов, трудность сборки при строительстве.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению по совокупности признаков является конструктивное решение соединения элементов деревянных конструкций под различными углами, когда в узлах ставят круглые цилиндрические шпонки. Характерная особенность таких цилиндрических шпонок - наличие в центре отверстия для стяжного болта, которая и воспринимает в основном предельные усилия (В.М. Вдовин. «Конструкции из дерева и пластмасс». Ростов-на-Дону: Феникс, с. 55-56, рис. 2.5, 2007).
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что перед тем, как установить шпонку, выполняют кольцевую борозду и заполняют ее клеящим веществом, а затем устанавливают шпонку. Однако при изменении температурно-влажного режима и увеличении нагрузки, возникает внутреннее сильное напряжение в клеевой композиции, что приводит к деформации самой шпонки вставленной в древесину. Кроме того, происходят перераспределение самих усилий между болтом и шпонкой, ее смещение, соответственно, происходит образование трещин и разрыв волокон древесины. В результате чего клеевая композиция теряет свое назначение, а шпонка самостоятельно передает усилия трения-скольжения по контактной дуге кольцевой поверхности шпонки на древесину. Другим недостатком является не технологичность вставки, в целом дает перекос соединяющих элементов, трудность сборки при строительстве, при этом металлическое разрезное кольцо, вставленное на клею и в топленное в отверстие (гнездо) под шпонку при больших действующих усилиях на оба элемента конструкции, само кольцо начинает расширяться в диаметре, что ослабляет поперечное сечение гнезда (прорези), приводит к образованию трещин и разрыву волокон.
Таким образом, кольцевые шпонки, вставленные в прорезь соединяющихся элементов не достаточно надежны в работе и, у них отсутствуют запас в этом соединении на растяжение (или сжатие). Кроме того, затрудняется сборка и разборка, в частности, для типовых изготовленных деревянных или пластмассовых конструкций на месте их строительства, т.е. отсутствует унификация соединительных элементов для узла соединения в практике строительства.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - увеличение надежности в опорном узле за счет шарнирного соединения элементов между собой с использованием кольцевых металлических элементов с бортиками, и тем самым исключение возникающих отрицательных моментов усилий за счет перераспределения нагрузок, а значит, повышение надежности узла на скалывание.
Для решения этой задачи на узловом соединение деревянных элементов, включающее соединение деревянных элементов, соединенные через соединительную цилиндрическую шпонку в виде металлического кольца со стяжным болтом, отличающееся тем, что цилиндрическая шпонка состоит из двух частей, каждая из которых вставлена в цилиндрический пропил деревянного элемента, в которые вставлена металлическая цилиндрическая вставка, внешний диаметр которой несколько меньше внутреннего диаметра каждой из частей шпонки, причем каждая часть шпонки имеет торцевые выступы, и помещена на глубину высоты шпонки, при этом каждая из частей шпонки создает боковые усилия обжатия в вертикальной плоскости в цилиндрическом пропиле деревянного элемента, причем выступы перекрывают цилиндрическими плоскими дисками с отверстиями под стяжной болт, соосно установленными с центральным отверстием каждой из частей шпонки.
Кроме того, кольцевые плоские диски закреплены к внутренней стороне соединительного элемента, винтами-саморезами или зубчатыми шинами.
Кроме того, соединительные элементы из частей шпонки имеет большой и малый диаметры для соединения частей шпонок между собой и выполнены в виде отдельных разъемных металлических обойм, входящих соосно одна в другую части.
Кроме того, металлическая вставка может иметь с внутренней стороны дополнительную трубчатую вставку с отверстием под стяжной болт, которая посредством радиальных пластин соединена с внутренней стороной металлической цилиндрической вставки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близких по совокупности существенных признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению, усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.
Компактное, рациональное конструирование нового устройства имеет практическое применение в узловом соединении деревянных элементов и технологичность сборки, характеризуются высокой несущей способностью также и для многорядовых соединений.
Следует обратить особое внимание на форму шпонок с кольцевыми выступами в целом, соприкасающиеся к плоскости устройства деревянных прорезей (гнезд) под шпонку, ее расширенных возможностей для шарнирного поворота соединяемых элементов, т.е. в виде шарнира, исключающем возникновение различных моментных усилий. Соединение позволяет усилие распределять по периметру передаточного цилиндра цельной шпонки, а также усилие стяжного винта передается в основном на их стыки, и немаловажно то, что устройство приобретает технологичность сборки и разборки при типовом изготовлении и на месте устроительства.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг. 1 представлен вариант выполнения соединения двух частей шпонок в виде дополнительной металлической цилиндрической вставки, общий вид;
на фиг. 2 - цилиндрический выступ перекрыт плоским диском с отверстием под стяжной болт с креплением винтами-саморезами;
на фиг. 3 - цилиндрический выступ перекрыт плоским диском с отверстием под стяжной болт с скреплением в виде зубчатых шин, плоскости которых ориентированы перпендикулярно направлению главного вектора усилий в деревянных элементах;
на фиг. 4 представлено узловое соединение деревянных элементов, общий вид;
на фиг. 5 представлен вариант выполнения внутренней стороны металлической цилиндрической вставки с дополнительной трубчатой втулкой под стяжной болт, которая посредством радиальных пластин соединена с внутренней стороной металлической цилиндрической вставки
Узловое соединение деревянных элементов состоит из соединенных деревянных элементов 1, имеющих на участках сочленения устройства цилиндрические пропилы (гнезда) 2 и 3 под цилиндрическую шпонку состоящую из двух частей 4 и 5, каждая из которых вставлена в цилиндрический пропил деревянного элемента 1, в которые вставлена металлическая цилиндрическая вставка 16, внешний диаметр которой несколько меньше внутреннего диаметра каждой из частей 4 и 5 шпонки, причем каждая часть шпонки имеет торцевые выступы 6 и 7, и помещена на глубину высоты шпонки, при этом каждая из частей шпонки создает боковые усилия обжатия в вертикальной плоскости в цилиндрическом пропиле 2 и 3 деревянного элемента 1, причем выступы 6 и 7 перекрывают цилиндрическими плоскими дисками 8 и 9 с отверстиями 10 под стяжной болт 11, соосно установленными с центральным отверстием каждой из частей шпонки. Крепление шпонки из частей 4 и 5 с кольцевыми плоскими дисками 8 и 9 для соединения с деревянными элементами 1 предложены винты - саморезы 12 или зубчатые шины 13. В целом все узлы соединительных элементов являются наиболее технологичными и надежными для сборных узловых соединений деревянных конструкций.
По варианту выполнения (фиг. 4) соединительные элементы из частей шпонки 14 и 15 имеет большой и меньший диаметры для соединения частей шпонок между собой и выполнены в виде отдельных разъемных металлических обойм, входящих соосно одна в другую части.
По варианту выполнения (фиг. 5) металлическая вставка 16 может иметь с внутренней стороны дополнительную трубчатую вставку 17 с отверстием под стяжной болт 11, которая посредством радиальных пластин 18 соединена с внутренней стороной металлической цилиндрической вставки 16.
Узловое соединение работает следующим образом.
Перераспределение напряжений шпонки с частями 4 и 5 с прикрепленными к ним выступами 6 и 7, которые перекрываются кольцевыми плоскими дисками 8 и 9 с креплением винтами-саморезами 12 или зубчатыми шинами 13, ориентированными перпендикулярно направлению главного вектора усилий в деревянных элементах, позволяет обеспечить надежность соединения и равномерность обжатия участков стенок частей шпонки. Металлическая цилиндрическая вставка 16 вставлена вовнутрь обеих одинаковых по размерам частей 4 и 5 шпонки, сама цилиндрическая вставка 16 выбрана по длине таким образом, чтобы части 4 и 5 располагались заподлицо с плоскостью соединения элементов деревянных конструкций 1. Причем для обеспечения жесткости (фиг. 4) металлическая вставка 16 может иметь с внутренней стороны дополнительную трубчатую вставку 17 с отверстием под стяжной болт 11, которая посредством радиальных пластин 18 соединена с внутренней стороной металлической цилиндрической вставки 16, тем самым посредством радиальных пластин передаются усилия от металлической вставки к втулке.
По варианту выполнения (фиг. 4) цилиндрическая шпонка, состоящая из двух частей 14 и 15, когда одна из частей 14 имеет меньший диаметр сечения, а другая 15 - больший диаметр сечения, которые вставлены на глубину равной высоте части 14 шпонки меньшего диаметра, имеют центральное отверстие, равное отверстию кольцевых плоских дисков 8 и 9, у которых все стороны гладкие, диаметр которых повторяет форму сечения цилиндрических пропилов (гнезд) 2 и 3 и, у которых один общий стяжной болт 11, и которые прикреплены винтами-саморезами 12 или зубчатыми шинами 13, обеспечивает простоту и надежность узлового соединения деревянных конструкций. Сам узел является шарнирным, что немаловажно для предложенного изобретения, а это исключает в целом возникающие отрицательные моменты от усилий извне. Усилие распространяется по периметру частей 14 и 15 цилиндрической шпонки, состоящей из различных частей, а также совместного усилия со стяжным болтом 11, которое передается с выступами 6 и 7 на стенки частей цилиндрических частей 14 и15 шпонки. Таким образом, вышеизложенное свидетельствует (модель образца была изготовлена и испытана в нескольких вариантах) о том, что средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для широкого использования и внедрения в промышленности, а именно в области узловых соединений деревянных конструкций. Кроме того, к достоинствам относится то, что за счет придания соединительным деталям простейшей цельной конфигурации, упрощается и удешевляется пресс-форма для их изготовления, узел при строительстве становится шарнирным, что позволяет крепить деревянные элементы конструкций под различными углами и обеспечивает технологичность сборки и разборки при типовом изготовлении, и на месте строительства.