METHOD FOR JOINING ELEMENTS OF COMPOSITE WOODEN STRUCTURES
Способ соединения элементов составных деревянных конструкций

Изобретение относится к строительству и предназначено для изготовления или усиления составных деревянных конструкций зданий и сооружений.
Известно техническое решение соединения элементов деревянных конструкций составного сечения с помощью механических связей, расположенных перпендикулярно плоскости соединения (Кузнецов Г.Ф. Деревянные конструкции. Москва-Ленинград: главная редакция строительной литературы. 1937. 955 с., аналог).
Недостатком данного технического решения является высокая межшовная податливость соединения на сдвиг по плоскости контакта соединяемых элементов, способствующая увеличению металлоемкости соединения.
Известно техническое решение соединения элементов деревянных конструкций составного сечения посредством зубчатых шпонок (Кузнецов Г.Ф. Деревянные конструкции. Москва-Ленинград: главная редакция строительной литературы. 1937. 955 с., аналог).
Недостатками технического решения являются сложность контроля качества установки зубчатых шпонок, необходимость дополнительной установки стяжных болтов и влияние усушки древесины на прочность соединения.
Известно техническое решение соединения элементов составных деревянных конструкций посредством наклонно вклеенных стержней. Металлические вклеенные стержни установлены под углом ∠α в пределах от 30º до 45º к продольной оси конструкции (Патент RU 2173376 С1, МПК Е 04 С 3/14 от 08.06.2000, опубл. 10.09.2001, авторы Меркулов А.Т., Турковский С.Б., Грилль А.А., Сазонов А.И., Погорельцев А.А., Григорьев С.А., Тарасов М.А., аналог).
Недостатками этого технического решения являются сложность технологии вклеивания и контроля качества выполненных работ при вклеивании металлических стержней.
Известно техническое решение соединения элементов деревянных конструкций составного сечения металлическими зубчатыми пластинами, установленными по боковой поверхности конструкции с уменьшением площади пластин в соответствии с величиной сдвигающих усилий в зоне их установки (Патент RU 2645026 С1, МПК Е 04 С 3/12 от 10.03.2017, опубл. 15.02.2018, авторы Карельский А.В., Тропина П.М., Журавлева Т.П., аналог).
Недостатками данного технического решения являются возможность образования трещин по границе соединительных элементов и невозможность применения соединения для деревянных элементов разной ширины.
Известно техническое решение соединения элементов составных деревянных конструкций, сплачиваемых посредством установленных в гнезда металлических призматических шпонок с боковыми накладками, имеющими отверстия для центральных болтов с закрепленными парными когтевыми хомутами, установленными наклонно к продольной оси конструкции (Патент RU 2166038 C1, МПК Е 04 C 3/12, 3/18 от 14.07.1999, опубл. 27.04.2001, авторы Алексашкин Е.Н. и Егоров В.В., аналог).
Недостатками технического решения являются невозможность применения соединения для деревянных элементов разной ширины и высокая податливость соединений в конструкции.
Известно техническое решение обеспечения составности элементов деревянных конструкций витыми крестообразными стержнями (Аркаев М.А., Жаданов В.И. Расчет односрезных соединений на витых крестообразных нагелях при усилении деревянных конструкций путем увеличения поперечного сечения. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2017. № 2(698). стр. 92-100, аналог).
Недостатками этого технического решения являются сложность и индивидуальность изготовления соединительных элементов с крестообразным сечением.
Известно техническое решение соединения элементов составной деревокомпозитной конструкции из ребер и плиты, объединенных винтами и двусторонними зубчатыми пластинами, установленными по нижней грани ребер конструкции (Jacquier N., Girhammar U.A. Evaluation of bending tests on composite glulam-CLT beams connected with double-sided punched metal plates and inclined screws. Construction and Building Materials. 2015. Vol. 95. Pp. 762-773, аналог).
Недостатком технического решения является низкая эффективность включения плиты в работу деревокомпозитной конструкции.
Известно техническое решение усиления деревоклеенного элемента стальной пластиной, закрепленной наклонно расположенными винтами (Trautz M., Koj C. Mit Schrauben Bewehren – Neue Ergebnisse. Bautechnik. 2009.  Vol. 86. Pp. 228-238, аналог).
Недостатками технического решения являются большая металлоемкость соединения и чувствительность к изменению температурно-влажностного режима в помещении.
Известно техническое решение соединения элементов составных деревокомпозитных конструкций наклонно расположенными винтами (Schiro G., Giongo I., Sebastian W., Riccadonna D., Piazza M. Testing of timber-to-timber screw-connections in hybrid configurations. Construction and Building Materials. 2018. Vol. 171. Pp. 170-186, аналог).
Недостатками этого технического решения являются высокая податливость и низкая несущая способность соединения из-за возможности выдергивания из древесины соединительного элемента.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является соединение элементов составных деревянных конструкций резьбовыми стержнями с концевыми закреплениями в углублениях по граням деревянных конструкций (Чернова Т.П. Совершенствование конструкции и технологии сопряжения CLT-панелей с деревоклееными элементами: дисс. канд. техн. наук / Т.П. Чернова – Архангельск, 2018. – 122 с., прототип).
Недостатками данного технического решения являются ослабление элементов составных деревянных конструкций углублениями для концевых закреплений, сниженная несущая способность и сдвигоустойчивость соединения.
Целью изобретения является исключение ослаблений элементов составных деревянных конструкций углублениями для концевых закреплений, увеличение несущей способности и сдвигоустойчивости соединений.
Это достигается путем включения в работу большей длины резьбы резьбового стержня и когтевых шайб, установленных в плоскости контакта между элементами составных деревянных конструкций или по граням составной деревянной конструкции.
3
Способ соединения составных элементов деревянных конструкций осуществляется резьбовыми стержнями, установленными в монтажные отверстия или без устройства монтажных отверстий. Монтажные отверстия размером 0,7d (где d − диаметр наружной резьбы стержня) выполняются при диаметре резьбовых стержней больше 8 мм. В элементах деревянных конструкций с плотностью более 500 кг/м, диаметр монтажных отверстий уточняется экспериментально. Резьбовые стержни ввинчиваются за счет специальной резьбы по длине стержня и фиксируются концевыми закреплениями по граням составной деревянной конструкции. Когтевые шайбы предварительно устанавливаются в плоскости контакта между элементами составных деревянных конструкций или в качестве зубчатого основания концевых закреплений по граням составной деревянной конструкции.
На фиг.1 представлено соединение составных элементов деревянных конструкций стальными резьбовыми стержнями с концевыми закреплениями по граням составной деревянной конструкции и двухсторонними когтевыми шайбами в плоскости контакта между элементами, на фиг.2 – соединение составных элементов деревянных конструкций стальными резьбовыми стержнями с концевыми закреплениями на зубчатом основании по граням составной деревянной конструкции. Под зубчатым основанием приняты когтевые шайбы, объединенные с упором концевого закрепления. На фиг.3 приведены зависимости «нагрузка-деформация», полученные в результате экспериментальных исследований.
В соединении элементов (1, 2) составных деревянных конструкций предусмотрено восприятие усилий сдвига наклонно установленными резьбовыми стержнями (3) и когтевыми шайбами различных типов, установленными в плоскости контакта между элементами составных деревянных конструкций (4), или в качестве зубчатого основания по граням составной деревянной конструкции (5). Металлические резьбовые стержни с концевыми закреплениями расположены под углом ∠α в пределах от 45º±15º к плоскости контакта между элементами составных деревянных конструкций.
Характеристики резьбовых стержней и концевых закреплений определяются из расчета несущей способности соединения:
,  (1)
где  – несущая способность древесины на выдергивание резьбового стержня из элемента (1) или из элемента (2);
– несущая способность древесины на смятие под шайбой;
– несущая способность древесины на смятие контактной поверхностью резьбового стержня;
– несущая способность резьбового стержня на растяжение;
– угол наклона резьбового стержня к плоскости контакта между элементами составных деревянных конструкций.
При расчете несущей способности соединения следует дополнительно учитывать наличие когтевых шайб.
Для снижения влияния повышенных температур выступающие металлические элементы концевых закреплений могут быть обработаны огнезащитным составом.
На концах резьбовых стержней могут быть установлены пружинные шайбы для устранения негативного влияния меняющегося температурно-влажностного режима в помещении. В качестве концевых закреплений могут быть применены специальные шайбы.
Для подтверждения адекватности технического решения проведены экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования соединений элементов составных деревянных конструкций выполнены для трех видов соединительных элементов: резьбовые стержни с концевыми закреплениями, винты, шпильки. Соединительные элементы с одинаковыми диаметрами и величинами анкеровки установлены с углом наклона к продольной оси составной деревянной конструкции – 45°. Произведены измерения деформаций соединений в зависимости от нагрузки. Разрушающая нагрузка для каждого вида соединения приведена в таблице 1.
Таблица 1
№
Вид соединения
N<sub>t</sub>, кН
1
Резьбовые стержни с концевыми закреплениями
37
2
Винты
25
3
Шпильки с концевыми закреплениями
24
Несущая способность соединений на винтах с концевыми закреплениями и на шпильках возрастает с увеличением сечения и прочности связи, несущая способность соединения на винтах – с увеличением площади шайбы и длины анкеровки винта в древесине.
Соединения на резьбовых стержнях с концевыми закреплениями за счет специальной резьбы имеют меньшую деформативность, чем соединения на шпильках.
Таким образом, предлагаемое техническое решение способа соединения элементов составных деревянных конструкций винтами с концевыми закреплениями и когтевыми шайбами позволяет увеличить несущую способность и сдвигоустойчивость соединений, а также исключить ослабления элементов составных деревянных конструкций углублениями для концевых закреплений.