Загальні відомості про нагельних з'єднаннях
Нагелями називаються гнучкі стрижні або тонкі пласти-ни, які перешкоджають взаємному зсуву сполучених еле-ментів, а самі в основному працюють на вигин.
До Нагель відносяться в першу чергу болти з різьбленням, ци-ліндріческіе сталеві стрижні, як правило, без гайки і різь-б, шурупи, глухарі, цвяхи.
Нагелі застосовуються в розтягнутих стиках елементів наскрізних конструкцій, в вузлових з'єднаннях. Пластинчасті на-гелі застосовуються в балках складеного перерізу для згуртовуючи-ня брусів по висоті.
Нагелі можуть виконуватися зі сталі, склопластику або деревини твердих порід.
За способом постановки розрізняють нагелі, які закладаються в заздалегідь підготовлені отвори (болти, циліндричні сталеві стрижні, шурупи, глухарі), і нагелі, що забиваються в цільну деревину (цвяхи).
Діаметр отвору під робочий болт повинен бути дорівнює діаметру болта. Для неробочих болтів діаметр отвору мо-же бути на 1 мм більше.
Циліндричні сталеві стрижні вставляються в просвер-лені отвори діаметром на 0,2-0,5 мм менше діаметра стрижня.
Шурупи з мінімальним діаметром 4 мм можуть вико-тися як несуть у з'єднаннях. При цьому деревина повинна попередньо просвердлюють свердлом з діаметром, рівним діаметру шурупа, на всю довжину його гладкої частини. Забитий шуруп не володіє високою несучою здатністю, оскільки різьблення сильно руйнує деревину, і він веде себе практичес-ки як звичайний дротяний цвях.
Щоб отримати щільне з'єднання, свердлити отвори необхідно в попередньо зібраному і обтиснутому пакеті елементів.
Залежно від виду деформації нагелів під навантаженням розрізняють: симетричні з'єднання (при симетричній від-носительно середини довжини Нагель кривої вигину його осі) і несиметричні.
За кількістю площин зсуву з'єднуються (кількості робочих швів згуртовування) з'єднання діляться на односрезную, двухсрезная і багатозрізного.
Тут поняття «зріз» означає тільки місце перетину нагелем робочого шва згуртовування і не відноситься до характеру руйнування. Цей термін запозичений у металевих конст-рукцій.
У дерев'яних з'єднаннях відношення довжини Нагель до його діаметру значно більше, ніж в металевих. У зв'язку з цим нагель є гнучким стрижнем, що працюють на вигин, зрізують напруги в цьому випадку мають другорядне значення.
Зрізати дерев'яним елементом нагель, навіть дерев'яний, не можна, не кажучи вже про металевому нагелі.
Розрахунок нагельного з'єднання
Розрахунок нагельних з'єднань будується на основі загальних положень розрахунку конструкцій за граничними станами.
Розрахунок нагельного з'єднання найчастіше зводиться до визна-поділу кількості нагелів, необхідних для сприйняття, дей-ного на з'єднання зусилля
де N - розрахункове зусилля (кН); ПСР - кількість зрізів або швів, яке перетинає нагель; Tmin - мінімальна несуча здатність одного зрізу Нагель.
Сили стягування в болтових з'єднаннях не великі, вони залежать від сили закручування гайки. Ці сили не можуть бути сильно збільшені через зминання деревини поперек волокон, тому сили тертя в розрахунках не враховуються.
3. Визначення мінімальної несучої здатності
Одного зрізу Нагель
Для того щоб визначити несучу здатність одного зрізу Нагель, слід розглянути напружений стан нагельного з'єднання.
У нагельних з'єднаннях об'єднуваних елементи під навантаженням зсуваються і прагнуть спочатку розгорнути нагель, який після деякого повороту, обумовленого неплот-ності і обмятіем деревини, впирається в неї спочатку по краях елемента, а потім втягується в роботу і починає ізгі-баться. Деревина під нагелем починає працювати на зминання. Равнодействующие утворюють дві пари взаімоуравновешенних поздовжніх сил.
Умова рівноваги Нагель може бути записано у вигляді
Рівновага Нагель забезпе-чується лише поздовжніми силами. Нагельного з'єднань-ня є безрозпірного.
Таким чином, при зсуві одного елемента щодо іншого нагель працює на вигин, проте його вигин НЕ Вільно-ден, він залежить від жорсткості Нагель і зминання деревини.
Напруження зминання деревини по всій довжині Нагель нерівно-мірного і мають різні знаки. Зминання деревини під нагелем буде нерівномірним так-же і по його контуру.
Равнодействующие радіальних напружень, розташований-ні зліва і справа поздовжньої осі Х-Х, можуть бути розкладені-ни на дві складові:
Поздовжня складова викликає поява напруги-ний сколювання по майданчиках а - а й ах - ах.
Поперечні складаю-щие прагнуть розколоти дере-вянний елемент по лінії b -b.
Отже, бачимо, що напря-женное стан нагельного з'єднання досить слож-ве.
Несуча спроможність на-гельного з'єднання визна-ляется міцністю Нагель на вигин, деревини на зминання, сколювання і розколювання.
Отже, розрахункова несуча здатність одного зрізу Нагель повинна визначатися з усіх чотирьох усло-вий.
Несуча здатність нагеля по сколювання і Раска-ливанію деревини залежить від відстані між Нагель-ми. Можна знайти такі міні-формальні відстані, при ко-торих несуча здатність нагеля по сколювання і розжарити-ванию буде свідомо більше несучої здатності Нагель по вигину і зім'яту деревини.
У нормах проектування прийнято мінімальні расстоя-ня висловлювати в діаметрах Нагель. Вони залежать від виду Нагель і товщини елементів, що сполучаються.
З урахуванням цього при конструюванні нагельних з'єднань-ний необхідно виконувати наступні умови розміщення нагелів при товщині пакета b> 10d
при в <10d расстановка нагелей должна выполняться по схеме:
При дотриманні даних умов розстановки несуча спо-можності одного зрізу Нагель визначається тільки з умови вигину нагеля і зминання деревини.
Існуючі на даний момент формули для визначенні-ня несучої здатності Нагель отримані експериментальним-но-теоретичним шляхом. В основу покладено ряд передумов.
Деревина при смятии і Нагель при вигині розглядаються як ідеально упруголастіческіе ма-ли. Несуча здатність нагеля визначається граничними деформаціями. Ось Нагель залишається прямолінійною до момен-ту освіти шарніра пластичності.
В результаті рішення теоретичної задачі отримана в об-щем вигляді формула для визначення несучої здатності (кН) одного зрізу Нагель з умови роботи його на вигин для сім-метричну з'єднання
Для з'єднань з різною товщиною елементів формула для визначення несучої здатності по вигину нагеля має вигляд
Формули несучої здатності (кН) одного зрізу Нагель з умови зминання деревини відповідно мають вигляд:
Для інженерних розрахунків в СНИП 11 -25-80 (табл. 17) перед-ставлені формули для визначення несучої здатності на-гельних з'єднань з умови зминання крайнього і середнього елементів
Для сталевого нагеля і дії зсувного зусилля вздовж волокон дерев'яного елемента (сосна) формули для визначенні-ня несучої здатності одного зрізу Нагель з умови через згину відповідно мають вигляд:
Tu = 1,8 d 2 + 0,02 а 2 <2,5 d 2 .
Якщо зусилля діють під кутом до волокон або викорис-зуется пиломатеріал інших порід, у розрахункові формули вво-дяться відповідні коефіцієнти kа. kп.
При конструюванні нагельних з'єднань перевагу слід віддавати симетричним з'єднанням.
Застосування односрезную несиметричних з'єднань викликає відхилення силового потоку в одну сторону від осі дії зусилля, що призводить до вигину елементів. Тому в таких з'єднаннях кількість болтів на 10-15% більше, ніж в симетричних з'єднаннях.
По ширині елемента нагелі слід ставити в парне число рядів. Робочі болтові з'єднання повинні мати не менше двох болтів діаметром> 8, але не більше 24 мм. По обидва боки необхідно ставити товсті шайби. Для обтиску нагельних з'єднань без нарізки зазвичай рекомендується ставити стяжні болти в кількості близько 25% від загального числа нагелів при дерев'яних накладках і в кількості 50% при металевих накладках.
Сполуки, що містять у ряду шість і більше болтів, име-ют нерівномірний розподіл навантаження між болтами. Дваконечних болта разом зазвичай несуть на собі понад 50% навантаження.
Особливості роботи цвяхів
Цвяхи в з'єднаннях зсуваються дерев'яних елементів працюють як нагелі. Їх зазвичай забивають в деревину без попереднього про-сверліванія, що обумовлює деякі особливості їх роботи ..
Діаметр цвяхів, що забиваються в цільну деревину, не перевищує 6 мм і тому їх несуча здатність не залежить від кута між напрямком дії сили і напрямком волокон. У зв'язку з цим для цвяхів коефіцієнт зменшення несучої здатності kа не вводять в формули визначення несучої здатності.
При визначенні розрахункової довжини защемлення кінця цвяха в по-останньої непробивною наскрізь дошці не слід враховувати загострену частину довжиною 1,5dгв. Крім того, з довжини цвяха при визначенні-ня довжини його защемлення слід віднімати 2 мм на кожен шов між сполучаються елементами. Якщо розрахункова довжина защемлення кінця цвяха виходить менше 4 dгв, то його роботу в примикає до шву елементі вчи-ють не слід
Діаметр цвяхів приймається не більше 0,25 товщини пробивається елемента. Якщо остання дошка пробивається цвяхом наскрізь, то, враховувати-вая отщеп її нижнього шару, робоча товщина дошки зменшується на 1,5 dгв. Загострений кінець цвяха, проникаючи в деревину, розсовує її по-локня в сторону, в результаті чого відбувається ущільнення деревини близько цвяха, що збільшує небезпеку розколювання деревини. Зменшити цю небезпеку можна більш рідкісною розстановкою забитих цвяхів в порівнянні з нагелями.
Мінімальні відстані між осями цвяхів уздовж волокон сліду-ет приймати не менше S1 = 15 dгв при товщині пробивається елемента з = 10 dгв; S1 = 25 dгв
при товщині пробивається елемента c = 4 dгв. Для переможе-точних значень товщини елемента найменша відстань слід визна-ділячи по інтерполяції.
Для елементів, що не пробиваються цвяхами наскрізь, відстань між-ду осями цвяхів слід приймати незалежно від їх товщини S1 = 15 dгв. Відстань уздовж волокон деревини від осі цвяха до торця елемента у всіх випадках треба брати не менше S1 = 15 dгв. Відстань між осями цвяхів поперек волокон деревини при прямій розстановці цвяхів приймають не менше S2 = 4 dгв; при шахової розстановці або розстановці їх косими ряду-ми це відстань може бути зменшена до S2 = 3 dгв, а відстань від про-дольной кромки до осі цвяха 4 dгв.
Цвяхи утворюють більш щільні з'єднання, ніж нагелі. Недостатньо-тком цвяхових з'єднань є помітна повзучість при довготривалих навантаженнях. Для збільшення щільності з'єднань, особливо у випадках прикріплення сталевих накладок до дерев'яних елементів знайшли застосування особливі цвяхи з нерівною поверхнею, заби-ваемие в деревину пневматичними молотками.
Цвяхове з'єднання з попереднім свердлінням реко-мендується застосовувати для порід з підвищеною раскаливаемості, наприклад для модрини. Дубова і букова деревини визна-на завжди попередньо свердлиться. Діаметр отвору дол-дружин складати 85% діаметра цвяха.
При вологій деревині цвяхові з'єднання сильно де-формуються і їх несуча здатність сильно падає по срав-рівняно з несучою здатністю цвяхових з'єднань, викорис-вуються для сухої деревини.
Основним недоліком всіх нагельних з'єднань є-ється податливість, тобто нагелі при роботі з'єднання допуску-ють зрушення одного елемента щодо іншого. Допустима величина деформацій зсуву нагельного з'єднання при пів-ном використанні несучої здатності приймається рівною 2 мм.