21.08.2017
Современное жилище – это не просто защита от непогоды и холода. Для производства комфорта загородные дома и городские квартиры...


21.08.2017
Первое, что следует знать о натяжных потолках – самостоятельно сделать такую отделку не получится. Не важно, какие умения...


21.08.2017
Новые пластиковые окна способны решить множество проблем, но только в том случае, если выбраны они будут правильно. Разочарования...


21.08.2017
Навесные вентилируемые фасады – довольно сложные многослойные конструкции. Все элементы их решают определенные задачи. Если речь...


18.08.2017
В последние несколько лет весьма распространенными стали пластиковые двери. Объясняется это их практичностью, эстетичным внешним...


18.08.2017
Эффективное автономное отопление для коттеджей и дач является головной болью их владельцев. Централизованная подача тепла нередко...


Соединения элементов деревянных конструкций на врубках

21.02.2017

Общие указания. Врубками называют весьма разнообразные по форме соединения, в которых происходит непосредственная передача усилия от одного деревянного элемента другому, без участия в этой основной работе иных видов связей. Устанавливаемые во врубках связи (болты, скобы, хомуты и т. п.) играют второстепенную роль, препятствуя взаимному смещению соединяемых элементов под влиянием случайных, непредусмотренных расчетом нагрузок во время монтажа или в процессе эксплуатации.

Врубки можно объединить в три группы в зависимости от характера изменения силового потока: 1) лобовые, в которых отклонение силового потока происходит в одном направлении (рис. II—22, а); 2) щековые, в которых отклонение силового потока происходит в двух направлениях (рис. II—22,б); 3) шипы (рис. II—23) — врубки смешанного типа, в которых часть силового потока претерпевает отклонение только в одном направлении, а другая часть — в двух направлениях.
К первым относятся лобовые врубки с одним и двумя зубьями (рис. II—24) и такие трехплоскостные, в которых исключена работа древесины на скалывание (см. далее рис. II—38,а, б).

Ко вторым относятся щековые врубки (рис. II—25,а—в), ножничные, треугольные (рис. II—25, г) и трехплоскостные (рис. II— 25,д), в которых не исключена работа древесины на скалывание.
Все рабочие поверхности ответственных расчетных врубок должны быть образованы сквозным пропилом без долбежной работы. Исключение составляют только шипы, допускаемые к применению, если нельзя использовать другие типы врубок, но без сочетания с другими врубками.
Во всех врубках необходима проверка прочности рабочих поверхностей на смятие. Если во врубках есть скалываемые поверхности, то проверяют прочность их на скалывание. Кроме того, требуется проверять прочность на растяжение, сжатие или изгиб ослабленного врубкой элемента.
Проверку на смятие ведут по формуле:

где ?Fсм — сумма площадей смятия, работающих совместно на передачу сил одного направления.
Сминающая сила Nсм направлена перпендикулярно к плоскости смятия.
Прочность врубок на скалывание проверяют по формуле:

где ?Fсм — сумма площадей скалывания, работающих совместно на передачу сил одного направления.
Расчетной скалывающей силой считают проекцию усилия примыкающего сжатого элемента на плоскость скалывания.
Разгружающее влияние сил трения при расчете врубок не учитывают.
Расчетные сопротивления смятию Rсма во врубках можно определить по графику.

Рекомендуемые типы одиночных лобовых врубок, или, как часто говорят, лобовых врубок с одним зубом, представлены на рисунке II—26. Примыкающий сжатый элемент (в данном случае верхний пояс стропильной фермы) упирается частью своего торца в вынутое для этой цели гнездо в другом ослабляемом элементе (на рисунке в нижний растянутый пояс). Площадка смятия I—2 расположена перпендикулярно к оси примыкающего сжатого элемента, поэтому такая врубка называется ортогональной.
Разница между врубками, представленными на рисунке II—26, а и б, в том, что площадка смятия в первом случае расположена симметрично относительно оси примыкающего элемента, что избавляет последний от эксцентриситета и от связанного с этим дополнительного изгибающего момента. В работу собственно врубки расположение площадки смятия по типу а или б заметных изменений не вносит.

Врубку, представленную на рисунке II—26,а, называют лобовой ортогональной с центрированной площадкой смятия. Преимущество этой врубки — более короткий свес хвостовой части за настенный брус, что облегчает устройство карниза (рис. II—26,в). Расчет врубки состоит в проверке прочности:
1) сминаемой площадки 1—2 под воздействием всего усилия примыкающего элемента:

где Fсм =ahвр: cos ? — площадь смятия;
Rсм? — расчетное сопротивление смятию под углом а, назначаемое по формуле (I—1) или по рисунку I—13 в пределах от 130 до 30 кг/см2 (для сосны и ели);
2) скалываемой площадки I—4 под воздействием проекции усилия примыкающего элемента на плоскость скалывания или, что равносильно, на ось нижнего пояса:

где Fck = alск — площадь скалывания;
Rск ср — расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон (среднее для сосны и ели 12 кг/см2).
Для опорного узла треугольной фермы проекция усилия верхнего пояса на ось нижнего пояса равна усилию в последнем Ncos?=U. В промежуточных ненагруженных узлах с одним раскосом проекция усилия раскоса на ось пояса равна разности усилий в соседних панелях пояса.
Обычно при расчетах. врубок задаются толщиной бруса а и по формуле (II—39) определяют требуемую глубину врубки:
Соединения элементов деревянных конструкций на врубках

Глубина лобовой врубки должна быть не более 1/3 высоты ослабляемого бруса или диаметра бревна, кроме промежуточных узлов сквозных конструкций из брусьев, где назначают глубину врубки не более 1/4 высоты ослабляемого бруса. При более глубоких врубках работа последних на скалывание может быть сильно ослаблена трещинами от усушки, которые возникают обычно в средней части высоты бруса почти параллельно плоскости скалывания. Наименьшая глубина врубки в элементах из пиленого леса 2 см и в бревнах 3 см.

После определения глубины врубки по формуле II—40 находят требуемую длину площади скалывания:

Напряжения скалывания вдоль площадки распределяются тем неравномернее, чем длиннее площадка. По мере удаления от места приложения нагрузки величина скалывающих напряжений убывает довольно быстро. В длинных площадках удаленная часть древесины или совсем не работает на скалывание, или работает очень слабо.
Экспериментальные исследования ЦНИПС над специальными образцами и исследования автора над врубками показали, что величина скалывающей силы возрастает почти пропорционально увеличению длины площади скалывания lск лишь до определенного соотношения между длиной этой площади и полной высотой h элемента, в котором происходит скалывание.
В качестве границы для лобовых врубок можно принять соотношение lск:h?2. При увеличении длины площади скалывания до lск=4h (то есть в 2 раза) величина скалывающего усилия в опытах ЦНИПС возросла всего на 35%, а при увеличении длины до 6h на 50%. Последнее соответствует падению средних скалывающих напряжений примерно в 2 раза.

В опытах автора с лобовыми врубками не только на моделях, покрытых лаком, но и на обыкновенных моделях можно было отчетливо наблюдать последовательность развития разрушения вдоль длинной площадки скалывания. Очень малая длина площадки скалывания может привести к разрушению врубки от образования трещины со стороны торца. Такое разрушение от раздавливания особенно вероятно при больших углах примыкания элементов (рис. II—27).
Соображения, приведенные выше, дают основание для ограничения длины площади скалывания, вводимой в расчет, следующими пределами:

Нерекомендуемые типы одиночных лобовых врубок. На рисунке II—28 представлены разновидности одиночных лобовых врубок, которые не рекомендуется применять.
Во врубке с площадкой смятия, расположенной перпендикулярно к скалываемой площадке (рис. II—28,а), скалывание протекает в несколько худших условиях, чем у обычных ортогональных врубок (рис. II—26), вследствие отсутствия силы, прижимающей сдвигаемый объем древесины к основному (рис. II—26). Неблагоприятное влияние неравномерной усушки на работу врубки, представленной на рисунке II—28, а, сказывается также сильнее, чем на работе врубки, представленной на рисунке II—26.

Рекомендуемый тип двойной лобовой врубки. Требуемая глубина врубки, найденная по формуле II—41

может оказаться такой большой, что определенная из нормативного соотношения h?3hвр минимальная допустимая высота ослабляемого элемента будет больше высоты брусьев, применяемых в обычном строительстве. В таком случае целесообразно применить двойную лобовую врубку (врубку с двумя зубьями).
Второй зуб этой врубки (рис. II—30) должен быть глубже первого зуба не меньше чем на 2 см (h''вр>h'вр + 2 см), чтобы площадки скалывания у каждого зуба находились ка разных уровнях. Вершину второго зуба следует располагать на оси примыкающего элемента; основные плоскости смятия перпендикулярны к оси примыкающего элемента (ортогональная врубка); глубина врубки второго (большого) зуба не больше 1/3 высоты ослабляемого элемента. Длина V'ск площади скалывания у первого зуба ограничивается теми же пределами, что и у врубки с одним зубом (формулы II—43,а и 43,б). Длину l''ск площади скалывания у второго зуба определяют конструктивно (рис. II—30):l''ск = l'ск+с.
Из заштрихованного на рисунке II—30,б прямоугольного треугольника находим

В нормах есть указание на то, что длина площади скалывания у второго зуба должна быть не более десятикратной его глубины. Автор считает, что условия работы на скалывание площадки второго зуба благоприятнее условий скалывания площадки первого зуба или площадки во врубке с одним зубом. Во втором и третьем случаях вся сила сдвига приложена в начале площадки скалывания, поэтому в распределении скалывающих напряжений по длине площадок наблюдается существенная неравномерность (рис. II—31).


Усилие, вызывающее сдвиг по площадке у второго зуба, приложено (рис. II—31,б) частью в начале площадки скалывания (сила, передаваемая смятием этого зуба) и частью на протяжении площади скалывания (сила, передаваемая смятием первого зуба). При этом прослойка древесины между площадками 1—6 и 4—7 толщиной не менее 2 см распределяет вторую часть сдвигающего усилия на значительную длину площадки 4—7. По этой причине скалывающие напряжения распределяются по площадке второго зуба равномернее, чем первого. В результате существенно повышается временное сопротивление скалыванию во врубках с двумя зубьями при разрушении по площадке второго зуба. Высказанные соображения подтверждены результатами экспериментов. Среднее временное сопротивление скалыванию во врубках с двумя зубьями составило 47,9 кг/см2, а во врубках с одним зубом — всего 27,2 кг/см2, (рис. II—32).
Указанные обстоятельства дают основание признать нормативное ограничение l''ск ? 10h''вр неправильпым и, кроме того, считать целесообразным еще более повысить расчетные сопротивления скалыванию при расчете площадки у второго зуба по сравнению с расчетными сопротивлениями во врубках с одним зубом. В этом кроются существенные, пока еще недостаточно используемые резервы.
Лобовые врубки с двумя зубьями рассчитывают в предположении, что (см. рис. II—30):
1) усилие примыкающего элемента распределяется между двумя основными плоскостями смятия (1—2 и 3—4) пропорционально размерам их площадей F'см и F'см;
2) доля усилия, приходящаяся на площадку скалывания первого зуба U', пропорциональна соотношению площадей смятия этого зуба и второго;
3) площадка скалывания у второго зуба нагружена полным усилием сдвига, равным проекции усилия примыкающего элемента на ось ослабленного элемента.
Расчет врубки с двойным зубом в брусчатом лесе можно вести в следующем порядке.
Определяем требуемую сумму глубин врубки:

Из условия h''вр?h'вр+2 см находим глубину первого (меньшего) зуба:

Полученные размеры округляем до целых сантиметров или в крайнем случае до 5 мм.
Затем из условия пропорциональности скалывающих сил площадям смятия или, что для брусчатого леса равносильно, пропорциональности глубин врубок:

находим силу сдвига U', действующую по площадке первого зуба:

По найденному значению скалывающего усилия можно определить требуемую длину l'ск площади скалывания у первого зуба:

Эта величина должна находиться в установленных нормами пределах (см. формулу II—43).
При выполнении врубки может оказаться, что площадка 1—2 смятия у первого зуба будет пригнана плотнее, чем площадка 3—4 второго зуба. Тогда в начале загружения первый зуб будет перегружен. С учетом этого расчетное сопротивление скалыванию по площадке первого зуба понижают (умножением их на коэффициент k'ск=0,8).
По формуле (II—45) находят длину площади скалывания у второго зуба:

и проверяют напряжения скалывания по этой площади, вводя в расчет всю силу сдвига (U=N cos ?) и расчетное сопротивление, увеличенное на 15%:

Двойные лобовые врубки сложнее в производстве работ, чем одиночные врубки, но зато они обладают значительно большей грузоподъемностью и надежностью в эксплуатации (см. значения пределов прочности на скалывание, рис. II—32). Это относится только к врубкам, выполненным в соответствии с рисунком II—30, то есть при глубине второго зуба больше глубины первого на 2 см и при условии, что второй зуб начинается на оси примыкающего сжатого элемента.

Нерекомендуемые типы двойных лобовых врубок. Врубки с двумя зубьями равной глубины не допускается применять (рис. II—33,с). Экспериментальные исследования ЦНИПС показали, что нагрузка, разрушающая лобовую врубку с двумя зубьями при равной их глубине, почти не отличается от нагрузки, разрушающей врубку с одним зубом той же глубины.
Объясняется это тем, что второй, более нагруженный, зуб имеет меньшую площадку скалывания, чем первый, менее нагруженный. Поэтому врубка разрушается не от совместного (одновременного) скалывания обеих площадок, а от последовательного разрушения сначала более короткой площадки у второго зуба, а затем у первого. В этой последней стадии врубка с двумя зубьями работает как врубка с одним зубом, вследствие чего и разрушающие их нагрузки получаются почти одинаковыми.
Двойные лобовые врубки, у которых вершина второго зуба лежит не на оси примыкающего элемента (рис. II—33,б и в), обладают значительно меньшей грузоподъемностью, чем врубки нормального типа (см. рис. II—30).
Особенности опорных узлов ферм на лобовых врубках. Выше были представлены опорные узлы треугольных ферм (см. рис. II—26, II—30). Для связи верхнего и нижнего поясов (во время сборки, транспорта и монтажа) ставят в одиночных врубках один, а в двойных — обычно два стяжных болта диаметром 12—24 мм, в зависимости от поперечных размеров соединяемых элементов. Диаметр болта назначают около 0,1 ширины бруса или диаметра бревна.
Заменять стяжные болты в опорных узлах хомутами или скобами нежелательно. В случае скалывания площадки врубки болт будет работать на изгиб и растяжение, создавая одновременно дополнительные силы трения (рис. II—34). Болты могут предотвратить обрушение ферм или замедлить его. Поэтому их иногда называют аварийными.

Усилие в болтах (см. силовой многоугольник на той же фигуре) можно определить по формуле: Nб = Ntg (73°—?); требуемая площадь болта в месте, ослабленном нарезкой,

где ?т=Rб н— предел текучести стали, из которой изготовлен болт.
Связи (обычно гвозди), прикрепляющие подкладку к нижнему поясу, при этом будут работать на сдвигающую силу Т, равную

Толщину подкладки (подбалки), прикрепляемой к нижнему поясу ферм в опорных узлах, принимают не меньше глубины врубки. Основное назначение подкладки — образовать опорную площадку для шайбы стяжного болта, чтобы не делать для этой цели врезку в самом растянутом поясе. Две несимметрично расположенные врезки существенно ухудшили бы работу растянутого пояса.
Опыт эксплуатации стропильных ферм показывает, что их опорные узлы наиболее подвержены загниванию, которое начинается обычно снизу. Сменить же сгнившую подкладку гораздо проще, чем нижний пояс. Наконец, опорная подкладка, прикрепленная к поясу достаточным количеством связей, в некоторой мере усиливает пояс. Во всех опорных узлах подкладки предохраняют нижний пояс от чрезмерного вдавливания настенного бруса.
Подкладки опорных узлов опираются на настенный (мауерлатный) брус, который распределяет опорное давление фермы на большую площадь стены. Если фермы опираются на железобетонные колонны, необходимость в настенном брусе отпадает, его можно заменить прокладкой из доски толщиной 5—6 см. Настенные брусья и прокладки, так же как и подбалки, должны быть антисептированы (желательно маслянистым антисептиком). Между стеной и настенным брусом следует проложить термогидроизоляцию (несколько слоев толя на антисептированном войлоке).
Во избежание скола угла кладки настенный брус располагают на расстоянии 5 см от края стены. В железобетонных колоннах это расстояние следует назначать не менее толщины защитного слоя (2—3 см).
В опорных узлах ферм на лобовых врубках необходимо, кроме расчета собственно врубок (на смятие и скалывание), проверить напряжения смятия по площади соприкосновения под-в, кладки с настенным брусом (см. рис. II—30) воздействием опорного давления А:

Большие равномерные обмятия настенного бруса и подбалки не представляют опасности для работы всей фермы. Вследствие этого расчетное сопротивление местному смятию поперек волокон в опорных плоскостях назначают по таблице 1—2, п. а. (для сосны и ели 24кг/см2).
Опорную площадь настенного бруса F назначают в зависимости от расчетного сопротивления кладки или бетона (рис. II—30):

где b — ширина бруса;
l — длина бруса.
Вводимую в расчет длину бруса l следует во избежание большой неравномерности давления назначать не более трех ее высот.
Нижний пояс фермы необходимо проверить на растяжение по наиболее ослабленному сечению (с учетом ослаблений врубкой и отверстием для стяжного болта).
Для фиксирования взаимного расположения опорного узла и настенного бруса, облегчения и ускорения правильной установки фермы на место в подбалке делают соответственный вырез или прибивают к ней специальный кусок доски.

Особенности врубок в круглом лесном материале. Площадки смятия врубок в бревнах представляют фигуры, образованные пересечением плоскости с цилиндром или слабо выраженным конусом. В большинстве случаев это сегменты круга или эллипса. Если бревна были предварительно окантованы (отесаны или опилены), то верхняя часть сегментов окажется снятой (рис. II—35). Площадь смятия здесь равна разности площадей большого и малого сегментов.
Приближенно площадь кругового сегмента можно вычислить по формуле:

где hвр — глубина врезки (стрелка сегмента);
а — хорда сегмента, определяемая по рисунку II—36 из прямоугольного треугольника:

kсег — коэффициент, значение которого в среднем можно принять равным 0,71.
Более точные значения коэффициента kсеег в зависимости от отношения глубины врубки к диаметру бревна приведены на рисунке II—36.
При конструировании врубок в бревнах нужно стремиться к тому, чтобы хорда сегмента примыкающего элемента была не менее хорды сегмента ослабляемого элемента. Если сделать это невозможно, то в расчет вводят лишь ту площадь смятия, которая действительно перекрывается обоими соприкасающимися сегментами (рис. II—37).

Разновидности врубок. Врубки, в работе которых принимают участие совместно три плоскости смятия, называют трехплоскостными (рис. II—38).
Среди трехплоскостных врубок различают лобовые (рис. II—38 ,а, б) и щековые врубки.
Все недостатки щековых врубок - трудность обеспечения одновременного и равномерного включения в работу большого количества совместно работающих площадок, затрудненность контроля над производством работ и неудовлетворительность условий работы на скалывание, в трехплоскостных щековых врубках проявляются особенно сильно. Поэтому от применения их следует категорически отказаться.

В трехплоскостных же лобовых врубках (рис. II—38, а, б) исключена работа древесины на скалывание, а число рабочих площадок, требующих тщательной пригонки, в 2—3 раза меньше, чем в щековых трехплоскостных врубках. Эти врубки удобны для конструирования узлов ферм на переломе пояса. Наличие гибкой растянутой стойки, выполненной из круглой стали, в значительной мере обеспечивает шарнирный характер всего узлового соединения и в некоторой мере допускает регулировку последнего за счет подтягивания стойки и поворота коротыша.
Соединение сжатых элементов в месте, закрепленном от продольного изгиба, и при отсутствии изгибающих моментов можно осуществлять при помощи штыря (рис. II—39, а) или в полдерева (рис. II—39, е). He допускается выполнять такие соединения при помощи шипа (рис. II—39,б). При наличии изгиба сжатые элементы рекомендуется соединять косым прирубом (рис. II—39,г).
Элементы, работающие на изгиб, можно соединять косым прирубом с болтами (рис. II—40). Шарнирное соединение косым прирубом приведено на рисунке II—40, б. При действии в стыке изгибающего момента связи (болты, хомуты) должны быть рассчитаны на действие этого момента.
Удовлетворительное соединение частей растянутого элемента с помощью врубок не получается. По этой причине для соединения частей растянутого элемента врубки применять не следует.
Способы соединения балок со стойками зависят от того, проходят ли балки над стойкой без разреза или они над ней стыкуются.

В первом случае соединение выполняют с помощью шипа (рис. II—41, а) или штыря (рис. 41,б,в). Обычно шип имеет форму куба со стороной, составляющей около 1/3 стороны поперечного сечения стойки, но не менее 5 см. Если от балки на стойку передается не только вертикальная сила, но и горизонтальная, то для увеличения прочности шипа ему придают форму прямоугольного параллелепипеда с большей гранью, расположенной перпендикулярно оси балки; такой шип называют гребнем.
Опорное давление балки передается на стойку смятием балки поперек волокон и торца стойки, за вычетом площади шипа. Чтобы после усушки и обмятия балка не оказалась опертой только на шип, что может вызвать разрушение шипа и растрескивание стойки, глубину гнезда следует делать на 5—10 мм больше высоты шипа.

Соединение сквозным штырем (рис. II—41,б) значительно проще. В конструкциях, подверженных атмосферным осадкам, древесина балки у отверстия для сквозного штыря может загнивать. Поэтому после высверливания отверстия древесину нужно антисептировать. Штырь следует забивать на 3—5 см ниже верхней грани балки (рис. II—41,г) и оставшуюся часть гнезда заполнять антисептической пастой. Постановка штырей с глухим отверстием в балке (рис. II—41, в) сложнее, чем. со сквозным, из-за необходимости отдельной и весьма точной разметки этих отверстий в балке и стойке. Поэтому такое соединение не рекомендуется.
При опирании неразрезных балок на стойки не следует делать в балках прямоугольных врезок по типу, представленному на рисунке II—42, б. Такой подрез, расположенный в месте максимальных значений изгибающих моментов и опорных давлений, может вызвать растрескивание балки. Круглые балки для образования горизонтальных плоскостей смятия стесывают весьма полого (рис. II—42, а).

Верхнюю часть круглых стоек отесывают до формы обзольного бруса, назначая ширину а равной хорде стеса балки. Такие стесы под балкой уменьшают возможность отдирания волокон («размочаливания» головы стойки). Два других стеса устраняют горизонтальные выступы, на которых в конструкциях, подверженных влиянию атмосферных осадков, возможен застой воды.