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 шпонках

27.02.2017

Общие указания. Шпонками называют разнообразные по форме и материалу вкладыши (рис. II—43), препятствующие взаимному смещению соединяемых элементов.
Основной признак шпоночного соединения — наличие распора соединяемых элементов от поворота шпонки, происходящего под влиянием сил, действующих на вкладыш внецентренно и стремящихся повернуть его (рис. II—44). Распор должен быть погашен стяжными болтами. Без стяжных болтов шпоночное соединение работает неудовлетворительно.
Древесина соединяемых элементов у шпонок, а также и сами шпонки работают на смятие и скалывание.
Шпонки (вкладыши) могут быть сделаны из такого же материала, что и соединяемые элементы, или из более плотного материала (обычно из дуба, а также из стали и чугуна).

По форме вкладышей различают шпонки: призматические (прямые и косые), цилиндрические, дисковые и тарельчатые, кольцевые разрезные и неразрезные, зубчатые и многие другие.
Все шпонки, за исключением зубчатых, помещают в заранее приготовленные для них гнезда. Зубчатые шпонки вдавливают (запрессовывают) в соединяемые элементы силой натяжения болтов, расположенных по центрам шпонок, или специальными стяжными хомутами и другими устройствами. Запрессовка зубчатых шпонок обеспечивает высокую плотность этого вида соединения в противоположность остальным шпоночным соединениям, имеющим даже при весьма тщательном изготовлении значительные неплотности. Эти неплотности являются причиной начальных остаточных деформаций шпоночных соединений и неравномерного загружения отдельных шпонок.
Почти во всех шпоночных соединениях (кроме зубчатых) площадки скалывания выявлены четко; у этих же площадок происходит концентрация дополнительных напряжений, возникающих при неравномерной усушке древесины, и напряжении, возникающих при повороте шпонок (рис. II—44,г).

Изготовление всех видов шпоночных соединений весьма трудоемко, нуждается в высококвалифицированной рабочей силе и в опытном техническом надзоре.
В нашем строительстве послевоенного времени, применяют, и притом редко, только деревянные призматические шпонки. В конструкциях постоянного назначения СНиП II-B.4-62 не рекомендуют их применять. Остальные виды шпонок (см. рис. II—43) совсем не применяют. Поэтому их работа здесь не рассмотрена.
Призматические деревянные шпонки. Для предупреждения сдвига соединяемых элементов в них выдалбливают гнезда, в которые и вставляют деревянные шпонки, имеющие обычно форму прямоугольного параллелепипеда.
В зависимости от направления волокон вкладышей по отношению к волокнам соединяемых элементов (или, что то же, по отношению к шву, к плоскости сдвига) различают поперечные, продольные и косые шпонки (рис. II—44).
Для всякого соединения на деревянных шпонках необходимо сделать следующие расчеты.
1. Проверка прочности соединения на смятие:

где Тш — усилие, действующее на шпонку;
[Тш]см — допускаемое на одну шпонку усилие, определяемое исходя из прочности соединения на смятие;
Fсм — площадь смятия у одной шпонки;
Rсм — расчетное сопротивление смятию, назначаемое так же, как и для лобовых врубок: при дубовых поперечных шпонках 60 кг/см2, а при сосновых продольных или косых 130 кг/см2 (влиянием угла смятия в последнем случае пренебрегают).
Для прямоугольных брусьев толщиной а при глубине гнезд hвр (рис. II—44,б) формула (II—48) примет вид:

2) Проверка прочности соединения на скалывание:
а) шпонки

б) бруса или бревна на участке между гнездами шпонок:

где lш — размер шпонки вдоль шва (длина шпонки);
? — толщина бруса или хорда сегмента скалываемой части бревна;
lск — при поперечных и продольных шпонках — расстояние между гнездами для шпонок (рис. II—44,б), а при косых шпонках — расстояние от края одной шпонки до середины соседней (рис. II—44,в), но не более 10hвр;
Rск ср — расчетное сопротивление скалыванию в древесине шпонок: при поперечных дубовых 10 кг/см2, а при продольных сосновых или еловых 12 кг/см2;
Rск ср — расчетное сопротивление скалыванию в древесине соединяемых элементов назначается, как для лобовых врубок, то есть для сосны и ели 12 кг/см2;
kск — коэффициент, понижающий расчетную несущую способность [Tш]ск многорядовых соединений на деревянных призматических шпонках, определяемую из условия скалывания. Величину kск принимают: для поперечных шпонок 0,9; для продольных шпонок и колодок 0,8; для элементов, соединяемых поперечными шпонками, 0,85; для элементов, соединяемых продольными шпонками и колодками, 0,7.
Разные значения коэффициента kск обусловлены различием в характере скалывания в шпонках (двустороннее скалывание) и в брусьях (одностороннее), а также большей жесткостью соединений на продольных шпонках по сравнению с поперечными (рис. II—45).
3. Определение момента сил, вращающих шпонку, и подбор сечения стяжных болтов.

Силы сдвига, действующие на шпонку, образуют пару сил (Тш—Tш) с плечом е, равным расстоянию между центрами тяжести площадок смятия (рис. II—46,а). Если соединяют прямоугольные брусья, между которыми нет зазора, то e=hвр; при наличии зазора h3, е=hвр+h3; если соединяют два круглых бревна, то при наличии зазора е=2*3/5hвр+h3 (рис. II—46,г).
Влияние пары сил (Тш~Тш) погашается силами трения, возникающими по площадкам смятия при стремлении шпонки к повороту (рис. II—46,б), и силами сопротивления со стороны брусьев. Развивающиеся при этом по длинным сторонам шпонок напряжения смятия весьма неравномерны, длина участков, на которых они развиваются, зависит от многих факторов, не поддающихся учету при проектировании (начальная плотность, влажность древесины, наличие сучков и др.). Поэтому положение равнодействующих сил сопротивления со стороны брусьев и расстояние между этими силами х можно определить лишь весьма условно. Это расстояние х всегда меньше длины шпонки lш и, по-видимому, более половины lш.
Положение сил трения, наоборот, совершенно определенно. Величину их находят по формуле:
Соединения элементов деревянных конструкций на шпонках

где kтр — коэффициент трения дерева по дереву.
Назначив величину kтр в зависимости от того, происходит ли трение торца по торцу или торца по боковой пласти, можно найти такую длину шпонки lш, при которой равновесие шпонки достигается только силами трения (без работы стяжных болтов):

Однако значения коэффициента трения дерева по дереву весьма изменчивы. Поэтому при расчетах шпоночных соединений влияние сил трения учитывают лишь косвенно, при определении плеча пары удерживающих сил Nб, а именно: плечо пары х принимают равным длине шпонки lш (рис. II—46,в), то есть несколько увеличенным, за счет чего получается снижение расчетных усилий в стяжных болтах Nб.
При указанных допущениях усилие в стяжных болтах определяют по следующей формуле:

По найденному усилию Nб определяют требуемую площадь болта нетто (с учетом ослабления нарезкой):

где Rб — расчетное сопротивление растяжению в болтах.
Необходимый диаметр болта в зависимости от требуемой площади можно определить по таблице II—6 или при помощи обычной формулы площади круга:

Стяжные болты обычно размещают посредине расстояния между деревянными шпонками. Лишь при длинных продольных шпонках (колодках) и наличии зазоров через каждую шпонку пропускают по два болта.
При проектировании соединений на деревянных шпонках должны быть соблюдены следующие нормативные указания:
1) глубина врезки hвр шпонок в отдельные элементы должна быть не больше 1/5 высоты отдельного бруса h1 или 1/4 диаметра бревна и не меньше 2 см в брусьях и 3 см в бревнах;
2) размер шпонки вдоль шва lш не меньше 5 глубин врезки, а в соединениях с зазором не меньше 2,5 высот шпонки;
3) зазор между соединяемыми элементами не меньше 4 см и не больше 1/2 высоты (диаметра) соединяемых элементов;
4) расстояние между гнездами для шпонок в свету не меньше длины шпонки;
5) поперечные шпонки для возможности подбивки и уплотнения их в гнездах составляют из двух клинообразных частей (см. рис. II—44, а) с уклоном грани 1/6—1/10; поперечные шпонки должны выступать за пределы соединяемых элементов на 2—3 см с каждой стороны.

Деформации в соединениях на продольных шпонках значительно меньшие, чем на поперечных (при одинаковой начальной плотности). Большая грузоподъемность продольных шпонок является их преимуществом по сравнению с поперечными шпонками, а большая жесткость и малая вязкость — недостатками. Из-за этих недостатков между совместно работающими продольными шпонками действующие на них усилия почти не выравниваются и соединения разрушаются от последовательного скалывания, начиная с мест, наиболее перегруженных. Это обстоятельство создает потребность в особо тщательном производстве работ для устранения начальных неплотностей — основной причины неравномерности загружения шпонок.
Преимущества косых шпонок по сравнению с продольными и поперечными, заключаются в исключении скалывания в самих шпонках и в удлинении площадок скалывания в брусьях (см. рис. II—44, в и II—45). Они также более податливы, чем продольные.
Чтобы уменьшить концентрацию напряжений от усушки в брусьях и улучшить условия работы последних на скалывание, косым шпонкам придают форму прямоугольных параллелепипедов, чем создают эффект дополнительного прижатия по площадкам скалывания. Косые шпонки с площадкой скалывания, расположенной перпендикулярно к волокнам брусьев (рис. II—45), применять не следует.
Недостатки соединений на косых шпонках — возможность передачи с их помощью усилий только в одном направлении и трудность механизации процесса изготовления.
В составных балках и стойках, подверженных атмосферным воздействиям, рекомендуется делать зазоры между брусьями (бревнами) для проветривания и снижения опасности загнивания.
К дефектам в соединениях на призматических шпонках относятся неплотности между гнездами и вкладышами; большие ослабления поперечного сечения (чем предусмотрено проектом) из-за пропила гнезд на избыточную глубину; трещины от усушки у расчетных площадок скалывания и слабое натяжение болтов.