Соединения на вклеенных стальных стержнях

Короткие стальные стержни из арматуры периодического профиля классов А-II и A-III могут быть вклеены в цельный или клееный деревянный элемент вдоль, поперек или под углом к волокнам древесины. Они вклеиваются в прямоугольные пазы с накладками или в круглые отверстия эпоксидно-цементным клеем (ЭПЦ), обеспечивающим надежное соединение древесины со сталью. Диаметр стержней 12...25 мм. Размер отверстия или паза принимается на 5 мм больше диаметра стержня. Общий вид продольно вклеенных стержней в клееный деревянный элемент показан на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Соединение на вклеенных стержнях

Глубина вклеивания при продольном вклеивании должна быть не менее 10d и не более 30d (d — диаметр стержня). Расстояние между осями стержней принимается не более 3d, а до краев сечения — не менее 2d.

Вклеенные вдоль деревянного элемента стержни работают на продольные растягивающие (выдергивание) или сжимающие (продавливание) силы. Древесина при этом работает на скалывание вдоль волокон. Напряжения скалывания по длине вклеенной части стержня распределяются неравномерно, что в расчетах учитывается коэффициентом /С_с. Расчетная несущая способность продольно вклеенного стержня при выдергивании (или при вдавливании) производится по формуле

где / — длина вклеивания стержня, м; d — диаметр стержня, м; R_CK — расчетное сопротивление скалыванию древесины;

Требуемое число продольно вклеенных стержней в соединении, на которое действует усилие N от расчетных нагрузок, определяется но формуле

Сами стальные стержни работают в этом соединении на растяжение (или сжатие) обычно с большим запасом по прочности и рассчитываются в соответствии с требованиями СНиП на стальные конструкции.

Соединения на поперечно вклеенных стальных стержнях работают аналогично, но более надежно, чем на продольно вклеенных. Расчетная несущая способность такого соединения может подсчитываться (в запас прочности) по формуле (4.3) или по более точной формуле

где R_CMgo — расчетное сопротивление древесины местному смятию поперек волокон, R_cm90= 3 мПа; К_см — коэффициент неравномерности распределения напряжений смятия,

Соединения на поперечно вклеенных стальных стержнях применяются в опорных и промежуточных узлах сплошных конструкций.

Соединения на наклонно вклеенных стержнях работают так же, как и на поперечно вклеенных, на растяжение и на смятие древесины и могут рассчитываться аналогично, но с учетом угла смятия.

Примеры использования соединений на вклеенных стальных стержнях в несущих деревянных конструкциях приведены на рис. 4.12 и 4.13.

Рис. 4.12. Жесткие узлы на вклеенных стальных стержнях:

а — сопряжения деревянной стойки с фундаментом; б — стык балок

Рис. 4.13. Соединения деревянных элементов с применением вклеенных стержней:

а — сжатый или растянутый стык; б — примыкание растянутого элемента; в — стык растянутого элемента

В соответствии с рекомендациями СГ1 64.1333.2011 расчетную несущую способность вклеенного под углом к волокнам стержня на выдергивание или продавливание в стыках клееных деревянных конструкций следует определять по формуле

где R — расчетное сопротивление древесины выдергиванию или продавливанию вклеенного стержня, мПа, R = 4 мПа; d_x — диаметр отверстия, м; /_р — расчетная длина стержня, м, /_р = / — /₀ < 25d (/ —длина заделываемой части, м; 1₀= 3d — глубина возможного снижения прочности клеевой прослойки при сварке, для стержней без сварки /₀= 0); К_с — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений; К₀ — коэффициент, зависящий от знака нормальных напряжений вдоль волокон в зоне установки стержня. Для стержней, работающих в зоне растягивающих напряжений а, действующих вдоль волокон древесины, значение K_G определяют по формуле К_а = 1 — 0,01а; для стержней, работающих на продавливание, К_а = 1; md — коэффициент, учитывающий зависимость расчетного сопротивления от диаметра стержня, md = 1,12 - 10d)R._A — расчетное сопротивление материала стержня; Л_а — площадь сечения стержня.

Минимальное расстояние от боковых граней пакета до оси стержня принимается не менее 2d и не менее 30 мм, между осями стержней по ширине пакета расстояние должно быть не менее 2d, от торца пакета вдоль волокон до оси стержня — не менее 100 мм; между стержнями вдоль волокон Ы при угле наклона стержня а к направлению волокон до 30° — не менее 14d, при а от 30° до 60° — Юг/, при а более 60° — 7,5d.

Пример № 5

Запроектировать узел нижнего пояса фермы с размещением в узле стыка элементов пояса, выполненного на вклеенных стальных стержнях диаметром d = 20 мм. Нижний пояс выполняется из клееных деревянных элементов. Древесина — сосна первого сорта.

Вклеенные стержни изготовлены из арматурной стали класса А-Ш периодического профиля. Для вклеивания стержней просверливается гнездо диаметром D₀ = d+ 5 = 20+ 5 = 25 мм, которое заполняется эпоксидным клеем марки Э11Ц.

Расчетные усилия в элементах нижнего пояса приняты равными Nj = 105,0 кН, N₂ = 85,0 кН.

Для определения глубины заделки вклеиваемых стержней воспользуемся формулой для подсчета несущей способности одного стержня:

d распределения напряжений скалывания по длине стержня.

где R_CK — расчетное сопротивление древесины скалыванию, R_CK = 2,1 мПа — для клееной древесины (сосна первого сорта);

К_с = 1,2 - 0,02— — коэффициент, учитывающий неравномерность

Рис. 4.14. Узел нижнего пояса фермы

Оптимальная длина вклеивания стержня принимается равной (1(Н30)б/. При такой длине коэффициент К_с изменяется в пределах 1,(НО,4. Для первого приближения примем К_с = 0,5. Тогда необходимая длина вклеивания стержней в элементах нижнего пояса при их количестве т = 4 составит:

где R_CK = 2,1 мПа, расчетное сопротивление древесины скалыванию принято как для нижнего элемента.

Принимаем 1_Л = 400 мм; /₂ = 35 мм. Для таких длин коэффициенты К_с равны:

Проверка несущей способности вклеенных стержней на скалывание:

Несущая способность обеспечена.

Несущая способность стержней на растяжение составляет:

где А_ит = 2,18 см² — площадь нетто одного стержня; m = 0,8 — коэффициент, учитывающий перегрузку стержня.

Прочность обеспечена.

Соединение элементов нижнего пояса осуществляется с применением сварного вкладыша, в вертикальные стенки которого вставляются свободные концы вклеенных стержней с резьбовой нарезкой, на которые в процессе монтажной сборки узла завинчиваются гайки. Для крепления раскосов используются стальные наконечники из двух пластин, которые одним концом прикрепляются к деревянным раскосам (с помощью шурупов или болтов), а другим концом навешиваются на центровой болт узла.

Расчет крепления стальных наконечников к деревянному раскосу с помощью гвоздей или болтов приведен в примере № 1.

Центровой узловой болт работает на срез и на изгиб. Расчет его производится по нормам проектирования стальных конструкций.

В процессе конструирования узла необходимо соблюдать регламентируемые нормы расстановки стержней по высоте и ширине клееного элемента, представленные выше в этом разделе. С учетом этих требований на рис. 4.12 указаны необходимые размеры: S₂ = 3d = 3 • 20 = 60 мм; ^3 = 2d = 2 • 20 = 40 мм.