Детали и узлы соединений

Многие виды соединительных узлов стропильной системы могут быть унифицированы и выполнены с использованием элементов, изготовленных из листовой стали.

Для соединения деревянных элементов применяются гвозди, шурупы, нагели, болты и шпонки установленного диаметра, гвоздевые пластины. Монтаж стропильной системы начинают с выравнивания стяжкой верхней поверхности несущих стен. На стяжку укладывают гидроизоляцию, а поверх нее мауэрлаты и лежень. Далее собирают подстропильную опорную конструкцию из стоек, прогонов, подкосов и устанавливают сначала крайние стропила, а затем промежуточные. Расстояние между фермами определяется конструкцией системы и несущей способности обрешетки.

Различные исполнения крыши. В целом исполнение крыши зависит от ее конфигурации, уклонов скатов, типа несущей конструкции, вида кровельного покрытия, а также требований, предъявляемых к тепло- и звукоизоляции.

Так, значительное увеличение цен на энергоносители диктует повышенные требования к тепловому контуру всего здания, одним из основных элементов которого является крыша. Использование различных гидроизолирующих материалов требует создания соответствующей системы вентиляции. Тип кровельного покрытия и наличие в доме жилых мансардных помещений также может существенно влиять на исполнение крыши.

Способы и виды соединений деревянных конструкций

Традиционные соединения. Сюда относятся многообразные соединения, прошедшие в деревянном зодчестве многовековую проверку и зарекомендовавшие себя как наиболее подходящие для строительного лесоматериала. Из-за своих недостатков (ослабления древесины, больших трудозатрат, сложности выполнения) в настоящее время они находят ограниченное применение, поэтому мы рассмотрим только важнейшие из них.

Врубки. Для раскосов, работающих на сжатие, врубки представляют собой единственное плотницкое соединение, способность которого выдерживать нагрузки может быть с некоторой степенью точности выражена математически. Из различных способов выполнения этого соединения самое большое значение придается простой лобовой врубке, врубке задним зубом и врубке двойным зубом.

Предпочтение следует отдавать простой врубке, так как при врубке задним и двойным зубом необходимо соблюдать более высокие требования к точности соединения частей. Плохо подогнанные плоскости часто приводят к продольному растрескиванию подкосов.

Соединения на шпонках. Такие соединения работают главным образом на смятие и срез. Шпонки в виде прямоугольных или круглых шайб, тарелок, колец вставляются в подготовленные заранее соответствующие углубления в древесине или впрессовываются в нее своими зазубренными или штифтообразными когтями. Возможны и смешанные типы шпонок.

Прямоугольные шпонки, несущая способность которых может быть рассчитана, изготовляются главным образом из древесины твердых пород. Они вводятся в соответствующие пазы соединяемых деревянных элементов. Их несущая способность зависит от глубины врезки td, длины шпонки Id и расстояния между шпонками е, в результате чего особое значение имеет соотношение Id: td. Точно так же работают Т-образные стальные шпонки. Возникающие из-за поворота шпонок дополнительные поперечные силы (распор) должны восприниматься с помощью стяжных болтов. Из-за высокой трудоемкости создания пазов в балках призматические шпонки из твердой древесины и стальные Т-образные шпонки имеют ограниченное применение.

Шпонки особых типов изготавливаются, как правило, из стали или легких металлов и применяются совместно со стяжными болтами. Соединения на таких шпонках удобны в исполнении, они хорошо воспринимают как растягивающие, так и сжимающие усилия, а также изгибающие моменты.

Для соединения стальных элементов с деревянными используются односторонние шпонки. Срезывающее усилие при этом воспринимается либо шпонками, либо болтами. Во втором случае отверстие, просверливаемое в стальном элементе, должно быть максимум на 0,2 мм больше нормального диаметра болтов.

Стержневые крепежные детали и область их применения.

Болты. К ним относятся в первую очередь болты с резьбой, пронизывающие соединяемые деревянные элементы перпендикулярно их поверхности и работающие главным образом на изгиб, в то время как в соединяемых элементах возникают напряжения смятия древесины по контуру отверстия и напряжения среза.

Болты вводятся в отверстия, диаметр которых больше диаметра болта приблизительно на 1 мм. У стягивающих болтов под головкой и гайкой устанавливаются шайбы.

Силовые болтовые соединения должны иметь не менее двух болтов диаметром не менее 12 и не более 24 мм. Рекомендуется устанавливать по обе стороны большие и толстые шайбы.

Минимальные расстояния между болтами и минимальные удаления от кромок дерева устанавливаются с учетом допускаемых напряжений скалывания древесины. Поскольку диаметр отверстий больше диаметра болтов, то при недостаточной стягивающей силе еще до загружения возникают сравнительно большие деформации.

Из-за усадки древесины при высыхании и ползучести под влиянием давления поперек волокон эффект стягивания даже первоначально должным образом затянутого болта постепенно снижается и в конце концов исчезает. Поэтому в капитальных строениях, которые требуют надежности и устойчивости формы, болты могут применяться для передачи силы только в том случае, если с помощью специальных мер будет предотвращено возникновение сдвига в швах контакта. Например, могут быть использованы калиброванные отверстия, т. е. такие, в которых диаметр отверстия равен диаметру болта, или же проведено последующее заполнение промежутка между стержнем болта и краями отверстия.

У клееных элементов, поставляемых в сухом виде, последующая усадка, как правило, не наблюдается. Здесь может применяться соединение исключительно на болтах, но только в том случае, если гарантировано многократное подтягивание еще до полного нагружения.

Болты применяются, главным образом, во временных конструкциях, лесах, нестандартных сооружениях (сараи, сельскохозяйственные постройки и т. д.) как работающие на растяжение при подвеске строительных элементов и как ненесущие соединения в виде прихватывающих и зажимных болтов.

Предельно допустимая нагрузка определяется в первую очередь диаметром болта и напряжением смятия по контуру отверстия.

Стержневые нагели – это цилиндрические стальные стержни, как правило, без гайки и резьбы, которые вгоняются в просверленные отверстия уменьшенного на 0,2–0,5 мм диаметра.

Применение стержневых нагелей имеет большое значение для несущих соединений, так как при нем можно не опасаться деформаций из-за выборки зазоров в отверстиях и ползучести.

Соединения с помощью стержневых нагелей позволяют добиться высоких показателей: при небольшой площади они могут воспринимать сравнительно большие усилия. Их лучше всего применять для пакетов досок, а также для соединения со стальными элементами, находящимися внутри конструкции.

Следует использовать не более четырех стержней на соединение. Минимальный диаметр стержневого нагеля – 8 мм. Хотя благодаря плотной посадке стержневого нагеля в древесине можно рассчитывать на достаточную страховку от сдвига, в нескольких местах соединения нужно устанавливать дополнительные нерасчетные стяжные болты или несущие стержневые нагели со шляпкой.

Несущая способность нагеля ограничивается его изгибом и смятием контура отверстия.

Гвозди. Обычный проволочный гвоздь является надежным средством соединения несущих деревянных элементов при усилиях сдвига.

Обычно круглые проволочные гвозди с потайной головкой забиваются без предварительного сверления древесины. При этом волокна древесины в основном отжимаются в стороны и прорезаются только на участке острия гвоздя. Ввиду опасности раскалывания древесины необходимо учитывать ее толщину, расстояние между гвоздями и глубину их забивания в зависимости от диаметра.

Чтобы по возможности предотвратить коробление или перекос деревянных элементов, следует выдерживать максимальное расстояние между гвоздями. Для строительных элементов, не защищенных от атмосферных воздействий, следует применять гвозди только в антикоррозионном исполнении.

Гвозди могут работать также на выдергивание. Однако поскольку сопротивление выдергиванию у проволочных гвоздей по мере высыхания древесины значительно уменьшается, применение гвоздей, работающих на выдергивание, следует ограничить такими строительными элементами, как опалубка, стропила, стойки и т. д. и только для усилий, действующих кратковременно, например отсасывающих сил ветра.

Для восприятия постоянных выдергивающих усилий, которые возникают в подвесных потолках и т. п., гвозди с гладким стержнем не применяются. Даже после многолетнего срока службы деревянных конструкций из-за падения сопротивления выдергиванию наблюдаются случаи разрушения таких соединений.

Гвоздевые соединения с предварительным сверлением рекомендуется применять для пород древесины с повышенной раскалываемостью, (например для лиственницы), при гвоздях большого диаметра, при затрудненном доступе, а также везде, где к малой площади прилагается большое усилие.

Дубовая и буковая древесина перед забивкой гвоздей всегда предварительно сверлится. В этом случае, чтобы добиться хорошего зажима без дополнительной опасности раскалывания, диаметр просверливаемых отверстий должен составлять 85 % диаметра гвоздей. Если учесть, что исходя из усилий раскалывания древесины гвозди диаметром до 4,2 мм можно забивать с шагом меньшим, чем шаг более толстых гвоздей (минимальные промежутки устанавливаются в зависимости от диаметра гвоздей), то получается, что 1 см² площади гвоздей меньшего диаметра может воспринять большие усилия, чем 1 см² гвоздей больших диаметров. Гвозди с предварительно просверленными отверстиями при меньшем шаге выдерживают большие усилия, чем забиваемые обычным способом.

Шурупы минимальным диаметром 4 мм могут использоваться для выполнения несущих соединений. При этом древесина должна предварительно просверливаться сверлом диаметром, равным диаметру шурупа ds, на всю длину его гладкой части и диаметром 0,7 ds на длину нарезанной части. Если нужны большая длина и диаметр, обычно применяются глухари (шурупы с шестигранной головкой), так как их можно завинчивать гаечным ключом.

Шурупы по сравнению с проволочными гвоздями обладают большим сопротивлением выдергиванию, если отверстия для них просверлены заранее и винты правильно ввернуты. Забитый шуруп не обладает высокой несущей способностью, поскольку резьба сильно разрушает древесину и он ведет себя практически так, как и обычный проволочный гвоздь. Шурупы с потайной головкой не рассчитаны на выдергивание, а шурупы с полукруглой головкой могут работать на выдергивание только в том случае, если прикрепляемый элемент обладает прочностью на смятие в поперечном направлении и прочностью на пробивку, по крайней мере, такой же как древесина хвойных пород.

Для материалов с небольшой прочностью следует при соответствующих условиях применять достаточно большие подкладные шайбы.

Правильно установленные шурупы рассчитаны как на кратковременные, так и на длительные выдергивающие усилия. Соединения на шурупах лесоматериала, распиленного поперек волокон, принимать в расчет не следует.

Гвозди особой конструкции (винтовые, рифленые) отличаются от круглых проволочных гвоздей формой стержня и материалом, из которого они изготовлены. Поскольку предварительное сверление под резьбу и ввинчивание винтов – процесс очень трудоемкий, были разработаны гвозди с профилированным стержнем, которые могут вбиваться в древесину и оказывать при этом значительно большее сопротивление выдергиванию, чем гвозди с гладким телом. Однако широкое их применение затруднено из-за того, что до настоящего времени все еще не установлены нормированные типы специальных гвоздей (по размерам, форме и материалу), для которых могли бы быть указаны соответствующие величины усилий при срезе и выдергивании. Поэтому для несущих соединений рекомендуются гвозди, обладающие индивидуальными допусками, отвечающими данным строительным условиям.

Сопротивление таких гвоздей выдергиванию, обусловленное их сцеплением с древесиной, не ослабевает и после ее высыхания, поэтому они пригодны и для длительных нагрузок. По сопротивлению срезу они приблизительно равноценны проволочным гвоздям такого же диаметра.

Выполнение гвоздевых соединений. При гвоздевых соединениях ширину досок нужно принимать с учетом площади, используемой для забивки гвоздей. Чтобы обеспечить правильность гвоздевого забоя при нестандартных соединениях, на поверхности дерева наносят сетку их расположения. Для стандартных соединений изготавливают гвоздевой шаблон (из жесткой древесно-волокнистой плиты или картона) и с его помощью на деревянной поверхности намечают точки вбивания гвоздей.

При расположении гвоздей в один ряд, например вдоль кромки доски, расстояния между ними должны выдерживаться с учетом опасности раскалывания досок, и поэтому в большинстве случаев гвозди размещаются на очень небольшом расстоянии от краев. При влажной древесине гвоздевые соединения сильно деформируются, и их несущая способность сильно падает по сравнению с несущей способностью гвоздевых соединений, используемых для сухой древесины. В этих случаях даже снижение допустимых расстояний не приносит результата, а потому лучше обратиться к другим способам соединения.

Соединения типа «стальные пластины – древесина – гвозди». Гвоздевые соединения с использованием листовой стали могут обладать высокой несущей способностью. Обычно стальные пластинки толщиной не менее 2 мм накладываются на брусья или вводятся между ними в пропилы и просверливаются вместе с деревянными элементами на всю длину гвоздя. Чтобы гвозди могли свободно вгоняться сквозь одну или несколько накладок (прокладок), диаметр просверливаемого отверстия должен быть равен диаметру гвоздя. Если прокладки должны воспринимать сжимающие силы в местах, где они не обжаты сбоку деревянными элементами, возникает опасность их выпучивания. В таких случаях возможность выпучивания уменьшается путем ликвидации зазоров между стальной накладкой и древесиной.

Соединения типа «стальные пластины – древесина – гвозди» с тонкими стальными листами, которые пробиваются насквозь без предварительного сверления, имеют ограниченное применение, так как при использовании тонких листов опасность выпучивания особенно велика. При пропиле пазов и забивке гвоздей в наружные стальные листы требуется особенно аккуратная и точная работа. Накладки и колодки применять не рекомендуется, так как в узловых точках усилия в брусьях передаются через стальные листы. Гвозди, которые соединяют деревянные брусья с листами стали, подвергаются срезу по нескольким слоям. При этом допустимая нагрузка на гвозди повышается и несущая способность четырехсрезного гвоздя в четыре раза больше, чем односрезного.

Поскольку нормированный шаг гвоздей остается прежним, многосрезные гвоздевые соединения способны при сравнительно малой поверхности пластинок воспринимать большие усилия. Чтобы сделать конструкцию ферм более экономичной, чем обычная гвоздевая, требуется очень незначительное увеличение размеров брусьев для размещения требуемого количества гвоздей. Для пластин, как правило, применяется оцинкованная сталь. При повышенной опасности корродирования они должны иметь надежное и стойкое дополнительное полимерное покрытие. Такие соединения используются для изготовления строительных элементов (стропильных ферм, связей и т. п.), а также для выполнения стыков стропильных ног, балок и крепления диагональных связей.

Скобки, как известно, давно успешно применяются в упаковочной промышленности. В деревянном строительстве они использовались до сих пор только для крепления ненесущей облицовки к элементам из древесины. Поскольку в настоящее время уже имеется достаточный опыт с хорошими результатами, скобки стали применяться также и для соединения несущих деревянных элементов.

Наряду с креплением деревянной обшивки и опалубки с помощью скобок могут выполняться также узловые соединения простых деревянных стропильных ферм пролетом до 8 м или общей длиной 12 м, так как они могут работать как на срез, так и на выдергивание.

Обычно применяемые скобки изготовляются из стальной проволоки толщиной 1,5–2 мм, которая слегка сплющивается по круговому сечению. Скобки оцинкованы и частично покрыты синтетической смолой. Этот защитный слой облегчает введение стержней скобки в древесину и увеличивает сцепление с ней. Скобки вгоняются с помощью механических устройств, поставляемых некоторыми фирмами. При этом спинка скобки может выступать или быть утопленной в поверхность прикрепленного элемента.

Необходимо следить за тем, чтобы спинка скобки оказалась по возможности под прямым углом (или, во всяком случае, не меньше, чем 45°) по отношению к направлению волокон, так как из-за опасности раскалывания деревянного элемента придется рассчитывать на меньшую несущую способность и устойчивость соединения. При креплении скобками с выступающими спинками древесные материалы должны иметь следующую минимальную толщину:

• древесно-стружечные плиты—8 мм;

• фанерные листы – 6 мм;

• жесткие древесноволокнистые плиты – 4 мм.

При утопленной спинке скобки эти размеры должны быть увеличены на 2 мм.

Скобки могут рассматриваться как двойной гвоздь, у которого шляпки заменены спинкой. Поэтому при расчетах к скобке можно применять те же правила, что и для круглых проволочных гвоздей.