ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

« М О С К О В С К И Й Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е Р С И Т Е Т П У Т Е Й С О О Б Щ Е Н И Я »

Кафедра «Строительные конструкции, здания и сооружения»

М.Ю. КРАСОВИЦКИЙ, В.Е. ЛЕВИТСКИЙ

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

МОСКВА – 2015

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Строительные конструкции, здания и сооружения»

М.Ю. Красовицкий, В.Е. Левитский

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для

бакалавров по направлению 08.03.01 «Строительство» профиль «Промышленное и гражданское строительство»

МОСКВА – 2015

УДК 624.011.1

К-78

Красовицкий М.Ю., Левитский В.Е. Конструкции из дерева и

пластмасс: Методические указания к лабораторным работам. – М.:

МГУПС (МИИТ), 2015. – 64 с.

Рассматриваются вопросы работы и расчёта основных видов со-

единений элементов деревянных конструкций: лобовой врубки, гвоз-

девого соединения и соединения на клею. Приводятся эксперимен-

тальные методы оценки их несущей способности и деформативности.

Учтены требования актуализированных сводов правил по проектиро-

ванию строительных конструкций.

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки

08.03.01 «Строительство» профиль «Промышленное и гражданское

строительство», квалификация – бакалавр.

МГУПС (МИИТ), 2015

3

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы по дисциплине «Конструкции из дерева и

пластмасс» посвящены изучению характера работы под нагрузкой и

исчерпания несущей способности, а также особенностей расчёта и

конструирования основных видов соединений элементов деревянных

конструкций: лобового упора, гвоздевого соединения и соединения на

клею. Предусмотрено выполнение трёх лабораторных работ, каждая из

которых рассчитана на два занятия. Для выполнения отчёта по лабора-

торным работам на кафедре имеются рабочие тетради (раздаточный

материал). По итогам проведения лабораторных работ проводится их

защита в виде ответов на контрольные вопросы, тематика которых

приведена в рабочей тетради.

Для получения зачёта по лабораторным работам необходимо:

знать основные виды соединений элементов деревянных кон-

струкций, их конструктивные особенности, принципы работы, область

применения, преимущества и недостатки;

объяснить причины, характер и признаки потери несущей спо-

собности образцов;

уметь определять теоретическое и опытное значение внешней

нагрузки, соответствующей разрушению образца;

перечислить основные конструктивные мероприятия, способ-

ствующие повышению несущей способности соединений;

назвать контрольно-измерительные приборы, установленные

на образце, и их назначение; обосновать схему размещения приборов;

уметь осуществлять сравнение опытных данных с расчётными

и объяснять возможные причины расхождений;

владеть навыками вероятностной оценки результатов расчёта.

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИСПЫТАНИЕ ЛОБОВОЙ ВРУБКИ С ОДНИМ ЗУБОМ

Цель работы

1. Ознакомление с видами соединений элементов деревянных

конструкций, их достоинствами и недостатками.

2. Ознакомление с причинами и характером потери несущей

способности лобовой врубки с одним зубом.

3. Ознакомление с конструктивными мероприятиями, способ-

ствующими повышению несущей способности лобовой вруб-

ки и предотвращающими её полное разрушение.

4. Исследование и оценка характера потери несущей способно-

сти лобовой врубки, сравнение опытных данных с расчётны-

ми.

Краткие теоретические сведения

Необходимость соединения между собой элементов деревянных

конструкций обусловлена ограниченностью природного сортамента

(брёвен и пиломатериала), имеющего максимальные размеры попереч-

ного сечения 25 ÷ 28 см и предельную длину 6,5 м. На практике в кон-

струкциях промышленных и гражданских зданий требуется перекры-

вать гораздо большие пролёты и иметь, соответственно, гораздо боль-

шие размеры поперечных сечений. Соединения деревянных элементов

для увеличения поперечного сечения конструкций называют сплачива-

нием, для увеличения их длины – сращиванием, для соединения в

5

узлах конструкций под различными углами и прикрепления к опорам

– анкеровкой.

По способу передачи усилий соединения элементов деревянных

конструкций разделяют на следующие виды:

1) контактные соединения, в которых усилия с одного элемента

на другой передаются непосредственным упором контактных поверх-

ностей (лобовой упор, лобовая врубка, врубка с подушкой, врубка с

подбабком);

2) соединения на механических связях (шпонках, нагелях-

штырях, болтах, гвоздях, винтах, шурупах, зубчатых пластинках и

т.п.), которые могут вставляться, врезаться, ввинчиваться или запрес-

совываться в тело древесины соединяемых элементов;

3) соединения на клеях.

Несущая способность и деформативность элементов деревянных

конструкций в большой степени зависит от податливости их соедине-

ний. Клеевые соединения относят к неподатливым или жёстким,

нагельные – к податливым, а на врубках – к неплотным податливым. В

лобовой врубке, например, устраивается зазор в 1 ÷ 1,5 мм для предот-

вращения расстройства узла при температурно-влажностных деформа-

циях. Кроме этого, неплотность соединений может быть обусловлена

усушкой древесины. Вместе с тем, при проектировании и изготовле-

нии соединений необходимо стремиться к тому, чтобы в них обеспе-

чивалась наибольшая плотность, а начальные деформации были как

можно меньше. Таким требованиям лучше всего отвечают нагельные

соединения из круглой стали. При податливых соединениях происхо-

дит выравнивание действующих усилий между отдельными сопряже-

ниями и узлами, что положительно сказывается на работе конструкции

в целом. При жёстких соединениях такого выравнивания не происхо-

6

дит, что способствует хрупкому разрушению конструкции, так как

само соединение разрушается хрупко.

В соединениях элементов деревянных конструкций происходит

их работа на смятие, скалывание и растяжение (разрыв). Сами

соединительные элементы (механические связи) работают на изгиб,

сжатие, растяжение и срез. Работа древесины на смятие носит вязкий

характер, а на скалывание и разрыв – хрупкий. Поэтому в соединениях

элементов деревянных конструкций стремятся максимально использо-

вать несущую способность древесины по смятию, прежде чем про-

изойдет её разрушение от разрыва или скалывания. В соединениях

сжатых элементов это достигается с помощью простого лобового упо-

ра. В соединениях растянутых и изгибаемых элементов вязкость до-

стигается за счет так называемого принципа «дробности», когда уси-

лие, действующее на соединение, распределяется между многими па-

раллельно работающими и относительно слабыми связями (напри-

мер, нагелями). При этом расчётные связи в соединении должны

быть преимущественно одинаковой жёсткости во избежание пере-

грузки более жёстких связей за счёт менее жёстких (см. п. 8.9. [1]).

Из опыта эксплуатации деревянных зданий и сооружений пре-

дельный относительный сдвиг между соединяемыми элементами огра-

ничивается величиной 1,5 ÷ 3,0 мм. Усилие, которое вызывает пре-

дельный сдвиг, принимают за несущую способность соединения, если

оно меньше несущей способности соединения, определённой из усло-

вия смятия, скалывания или разрыва (см. п. 6.33 и табл. 18 [1]). Дей-

ствие сил трения, возникающих в соединениях за счёт начального об-

жима элементов (например, при постановке болтов) или сжимающих

сил (например, во врубках) и уменьшающих усилия в связях, расчётом

обычно не учитывают, так как за счёт усушки древесины, ослабле-

ния начальных натяжений болтов или иных факторов они могут

7

снизиться до нуля. Учёт сил трения производят только если это ухуд-

шает работу конструкций и соединений или если равновесие системы

обеспечивается только трением при условии постоянного прижатия

элемента и отсутствия динамической нагрузки (см. п. 8.4 [1]).

Соединения на врубках являются одним из наиболее старых спо-

собов соединений. Основная область применения врубок – это узлы

брусчатых и бревенчатых ферм. Наибольшее распространение имеют

лобовые упоры (в стыках сжатых элементов) и лобовые врубки (в

опорных узлах). В таких соединениях усилие с элемента, работающего

на сжатие, передаётся другому элементу непосредственно без вклады-

шей или иных рабочих связей. В то же время, соединяемые врубкой

элементы деревянных конструкций скрепляются вспомогательными

связями, выполняющими функции аварийных и предотвращающими

её полное разрушение.

Помимо податливости соединения и отсутствия специальных ра-

бочих связей, лобовая врубка обладает ещё и тем достоинством, что

может применяться при изготовлении деревянных конструкций в лю-

бых условиях: как на специальных заводах, так и в условиях строи-

тельных площадок. Основным недостатком такого соединения являет-

ся то, что помимо смятия, древесина здесь работает и на самые невы-

годные виды сопротивления – скалывание и разрыв.

В связи с этим лобовая врубка с одним «зубом» может утра-

тить несущую способность при достижении одного из трёх предель-

ных состояний: 1) смятия площадки упора; 2) скалывания «зуба»; 3)

разрыва ослабленного врубкой нижнего пояса. Конструктивная схема

такой врубки, распределение усилий и напряжений в опорном узле

приведены на рис. 1. Как видно из рисунка, рабочую плоскость смя-

тия располагают перпендикулярно оси примыкающего сжатого эле-

мента причём таким образом, чтобы эта ось проходила через середину

8

указанной плоскости. Кроме этого, узловое сопряжение центрируют

по осям опоры, верхнего пояса и ослабленного врубкой сечения ниж-

него пояса, чтобы в этом сечении кроме растягивающих усилий не

возникали ещё и изгибающие моменты.

Аварийный болт устанавливается перпендикулярно к верхнему

поясу. Это уменьшает растягивающее усилие, возникающее в болте в

случае разрушения врубки от скалывания конца нижнего пояса. Ава-

рийный болт не только предотвращает опасность разрушения фермы,

но и обеспечивает цельность врубки при монтаже. Прибиваемая к

нижнему поясу гвоздями подбалка предохраняет его как от местного

смятия на опоре, так и от необходимости ослабления аварийным бол-

том.

Глубина врубки и длина плоскости скалывания ограничиваются

нормами:

1) для получения достаточных площадей смятия и скалывания

принимают hвр. ≥ 2 см (для брусьев) ÷ 3 см (для бревен) и ℓcк ≥ 1,5 ·

hн.п. (см. п. 7.11 [1]);

2) для предотвращения чрезмерного ослабления нижнего пояса и

из-за ограничивающего несущую способность по скалыванию влияния

косослоя древесины принимают hвр. ≤ ¼ · hн.п. (в промежуточных узлах

ферм) ÷ ⅓ · hн.п. (в опорных узлах ферм) и ℓcк ≤ 10 · hвр. (см. п.п. 7.3,

5.11 [1]);

3) с целью уменьшения опасного влияния торцевых усушечных

трещин и отрывающего момента Mотр.= Тск · е*, снижающих сопро-

тивление древесины скалыванию, принимают отношение 3еск

(см. п. 7.3 [1]).

9

Рис.1. Конструктивная схема лобовой врубки с одним «зубом» (а) и

распределение усилий в опорном узле (б): 1 – аварийный болт; 2 –

подбалка; 3 – опорная подушка.

При выполнении указанных условий несущую способность лобо-

вой врубки, обусловливаемую скалыванием, рассчитывают в предпо-

ложении равномерного распределения касательных напряжений по

длине плоскости скалывания по условному среднему значению этих

напряжений:

,iсрск

ск

скск mR

F

Т ,cos сск NT

10

,bF скск ,

1е

RR

ск

сксрск

где Тск – расчётное усилие скалывания;

F ск – расчётная площадь скалывания;

Rск – расчётное максимальное сопротивление древесины ска-

лыванию вдоль волокон; определяется по табл. 3 [1];

Rср

ск – расчётное среднее сопротивление древесины скалыванию

по длине площадки скалывания;

е – плечо силы скалывания (Тск); определяется в соответ-

ствии с п. 7.3 [1];

β – коэффициент, учитывающий вид скалывания; определя-

ется в соответствии с п. 7.3 [1];

mi – произведение коэффициентов условий работы древесины,

которые определяются в соответствии с п. 5.2 [1].

Опорные узлы брусчатых и бревенчатых ферм относятся к эле-

ментам с несимметричной врезкой верхнего пояса в нижний и одно-

сторонним расположением площадки скалывания относительно оси

действия скалывающей силы Тск. При расчете таких узлов принимают

е = 0,5· hн.п. , β = 0,25.

Расчет лобовой врубки по смятию площадки упора производят

для элемента нижнего пояса, так как он испытывает смятие под углом

к своим продольным волокнам и его несущая способность по смя-

тию меньше, чем элемента верхнего пояса, сминаемого вдоль волокон.

Помимо смятия, как уже отмечалось, нижний пояс проверяют на раз-

рыв (растяжение) в ослабленном врубкой сечении. Проверку напряже-

ний осуществляют по формулам:

11

,. iсм

см

ссм mR

F

N ,bhF смсм

,cos/ врсм hh ,

sin)1(1 3

90.

.

см

см

смсм

R

R

RR

,iрр

рр mR

F

N ),( .. врпнр hhbF

где Nc – расчётное усилие смятия (сжатия);

Nр – расчётное усилие растяжения (разрыва);

Fсм – расчётная площадь смятия;

Fp – расчётная площадь растяжения («нетто»);

Rcм , Rcм.90 , Rcм.α – расчётные сопротивления древесины смятию вдоль,

поперёк и под углом к её продольным волокнам;

определяются по табл. 3 [1];

Rр – расчётное сопротивления древесины растяжению

вдоль волокон; определяется по табл. 3 [1].

В основном расчёте опорного узла фермы работа аварийного бол-

та не учитывается, так как начальная жёсткость его сопротивления

сдвигу, особенно после усушки древесины и в связи с незначительны-

ми деформациями, ничтожно мала по сравнению с начальной жёстко-

стью работы врубки на смятие и скалывание. Аварийный болт полно-

стью включается в работу лишь при скалывании «зуба» нижнего поя-

са. Здесь уже наблюдаются значительные деформации болта и как их

следствие – работа болта на растяжение. Как показывают эксперимен-

тальные исследования, на эту работу значительное влияние оказы-

вают сила отпора нижнего пояса Nотп при вмятии в него конца ребра

верхнего пояса и возникающая между ними сила трения Nтр. В расчё-

12

тах принимают угол трения скольжения равным 17. Тогда усилие,

растягивающее болт при аварии, и требуемая площадь его поперечно-

го сечения могут быть определены по формулам:

),73(tg сb NN ,bnbtb ARN

,)73(tg

bt

сbn

R

NA

где Rbt – расчётное сопротивление болта растяжению; определя-

ется по табл. Г5 [2];

Аbn – площадь сечения болта «нетто» (с учётом ослабления

резьбой).

Для болтов с метрической резьбой их требуемый диаметр можно

определить по приближенной формуле, соответствующей отношению

Аbn и db, значения которых приведены в приложении Г [2] (табл. Г9):

.28,1 bnb Ad

Окончательно диаметр болта принимают не менее 12 мм (см.

п. 8.11 [1]) и не менее 251 его длины.

Ширину опорной подушки определяют расчётом подбалки на

местное смятие поперек волокон:

,90.....

iсмпобп

см mRbb

V

где V – опорное давление от расчётных нагрузок;

bп.б. – ширина подбалки (обычно принимается равной ширине

нижнего пояса);

bо.п. – ширина опорной подушки;

Rcм.90 – расчётное сопротивление древесины местному смятию

поперёк волокон на части длины; определяется по при-

мечанию 1 табл. 3 [1].

13

Длину опорной подушки ℓо.п. определяют расчётом кирпичной

кладки или бетона стены на смятие (местное сжатие):

,....

клсм

попо

см Rb

V

где Rкл

см – расчётное сопротивление кладки (Rс) или бетона

стены (Rb,loc) смятию; определяются в соответствии с

п. 7.14 [3] или п. 8.1.44 [4].

Опорная подушка служит для более равномерного распределения

опорного давления с фермы на несущую стену. Её изготавливают из

антисептированной древесины преимущественно лиственных пород и

устанавливают на стену через гидроизоляционную прокладку (см.

п. 8.70 [1]).

Требуемое количество односрезных гвоздей nгв , прикрепляю-

щих подбалку к нижнему поясу, определяют по расчётной сдвигающей

силе Тсдв . При её вычислении учитывают силу трения между подбал-

кой и нижним поясом в связи с постоянным прижатием этих элементов

под нагрузкой:

,гвсдвгв ТТn

,cos VNТ ссдв

где μ = 0,2 – коэффициент трения древесины по боковым по-

верхностям;

Тгв – расчётная несущая способность гвоздя на один шов

сплачивания; определяется по табл. 20 [1].

14

Описание опытной конструкции, схемы приложения внешней нагрузки и размещения измерительных приборов

Для проведения опыта используют бруски, соответствующие пер-

вому сорту древесины, так как именно первый сорт, как наиболее

прочный, рекомендуется применять для элементов конструкций, рабо-

тающих на растяжение. Как известно, основными факторами, опреде-

ляющими сорт и соответственно прочность древесины, является вели-

чина и расположение пороков: сучков, косослоя, трещин, червоточины

и др. Их классификация приведена в ГОСТ [5]. В древесине первого

сорта на длине 20 см допускаются сучки общим диаметром не более

четверти соответствующего размера поперечного сечения элемента

(пласти или кромки) и наклон волокон не более 7 %. Для древесины

второго и третьего сорта общий диаметр сучков не должен превышать

соответственно трети и половины пласти, а наклон волокон – 10 и

12 %. Кроме этого, в конструктивной древесине годовые слои должны

быть не шире 5 мм, в зонах соединений не допускаются трещины и т.д.

[6, 7, 8, 9].

Лесоматериал выдерживают в помещении с t = 20 ± 2 C и отно-

сительной влажностью воздуха = 65 ± 5 % до тех пор, пока древеси-

на не достигнет так называемой стандартной влажности, принятой для

сравнения показателей её физико-механических свойств. Величина

стандартной влажности древесины составляет w = 12 % и может быть

определена либо с помощью весового способа – взвешивания кон-

трольных образцов до и после сушки в сушильном шкафу при

t =100 ÷ 105 C до постоянной массы (абсолютно сухого состояния),

либо с помощью специального прибора – электровлагомера.

Плоскости брусков строгают (величина острожки составля-

ет 2 ÷ 3 мм с каждой стороны), а торцы обрезают перпендикулярно их

15

оси. Гнёзда для врубок вырезают ножовкой. Наклонные элементы и

клиновидный вкладыш изготавливают по шаблону из древесины твёр-

дых лиственных пород (дуба, ясеня) с целью их многократного ис-

пользования при испытаниях. Для растянутого элемента нижнего поя-

са используют древесину сосны или ели.

Конструкция лабораторного образца приведена на рис. 2, а схема

загружения и размещения измерительных приборов – на рис. 3. Как

видно из чертежа, к элементу нижнего пояса в зонах его опирания

прибиты две подкладки, предохраняющие нижний пояс от местного

смятия поперёк волокон.

При шарнирном опирании нижнего пояса на соответствующие

опорные устройства траверсы гидравлической прессовой установки,

выполненные в виде цилиндрических катков, сдвигающая сила между

ним и подкладками равна силе трения (Тсдв = μ·V). По её величине

может быть рассчитано требуемое количество гвоздей, которыми

должны быть прибиты подкладки. Более подробно вопросы соответ-

ствующих расчётов рассмотрены в лабораторной работе № 2.

Рис. 2. Конструкция лабораторного образца.

16

Рис. 3. Схема приложения нагрузки и размещения измерительных

приборов: 1 – испытываемый образец; 2 – наклонные бруски; 3 –

клиновидный вкладыш; 4 – подкладки; 5 – опорные устройства; 6 –

траверса машины; 7 – стальные упоры; 8 – уголки; 9 – индикаторы

(мессуры).

Загружение лабораторного образца производят сосредоточенной

силой в середине пролёта. Для измерения деформаций смятия в лобо-

вой врубке на боковых гранях одного наклонного элемента шурупами

закрепляют упоры (уголки) для штифтов двух индикаторов часового

типа с ценой деления 0,01 мм. Крепление индикаторов к нижнему

поясу производят с помощью обоймы с упорными винтами, зажима-

ющими корпуса приборов.

Прочностные и геометрические характеристики лабораторного

образца подобраны таким образом, чтобы продемонстрировать при

испытании хрупкий характер разрушения лобовой врубки при скалы-

вании. В связи с этим для безопасности технического персонала на

траверсе машины против торцов нижнего пояса устанавливают сталь-

ные упоры.

17

Теоретический расчёт лобовой врубки

Для экспериментальной оценки несущей способности лобовой

врубки необходимо предварительно рассчитать минимальное значение

внешней нагрузки, при которой может произойти её разрушение от

смятия, скалывания или разрыва.

С этой целью непосредственно перед испытанием с точностью до

0,5 мм измеряют все геометрические размеры лабораторного образца

и уточняют сорт древесины нижнего пояса в соответствии с указани-

ями ГОСТов [6, 7, 8, 9] и дополнительными требованиями приложения

Б [1]. Затем проверяют выполнение рассмотренных выше требований

п. 7.3 и п. 7.11 [1], касающихся ограничения значений глубины врубки,

длины площадки скалывания и её отношения к плечу сил скалывания.

При выполнении указанных ограничений определение несущей спо-

собности врубки по смятию площадки упора, скалыванию «зуба» и

разрыву ослабленного сечения нижнего пояса, а также вычисление

соответствующих значений внешней нагрузки на лабораторный обра-

зец производят по формулам:

,cos

.. iсмвр

iсмсмсм mRh

bmRFТ

,sin2 смТсм ТР

,iсрскскi

срскскск mRbmRFТ

,tg2 скТск ТР

,)( .. iрврпнiррр mRhhbmRFТ

,tg2 рТр ТР

где mi – произведение коэффициентов условий работы древесины

для заданных условий проведения эксперимента.

18

При кратковременных испытаниях в нормальных температурно-

влажностных условиях (t < 35 C, < 75 %) для конструкции лабора-

торного образца следует учитывать четыре из девяти возможных ко-

эффициентов условий работы: mв, mт, mн, mо . Последний коэффици-

ент учитывают только при определении несущей способности врубки

по разрыву ослабленного сечения растянутого нижнего пояса. Как уже

отмечалось, значения коэффициентов принимают в соответствии с

указаниями п. 5.2. [1]. Для заданных условий проведения эксперимен-

та они составляют: mв = 1, mт = 1, mо = 0,8. Что касается коэффи-

циента mн , учитывающего режим нагружения, то указания по его

назначению приведены в [10]. Там отмечено, что в связи с изменчиво-

стью прочностных свойств древесины в зависимости от длительности

действия нагрузки в табл. 3 [1] приведены так называемые базовые

расчётные сопротивления сосны и ели. Они отвечают не только ука-

занным выше нормальным температурно-влажностным условиям экс-

плуатации конструкций, но и определённому режиму их нагружения:

совместному действию постоянной и кратковременной снеговой

нагрузки. При назначении базовых расчётных сопротивлений исходят

из стандартных кратковременных испытаний крупных образцов с

наличием пороков, что позволяет избежать масштабного фактора [11,

12, 13, 14, 15], умножая кратковременное расчётное сопротивление на

базовый коэффициент mдл = 0,66. Для иных режимов нагружения и

сочетания нагрузок коэффициент mдл имеет другие значения и базо-

вые расчётные сопротивления умножают на коэффициент условия ра-

боты mн = mдл/0,66.

Стандартным кратковременным испытаниям соответствует

значение коэффициента mдл = 1 и, следовательно, коэффициента

mн = 1,5. Таким образом, при определении несущей способности ло-

19

бовой врубки по смятию площадки упора и скалыванию «зуба» произ-

ведение коэффициентов условий работы древесины составит –

mi = mв· mт· mн = 1,5, а по разрыву ослабленного сечения нижнего

пояса – mi = mв· mт· mн · mо = 1,2.

Теоретическое значение внешней нагрузки, соответствующей

разрушению лобовой врубки, соответствует минимуму выражения:

},,min{ Тр

Тск

Тсм

Т РРРР .

Как уже отмечалось, при принятых геометрических размерах ла-

бораторного образца это значение будет соответствовать нагрузке

при скалывании.

Вероятность того, что разрушение лобовой врубки произойдёт

при значении нагрузки ,ТскРР составляет не менее 99 %. Однако

наиболее близкой к среднестатистическому опытному значению раз-

рушающей нагрузки будет значение ,ТскР вычисленное по аналогичной

для скалывания «зуба» формуле, но с использованием среднего значе-

ния временного сопротивления скалыванию врскR . Его величина для

различных сортов древесины приведена в приложении В [1] и таблице

9 [10].

,tg2 скТск ТР ,i

срскскск mRFТ

,

1е

RR

ск

врскср

ск

,bF скск .1im

В таблице 9 [10] приведены не только значения ,врR отвеча-

ющие стандартным кратковременным испытаниям образцов при изги-

бе, сжатии, растяжении, скалывании и смятии, но и соответствующие

нормативные кратковременные сопротивления Rн, коэффициенты ва-

риации V и коэффициенты надёжности по материалу m .

20

Испытание лобовой врубки статической нагрузкой

Нагружение лабораторного образца производят ступенями. Сту-

пень приложения нагрузки принимают не более 10 % от теоретически

вычисленной величины .ТскР Вероятность того, что разрушение лобо-

вой врубки произойдет при значении нагрузки Р = ,ТскР составляет

50 %. С целью выяснения характера деформирования врубки испыты-

ваемый образец после каждой ступени нагружения разгружают до од-

ного и того же исходного уровня, оценивания при этом как упругие,

так и остаточные деформации. За указанный выше исходный уро-

вень нагружения (разгрузки) принимают величину, равную 1 кН, что

позволяет ликвидировать неплотности соединения как в самой лобо-

вой врубке, так и в нагрузочном и опорных устройствах.

Деформации смятия нижнего пояса определяют на основании по-

казаний индикаторов часового типа (мессур) по формуле:

,.).()( 12 kДЦСС мм

где C1, C2

–

показания прибора до и после приложения нагруз-

ки (разгружения);

Ц.Д. – цена деления шкалы прибора;

k – калибровочный коэффициент, принимаемый по пас-

порту прибора или после градуирования его шкалы.

Результаты всех измерений заносят в таблицу 1.

При достижении нагрузкой величины, равной 80 % от ,ТскР инди-

каторы снимают и лабораторный образец нагружают до разрушения.

Результаты испытаний представляют в виде графиков «сила – полная

деформация», «сила – отношение остаточной к упругой деформации за

каждый цикл нагружения» и схемы разрушения лобовой врубки. При

этом для определения полной деформации за цикл нагружения из от-

21

счёта при нагрузке вычитают предыдущий отсчёт при условном нуле

(исходном уровне), равном 1 кН, а для определения упругой деформа-

ции из отсчёта при нагрузке вычитают последующий отсчёт при

условном нуле. Значение остаточной деформации за цикл нагружения

получают как разность соответствующих значений полной и упругой

деформаций.

Таблица 1

Опытное определение деформаций смятия лобовой врубки

Наг

ру

зка

Р,

кН

Отсчёты по мессурам (Ц.Д. = 0,01 мм)

Разность отсчётов Средние значения деформаций, мм

при

нагрузке

при

разгрузке

до 1 кН

при

нагрузке

при

разгрузке

до 1 кН

при

нагрузке

при

разгрузке

до 1 кН

1М 2М 1M

2M 1М 2М 1M

2M

kДЦ

MM

.).(

2

21

kДЦ

MM

.).(

2

21

1 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒ ▒▒▒▒

2,5 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒▒

1 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒

5 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒▒

1 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒

• ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒▒

• ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒

• ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒

опскР кН.

Заключительным этапом работы является сравнение теорети-

ческого и опытного значений разрушающей нагрузки.

22

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИСПЫТАНИЕ ГВОЗДЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Цель работы

1. Ознакомление с видами нагельных соединений и основными

принципами их работы.

2. Ознакомление с особенностями работы гвоздевых соедине-

ний, причинами и характером потери их несущей способно-

сти.

3. Ознакомление с конструктивными мероприятиями, способ-

ствующими повышению несущей способности гвоздевых

соединений.

4. Исследование и оценка характера потери несущей способ-

ности гвоздевого соединения, сравнение опытных данных с

расчётными.

Краткие теоретические сведения

Соединения на механических связях используют для сплачива-

ния, сращивания и анкеровки элементов деревянных конструкций, ра-

ботающих в условиях не только центрального сжатия как в случае ло-

бового упора и лобовой врубки, но и в условиях центрального растя-

жения, изгиба и внецентренного действия нагрузки. Механические

связи препятствуют взаимному сдвигу соединяемых элементов. По

площади их контакта с древесиной в ней возникают напряжения смя-

тия, скалывания и растяжения поперёк волокон. Характер работы са-

мих связей при этом различен, в связи с чем их разделяют на три ос-

23

новные группы: 1) соединения со связями, работающими на смятие и

скалывание, – шпонками и колодками; 2) соединения со связями, ра-

ботающими на изгиб, – болтами, стержнями, гвоздями, винтами и пла-

стинками; 3) соединения со связями, работающими на растяжение, –

болтами, винтами и хомутами.

Каждая группа таких соединений имеет свою преимущественную

область применения, что, однако, не исключает возможности исполь-

зования в аналогичных конструкциях соединений других групп. Так,

например, шпонки и колодки применяют при изготовлении в постро-

ечных условиях мостовых составных балок. Наряду с этим для состав-

ных изгибаемых элементов могут использоваться пластинчатые нагели

и болты. В стыках и узлах дощатых конструкций нашли своё примене-

ние соединения со связями, работающими на изгиб. Вместе с тем для

аналогичных целей как в отечественной, так и в зарубежной практике

строительства широко используются соединения на центровых круг-

лых, когтевых и зубчатых шпонках.

Соединения с механическими связями, работающими на изгиб,

получили название нагельных от немецкого Nagel, что в переводе

означает цилиндрический стержень. Кроме работы на изгиб нагели

работают и на срез. Однако, в отличие от болтовых и заклёпочных со-

единений металлических конструкций, где соединяются тонкие сталь-

ные элементы и отношение длины болтов (заклёпок) к их диаметру

невелико, в нагельных соединениях деревянных конструкций это от-

ношение гораздо больше и, следовательно, значительно меньше значе-

ние их погонной изгибной жёсткости. В результате существенно воз-

растают и становятся определяющими напряжения изгиба нагеля, а

напряжения среза, напротив, не учитываются в расчёте из-за невоз-

можности среза деревянным элементом деревянного нагеля, не говоря

уже о стальном. Поэтому в нагельных соединениях говорят о плоско-

24

стях «условного среза», понимая под этим плоскости относительного

сдвига между соединяемыми элементами, которые пересекаются наге-

лями. В зависимости от количества этих плоскостей и их расположе-

ния относительно осей действия сил различают одно-, двух- и мно-

госрезные нагельные соединения, а также симметричные и несиммет-

ричные. В симметричных соединениях продольные силы действуют

вдоль оси симметрии соединения. В несимметричных соединениях

либо отсутствует сама ось симметрии, либо с ней не совпадают оси

действия сил. Их возможные варианты приведены в [1].

По материалу различают нагели стальные, стеклопластиковые, из

алюминиевых сплавов и деревянные, по форме – цилиндрические

(сплошные и трубчатые стержни-штыри, болты, гвозди, винты, шуру-

пы) и пластинчатые. При изготовлении соединений болты, стальные

стержни-штыри, цилиндрические дубовые и пластинчатые нагели за-

кладывают в заранее приготовленные отверстия или гнёзда равновели-

кого размера. Обычные гвозди (длиной до 200 мм и диаметром до

6 мм включительно) забивают в целую древесину без её предвари-

тельной рассверловки, винты и шурупы завинчивают в предварительно

рассверленные отверстия несколько меньшего диаметра, чем сами

нагели.

В современной практике строительства наибольшее распростра-

нение получили нагели из круглой стали и гвозди. Дубовые пластин-

чатые нагели применяют очень редко при изготовлении составных

брусчатых балок, дубовые цилиндрические нагели используют в без-

метальных конструкциях (например, гидротехнических сооружениях),

стальные пластинчатые нагели – в основном в автодорожных мостах.

Как уже отмечалось, нагель препятствует взаимному сдвигу со-

единяемых элементов. При этом под действием приложенных к соеди-

нению усилий он первоначально поворачивается, что обусловлено не-

25

плотностями древесины в соединении, затем упирается в неё по краям

элемента и в местах пересечения со швами сплачивания и только после

этого начинает изгибаться. При изгибе нагеля увеличивается поверх-

ность его контакта с древесиной, что вызывает появление в ней нерав-

номерных напряжений смятия по всей длине нагеля. Неравномерность

этих напряжений тем значительнее, чем меньше жёсткость нагеля

(меньше его диаметр). Кроме этого, напряжения смятия неравномерно

распределены и по контуру нагельного гнезда (рис. 4 б, в, г). Равно-

действующие этих напряжений, расположенные левее и правее про-

дольной оси соединения, направлены по радиальному направлению.

Они могут быть разложены на продольную Т и поперечную Q состав-

ляющие, причем последняя стремится расколоть деревянный элемент

по плоскости между гнёздами соседних нагелей. Таким образом, в

нагельном соединении реализуется сложное напряжённо-

деформированное состояние. Работа нагеля подобна работе балки на

сплошном упругопластичном основании – древесине нагельного

гнезда. Однако расчёт нагеля здесь гораздо сложнее как в силу указан-

ных выше причин, так и в силу того, что основание, на которое опира-

ется нагель, разделено на части.

Поэтому в качестве практического метода расчёта нагельного со-

единения принят экспериментально-теоретический метод, которой

использует упрощённые расчётные схемы нагеля для различных типов

соединений элементов деревянных конструкций (симметричных и

несимметричных, одно-, двух- и многосрезных), а также ряд предпо-

сылок:

1) для смятия древесины и для изгиба нагеля приняты диаграммы

Прандтля с максимальными ординатами Rсм и Rи соответственно;

2) ось нагеля принимают прямолинейной до образования в нём

пластического шарнира;

26

Рис. 4. Конструктивная и расчётные схемы соединения на цилин-

дрических нагелях: а – симметричное двухсрезное нагельное со-

единение; б – эпюра напряжений смятия древесины; в – эпюра из-

гибающих моментов в нагеле; г – эпюра радиальных напряжений

смятия древесины; д – упрощённая расчётная схема при расчёте

древесины на смятие; е – упрощённая расчётная схема при расчёте

нагеля на изгиб.

27

3) несущую способность соединения рассчитывают по предель-

ному состоянию исходя из условия одновременного достижения дре-

весиной значения Rсм, а материалом нагеля величины Rи;

4) несущую способность соединения определяют не его разруше-

нием, а расчётной предельной деформацией, которую ограничивают

отношением полной деформации к упругой, равным двум.

Как видно из указанных предпосылок, несущую способность

нагельного соединения определяют только из условий смятия древе-

сины и изгиба нагеля. Это становится возможным потому, что проч-

ность древесины против раскалывания заведомо обеспечивают за счёт

правильной расстановки нагелей: ограничения минимально допусти-

мых расстояний между ними вдоль волокон деревянного элемента (S1),

поперёк его волокон (S2) и от его продольной кромки (S3). Значения

S1, S2, S3 для различных видов нагелей (стальных, алюминиевых, стек-

лопластиковых, дубовых) и вариантов их расстановки в соединении

(прямыми рядами или в шахматном порядке) приведены в п.п. 7.18 и

7.19 [1]. Исходя из так называемого «принципа дробности», который

был подробно рассмотрен в лабораторной работе №1, и ограничения

жёсткости нагеля с целью предотвращения хрупкого раскалывания

древесины, диаметр стальных цилиндрических нагелей принимают в

пределах от 12 до 24 мм.

Как уже отмечалось, формулы для определения несущей спо-

собности нагельного соединения из условий смятия древесины и изги-

ба нагеля могут быть получены в результате анализа его работы с ис-

пользованием упрощённых расчётных схем. Две из них, характеризу-

ющие работу среднего элемента симметричного двухсрезного соеди-

нения, приведены на рис. 4 а, д, е. При этом несущую способность

28

определяют исходя из условия равенства нулю изгибающих

моментов по швам сплачивания:

,5,0

смсм Rdc

T

,5,0 1 dckdсRТ смсм

,ии RW

M ,

32

3dW

,25,0 и сTM

,8

и

3

и Rc

dТ

где Rсм – расчётное сопротивление смятию древесины нагельно-

го гнезда (условно принимается постоянным для всех

диаметров нагеля и равным 10 МПа);

W – момент сопротивления нагеля, см3;

d – диаметр нагеля, см;

с – толщина среднего элемента соединения, см;

Ru – условное сопротивление нагеля изгибу; для стали име-

ет значение несколько большее, чем её предел текуче-

сти, т.к. при принятых предпосылках расчёта учитыва-

ется пластическая работа нагеля, МПа.

Критерием идеального подбора нагеля может служить равен-

ство несущих способностей Tсм и Ти на один шов сплачивания. Тогда

выражение для Ти может быть преобразовано к следующему виду:

,иТТсм ,8

5,0 и

3

Rc

ddcRсм

,

4

и

смR

Rdc

.44,0 23

2ии dkdRRТ см

Для несимметричных соединений, а также при недостаточ-

ном защемлении нагеля в крайних, более тонких элементах толщиной

29

a, изгибающий момент в швах сплачивания не равен нулю, что учи-

тывают при определении несущей способности соединения. Кроме

этого в расчётные формулы вводят поправочный коэффициент k ≤ 1,

учитывающий меньшую несущую способность соединения при дей-

ствии усилия под углом к направлению продольных волокон древе-

сины, так как в этом случае древесина обладает меньшей прочностью

и большей податливостью. В результате формулы для определения

расчётной несущей способности нагельного соединения на один шов

сплачивания принимают вид:

,1 kdckТ ссм кН – по смятию нагельного гнезда в средних

элементах симметричных соединений или более толстых элементах

несимметричных соединений;

,2 kdаkТ асм кН – по смятию нагельного гнезда в крайних

элементах симметричных соединений или более тонких элементах

несимметричных соединений;

,)( 25

24

23и kdkkаkdkТ – по изгибу нагеля.

Количество нагелей в соединении для передачи расчётного уси-

лия N может быть определено по формуле:

,Тn

Nn

шн

где nш – число расчётных швов одного нагеля;

Т – наименьшая расчётная несущая способность одного

нагеля в одном расчётном шве: ),,(min иТТТТ ссм

асм .

Гвозди, как и цилиндрические стальные нагели, широко приме-

няют для соединения элементов деревянных конструкций. Они рабо-

тают и рассчитываются аналогично изгибаемым болтам, но с некото-

30

рыми особенностями. Гвозди изготавливают из холоднотянутой сталь-

ной проволоки в соответствии с ГОСТ [16, 17] , а потому они облада-

ют повышенной по сравнению с болтами прочностью. Острие гвоздя

имеет четырёхгранную форму и длину, равную его полутора диамет-

рам. Шляпка имеет диаметр, равный двум диаметрам гвоздя.

Наибольшее применение в деревянных конструкциях находят гвозди

диаметром 3, 4, 5 и 6 мм и длиной соответственно 80, 100, 150 и

200 мм. Гвозди забивают в цельную древесину ударами ручного или

пневматического молотка.

При забивке гвозди уплотняют древесину, что увеличивает её со-

противление смятию поперёк волокон. Поэтому несущая способность

гвоздей не зависит от угла передачи расчётного усилия по направле-

нию к продольным волокнам соединяемых элементов деревянной кон-

струкции, и коэффициент k в расчётные формулы не вводится. С

другой стороны, заострённый конец гвоздя, проникая в древесину и

раздвигая её волокна в сторону, повышает опасность раскалывания

последней. Эту опасность уменьшают относительно более редкой рас-

становкой забиваемых гвоздей по сравнению с другими видами ци-

линдрических нагелей и ограничением диаметра гвоздя в зависимости

от толщины пробиваемого элемента конструкции: dгв ≤ 0,25 · а,

dгв ≤ 0,25 · с.

Расстановку гвоздей осуществляют в шахматном порядке, пря-

мыми или косыми рядами под углом ≤ 45º к продольным волокнам

элемента (рис. 5). Значения S1, S2, S3 для различных вариантов расста-

новки гвоздей и любого типа их забивки (сквозной или глухой) приве-

дены в п. 7.21 [1] и составляют:

S1 ≥ 15 · dгв – от торца элемента до оси гвоздя во всех случаях;

между осями гвоздей при их глухой забивке, а также при сквозной за-

бивке и толщине пробиваемого элемента с ≥ 10 · dгв;

31

Рис. 5. Схемы расстановки гвоздей: а – прямыми рядами; б – в

шахматном порядке; в – косыми рядами.

Рис. 6. Схемы забивки гвоздей: а – сквозная; б – глухая.

32

S1 ≥ 25 · dгв – между осями гвоздей при их сквозной забивке и

толщине пробиваемого элемента с = 4 · dгв ; для промежуточных зна-

чений толщины пробиваемого элемента (4 · dгв < c < 10 · dгв ) величи-

ну S1 определяют по интерполяции;

S2 ≥ 4 · dгв – при прямой расстановке гвоздей;

S2 ≥ 3 · dгв – при шахматной расстановке гвоздей или расстанов-

ке косыми рядами;

S3 ≥ 4 · dгв – во всех случаях.

Несущая способность гвоздевого соединения зависит от типа за-

бивки гвоздей: сквозной или глухой (рис. 6). При сквозной забивке

(свободном выходе гвоздей из пакета) их работу учитывают во всех

расчётных швах сплачивания, но из-за отщепа крайних волокон по-

следнего элемента на выходе острия гвоздя при вычислении значения

Та

см рабочую толщину последнего элемента уменьшают на 1,5 · dгв .

При глухой забивке гвоздей их работу в примыкающем к последнему

элементу шве учитывают в случае, когда расчётная длина защемле-

ния конца гвоздя в этом элементе ℓp ≥ 4 · dгв. При определении ве-

личины ℓp не учитывают заострённую часть гвоздя длинной 1,5 · dгв и

из длины гвоздя вычитают по 2 мм на каждый шов между соединяе-

мыми элементами:

гвшгвp dnca 5,12)( ,

где ℓгв – длина гвоздя, мм;

∑(а + с) – сумма толщин элементов, пробитых гвоздем

насквозь, мм;

nш – количество швов, пробитых гвоздем.

33

Соединяемые элементы деревянных конструкций должны быть

проверены на прочность с учётом ослаблений нагелями (гвоздями).

При определении площади ослабления гвоздями диаметр отверстия

принимают равным диаметру гвоздя. Ослабления при прямой расста-

новке учитывают как сумму ослаблений всеми гвоздями ряда, при

шахматной расстановке – как сумму ослаблений гвоздями чётных и

нечётных полурядов, при расстановке косыми рядами – как сумму

ослаблений всеми гвоздями косого ряда, считая их совмещёнными в

одном сечении.

Описание опытной конструкции, схемы приложения внешней нагрузки и размещения измерительных приборов

Опытная конструкция представляет собой пакет из трёх досок,

моделирующих работу симметричного двухсрезного гвоздевого со-

единения. Для проведения опыта используют доски из древесины сос-

ны или ели, соответствующие её первому сорту. При этом в местах

забивки должно быть исключено наличие сучков. Пиломатериал вы-

держивают в помещении с температурой 220t С и относитель-

ной влажностью воздуха %565 до тех пор, пока древесина не

достигает стандартной влажности, равной 12%. Затем доски строгают,

а торцы обрезают перпендикулярно их боковым поверхностям. Гвозди

забивают по предварительной разметке перпендикулярно к плоскости

собранных в пакет досок по два гвоздя с каждой стороны пакета. При

соединении плоскостей досок между ними оставляют зазор в 1,0 1,5

мм с тем, чтобы исключить влияние сил трения на несущую способ-

ность соединения. Расстояния S1, S2 и S3 для гвоздевого соединения

принимают не менее указанных в п. 7.21 [1].

Конструкция лабораторного образца, схема его загружения и раз-

мещения измерительных приборов приведены на рис. 7.

34

Рис. 7. Конструкция лабораторного образца (а), схема приложения

нагрузки и размещения измерительных приборов (б):

1 – индикаторы (мессуры); 2 – уголки для упора штифта индикато-

ров; 3 – траверса машины (гидравлической прессовой установки).

35

Загружение производят с помощью гидравлической прессовой

установки. Нагрузку прикладывают к среднему элементу пакета досок,

выступающему вверх относительно двух крайних элементов. Для из-

мерения деформаций сдвига по швам сплачивания, включающим пер-

воначально деформации смятия древесины, а затем и изгиба гвоздей,

на среднем элементе с двух его сторон с помощью шурупов закрепля-

ют упоры (уголки) для штифтов двух индикаторов часового типа (мес-

сур) с ценой деления 0,01 мм. Сами индикаторы устанавливают непо-

движно относительно крайних элементов пакета досок.

Для лабораторного образца может быть принят любой тип забив-

ки гвоздей: сквозной или глухой. На рис. 7 приведен вариант сквозной

забивки.

Теоретический расчёт гвоздевого соединения

Теоретический расчёт производят как с целью последующего со-

поставления его результатов с результатами испытаний лабораторного

образца, так и с целью выбора ступени нагружения последнего. По-

этому непосредственно перед испытанием с точностью до 0,5 мм из-

меряют все геометрические размеры опытной конструкции и диаметр

гвоздей, а также уточняют сорт древесины. Затем проверяют выполне-

ние требований норм, касающихся правил расстановки гвоздей. При

выполнении указанных требований определение несущей способности

гвоздевого соединения производят по формуле:

,гвшТгв nnТР

где Т – минимальная расчётная несущая способность одного

гвоздя на один шов сплачивания;

nш – число расчётных швов одного гвоздя, где учитывается

его работа;

nгв – количество гвоздей в соединении (nгв = 4).

36

Значения расчётной несущей способности одного гвоздя на один

условный срез по смятию крайних и среднего элемента пакета досок, а

также по изгибу гвоздя вычисляют по формулам:

,8,0 гвасм daТ кН , ,5,0 гв

ссм dсТ кН,

,401,05,2 222и гвгв dаdТ кН,

где при сквозной забивке гвоздей 2)5,1( 21 гвdааa и nш = 2.

В случае глухой забивки гвоздей навстречу друг другу (по два

гвоздя с каждой стороны пакета досок) первоначально вычисляют зна-

чение ℓр:

.5,1)2(22

21гвгвр dммс

aa

Если окажется, что ℓр < 4 dгв, то в расчётных формулах прини-

мают nш = 1 и .2)( 21 aaa

При ℓр ≥ 4 ∙ dгв принимают nш = 2 и .2)2( 21 рааa

Определённое таким образом значение несущей способности

гвоздевого соединения соответствует так называемому базовому ре-

жиму нагружения: совместному действию постоянной и кратковре-

менной снеговой нагрузки. Поэтому при кратковременных испытаниях

конструкции лабораторного образца в нормальных температурно-

влажностных условиях теоретическое значение несущей способности

следует вычислять с использованием коэффициента условия работы

mн = 1,5:

,нmnnТР гвшТгв кН.

Вероятность того, что при нагрузке ТгвРР будет достигнута

расчётная предельная деформация, составляет не менее 99%. При этом

наблюдается резкий рост остаточных деформаций по сравнению с

37

упругими. Однако наиболее близкой к среднестатистическому опыт-

ному значению несущей способности, при которой предельная расчёт-

ная деформация составит 2 мм (см. табл. 18 [1]), будет значение ТгвР ,

вычисленное по аналогичной формуле, но с использованием средне-

го значения условного сопротивления смятию уссмR . Его величина, со-

ответствующая кратковременным стандартным испытаниям и ограни-

чивающая деформативность соединения, в нормативной литературе [1]

и [10] не приводится, но может быть спрогнозирована с помощью ко-

эффициента надёжности назначения базовых расчётных сопротивле-

ний при смятии:

,4,2 смврсмн RRk

где врсмR – среднее значение временного сопротивления смятию

вдоль волокон древесины (принимается по приложе-

нию В [1] или по табл. 9 [10]);

Rсм – расчётное сопротивление древесины смятию вдоль

волокон (принимается по табл. 3 [1]).

При таком подходе значение ТгвР вычисляют при mн = 1:

,гвшнТгв nnТkР кН.

Испытание гвоздевого соединения статической нагрузкой

Нагружение лабораторного образца производят ступенями. Сту-

пень приложения нагрузки принимают равной 10 20% от теоретиче-

ски вычисленной величины ТгвР , так как несущая способность

соединения определяется не его разрушением, а предельной де-

формативностью. С целью последующего сравнения характера де-

формирования гвоздевого соединения и лобовой врубки принимают

38

одинаковый режим их нагружения: ступень приложения нагрузки; раз-

грузку до одного и того же исходного уровня (условного нуля), равно-

го 1 кН, что позволяет ликвидировать неплотности соединения; ско-

рость нагружения и разгрузки. При этом, как и в случае с лобовой

врубкой, оценивают полные, упругие и остаточные деформации за

каждый цикл нагружения. Формула для вычисления деформаций сдви-

га представлена на стр. 21.

Результаты всех измерений заносят в таблицу 2.

Таблица 2

Опытное определение деформаций сдвига по швам сплачивания

гвоздевого соединения

Наг

ру

зка

Р,

кН

Отсчёты по мессурам

(Ц.Д. = 0,01 мм)

Разность отсчётов Средние значения

деформаций, мм

при нагрузке

при разгрузке

до 1 кН

при нагрузке

при разгрузке

до 1 кН

при нагрузке

при разгрузке

до 1 кН

1М 2М 1M

2M 1М 2М 1M

2M

kДЦ

MM

.).(

2

21

kДЦ

MM

.).(

2

21

1 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒ ▒▒▒▒

2,5 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒▒

1 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒

5 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒▒

1 ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒

• ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒▒

• ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒

• ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒▒

опгвР = кН, оп

гвР = кН, разР = кН.

39

Нагрузка опгвР соответствует резкому росту остаточных деформа-

ций по сравнению с упругими, нагрузка опгвР – предельной расчётной

деформации, равной 2 мм, нагрузка Рраз – непрерывному росту дефор-

маций при постоянном значении на силоизмерителе испытательной

машины. Результаты испытаний представляют в виде графиков «сила

– деформация», «сила – отношение остаточной к упругой деформации

за каждый цикл нагружения» и схемы разрушения гвоздевого соеди-

нения.

При этом для определения полной деформации за цикл нагруже-

ния из отсчёта при нагрузке вычитают предыдущий отсчёт при услов-

ном нуле (исходном уровне), равном 1 кН, а для определения упругой

деформации из отсчёта при нагрузке вычитают последующий отсчёт

при условном нуле. Значение остаточной деформации за цикл нагру-

жения получают как разность соответствующих значений полной и

упругой деформаций.

Заключительным этапом работы является сравнение теоретиче-

ского и опытного значений несущей способности соединения.

40

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИСПЫТАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ НА КЛЕЮ

Цель работы

1. Ознакомление с основными видами клеевых соединений, их

достоинствами и недостатками.

2. Ознакомление с причинами и характером потери несущей

способности клеевых соединений.

3. Ознакомление с основными типами поперечных сечений до-

щато-клеёных и клеефанерных элементов деревянных кон-

струкций и особенностями их работы.

4. Исследование и оценка характера потери несущей способно-

сти клеевого соединения, сравнение опытных данных с рас-

чётными.

Краткие теоретические сведения

Склеивание древесины является наиболее перспективным спосо-

бом соединения элементов деревянных конструкций, особенно при их

индустриальном производстве. Клеевые соединения имеют ряд суще-

ственных преимуществ по сравнению с контактными соединениями и

соединениями на механических связях:

1) они отличаются лучшим использованием древесины, так как

соединяемые элементы не ослабляются отверстиями и врезками;

2) появляется возможность компоновки крупных элементов

практически любых размеров и форм (прямолинейных и изогнутых;

постоянного, переменного и профильного сечений; длиной, измеряе-

41

мой десятками метров и высотой до 2 2,5 м) из мелкоразмерного

сортамента;

3) склеивание позволяет применять древесину более низких сор-

тов в менее напряжённых местах конструкций;

4) клеевые соединения практически неподатливы (см. табл.

18 [1]), образуют монолитное сечение и вследствие этого обладают

повышенной огнестойкостью;

5) такие соединения являются безметальными, что делает их

стойкими к воздействию агрессивной среды и обеспечивает долговеч-

ность конструкций;

6) за счёт рассредоточения пороков при наборе клеёных пакетов

повышаются механические свойства клеёной древесины.

Вместе с тем для реализации указанных преимуществ необходи-

мо строгое соблюдение технологии производства клеёных деревянных

конструкций. Такая технология включает в себя последовательно сле-

дующие операции:

1) отбор пиломатериалов преимущественно хвойных пород (сос-

на, ель) с размерами, соответствующими номинальным размерам кле-

ёного элемента, но с учётом суммарных припусков на усушку и ме-

ханическую обработку;

2) сушка древесины до влажности w = 9 ÷ 12% в зависимости

от условий её последующей эксплуатации; для получения пиломатери-

алов заданной влажности с минимальными внутренними напряжения-

ми и минимальным перепадом влажности по толщине отдельных до-

сок сушку проводят в три этапа – атмосферную (в штабелях), камер-

ную (в сушильных камерах) и кондиционирование (в условиях цеха на

специальных площадках);

3) сортировка пиломатериалов по влажности и качеству (опреде-

ляется сорт древесины);

42

4) вырезка дефектных мест на торцовочных станках;

5) фрезерование поверхностей и нанесение клея с помощью кле-

енамазывающих станков;

6) сборка пакета из подлежащих склеиванию заготовок, их за-

прессовка и выдержка под давлением для создания прочных монолит-

ных соединений;

7) окончательная механическая обработка конструкций, вклю-

чающая фрезерование их боковых поверхностей, торцовку и сверление

отверстий под болты и соединительные детали.

При этом особое внимание уделяют продолжительности сбороч-

ных операций, которая зависит от типа применяемого клея. Клеем

называют такой состав, который при определённых условиях (нагреве

или охлаждении) в результате химической реакции обладает свой-

ством затвердевать и прочно соединять различные или однородные

материалы. Основу клея составляют связующие вещества, которые

могут быть животного (казеин), растительного (крахмал), минерально-

го (силикат, битум) или синтетического происхождения (смола). Кро-

ме связующего, в клей входит растворитель (ацетон), пластификатор

(дибутилфталат), наполнитель (древесная мука, лигнин, цемент, диаба-

зовая мука) и отвердитель.

Растворители входят в состав клея для понижения его концентра-

ции и вязкости. Пластификаторы служат для уменьшения хрупкости

клеевых соединений. Наполнители используют для повышения вязко-

сти клея, уменьшения усадки, удешевления клея.

К клеевым соединениям деревянных конструкций предъявляются

требования равнопрочности с основной древесиной, монолитности,

водостойкости, долговечности и технологичности. В полной мере удо-

влетворить указанным требованиям смогли лишь клеи синтетического

происхождения, хотя по данным [18] до настоящего времени сохрани-

43

лись несущие деревянные конструкции, соединённые на казеиновом

клее (такая технология в начале ХХ века использовалась в Швейцарии,

Швеции и Германии). Поиск оптимального ассортимента конструкци-

онных клеев и соответствующих режимов поточного производства

клеёных конструкций продолжается до сих пор, но уже имеется набор

синтетических клеев, которые позволяют соединять элементы дере-

вянных конструкций не только между собой, но и с синтетическими

полимерными материалами (например, стеклопластиковой арматурой)

и металлическими деталями.

В настоящее время применяют резорциновые, фенольно-

резорциновые, алкилрезорциновые, фенольные, карбамидные и карба-

мидно-меламиновые клеи. Их основные технологические показатели

(вязкость, жизнеспособность, время полной полимеризации), состав и

стоимость приведены в [18]. Выбор типа клея зависит от температур-

но-влажностных условий, при которых будут эксплуатироваться клеё-

ные конструкции, и назначается в соответствии с таблицей 2 [1].

Прочность клеевого соединения обеспечивается как кагезионны-

ми связями (связями клеевой прослойки), так и адгезионными связями

(связями клея с древесиной). При испытаниях разрушение опытных

образцов клеевых соединений должно происходить в основном по

склеиваемой древесине, а не с разрушением кагезионных или адгези-

онных связей.

При изготовлении клеёных деревянных конструкций используют

три основных вида соединений: стыкование впритык, на «зубчатый

шип», «на ус» (рис. 8).

44

Рис. 8. Виды клеевых соединений: а – стыкование впритык; б - вер-

тикальное соединение на «зубчатый шип»; в – горизонтальное со-

единение на «зубчатый шип»; г – диагональное соединение на

«зубчатый шип»; д –- угловое соединение на «зубчатый шип»; е –

соединение фанеры на «ус».

45

Стыкование отдельных слоёв досок впритык применяется для об-

разования клеёных пакетов. При этом стыкование производят как по

пласти досок (с целью формирования элементов требуемой высоты

поперечного сечения), так и по кромке (при необходимости изготовле-

ния клеедеревянных элементов с шириной сечения большей, чем ши-

рина отдельных досок). Расстояние между стыками смежных слоёв по

длине элемента принимают не менее двадцати толщин наиболее тол-

стой доски, а по ширине элемента – не менее толщины доски. Стыки

должны образовывать ступени, направленные в разные стороны. В

одном сечении клеёного элемента допускается стыковать не более 25%

всех досок, а в наиболее напряжённой зоне – не более одной доски.

При изготовлении клеедеревянных элементов тавровой и двутавровой

формы со стенками из досок на ребро применяют стык по пласти и

кромке одновременно, когда пласти поясов соединяют с кромками

стенки. Стыки впритык хорошо работают на сжатие.

Соединение на «зубчатый шип» применяется для стыкования

(сращивания) досок по длине и при вырезке местных пороков древеси-

ны. В соответствии с ГОСТ [19] нарезка шипов может быть вертикаль-

ной (перпендикулярно пласти), горизонтальной (параллельно пласти),

диагональной и угловой. Зубчатый шип характеризуется тремя геомет-

рическими параметрами – длиной шипа L, шириной его у основания

(шаг соединения) t и шириной у вершины (затупление) b. Эти пара-

метры строго регламентированы ГОСТ [19] и принимаются в зависи-

мости от дальнейшего использования соединения: зубчатые соедине-

ния типов І – 32, ІІ – 20, ІІ – 10 – для получения плетей при склеивании

досок по длине; типов І – 50 и І – 32 – для склеивания по всему сече-

нию многослойных элементов несущих конструкций; типов ІІ – 10 и

ІІ – 5 – для склеивания по длине и ширине фанеры. Тип зубчатого

соединения (І или ІІ) характеризует категорию его относительной

46

прочности, которая определяется путем стандартных испытаний 15

цельных и 15 клеёных образцов на статический изгиб по методике,

изложенной в [19, 23], последующем сравнении прочности каждого

клеёного и цельного образца по формуле Аi=(к/ц)·100% и нормиро-

вании этой характеристики (относительной прочности) для зубчатого

клеевого соединения в целом: ).(2)( ii ASAXA Тип ІІ характе-

ризует клеевое соединение с величиной относительной прочности А ≥

60%, тип І – с величиной относительной прочности А ≥ 75%.

Расстояние «в свету» между зубчатыми соединениями в одной

доске должно быть не менее 300 мм, а расстояние между стыками

смежных досок (слоёв) – не менее двадцати толщин наиболее толстой

доски.

Кроме сращивания досок по длине, «зубчатый шип» используют

для стыкования клеёных пакетов, сопрягаемых под углом друг к другу

по всей высоте сечения. Однако помимо технологических сложностей,

это соединение имеет невысокую надёжность из-за различных темпе-

ратурно-влажностных деформаций древесины вдоль и поперёк воло-

кон. Поэтому величину внутреннего угла между осями сопрягаемых

под углом элементов принимают не менее 104°.

Клеевое соединение на «зубчатый шип» хорошо работает не

только на сжатие, но и на растяжение, изгиб и кручение, что связано с

увеличенной площадью контактных поверхностей элементов. В техни-

ческой литературе [18] отмечено, что к настоящему времени ещё не

удалось получить прочность клеевого шва, соответствующую прочно-

сти древесины на растяжение вдоль волокон. Поэтому в растянутых

стыках площадь склеиваемых поверхностей увеличивают путем со-

единения на «зубчатый шип» или используя так называемое усовое

соединение.

47

Соединение на «ус» раньше применяли при заготовке элементов

значительной длины из досок. При этом их концы обрезали по наклон-

ным поверхностям с соотношением сторон 1:10. В настоящее время

усовое соединение допускается нормами [1] только для фанеры вдоль

волокон её наружных слоёв. Длину его принимают не менее 10 тол-

щин фанеры. Расстояние в свету между стыками также должно состав-

лять не менее 10·δф. Вместе с тем, у усового сопряжения фанеры су-

ществует пониженная по сравнению с цельными листами прочность

при растяжении ввиду неполного совпадения соответствующих шпо-

нов фанерного листа, которая принимается равной 0,6 от прочности

нестыкованных участков для фанеры обычной и 0,8 – для фанеры ба-

келизированной. При отсутствии стыков или при расчётах сжатых фа-

нерных обшивок этот коэффициент принимают равным единице.

При изготовлении гнутоклеёных конструкций и отношении ради-

уса их кривизны к толщине доски в пределах 150 ≤ Дr < 300 стыки

выполняют притык с плотной приторцовкой и проклейкой досок. При

соотношении Дr ≥ 300 стыкование осуществляют на «зубчатый

шип». Доски толщиной более (1/150)·r не используются. Максималь-

ная толщина доски для гнутоклеёных элементов составляет 33 мм (её

получают после фрезерования доски по пласти толщиной 40 мм), а в

прямолинейных элементах – 42 мм (фрезеруют доски толщиной 50

мм). Это делается с целью снижения внутренних напряжений в клее-

вых швах, которые возникают в процессе эксплуатации клеёной кон-

струкции, когда её влажность приходит в соответствие с равновесной

влажностью окружающей среды.

Клеевое соединение используют и при изготовлении самой стро-

ительной фанеры, когда с помощью синтетических клеев (фенол-

формальдегидных, карбамидных) и последующего прессования соеди-

48

няют несколько нечётных (пять, семь) листов шпона. Шпон предвари-

тельно получают лущением прямолинейных отрезков ствола дерева

(кряжей, чураков). Смежные шпоны в пакете имеют взаимно перпен-

дикулярное расположение волокон, поэтому фанера обладает меньшей

анизотропией свойств, чем природная древесина. Наружные шпоны

имеют взаимно параллельное направление волокон вдоль листа. Для

изготовления шпона используют берёзу и лиственницу.

Обычная клеёная фанера имеет толщину δф = 6 ÷ 12 мм, ширину –

725 ÷ 1525 мм, длину – 1220 ÷ 2440 мм. Она обладает высокой прочно-

стью, водостойкостью, малой массой. При пропитке наружных шпонов

спирторастворимыми смолами получают еще более прочную и водо-

стойкую бакелизированную фанеру толщиной δф = 5 ÷ 18 мм,

шириной –1200 ÷ 1500 мм , длиной – 1500 ÷ 7700 мм. В марке фанеры

указывается вид клея и пропитки: ФСФ, ФК, ФБС, ФБСВ, где Ф – фа-

нера, СФ – смоляной фенолформальдегидный клей, К – карбамидный

клей, Б – бакелизированная, С – пропитка наружных шпонов спирто-

растворимыми смолами, В – пропитка внутренних слоёв водораство-

римыми смолами.

Применение водостойкой строительной фанеры позволяет изго-

тавливать клеефанерные конструкции двутаврового и коробчатого се-

чений (рис. 9), в которых используют клеевое соединение фанеры с

древесиной. В случае клеевого шва фанеры с пластью досок ширину

последних принимают не более 10 см, чтобы не возникла опасность

перенапряжения клеевых швов в результате коробления досок при

колебании их влажности. При необходимости использования досок

большей ширины (в поясах клеефанерных балок) в них предусматри-

вают горизонтальные пропилы со стороны фанерных стенок.

В дощатоклеёных конструкциях ширина досок ограничивается

только существующим сортаментом пиломатериалов. Поперечные

49

сечения таких элементов имеют прямоугольную, двутавровую и ко-

робчатую форму (см. рис. 9).

Рис. 9. Поперечные сечения дощатоклеёных (а, б, в, г) и клеефа-

нерных (д, е, ж) элементов: а – прямоугольное многослойное; б –

двутавровое; в – коробчатое; г – двутавровое многослойное; д –

двутавровое (плита); е – двутавровое (балка); ж – коробчатое (бал-

ка).

При соблюдении технологии толщину клеевых швов получают

минимальной в пределах 0,1 ÷ 0,3 мм. Их прочность превосходит

прочность древесины при сжатии и скалывании, а при растяжении

соответствует прочности древесины растяжению поперёк волокон.

Этот недостаток ликвидируют используя соединение на «зубчатый

50

шип» и в результате при растяжении получают стык, равнопрочный с

цельной древесиной.

Поэтому клеёные элементы рассчитывают как элементы цельного

сечения. Однако при проверках прочности по нормальным напряже-

ниям и общей устойчивости изгибаемых, внецентренно-сжатых, сжа-

то-изгибаемых и сжатых дощатоклеёных элементов базовые расчётные

сопротивления при изгибе Rи и сжатии Rс умножают на коэффициенты

условия работы mб и mсл , а при проверке прочности по касательным

напряжениям коэффициент mсл вводится как множитель к базовому

расчётному сопротивлению при скалывании Rск:

,слби mmRW

M слmR

bJ

SQск

и т.д.

Коффициент mб зависит от высоты поперечного сечения клеёного

элемента. При h ≤ 50 см mб = 1, а при h > 50 см mб < 1. Это объясня-

ется тем, что в высоких балках в нижней зоне доски в большей мере

будут подвергнуты растяжению, чем изгибу, а расчётное сопротивле-

ние при растяжении ниже расчётного сопротивления при изгибе.

Коэффициент mсл зависит от толщины досок клеёного пакета. При

δД = 42 мм mсл = 0,95, а при δД = 19 мм mсл = 1,1. Это объясняется

большей вероятностью рассредоточения пороков древесины по мере

уменьшения толщины досок.

Как и в случае неклеёных элементов, базовые расчётные сопро-

тивления клеёных элементов получают в результате умножения соот-

ветствующих кратковременных расчётных сопротивлений изгибу,

сжатию, растяжению, скалыванию и раскалыванию на коэффициент

mдл = 0,66.

Указанные сопротивления получают в результате стандартных

кратковременных испытаний клеёных образцов [20, 21, 22, 23, 24].

51

Базовые расчётные сопротивления соответствуют совместному дей-

ствию постоянной и кратковременной снеговой нагрузки. Для иных

режимов нагружения и сочетания нагрузок базовые расчётные сопро-

тивления умножают на коэффициент условия работы mн .

Расчёт клеефанерных элементов также выполняют как элементов

цельного сечения, но все геометрические характеристики (F, S, J, W)

вычисляют с учётом различия модулей упругости древесины и фане-

ры. Это различие приводит к разным напряжениям в указанных мате-

риалах при одних и тех же деформациях и, следовательно, разной доле

их участия в восприятии внешней нагрузки. Этот факт учитывают пу-

тём соотношения модулей упругости древесины и фанеры, и геомет-

рические характеристики приводят к тому материалу, в котором опре-

деляют напряжения:

,д

ффдпр.д.

Е

ЕFFF ,ф

ф

ддпр.ф. F

Е

ЕFF

,д

ффд.пр.д

Е

ЕJJJ ф

ф

ддпр.ф. J

Е

ЕJJ ,

и т.д. При расчете прогибов клеефанерных элементов приведенную

жёсткость снижают на 30%, принимая ее равной 0,7·Ед·Jпр.д (или

0,7·Еф·Jпр.ф.).

Описание опытной конструкции, схемы приложения внешней нагрузки и размещения измерительных приборов

Опытная конструкция представляет собой пакет из трёх досок,

моделирующих работу их клеевого соединения по пласти. Для прове-

дения опыта используют доски из древесины сосны или ели, соответ-

ствующие её первому сорту. При этом в местах клеевых швов должно

быть исключено наличие трещин и сучков. Пиломатериал выдержи-

52

вают в помещении с температурой 220t С и относительной

влажностью воздуха %565 до тех пор, пока древесина не до-

стигает стандартной влажности, равной 12 %. Затем доски строгают,

торцы обрезают перпендикулярно их боковым поверхностям. Время от

момента острожки (фрезерования) досок до нанесения клея не должно

превышать восьми часов. Непосредственно перед нанесением клея

поверхность досок дополнительно очищают от пыли и грязи.

Для склеивания используют резорциновый (ФР-12) или феноль-

но-резорциновый (ФРФ-50) клей. Его наносят с помощью кисти или

валика, затем с помощью механического пресса пакет из досок обжи-

мают под давлением, равным 0,5 МПа, и в таком состоянии выдержи-

вают при указанных выше температурно-влажностных условиях не

менее 12 часов. После распрессовки клеёного пакета осуществляют его

кондиционирование в тех же условиях в течение трёх суток для окон-

чательной полимеризации (отверждения) клея.

Конструкция лабораторного образца, схема его загружения и раз-

мещения измерительных приборов приведены на рис. 10. Загружение

производят с помощью гидравлической прессовой установки. Нагруз-

ку прикладывают к среднему элементу пакета досок, выступающему

вверх относительно двух крайних элементов. Для измерения деформа-

ций сдвига по клеевым швам на крайних и среднем элементе в одном

уровне (середине высоты клеевого шва) с помощью шурупов закреп-

ляют упоры (уголки) для штифтов трёх (шести – при установке прибо-

ров с двух сторон) индикаторов часового типа (мессур) с ценой

деления 0,01 мм. Сами индикаторы с помощью штативов устанавли-

ваются неподвижно относительно опытной конструкции.

53

Рис. 10. Конструкция лабораторного образца (а), схема приложения

нагрузки и размещения измерительных приборов (б): 1 – индика-

торы (мессуры); 2 – уголки для упора штифта индикаторов; 3 – тра-

верса машины (гидравлической прессовой установки).

54

Теоретический расчёт клеевого соединения

Теоретический расчёт производят как с целью последующего со-

поставления его результатов с результатами испытаний лабораторного

образца, так и с целью выбора ступени нагружения последнего. По-

этому непосредственно перед испытанием с точностью до 0,5 мм из-

меряют все геометрические размеры опытной конструкции, а также

уточняют сорт древесины.

Несущая способность клеевого соединения на один шов сплачи-

вания определяется скалыванием древесины и при выполнении усло-

вия 3eск может быть определена в предположении равномерного

распределения касательных напряжений по длине плоскости скалыва-

ния:

,iсрскскск mRFТ

,bF скск

,

1е

RR

ск

сксрск

где Fск – расчётная площадь скалывания;

b – ширина поперечного сечения элемента;

ℓр – длина площадки скалывания;

e – плечо сил скалывания; для симметрично загруженных

элементов принимается в соответствии с п. 7.3 [1]

равным 0,25 ∙ h,

где h – полная высота поперечного сечения элемента;

скR – расчётное максимальное местное сопротивление дре-

весины скалыванию вдоль волокон в клеевых соедине-

55

ниях; определяется по табл. 3 [1];

ср

скR – расчётное среднее местное сопротивление древесины

скалыванию по длине площадки скалывания в клеевых

соединениях;

β – коэффициент, учитывающий вид скалывания; прини-

мается в соответствии с п. 7.3. [1] равным 0,125;

mi – произведение коэффициентов условия работы древе-

сины для заданных условий проведения эксперимента;

при кратковременных испытаниях в нормальных

температурно-влажностных условиях (t < 35 C,

< 75 %) это произведение составит:

слслслбнтв 5,115,111 mmmmmmmmi

Теоретическое значение внешней нагрузки, соответствующей

разрушению лабораторного образца, может быть вычислено как

скскТск ТnP ,

где nск – число клеевых швов (плоскостей скалывания).

Вероятность того, что при нагрузке ТскPP произойдет разруше-

ние клеевого соединения, составляет не менее 99 %. Однако наиболее

близкой к среднестатистическому опытному значению разрушающей

нагрузки будет значение ТскP , вычисленное по аналогичным формулам,

но с использованием среднего значения временного сопротивления

древесины местному скалыванию вдоль волокон в клеевых соединени-

яхврскR . Его величина, соответствующая кратковременным стандарт-

ным испытаниям, в нормативной литературе [1] и [10] не приводится,

56

но может быть спрогнозирована с помощью коэффициента надёжно-

сти назначения базовых расчётных сопротивлений при скалывании:

8,2 скврскн RRk ,

где врскR – среднее значение временного сопротивления древеси-

ны скалыванию вдоль волокон при изгибе клеёных

элементов (принимается по табл. 9 [10]);

Rск – расчётное сопротивление древесины скалыванию

вдоль волокон при изгибе клеёных элементов (прини-

мается по табл. 3 [1]).

При таком подходе значение ТскP вычисляют при mн = 1:

,скскнТ

ск ТnkP кН.

Испытание клеевого соединения статической нагрузкой

Нагружение лабораторного образца производят ступенями. Сту-

пень приложения нагружения принимают не более 10 % от теоретиче-

ски вычисленной величины ТскP . Вероятность того, что разрушение

клеевого соединения произойдет при значении нагрузки ТскPP , со-

ставляет 50%. При этом деформация (сдвиг) в соединении нормами

не допускается (см. табл. 18 [1]).

Индикаторы часового типа, закреплённые неподвижно отно-

сительно опытной конструкции, позволяют оценить перемещения то-

чек каждого её элемента на базе, равной расстоянию между основани-

ем штатива и положением упора (уголка) для штифта мессуры. При

равенстве этих баз подтверждением отсутствия сдвига в клеевом со-

единении станет близкая к нулю разность показаний мессур, установ-

ленных на двух крайних и среднем элементе образца. С целью сравне-

57

ния характера деформирования клеевого соединения с лобовой вруб-

кой и гвоздевым соединением принимают одинаковый режим их

нагружения (см. лабораторные работы №1 и №2).

Результаты всех измерений заносят в таблицу 3.

При достижении нагрузкой величины, равной 80 % от ТскP , инди-

каторы снимают и лабораторный образец нагружают до разрушения.

Результаты испытаний представляют в виде графика «сила-

деформация сдвига» в соединении и схемы разрушения клеевого со-

единения.

Таблица 3

Опытное определение деформаций сдвига

по швам сплачивания клеевого соединения

Наг

ру

зка

Р,

кН

Отсчёты по мессурам

(Ц.Д. = 0,01 мм)

Разность отсчётов

при нагрузке при разгрузке при нагрузке при разгрузке

1М 2М 3М 1M 2M

3M 1M

2M 3M

1M 2M

3M

1 ▒ ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒

2,5 ▒ ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒

1 ▒ ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒

5 ▒ ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒

1 ▒ ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒

• ▒ ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒

• ▒ ▒ ▒ ▒▒ ▒▒ ▒▒

58

Продолжение таблицы 3 Н

агр

узк

а Р

, кН

Средние значения деформаций сдвига, мм

при нагрузке при разгрузке

kДЦMMM

.).(

22

31 kДЦM

MM

.).(

22

31

1 ▒▒▒▒▒▒ ▒▒▒▒▒▒

2,5 ▒▒▒▒▒▒

1 ▒▒▒▒▒▒

5 ▒▒▒▒▒▒

1 ▒▒▒▒▒▒

• ▒▒▒▒▒▒

• ▒▒▒▒▒▒

оп

скP = кН.

Заключительным этапом работы является сравнение теоретиче-

ского и опытного значений разрушающей нагрузки.

59

Приложение 1

Геометрические размеры круглых строительных гвоздей

(ГОСТ 4028-63*)

Ди

амет

р

гво

здя

dгв

, м

м

1,8 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 8,0

Дли

на

гво

здя

ℓгв

,

мм

32 40 50 60 40 50 50 60 70 80 90 100 120 120 150 150 200 250

Ди

амет

р

шляп

ки

D,

мм

3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 7,5 9,0 11,0 14,0

Примечание. Временное сопротивление разрыву стальной низкоуглеродистой

термически необработанной проволоки, используемой для изготовления гвоз-

дей, составляет 390 МПа (dгв = 8 мм) ÷ 1180 МПа (dгв = 1,8 мм).

Приложение 2

Геометрические параметры зубчатых клеевых соединений

Длина

шипа

L, мм

Шаг

соединения

t, мм

Затупление

шипа

b, мм

Уклон

шипа

i

Категория прочно-

сти, для которой

рекомендуется

зубчатое соединение

50 12,0 2,0 1:11

I 32 8,0 1,0 1:10,5

20 6,0 1,0 1:10

II 10 3,5 0,5 1:8

5 1,75 0,2 1:7,5

Примечание. Величина зазора в стыке S после склеивания соединения должна

быть не более 5% от длины шипа L.

60

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализиро-

ванная редакция СНиП II-25-80. / Минрегион России. – М.: ОАО

«ЦПП», 2011. – 92 с.

2. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализирован-

ная редакция СНиП II-23-81*. / Минрегион России. – М.: ОАО «ЦПП»,

2011. – 178 с.

3. СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции.

Актуализированная редакция СНиП II-22-81*. / Минрегион России. –

М.: ОАО «ЦПП», 2012. – 103 с.

4. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструк-

ции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-

2003. / Минрегион России. – М.: ФАУ «ФЦС», 2012. – 161 с.

5. ГОСТ 2140-81. Видимые пороки древесины. Классифика-

ция, термины и определения, способы измерения. – М.: Издательство

стандартов, 1997. – 118 с.

6. ГОСТ 9462-88. Лесоматериалы круглые лиственных пород.

Технические условия. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 15 с.

7. ГОСТ 9463-88. Лесоматериалы круглые хвойных пород.

Технические условия. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 16 с.

8. ГОСТ 2695-83. Пиломатериалы лиственных пород. Техни-

ческие условия. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 10 с.

9. ГОСТ 8486-86. Пиломатериалы хвойных пород. Техниче-

ские условия. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 13 с.

10. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к

СНиП II-25-80). / ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. – М.:

Стройиздат, 1986. – 216 с.

61

11. ГОСТ 21554.2-81. Пиломатериалы и заготовки. Метод опре-

деления предела прочности при статическом изгибе. – М.: Издатель-

ство стандартов, 1982. – 4 с.

12. ГОСТ 21554.4-78*. Пиломатериалы и заготовки. Метод

определения предела прочности при продольном сжатии. – М.: Изда-

тельство стандартов, 2000. – 4 с.

13. ГОСТ 21554.5-78*. Пиломатериалы и заготовки. Метод

определения предела прочности при продольном растяжении. – М.:

Издательство стандартов, 1988. – 6 с.

14. ГОСТ 21554.6-78*. Пиломатериалы и заготовки. Метод

определения предела прочности при скалывании вдоль волокон. – М.:

Издательство стандартов, 1985. – 4 с.

15. ГОСТ 21554.7-78*. Пиломатериалы и заготовки. Метод

определения предела прочности при поперечном смятии. – М.: Изда-

тельство стандартов, 1985. – 6 с.

16. ГОСТ 4028-63*. Гвозди строительные. – М.: Издательство

стандартов, 2001. – 4 с.

17. ГОСТ 3282-74*. Проволока стальная низкоуглеродистая

общего назначения. Технические условия. – М.: Издательство стандар-

тов, 1997. – 14 с.

18. Конструкции из дерева и пластмасс. / Под редакцией

Г.Г. Карлсена и Ю.В. Слицкоухова. – М.: Стройиздат, 1986. – 543 с.

19. ГОСТ 19414-79. Древесина клеёная массивная. Общие тре-

бования к зубчатым клеевым соединениям. – М.: Издательство стан-

дартов, 1980. – 6 с.

20. ГОСТ 15613.1-84. Древесина клеёная массивная. Метод

определения предела прочности клеевого соединения при скалывании

вдоль волокон. – М.: Издательство стандартов, 1984. – 6 с.

62

21. ГОСТ 15613.2-77*. Древесина клеёная массивная. Метод

определения предела прочности клеевого соединения при раскалыва-

нии. – М.: Издательство стандартов, 1987. – 5 с.

22. ГОСТ 15613.3-77*. Древесина клеёная массивная. Метод

определения предела прочности клеевого соединения при растяжении

клеевого торцового соединения впритык. – М.: Издательство стандар-

тов, 1987. – 4 с.

23. ГОСТ 15613.4-78*. Древесина клеёная массивная. Метод

определения предела прочности зубчатых клеевых соединений при

статическом изгибе. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 5 с.

24. ГОСТ 15613.5-79*. Древесина клеёная массивная. Метод

определения предела прочности зубчатых клеевых соединений при

растяжении. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 5 с.

63

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................................ 3

Лабораторная работа №1. Испытание лобовой врубки с

одним зубом .................................................................................. 4

Лабораторная работа №2. Испытание гвоздевого

соединения .................................................................................. 22

Лабораторная работа № 3. Испытание соединения на

клею ............................................................................................. 40

Приложение 1. Геометрические размеры круглых

строительных гвоздей (ГОСТ 4028-63*) .................................. 59

Приложение 2. Геометрические параметры зубчатых

клеевых соединений ................................................................... 59

Список литературы ..................................................................... 60

Учебно-методическое издание

Красовицкий Михаил Юрьевич

Левитский Валерий Евгеньевич

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Подписано в печать – Формат 60х84/16 Тираж – 100 экз.

Усл. печ. л. – Заказ – Изд. № 25-14

150048, г. Ярославль, Московский пр-т, д.151

Типография Ярославского филиала МИИТ