2017-12-14
8937
Нагелем называется длинный гибкий стержень (пластинка), который, соединяя элементы деревянных конструкций между собой, препятствует их взаимному сдвигу. Сам нагель при этом работает преимущественно на поперечный изгиб. Нагели используются в стыках растянутых элементов, в составных стержнях и балках на податливых связях, в узлах деревянных ферм. Нагельные соединения отличаются податливостью: усилия распределяются между нагелями достаточно равномерно, что способствует повышению надежности таких соединений. Простота изготовления и надежность нагельных соединений обеспечили их распространение и в современном строительстве.
Классификация нагелей:
- по материалу: стальные (С 245, С 255); деревянные (из твердых пород древесины: дуба, березы); пластмассовые (из конструкционных стеклопластиков, типа АГ-4с);
- по форме поперечного сечения: цилиндрические (болты, штыри, гвозди, шурупы, глухари - шурупы большого диаметра с головкой под ключ); пластинчатые (нагели Деревягина);
- по способу постановки: собственно нагели, устанавливаемые в предварительно просверленные отверстия, при этом диаметр отверстия равен диаметру нагеля; нагели, завинчиваемые в предварительно просверленные отверстия, при этом dотв =0,8 dнаг (шурупы и глухари); нагели диаметром менее 6 мм (гвозди) забиваемые в древесину без предварительного сверления отверстий;
- по способу приложения внешних сил и числу швов, пересекаемых одним нагелем, различают два вида нагельных соединений (рис. 4.7): симметричные (двух- и многосрезные) и несимметричные (одно-, двух- и многосрезные).
Срезом нагеля в соединениях деревянных конструкций условно называется каждое рабочее пересечение нагеля с плоскостью сдвига (по аналогии с заклепками).
При изготовлении нагельных соединений отверстия сверлятся перпендикулярно плоскости сплачивания в собранном пакете, соблюдение этого условия обеспечивает плотность соединения. Соединения на нагелях должны быть обжаты стяжными болтами, которые устанавливается в количестве 25% от общего числа нагелей, но не менее 3 болтов с каждой стороны стыка. Диаметр болтов dб принимается по расчету. Размер сторон шайбы (диаметр) принимается не менее 3,5 dб а толщина - не менее 0,25 dб.
Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения.
Работу нагельного соединения рассмотрим на примере соединения двух сдвигаемых элементов (рис. 4.8). Под действием приложенной нагрузки элементы начинают сдвигаться и стремятся опрокинуть нагель, который, после некоторого поворота, упирается в древесину и начинает сминать древесину, вначале по краям гнезда. С увеличением нагрузки поверхность контакта нагеля с древесиной увеличивается: в древесине появляются неравномерные напряжения смятия по всей длине нагеля, а сам нагель изгибается.
Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения характеризуется: изгибом самого нагеля; смятием древесины нагельного гнезда; скалыванием древесины между нагелями; раскалыванием древесины поперек волокон.
Практически опасность скалывания и раскалывания древесины устраняется правильной расстановкой нагелей. Минимальные расстояния между нагелями назначаются таким образом, чтобы несущая способность нагеля по скалыванию и раскалыванию древесины заведомо превышала несущую способность нагеля по прочности на изгиб самого нагеля и прочности древесины нагельного гнезда на смятие.
| т— S, Si Sj |
виды нагельных соединений
б - несимметричное односрезное; г - узловые соединения
| Рис. 1V.21. Расстановка нагелей а —прямая,- б —в шахматной порядке |
| Рис. 4.8. Схема работы нагельного соединения: а - начальное положение; б - поворот нагеля; в - деформированный нагель (Т- сдвигающее усилие; Л, h- равнодействующие сминающих напряжений) |
Размещение цилиндрических нагелей в соединениях
Минимально допустимые расстояния между осями нагелей (табл. 4.1) зависят от материала нагелей, выражаются в диаметрах нагеля, обозначаются (см. рис.4.7): S1 -расстояние вдоль волокон древесины; S2 - расстояние поперек волокон древесины; S3 -расстояние поперек волокон от кромок элемента до оси нагеля.
Таблица 4.1
Минимальные допустимые расстояния между осями цилиндрических нагелей
| Расстановка нагелей | Обозначение | Вид нагеля | ||||
| стальной | пластмассовый | дубовый | гвоздь | |||
| c> = 10d | c = 4d | |||||
| Вдоль волокон | S1 | >7d | >6d | >5d | > 15d | 25d |
| Поперек волокон: - между осями нагелей - от кромки элемента до оси нагелей | S2 | >3,5d | >3,5d | >3d | >4d | >4d |
| S3 | >3d | >3d | > 2,5d | >4d | >4d |
Примечание: при толщине пакета >= 10d; d - диаметр нагеля, гвоздя, см; с - толщина пробиваемого элемента, для промежуточных значений с расстояние между гвоздями определяется по интерполяции.
По ширине элемента нагели рекомендуется располагать в четное количество продольных рядов (два или четыре). Нельзя ставить нагели по оси элемента, чтобы нагели не оказались в зоне усушечных трещин. В конструкциях из круглых лесоматериалов допускается шахматное расположение нагелей в два ряда с расстояниями между осями нагелей вдоль волокон S1, поперек волокон S2 >=2,5d
Расчет нагельных соединений
Точный расчет несущей способности нагеля с учетом всего сложного комплекса взаимосвязанных напряжений смятия и изгиба довольно сложен и громоздок. Проведенные исследования позволяют упростить расчет при введении следующих допущений: предельная деформация нагельного соединения - 2 мм; нагель рассматривается как балка малой изгибной жесткости на упругопластичном основании, каковым является древесина; силы трения не учитываются ввиду возможности появления зазора между соединяемыми элементами при усушке их поперек волокон.
С учетом этих допущений несущая способность нагеля [TH] на один срез определяется по формулам табл. 4.2 исходя из трех условий: изгиба самого нагеля, смятия древесины в крайних элементах, смятия древесины в средних элементах, а в формулу (4.7) подставляется минимальное значение [Тн].
Таблица 4.2
Расчетная несущая способность [7„| цилиндрического нагеля на один шов сплачивания (условный срез) в соединении элементов из сосны и ели, кН
| Напряженное состояние нагельного соединения | Расчетная несущая способность нагеля [Г„], кН | ||
| стального | гвоздя | дубового | |
| Смятие средних элементов в симметричных соединениях | 0,5cd | 0,5cd | 0,3cd |
| Смятие крайних элементов в симметричных соединениях или более тонких элементов в несимметричных | 0,8ad | 0,8ad | 0,5ad |
| Смятие более тонких или равных по толщине элементов в несимметричных соединениях | 0,35cd | 0,35cd | 0,2cd |
| Смятие более толстых средних элементов в двухсрезных несимметричных соединениях | 0,25cd | 0,25cd | 0,14cd |
| Изгиб нагеля в симметричных и несимметричных соединениях | 1,8d2+0,02a 2, но не более 2,5 d 2 | 2,5d2+0,01a 2, но не более 4d2 | 0,45d2+0,02a2, но не более 0,65d2 |
Примечание: 1. Для соединений элементов из сосны и ели.
2. В таблице: с - толщина средних и более толстых элементов односрезных соединений;
а - толщина крайних и более тонких элементов односрезных соединений; d — диаметр нагеля; все размеры в сантиметрах.
3. Для других видов напряженного состояния формулы даны в табл. 17 [2].
В тех случаях, когда передаваемое нагелем усилие направлено под углом а к волокнам соединяемых элементов, [Тн] умножается на коэффициент Кα при расчете из условия смятия древесины и на 
при расчете на изгиб самого нагеля. Кα определяется по табл. 19 СНиП [2], зависит от угла а и диаметра нагеля (уменьшается с увеличением угла и диаметра нагеля). При определении несущей способности нагеля учитываются также порода древесины и все необходимые коэффициенты условий работы: [Тн] умножается на эти коэффициенты при расчете из условия смятия древесины нагельного гнезда и умножается на корень квадратный из произведения этих коэффициентов при расчете из условия изгиба самого нагеля. Несущая способность соединения на цилиндрических нагелях из одного материала, но разных диаметров определяется как сумма несущих способностей всех нагелей, за исключением растянутых стыков, для которых несущая способность умножается на понижающий коэффициент 0,9.
Требуемое количество нагелей п в соединениях определяется по формуле
где N- расчетное усилие в соединении;
nш - число расчетных швов сплачивания (условных срезов) одного нагеля;
Для симметричных соединений количество нагелей, получаемых по этой формуле, должно устанавливаться с каждой стороны стыка.
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками на болтах или глухарях применяются в тех случаях, когда обеспечена необходимая плотность постановки нагелей. Глухие стальные нагели должны иметь заглубление в древесину не менее 5d.
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками рассчитываются по общим правилам, приведенным выше, только при определении несущей способности нагеля из условия изгиба принимается максимальное значение его несущей способности. При необходимости стальные накладки и прокладки проверяются на растяжение по ослабленному сечению и на смятие под нагелем.
Гвоздевые соединения
Для изготовления конструкций применяются гвозди диаметром 3,5...6 мм, длиной 75...250 мм. Гвозди изготавливают из высокопрочной холоднотянутой проволоки (проволочные гвозди). Ранее применялись кованые гвозди. В настоящее время широко применяются также гвозди с негладкой поверхностью (гвозди с различной насечкой).
Гвозди в соединениях сдвигаемых деревянных элементов работают как нагели, но имеют свои особенности, так как забиваются в древесину без предварительного сверления отверстий. Заостренный конец гвоздя при забивке перерезает и раздвигает волокна древесины в стороны и уплотняет древесину вокруг гвоздя. Возникает опасность раскалывания деревянных элементов, поэтому расстояния между рядами гвоздей назначаются большими, чем для цилиндрических нагелей. Гвоздевые соединения обладают свойством ползучести при длительно действующих нагрузках.
Несущая способность гвоздя не зависит от угла а между направлением усилия и направлением волокон и определяется по формулам табл. 4.2 с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы.
Примеры гвоздевых соединений показаны на рис. 4.10.
Рекомендуется расстановка гвоздей небольшого диаметра (d < 0,25 толщины пробиваемого элемента) в четное количество рядов, допускается косая и шахматная расстановка гвоздей.
