Нагельные соединения элементов деревянных конструкций

Общие сведения

Нагелями называются вкладыши, препятствующие взаимному сдвигу соединяемых элементов и работающие в основном на изгиб. По форме нагели бывают цилиндрическими и пластинчатыми. К цилиндрическим нагелям относятся: болты, штыри, гвозди и винты. К пластинчатым нагелям относятся дубовые пластинки (закладываемые в гнездо) и стальные пластинки (закладные и забивные).

Область применения нагелей: болты и штыри — в стыках элементов для сплачивания составных сжатых элементов, в узловых соединениях; гвозди — для сплачивания составных сжатых элементов из досок, реже — в узловых соединениях; пластинчатые нагели — для сплачивания брусьев в составных балках; глухари и шурупы — в соединениях со стальными накладками.

В зависимости от вида деформации нагелей (относительно середины их длины) различают: симметричные соединения (рис. 59) и несимметричные (рис. 60). По числу плоскостей сдвига между соединяемыми элементами соединения делятся на односрезные, двухсрезные и многосрезные. Здесь понятие «срез» не относится к характеру работы и разрушения нагеля, а означает только место пересечения им плоскости сдвига.

Работа нагельного соединения

В правильно запроектированном нагельном соединении происходит смятие древесины гнезда (вязкость соединения) и изгиб нагеля (рис. 61, а), при жестком нагеле может произойти раскалывание древесины между гнездами (хрупкое разрушение) (рис. 61, б). Поэтому применять жесткие нагели не рекомендуется. Нагельные соединения отличаются плотностью. На рис. 62 показана работа различных видов односрезных нагельных соединений и схемы действия на них сдвигающих сил в виде распределенных напряжений смятия σ_см, эпюр изгибающих моментов М и поперечных сил Q. Нагельные соединения (безраспорные) — Т₁е₁ = Т₂е₂.


Соединения на цилиндрических нагелях. Стальные цилиндрические нагели изготовляются диаметром 12...24 мм с градацией через 2 мм, дубовые — диаметром 12...30 мм с градацией через 4 мм (вытачиваются из брусков). Нагели вставляются в отверстия равного с ними диаметра.

Нагели и болты могут выполняться также из других материалов. Металлические нагели неприемлемы при работе конструкций в химически агрессивной среде и для этих условий нагели изготовляются полностью деревянными или деревопластмассовыми, например, из ориентированного прессматериала АГ-4С и из ДСП-Б. Из этих материалов прессованием изготовляются болты, нагели, гайки и шайбы.

Винты и шурупы диаметром до 10 мм и глухари диаметром до 20 мм завинчиваются в предварительно рассверленные сверлом меньшего диаметра отверстия.

Гвозди диаметром до 6 мм забиваются в цельную древесину; при большем диаметре гвоздей предварительно просверливаются гнезда сверлом меньшего диаметра (нерекомендуемое соединение).

Расчет соединения. Ввиду плотности нагельного соединения, деформации нагеля и древесины тесно связаны между собой. Поэтому несущая способность нагельного соединения определяется тем видом сопротивления (т. е. изгибом нагеля или смятием древесины стенок гнезда), который раньше достигает предельного состояния и находится для одного среза нагеля по формулам:


по смятию гнезда


по изгибу нагеля


В этих формулах с и а — толщины соединяемых элементов, k — коэффициенты, принимаемые по табл. 11. За расчетную несущую способность на один срез принимается минимальная из полученных величин.


По формулам (65) и (66) рассчитываются соединения, работающие вдоль волокон. В тех случаях, когда передаваемое нагелем усилие направлено под углом а к волокнам элементов, расчетная несущая способность находится по указанным формулам с умножением на коэффициент k_α (табл. 12) при расчете по смятию древесины гнезда и на √k_α при расчете по изгибу нагеля. Угол принимается равным большему из углов смятия нагелем элементов, прилегающих к рассматриваемому шву.


В соединении на нагелях из пластмасс кроме смятия древесины гнезда и изгиба нагеля может произойти срез нагеля. Несущая способность нагеля на один срез при этом виде сопротивления находится по формуле



где R_cp — расчетное сопротивление материала нагеля срезу.

За расчетную несущую способность нагеля на один срез в этом случае принимается минимальное значение, получаемое по формулам (65), (66) и (67).

При проектировании соединений элементов, работающих при повышенной влажности или температуре, при проверке соединений на воздействие только постоянной и временной длительной нагрузок или рассчитываемых на воздействие кратковременных нагрузок, несущую способность на один срез следует определять по формулам (65)...(67) с умножением на соответствующие поправочные коэффициенты по табл. 1, 2, 3, 4 при расчете из условия смятия древесины и на корень квадратный из их коэффициентов при расчете из условия изгиба нагеля.

Число нагелей в соединении определяется по формуле


где N — расчетное усилие в соединении;
Т_мин — расчетная несущая способность одного среза;
n_ср — число срезов нагеля.

Конструирование соединения. Нагели в соединении размещаются с учетом предотвращения разрушения древесины от раскалывания в результате недопустимого ослабления соединяемых элементов. Нормативные расстояния между рядами нагелей s₂, между нагелями в ряду s₁ зависят от типа нагеля, от толщины соединяемого пакета и от способа расстановки (рис. 63 и табл. 13). Чем толще пакет, тем больше опасность искажения правильной разбивки нагелей на обратной стороне пакета (из-за увода сверла при сверлении). Поэтому в толстых пакетах при b>10d, принимаются увеличенные расстояния между нагелями.


Нагели следует размещать, как правило, по двум, реже — четырем продольным рядам. Размещение нагелей по одному или трем продольным рядам не допускается, чтобы избежать совпадений среднего ряда с сердцевинной плоскостью элемента, где появляется усушечная трещина.


Размещение нагелей в шахматном порядке не рекомендуется. Трудоемкий процесс разметки облегчает применение шаблонов. Рассверливание отверстий электросверлами с направляющей рамой также облегчает работу и повышает качество отверстий. Рассверливание ведется через весь пакет досок, временно соединяемых струбцинами или гвоздями.

Забивают нагели в отверстия равного диаметра легкими ударами молотка. Забивка нагелей в отверстия меньшего диаметра может вызвать раскалывание древесины по рядам отверстий.

В нагельных соединениях должны быть поставлены стяжные болты: в растянутых стыках с деревянными накладками в размере 25...40% от общего числа нагелей; в растянутых стыках со стальными накладками в размере 50% от общего числа нагелей; в узловых соединениях ставят не менее одного стяжного болта в центре узла.

Соединяемые элементы проверяются на прочность с учетом ослабления отверстиями.

Применение нагельных соединений с тонкими прокладками, стальными или пластмассовыми накладками (рис. 59, б, г и рис. 60, г) допустимо, если нагели в отверстия поставлены плотно. Это достигается сквозным просверливанием пакета. Прокладки и накладки проверяются на растяжение по ослабленному сечению, на продольный изгиб, на смятие стенок отверстий по формулам:


здесь N — расчетное усилие в прокладке или одной накладке;
F_нт — расчетная площадь ослабленного отверстиями сечения;
F_бр — площадь брутто сечения накладки;
φ — коэффициент продольного изгиба при гибкости накладки, определенной на расчетной длине между точками закрепления;
d — диаметр отверстия;
δ_н — толщина накладки (прокладки);


n_н — число отверстий;
R_p, R_c, R_см — расчетные сопротивления материала накладок (прокладки) растяжению, сжатию, смятию.

Гвоздевые соединения

Нормальной толщиной пробиваемого элемента следует считать с = 10_гв, при которой s₁≥15d_гв, минимальной толщиной является с = 4d_гв, при которой s₁ = 25d_гв. Для промежуточных значений с наименьшее расстояние s₁ определяется по интерполяции. Для элементов, не пробиваемых гвоздем насквозь, независимо от их толщины, принимается s₁≥15d_гв. Расстояние вдоль волокон от гвоздя до торца элемента во всех случаях должно быть не менее 15d_гв. При расстановке гвоздей косыми рядами в шахматном порядке расстояние s₂ может быть уменьшено до 3d_гв.

Встречная забивка гвоздей с противоположных сторон пакета допускается лишь в том случае, когда их концы заглубляются в средний элемент пакета не более чем на 2/3 его толщины.

Забивка гвоздей в древесину твердых лиственных пород и в лиственницу не допускается из-за опасности появления трещин.

Расстояние между гвоздями вдоль волокон древесины в элементах, выполненных из осины, ольхи и тополя, следует увеличивать до 50% по сравнению с указанными выше.

Нагели из круглой стали в соединениях с листовыми шарнирами

Соединения с листовыми шарнирами применяются в основном для крепления массивных растянутых элементов в узлах и стыках (рис. 64).

Стальная полоса к элементу крепится болтами и штырями. Число болтов должно составлять 25...50% от общего числа нагелей. Для обеспечения необходимой плотности соединения сверление отверстий для нагелей производится сверлом для металла через древесину и стальную полосу, заранее вставленную в прорезь деревянного элемента.

В соединениях с листовыми шарнирами применяются двухсрезные симметричные нагели. Несущая способность одного среза нагеля, кН, определяется по формуле


где d — диаметр нагеля, см;
α = h/2d — коэффициент, равный отношению половины толщины соединяемого элемента к диаметру нагеля d.

Несущая способность одного двухсрезного нагеля Т_н = 2T₁.

Для обеспечения равнопрочности нагеля по смятию и изгибу значения коэффициента α рекомендуется принимать в пределах 4...5. Размеры поперечного сечения полосы определяются из условия прочности ее на разрыв по ослабленному нагелями сечению.

Размещают нагели в соединениях с листовым шарниром по общим правилам размещения нагелей из круглой стали, причем расстояния между нагелями вдоль волокон и от крайнего нагеля до торца элемента принимаются s₁≥7,5d.