CC BY
176
УДК 694.14
в.и. Римшин, *Б.в. лабудин, *в.и. мелехов, *Е.в. Попов, **С.и. Рощина
НИУ МГСУ, САФУ*, ВлГУ**
соединения элементов деревянных конструкций на шпонках и шайбах
Аннотация: приведены технические характеристики и примеры использования некоторых видов соединений деревянных конструкций, получивших развитие за последнее столетие. Дан анализ достоинств и недостатков соединителей типа кольцевых, тавровых и дисковых шпонок, когтевых и вклеиваемых шайб, клее-стальных волнистых зубчатых шпонок. Приводятся сортаменты и значения несущей способности некоторых соединителей.
Ключевые слова: деревянные конструкции, анизотропные свойства, работоспособность, когтевые соединения, шпонка, шайба
DOI: 10.22227/1997-0935.2016.9.35-50
При проектировании и изготовлении деревянных конструкций часто возникает проблема в обеспечении прочности, жесткости и несущей способности конструкций зданий и сооружений. Особенно актуальным этот вопрос становится при реконструкции, так как от правильного выбора соединения зависит техническая возможность работ. Для этого применяют различные типы специальных соединителей в виде когтевых шайб, кольцевых шпонок, нагельных групп и т.п. Существующий сортамент когтевых пластин включает различные диаметры, толщины, размеры и геометрию когтей в зависимости от требуемой несущей способности и размеров сечений пиломатериалов. Усилия, передающиеся от сопрягаемых элементов в соединениях, воспринимаются суммарной контактной поверхностью сопряженных элементов. При этом нельзя забывать, что древесине присущи резко выраженные анизотропные свойства, наличие пороков и т.п.
Вопросами конструирования и расчета соединений деревянных конструкций занимались В.М. Коченов, Г.В. Никитин, В.Г. Леннов, П.А. Дмитриев, Г.Г. Никитин, В.Н. Шапошников, Р.Б. Орлович, Е.Н. Серов, С. Малиновски [1], Л.В. Енджиевский, К.В. Йохансен [2], Б.О. Хилсон [3], Т.Л. Уилкинсон [4],
A. Смит [5], Г.Дж. Бласс [6] и др. Исследования соединений деревянных конструкций на металлических зубчатых конструкциях (МЗП), шпонках, шайбах, вклеиваемых и ввинчиваемых нагелях были проведены М.В. Ариски-ным, В.М. Вдовиным [7], М.С. Галаховым, Д.Д. Ишмаевой, А.В. Карельским, П.А. Смирновым, Сюй Юнь, А.Г. Черных [8, 9], А.К. Наумовым [10] и др. Из всего разнообразия соединений, используемых в деревянных конструкциях, получили развитие соединения на шпонках различных видов, когтевых шайбах
B.Г. Леннова, клеестальных волнистых зубчатых шпонках и шайбах «Бульдог». Такие соединения применяются при изготовлении стропильных ферм, составных балок и колонн, при усилении деревянных конструкций различного назначения. В то же время работа многих соединений изучена недостаточно,
в нормах [31] до настоящих времен используются результаты исследований 30-50 годов прошлого столетия. Ниже приведен анализ конструктивных решений соединений деревянных конструкций на шпонках и шайбах.
Соединения на гладких кольцевых шпонках. Кольцевые разрезные шпонки К. Тухшерера [11] выполняются из согнутого в кольцо куска полосовой стали, имеющего на одном конце зуб, который входит в паз, сделанный на другом его конце (рис. 1). Можно применять шпонки с концами, обрезанными нормально, на ус, треугольный паз или гребень. Во всех соединяемых брусьях для вкладывания кольца высверливаются кольцевые желобки, по ширине равные толщине полосового железа, а по глубине — половине его ширины. Соединение стягивается болтом, проходящим через центр кольца. Сортамент и несущая способность гладких кольцевых разрезных шпонок, применяемых в зарубежном строительстве, приведены в табл. 1 [12].
Bua А
А
Рис. 1. Кольцевая разрезная шпонка К. Тухшерера
Гладкие кольцевые шпонки (шпонки A.M. Янушкевича) [13] (рис. 2) являются отечественным аналогом шпонок Тухшерера. Они использовались в основном в узлах и стыках стержневых конструкций, но в настоящее время их применение практически свелось к минимуму. Кольцевые шпонки изготавливались разрезными из полосовой стали прямоугольного сечения (см. рис. 2). гнезда для гладких кольцевых шпонок высверливаются в древесине при помощи специальных механизированных приспособлений. Разрезная гладкая кольцевая шпонка вызывает смятие и скалывание как сердечника, так и периферийной части гнезда.
Рис. 2. Гладкая кольцевая шпонка (шпонка A.M. Янушкевича)
Это обеспечивается наличием в шпонке разреза, позволяющего ей несколько деформироваться и приспосабливаться к гнезду. Разрез шпонки располагается на диаметре, нормальном к направлению усилия, передаваемого
шпонкой. Разрез может быть прямым, что упрощает изготовление шпонок. Величина зазора в разрезе принимается обычно равной 0,1 диаметра шпонки й . Сортамент отечественных гладких кольцевых шпонок приведен в ТУ-2ш-47 [14].
Среди достоинств соединений на гладких кольцевых шпонках можно отметить низкий расход металла, а также значительную жесткость работы в направлении вдоль волокон. К недостаткам соединений относятся хрупкое разрушение соединения от скалывания, повышенные требования к точности изготовления, качеству и влажности древесины.
Кольцевая шпонка с лопастями фирмы «Дегалль» [15] (рис. 3) представляет собой металлическое кольцо, снабженное двумя или четырьмя стальными пластинами [12, 16].
Рис. 3. Кольцевые шпонки с лопастями фирмы «Дегалль»
В соответствии с величиной расчетного усилия применяют шпонки с одной или несколькими лопастями. При соединении элементов, примыкающих друг к другу под углом, используют шпонки с крестообразно расположенными лопастями. Эти лопасти представляют собой куски полосовой стали с длиной, равной примерно тройному диаметру кольца, и проходят через специальные прорезы в его стенке, что существенно уменьшает смятие поперек волокон древесины. Испытания показали, что кольцевые шпонки, снабженные двойными лопастями из полосовой стали, разрушаются при нагрузке, значительно превышающей (примерно на 50 %) соответствующую нагрузку на шпонки с одиночными лопастями.
Соединения на шпонках и шайбах особых типов. Тавровые кольцевые шпонки фирмы «Кристоф и Унмак» (рис. 4) представляют собой чугунные кольца таврового сечения. Вертикальная стенка тавра входит в зазор между двумя соединяемыми брусьями, горизонтальная же полка — в кольцевые же-
лобки, которые выбираются машинным способом. вертикальная стенка имеет двоякое значение: она должна увеличить жесткость кольца, а также препятствовать его перекашиванию. Усилие передается как внешней, так и внутренней цилиндрическими поверхностями кольца, а потому сердечник и внешняя часть бруса работают на скалывание одинаково. основные параметры и величины допускаемых нагрузок для тавровых кольцевых шпонок приведены в работе [12].
I
рис. 4. тавровая кольцевая шпонка фирмы «кристоф и Унмак»
Шпонка Шульца (рис. 5) состоит из двух связанных друг с другом фасонных дисков, штампованных из стали таким образом, что они стремятся к отталкиванию друг от друга, т.е. пружинят, а потому еще до натяжения болтов вдавливаются в кольцевые желобки, выбранные в обоих соединяемых брусьях. После натяжения болтов соединение не ослабевает и в случае усушки дерева в направлении болта. загнутые края дисков также пружинят, вследствие чего еще до натяжения болта они уже плотно прижимаются как к внутренней, так и наружной стенкам желобка. При натяжении болта до полного сближения брусьев края шпонок сильно сдавливаются, поэтому даже в случае усушки древесины, они продолжают сохранять плотное соприкосновение как с внешней частью бруса, так и с сердечником. даже в том случае, когда желобки вырезаны неточно, эти загнутые края дисков все же плотно сидят в своих желобках. Практические испытания соединений й =160 мм показывали величину разрушающей нагрузки на соединение до 164 кн [14].
рис. 5. Пружинящая дисковая шпонка Шульца
Соединения на зубчатых шпонках и шайбах. Шпонки «Аллигатор» (рис. 6) представляют собой замкнутое кольцо из гофрированной стали толщиной 1,2... 1,4 мм, вырезанной с обеих сторон острыми фестонами. Устойчивость шпонки обеспечивается цилиндрической жесткостью кольца, сильно ослабленного вырезами фестонов. Это ограничивает диаметр кольца до 160 мм. Размеры шайб и болтов определяются как из условия восприятия распора, так и условиями преодоления упругого отпора шпонки при ее вдавливании. Величина их нормируется эмпирически [18]. в предварительно собранной конструкции (или при помощи разметки) в соединяемых элементах предварительно просверливаются отверстия для болтов, далее элементы конструкции нанизываются с прокладкой шпонок на центрирующие болты и запрессовываются.
Зубчатая шпонка инженера Хорькова [19] (рис. 7) изготавливается из листового металла в виде замкнутого контура с зубчатыми выступами. зигзагообразные вырезы и зубцы оформлены так, что против каждой вершины — зигзага расположены вершины зубцов, а в плоскости, перпендикулярной к осевой линии, зигзагам и зубцам придана криволинейная форма с переменным чередованием внутрь контура и наружу. Шпонка состоит из металлической ленты с выштампованными в ней зубьями, расположенными несимметрично. Лента изогнута волнообразно, в законченном виде шпонки металлическая лента сомкнута.
Зубчатая шпонка Н.П. Кабакова [20] представляет собой две кольцевые шпонки, каждая из которых снабжена зубьями, расположенными только с одной стороны кольцевых ободков и шпонок (рис. 8). Отличие данной шпонки от обыкновенных шпонок «Аллигатор» в том, что узловые соединения деревянных конструкций, выполненные с применением данного приспособления, являются шарнирными. Простота
Рис. 6. Зубчатая шпонка «Аллигатор»
-к-
Рис. 7. Шпонка инженера Хорь-
кова
Q-Q
-л
£
AAAAAAAAAAAI vvvvvvvvvvvi Г
Рис. 8. Зубчатая шпонка Н.П. Кабакова
сборки конструкций позволяет заранее заготавливать отдельные элементы и собирать их на месте. Для возможности сохранения относительного вращения соединяемых частей диаметр одной кольцевой шпонки выполнен меньше диаметра другой на величину, равную двойной толщине кольцевого ободка. Таким образом, эти шпонки, плотно входя своими гладкими краями одна в другую, создают тем самым шарнирность соединения.
Когтевая шайба В.Г. Леннова (рис. 9) представляет собой круглую пластинку с выштампованными зубъ-ями, которая снабжена в центре отверстием под центровой болт [21]. Шайба впрессовывается в древесину соединяемых элементов. Рекомендуемый сортамент шайб Леннова, разработанный Военно-инженерной академией (ВИА), представлен в табл. 1. Рис. 9. Коггевая шайба В.Г. Леннова
Табл. 1. Параметры и несущая способность когтевой шайбы В.Г. Леннова
Параметры Значения
Диаметр когтевой шайбы, см 8 10 12 15
Диаметр болта, мм 20 20 24 24
Минимальный размер болтовых шайб, см 0,4 5 х 5 2 6 х 6 2,4 8 х 8 2,4 9 х 9
Расчетная несущая способность одной шайбы, кН
для постоянных сооружений 9,6 15 21,6 33,8
для временных сооружений 12,8 20 28,8 45
Площадь ослабления сечения пиломатериала одной шайбой, см2 8 12 18 28
Минимальный размер сечения пиломатериала, см 5 х 10 6 х 13 7,5 х 15 9 х 18
Минимальное расстояние от центра шайбы до торца элемента и между центрами шайб 16 20 24 30
испытания соединений показали высокую несущую способность в целом и, кроме того, выявили практически одинаковую несущую способность шайбы в соединениях, расположенных вдоль и поперек волокон древесины сосны, вследствие дробности передачи осевых нагрузок в элементах из пиломатериалов. Применение когтевых шайб Леннова целесообразно главным образом в сборно-разборных фермах покрытий и других сквозных конструкциях, в которых необходимо крепление раскосов на знакопеременные усилия [22]. Определение несущей способности и деформативности стыков растянутых элементов на когтевых шайбах Леннова при совместной работе нескольких шайб, расположенных в одном ряду по направлению действия усилия, представлено в работе [23].
Когтевые шайбы фирмы «Метцке и Грейм» [24] представляют собой парные круглые диски из ковкого чугуна, обсаженные по контуру с одной стороны зубьями — когтями (рис. 10). Эти шайбы изготавливаются разных размеров. один из дисков снабжен втулкой, которая входит в соответствующее
отверстие в другом диске. Сторона шайбы, на которой расположены когти, целиком внедряется в соединяемые брусья так, что усилие передается с одного бруса на другой через указанные втулки. все соединение стягивается болтом, проходящим через отверстия в брусьях и в центрах шайб. однако соединения на подобных шайбах отличаются повышенной сложностью, поэтому в современных деревянных конструкциях они не получили широкого применения, несмотря на сравнительно высокую несущую способность.
Диск Б
рис. 10. когтевая шайба фирмы «мецке и Грейм»
когтевые шайбы «Бульдог» представляют собой круглые пластинки из тонкой (1...1,2 мм) стали с когтями треугольной формы, отогнутыми перпендикулярно плоскости пластинки (рис. 11). Шайбы «Бульдог» изготавливают с односторонним и двусторонним отгибом зубьев: первые — для передачи усилий от дерева к контактной поверхности стальной пластины, вторые — для передачи усилий от древесины к древесине, как в шпоночных сопряжениях.
Рис. 11. Когтевые шайбы «Бульдог»: а — односторонняя; б — двухсторонняя
Двухсторонняя шайба «Бульдог» работает аналогично зубчато-кольцевой шпонке и не имеет перед ней никаких преимуществ. она обладает меньшей прочностью, так как сильно зависит от деформирования при усушке пиломатериала, и большей материалоемкостью. односторонняя шайба «Бульдог» не может быть заменена кольцевой шпонкой. При хорошей запрессовке в дерево
каждый зуб когтевой шайбы работает самостоятельно, как консоль, защемленная в жесткой пластине (шайбе). В односторонних шайбах «Бульдог», применяемых преимущественно в сборно-разборных деревянных конструкциях, усилие передается через срез болта, плотно проходящего сквозь отверстие в середине шайбы.
В качестве достоинств соединений на когтевых шайбах «Бульдог» можно отметить простоту запрессовки соединения, отсутствие необходимости предварительного сверления отверстий, значительную несущую способность соединения, поскольку усилие распределяется на большую поверхность смятия древесины и обеспечивает достаточную безопасность сопряжения в отношении скалывания. Из недостатков когтевых шайб «Бульдог» можно выделить то, что незначительность размеров зубьев при усушке дерева приводит к выходу их из гнезд, что весьма снижает прочность сопряжения во влажной древесине пиломатериала, а тупая форма зубьев (прямоугольный треугольник) вызывает смятие волокон древесины, а не перерезание их при вдавливании. Сортамент шайб «Бульдог» производства компании «Бова Найл» и допустимая на них нагрузка приведены в табл. 2.
Табл. 2. Сортамент когтевых шайб «Бульдог»
Диаметр когтевой шайбы, мм 50 75 95
Диаметр центрального отверстия, мм 17 23 36
Минимальный шаг расстановки шайб, мм 70 110 140
Диаметр болта, мм 10 12 16 10 12 16 12 16 20
Наибольшая нагрузка, кН 2 3 5 5 7 8 9 10 12
Сборка конструкций на шайбах «Бульдог» производится аналогично сборке конструкций на зубчато-кольцевых шпонках. Для затяжки узлов применяется специальный ключ. При одностороннем отгибе зубьев вдавливание шайб «Бульдог» выполняется специальными прессами. В сборно-разборных стержневых конструкциях (при применении односторонних шайб «Бульдог») сборка может производиться простым сбалчиванием узлов, предварительной запрессовки шайб «Бульдог» [18]. Двусторонние шайбы «Бульдог» могут применяться не только в узловых соединениях, но и для повышения сдвиговой жесткости нагельных соединений деревянных конструкций [25]. Расчет соединений с когтевыми шпонками «Бульдог» выполняется согласно методике, изложенной в работе [26].
Для повышения несущей способности и надежности узлового соединения, снижения деформативности стержневых деревянных конструкций при действии знакопеременных усилий разработано соединение на клеестальных волнистых зубчатых шпонках (КСВЗШ) [27] (рис. 12), предназначенное для соединения стержней деревянных несущих конструкций, преимущественно пространственных структурных плит, а также решетчатых стержневых систем и других подкосных конструкций, в т.ч. монтажных соединений массивных клееных деревянных конструкций [28]. Шпонка снабжена зубьями и шипами, расположенными соответственно на впадинах и гребнях со стороны
деревянных элементов. При этом пластины деревянных стержней из пиломатериалов или брусков в зоне соединения могут быть выполнены с модификацией древесины. Методика определения несущей способности КСВЗШ приведена в работе [28]. Проверка на сжатие и срез по металлу выполняются в соответствии с действующими нормами. Проверка болта на изгиб, а также смятие древесины в гнезде не производятся. Соединение в сборке работает следующим образом. Например, при осевом растяжении (сжатии) усилие с парных элементов передается через боковые внутренние пластины по клеевому шву и зубчатые шипы на шпонки, а с них — на внутреннюю шайбу и далее через стяжной болт на сердечник и на противоположные элементы в обратном порядке (рис. 12).
Рис. 12. КСВЗШ: 1 — шпонка; 2 — зубцы; 3 — шипы; 4 — отверстие для болта
В отличие от соединения с волнистыми шайбами «Буффо», работающими на трение с неравномерным сжатием древесины в зоне гофров, предлагаемая конструкция снабжена внутренними шайбами, расположенными между сердечником и шпонками, при этом одна сторона шайбы плотно входит в гребни и впадины КСВЗШ, а другая, примыкающая к сердечнику, — плоская. кроме того, шпонка со стороны деревянных элементов имеет зубья и шипы, входящие в зацепление с деревянными элементами, и при знакопеременных усилиях одинаково хорошо работает в любом направлении, обеспечивая дополнительную прочность соединения на сдвиг и сжатие в зоне КСВЗШ, так как последние расположены на одинаковом расстоянии от центра шпонки с радиально-осевой асимметрией. Причем сдвиг и сжатие будут происходить по предварительно упрочненной древесине, т.е. обладающей более высокими прочностными и деформационными характеристиками.
В результате адгезионной связи КСВЗШ и соединяемых деталей с их предварительной локальной модификацией и уплотнением древесины, постановки вплотную между шпонкой и сердечником внутренней шайбы и стяжного болта стык работает как единое целое, компенсируя ослабление соединяемых деталей отверстиями. При этом в случае передачи усилия с одного элемента на другой под углом или поперек к направлению к волокнам (например, в решетке ферм структурных конструкций), прочность и деформативность соединения уменьшается незначительно по сравнению с работой вдоль волокон. Это
также объясняется влиянием локального упрочнения и модификацией стыка в зоне КСВЗШ, поскольку зубья и шипы имеют более высокую прочность сцепления на сдвиг за счет вдавливания в более прочный материал.
Соединения на вклеенных шайбах. Данный вид соединения [23] подразумевает, что механическая связь вклеивается в гнездо, выбираемое в древесине соединяемых элементов, а не просто приклеивается к боковым поверхностям или свободно вставляется в выбранное отверстие. Наличие вклеенных металлических деталей в местах повышенного уровня силовых воздействий способствует перераспределению напряжений смятия и скалывания на большую площадь соединяемых элементов, следовательно, и к увеличению несущей способности соединения. С другой стороны, наличие монолитного соединения древесины с вклеенной механической связью существенно снижает податливость всего соединения. С использованием указанного принципа, разработано клееметаллическое соединение [29, 30] на вклеенных стальных шайбах, общий вид которых приведен на рис. 13.
Рис. 13. Соединения на вклеенных стальных шайбах
клееметаллические соединения на вклеенных шайбах обладают повышенной несущей способностью, что очень важно в тех случаях, когда на сравнительно небольшой площади взаимного контакта соединяемых элементов необходимо передать значительные усилия. Повышение несущей способности клееметаллического соединения связано с уменьшением степени концентрации напряжений смятия и скалывания в зонах местной передачи усилий и вовлечением в активную работу большей площади за счет монолитной работы механической связи и древесины соединяемых элементов. Важным достоинством соединений на вклеенных стальных шайбах является отсутствие начальных неупругих деформаций, вызываемых обычно неплотностями соединений и неточностями изготовления, которые устраняют заполнением отверстий жидким клеем в процессе изготовления, после полимеризации которого клеевая масса становится твердой и прочной, придаваю соединению монолитность.
Выводы. Для повышения прочности, жесткости, работоспособности и эксплуатационной надежности соединений деревянных конструкций рекомендуется применение в качестве соединителей преимущественно когтевых шайб, обладающих вязкостью работы, повышенной сдвигоустойчивостью, реализуя в полной мере принцип дробности, характерного для многонагельных соединений.
Необходимо выполнить корректировку действующих нормативных документов [31] по расчету узлов соединений деревянных конструкций и привести их в соответствие с требованиями Еврокодов [32, 33].
Библиографический список
1. Malinowski C. Zur Geschichte der Verbindungstechnik-Verbinder aus Stahlblech / Bauen mit Holz. 1989. Bd. 11. Pp. 776-779; Bd. 12. Pp. 872-877.
2. Johanson K.W. Theory of timber connections // International Association for Bridge and Structural Engineering. 1949. No. 9. Pp. 249-262.
3. Hilson B.O. Joints with Dowel-type Fasteners — Theory. Paper C3: Timber Engineering Step 1: Basis of Design, Material Properties, Structural Components and Joints, Almere, The Netherlands, Centrum Hout. 1995. C3/1-C3/11.
4. Wilkinson T.L. Dowel bearing strength. Res. Pap. FPL-Rp-505. USDA Forest Serv., Forest Prod. Lab, Madison, WI, 1991. 12 p.
5. Smith I. Short-term load-deformation relationship for joints with dowel type connectors. Ph.D. Thesis, CNAA, 1983.
6. Blass H.J., Schadle P. Ductility aspects of reinforced and non-reinforced timber joints // Engineering Structures. 2011. Vol. 33. Pp. 3018-3026.
7. Вдовин В.М., Мухаев А.И., Арискин М.В. К оценке напряженно-деформированного состояния деревянных элементов, соединенных центровыми вклеенными шпонками // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 2. С. 81-90.
8. Черных А.Г., Бызов В.Е. Краткий курс лекций «Международная нормативная база проектирования (Еврокоды)». М. : Изд-во АСВ, 2015. 75 с.
9. Черных А.Г., Данилов Е.В. Методы исследования соединений деревянных конструкций на когтевых шпонках // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 2. Ст. 150. Режим доступа: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=8685.
10. Наумов А.К. Исследование несущей способности нагеля-зуба в соединениях деревянных элементов // вторая научная конференция молодых ученых волго-вятского региона. Йошкар-Ола. 1973. С. 16-17.
11. Пат. № 5521, МПК B27F 1/16, E04B 1/38. Соединение деревянных частей в конструкциях посредством кольцевого шипа, вставляемого в кольцевые пазы соединяемых частей / К. Тухшерер. № 12755; заявл. 11.09.1926 ; опубл. 31.05.1928.
12. Гестеши Т. Деревянные сооружения гражданские и инженерные. Основы расчета и конструирования с 533 рисунками и чертежами / пер. с нем. С.М. Турбина и Г.В. Фридберга ; под ред. проф. П.Я. Каменцева. М. : Макиз, 1929. 430 с.
13. Пат. № 30419, МПК E04B 1/48. Кольцевая шпонка для соединения конструктивных деревянных частей / А.М. Янушкевич. № 114526 ; заявл. 15.08.1932 ; опубл. 31.05.1933.
14. Нормы и технические условия проектирования деревянных конструкций ТУ-2-47 : утв. 20/Х 1947 г. М. : Стройиздат, 1948. 87 с.
15. Пат. № 2790, МПК B27F 1/16. Кольцевая шпонка для соединения конструктивных деревянных частей / Э. Гюннебек, М. Менникен. № 2511; заявл. 06.04.1925 ; опубл. 30.04.1927.
16. Гете К.Г., Хоор Д., Меллер К., Наттерер Ю. Атлас деревянных конструкций / пер. с нем. Н.И. Александровой ; под ред. В.В. Ермолова. М. : Стройиздат, 1985. 272 с.
17. Патон Е.О., Клех Е.А., Дятлов А.В. Опытное исследование соединений элементов деревянных конструкций : сб. института транспортного строительства. М. : ОГИЗ-Гострансиздат, 1931. Вып. 150. 68 с.
18. Справочник проектировщика промышленных сооружений. М. ; Л. : Пром-стройпроект. 1937. Т. 5. Деревянные конструкции. 955 с.
19. Пат. № 29009, МПК Е04В 1/49. Шпонка из листового металла для деревянных конструкций / М.М. Хорьков. № 90817 ; заявл. 05.05.1931 ; опубл. 31.01.1933.
20. Пат. № 26424, МПК Е04В 1/49. Приспособление для соединения деревянных частей в конструкциях / Н.П. Кабаков ; № 85232, заявл.18.03.1931 ; опубл. 31.05.1932.
21. Леннов В.Г. Штампованные когтевые шайбы, как новый тип связей элементов деревянных конструкций // Труды / Горьк. инженер.-строит. ин-т. Горький, 1949. Вып. 1. С. 169-181.
22. Лабудин Б.В., Гурьев А.Ю., Каратеев Л.П., Мамедов Ш.М. Металлодеревян-ные фермы. Архангельск, 2015. 205 с.
23. Ветрюк И.М. Исследование работы когтевых шайб Леннова в соединениях клееных элементов // Строительные конструкции и теория сооружений. Строительные конструкции : сб. С. 157.
24. Пат. № 12280, МПК Е04В 1/49. Приспособление для соединения брусьев в деревянных фермах / В. Грейм. Коммандитное общество Сименс-Бауунион, общество с огр. отв. № 21180 ; заявл 20.09.1927 ; опубл. 31.12.1929.
25. Попов Е.В., Лабудин Б.В., Мелехов В.И. Испытание на сдвиг элементов деревянных конструкций, соединенных с применением зубчатых шайб «Bulldog» // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. Курск, 2015. С. 189-198.
26. СтАДД-3.2-2012. Деревянные конструкции. Соединения деревянных элементов с использованием зубчатых пластин. СПб., 2012. 40 с.
27. А.с. 1807185 SU, МКИ Е 04 В 1/38. Узловое соединение стержней деревянных несущих конструкций / Б.В. Лабудин, В.Д. Попов, В.В. Яковлев, А.В. Вешняков. № 4930924/33 ; заявл. 23.04.91 ; опубл. 07.04.93. Бюл. № 13.
28. Лабудин Б.В. Совершенствование клееных деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой. Архангельск : Арханг. гос. техн. ун-т, 2007. 267 с.
29. Вдовин В.М., Арискин М.В., Кравцов С.Ю. Клееметаллические соединения в несущих деревянных конструкциях // Региональная архитектура и строительство. 2007. № 1.С. 122-128.
30. Вдовин В.М., Арискин М.В. Соединения на вклеенных стальных шайбах // Эффективные строительные конструкции: теория и практика : сб. ст. III Междунар. науч.-техн. конф. (23-24 ноября 2006 г.) / под ред. Т.И. Барановой. Пенза : Приволж. Дом знаний, 2006. С. 19-23.
31. СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22-81. М., 2011. 66 с.
32. CEN EN 1995-1-1 Eurocode 5: Design of timber structures — Part 1-1: General — Common rules and rules for buildings — Incorporating Corrigendum June 2006; Incorporâtes Amendment A2: 2014.
33. DIN EN 1995-1-1/A2-2014 Eurocode 5: Design of timber structures — Part 1-1: General — Common rules and rules for buildings; German version EN 1995-1-1:2004/ A2:2014.
Поступила в редакцию в мае 2016 г.
Об авторах: Римшин владимир иванович — доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН, профессор, Национальный исследовательский московский государственный строительный университет (НиУ мгСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
лабудин Борис васильевич — доктор технических наук, профессор, Северный (Арктический) Федеральный университет им. м.в. ломоносова (САФУ), 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д.17, [email protected];
мелехов владимир иванович — доктор технических наук, профессор, Северный (арктический) Федеральный университет им. м.в. ломоносова (САФУ), 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д.17, [email protected];
Попов Егор вячеславович — аспирант, Северный (арктический) Федеральный университет им. м.в. ломоносова (САФУ), 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17, [email protected];
Рощина Светлана ивановна — доктор технических наук, профессор, владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая григорьевича Столетовых (влГУ), 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, 8 (4922) 47-98-10, [email protected].
Для цитирования: Римшин В.И., Лабудин Б.В., Мелехов В.И., Попов Е.В., Рощина С.И. Соединения элементов деревянных конструкций на шпонках и шайбах // Вестник МГСУ. 2016. № 9. С. 35-50. DOI: 10.22227/1997-0935.2016.9.35-50
V.I. Rimshin, B.V. Labudin, V.I. Melekhov, E.V. Popov, S.I. Roshchina
DOWEL AND WASHER CONNECTIONS FOR ELEMENTS OF WOODEN STRUCTURES
Abstract: During design and production of wooden structures there often arises a problem of durability, strength and bearing capacity of buildings and structures. This issue is especially current during reconstruction, because the proper choice of connection influences the technical possibility of the works. For this aim different types of connectors are used. One should also remember that distinct anisotropic behavior is characteristic of the wood.
In the given article the authors consider technical characteristics and examples of the use of certain types of timber connections, which have been developed over the last century. The advantages and disadvantages of different types of connectors, such as ring-type, tee and disk timber connectors, claw plates and paste-in washers, steel adhesive wavy toothed dowels are analyzed. The range of products and bearing capacity values of some connectors are offered.
The authors make a conclusion, that in order to increase durability, strength and operation reliability of connectors it is advisable to use clamping plates which have resilience and some advantages of fractionality principle characteristic of multi-nailed connections. It is also advisable to use calculation methods corresponding to the requirements of the requirements SP and Eurocode.
Key words: wooden structures, anisotropic properties, performance, toothed joints, washer
References
1. Malinowski C. Zur Geschichte der Verbindungstechnik-Verbinder aus Stahlblech. Bauen mit Holz. 1989, Bd. 11, pp. 776-779, Bd. 12, pp. 872-877.
2. Johanson K.W. Theory of Timber Connections. International Association for Bridge and Structural Engineering. 1949, no. 9, pp. 249-262.
3. Hilson B.O. Joints with Dowel-Type Fasteners — Theory. Paper C3: Timber Engineering Step 1: Basis of Design, Material Properties, Structural Components and Joints. Almere, The Netherlands, Centrum Hout, 1995, C3/1-C3/11.
4. Wilkinson T.L. Dowel Bearing Strength. Res. Pap. FPL-Rp-505. USDA Forest Serv., Forest Prod. Lab, Madison, WI, 1991, 12 p.
5. Smith I. Short-Term Load-Deformation Relationship for Joints with Dowel Type Connectors. Ph.D. Thesis, CNAA, 1983.
6. Blass H.J., Schädle P. Ductility Aspects of Reinforced and Non-Reinforced Timber Joints. Engineering Structures. 2011, vol. 33, pp. 3018-3026. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j. engstruct.2011.02.001.
7. Vdovin V.M., Mukhaev A.I., Ariskin M.V. K otsenke napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya derevyannykh elementov, soedinennykh tsentrovymi vkleennymi shponkami [On the Estimation of Stress-Strain State of Wooden Elements Connected by Center Paste-in Washers]. Regional'naya arkhitektura i stroitel'stvo [Regional Architecture and Construction]. 2013, no. 2, pp. 81-90. (In Russian)
8. Chernykh A.G., Byzov V.E. Kratkiy kurs lektsiy «Mezhdunarodnaya normativnaya baza proektirovaniya (Evrokody)» [Short Course "International Regulatory Design System (Eurocode)"]. Moscow, ASV Publ., 2015, 75 p. (In Russian)
9. Chernykh A.G., Danilov E.V. Metody issledovaniya soedineniy derevyannykh kon-struktsiy na kogtevykh shponkakh [Methods of Investigating Clamping Plate Timber Connections]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern Problems of Science and Education]. 2013, no. 2, article 150. Available at: http://www.science-education.ru/ru/article/ view?id=8685. (In Russian)
10. Naumov A.K. Issledovanie nesushchey sposobnosti nagelya-zuba v soedineniyakh derevyannykh elementov [Investigation of the Bearing Capacity of Nail-Tooth in Timber Connections]. Vtoraya nauchnaya konferentsiya molodykh uchenykh Volgo-Vyatskogo regiona [Second Scientific Conference of Young Scientists of Volga-Vyatka Region]. Yoshkar-Ola, 1973, pp. 16-17. (In Russian)
11. Tukhsherer K. Patent № 5521, MPK B27F 1/16, E04B 1/38. Soedinenie derevyannykh chastey v konstruktsiyakh posredstvom kol'tsevogo shipa, vstavlyaemogo v kol'tsevye pazy soedinyaemykh chastey [Patent No. 5521, MPK B27F 1/16, E04B 1/38. Connections of Wooden Elements in Structures Using Ring-Type Connector Inserted into Circular Grooved of the Connected Parts]. No. 12755 ; appl. 11.09.1926 ; publ. 31.05.1928. (In Russian)
12. Gesteschi T. Derevyannye sooruzheniya grazhdanskie i inzhenernye. Osnovy rascheta i konstruirovaniya s 533 risunkamii chertezhami [Civil and Engineering Wooden Structures. Bases for Calculation and Construction with 533 Figures and Drawings]. Translated from German. Moscow, Makiz Publ., 1929, 430 p. (In Russian)
13. Yanushkevich A.M. Patent № 30419, MPK E04B 1/48. Kol'tsevaya shponka dlya soedineniya konstruktivnykh derevyannykh chastey [Patent No. 30419, MPK E04B 1/48. Ring-Type Connector for Timber Structural Elements]. No. 114526 ; appl. 15.08.1932 ; publ. 31.05.1933. (In Russian)
14. Normy i tekhnicheskie usloviya proektirovaniya derevyannykh konstruktsiy N i TU-2-47 : utv. 20/X1947 g. [Standards and Technical Specifications for Design of Timber Structures N and TU-2-47 : approved 20.10.1947]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1948, 87 p. (In Russian)
15. Gyunnebek E., Menniken M. Patent № 2790, MPK B27F 1/16. Kol'tsevaya shponka dlya soedineniya konstruktivnykh derevyannykh chastey [Patent no. 2790, MPK B27F 1/16. Ring-type Connector for Timber Structural Elements]. No. 2511 ; appl. 06.04.1925 ; publ. 30.04.1927. (In Russian)
16. Gotz Karl-Heinz, Hoor Dieter, Mohler Karl, Natterer Julius Gete. Holzbau Atlas — Studienausgabe. München, Institut für internationale Architektur-Dokumentation, 1980, 283 p.
17. Paton E.O., Klekh E.A., Dyatlov A.V. Opytnoe issledovanie soedineniy elementov derevyannykh konstruktsiy : sbornik instituta transportnogo stroitel'stva [Test Studies of Timber Connections : Collection of the Institute of Transport Construction]. Moscow, OGIZ-Gos-transizdat Publ., 1931, no. 150, 68 p. (In Russian)
18. Spravochnik proektirovshchika promyshlennykh sooruzheniy [Reference Book for Designers of Industrial Buildings]. Moscow, Leningrad, Promstroyproekt Publ., 1937, vol. 5. Derevyannye konstruktsii [Timber Structures]. 955 p. (In Russian)
19. Khor'kov M.M. Patent № 29009, MPK E04B 1/49. Shponka iz listovogo metalla dlya derevyannykh konstruktsiy [Patent no. 29009, MPK E04B 1/49. Connector Made of Sheet Metal for Wooden Structures]. No. 90817 ; appl. 05.05.1931 ; publ. 31.01.1933. (In Russian)
20. Kabakov N.P. Patent № 26424, MPK E04B 1/49. Prisposoblenie dlya soedineniya derevyannykh chastey v konstruktsiyakh [Patent Patent No. 26424, MPK E04B 1/49. Device for Connection of Wooden Elements in Structures]. No. 85232 ; appl.18.03.1931 ; publ. 31.05.1932. (In Russian)
21. Lennov V.G. Shtampovannye kogtevye shayby, kak novyy tip svyazey elementov derevyannykh konstruktsiy [Stamp Clamping Plates as a New Type of Connectors of Wooden Elements]. Trudy Gor'k. inzhener.-stroit. in-t [Works of the Gorky Engineering and Construction Institute]. Gor'kiy, 1949. no. 1, pp. 169-181. (In Russian)
22. Labudin B.V., Gur'ev A.Yu., Karateev L.P., Mamedov Sh.M. Metalloderevyannye fermy [Metal-Wooden Trusses]. Arkhangel'sk, 2015, 205 p. (In Russian)
23. Vetryuk I.M. Issledovanie raboty kogtevykh shayb Lennova v soedineniyakh kleen-ykh elementov [Operation Investigation of the Lennov Clamping Plates in the Connections of Glued Elements]. Stroitel'nye konstruktsii i teoriya sooruzheniy. Stroitel'nye konstruktsii: sbornik [Building Structures and Theory of Structures. Building Structures : Collection]. P. 157. (In Russian)
24. Greym V. Patent № 12280, MPK E04B 1/49. Prisposoblenie dlya soedineniya brus'ev v derevyannykh fermakh [Patent no. 12280, MPK E04B 1/49. Device for Connection of Bars in Timber Trusses]. Kommanditnoe obshchestvo Simens-Bauunion, obshchestvo s ogr. otv., no. 21180 ; appl. 20.09.1927 ; publ. 31.12.1929. (In Russian)
25. Popov E.V., Labudin B.V., Melekhov V.I. Ispytanie na sdvig elementov derevyannykh konstruktsiy, soedinennykh s primeneniem zubchatykh shayb «Bulldog» [Shear Test of the Elements of Wooden Structures Connected by Claw Plates "Bulldog"]. Bezopasnost' stroitel'nogo fonda Rossii. Problemy i resheniya [Safety of the Construction Fund of Russia. Problems and Solutions]. Kursk, 2015, pp. 189-198. (In Russian)
26. StADD-3.2-2012. Derevyannye konstruktsii. Soedineniya derevyannykh elementov s ispol'zovaniem zubchatykh plastin [StADD-3.2-2012. Wooden Structures. Connections of Wooden Elements Using Claw Plates]. SPb., 2012, 40 p. (In Russian)
27. Labudin B.V., Popov V.D., Yakovlev V.V., Veshnyakov A.V. A.s. 1807185 SU, MKI E 04 V 1/38. Uzlovoe soedinenie sterzhney derevyannykh nesushchikh konstruktsiy [Authorship Certificate 1807185 SU, MKI E 04 V 1/38. Node Connection of Bars of Wooden Bearinf Structures]. No. 4930924/33 ; appl. 23.04.91 ; publ. 07.04.93. Bulletin no. 13. (In Russian)
28. Labudin B.V. Sovershenstvovanie kleenykh derevyannykh konstruktsiy s prostrans-tvenno-regulyarnoy strukturoy [Advancing Glued Wooden Structures with Spatially-Regular Structure]. Arkhangelsk, Arkhang. gos. tekhn. un-t Publ., 2007, 267 p. (In Russian)
29. Vdovin V.M., Ariskin M.V., Kravtsov S.Yu. Kleemetallicheskie soedineniya v nesushchikh derevyannykh konstruktsiyakh [Glue-Metal Connections in Bearing Wooden Structures]. Regional'naya arkhitektura i stroitel'stvo [Regional Architecture and Construction]. 2007, no. 1, pp. 122-128. (In Russian)
30. Vdovin V.M., Ariskin M.V. Soedineniya na vkleennykh stal'nykh shaybakh [Connections with Paste-in Steel Washers]. Effektivnye stroitel'nye konstruktsii: teoriya i praktika : sbornik statey III Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii (23-24 noyabrya 2006 g.) [Efficient Building Structures: Theory and Practice : Collection of Articles of the 3rd International Science-Technology Conference (November 23-24, 2006)]. Penza, Privolzh. Dom znaniy Publ., 2006, pp. 19-23. (In Russian)
31. SP 64.13330.2011. Derevyannye konstruktsii. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP II-22-81 [Requirements 64.13330.2011. Wooden Structures. Updated Edition of SNiP II-22-81]. Moscow, 2011, 66 p. (In Russian)
32. CEN EN 1995-1-1 Eurocode 5: Design of Timber Structures — Part 1-1: General — Common Rules and Rules for Buildings — Incorporating Corrigendum June 2006; Incorporates Amendment A2: 2014.
33. DIN EN 1995-1-1/A2-2014 Eurocode 5: Design of Timber Structures — Part 1-1: General — Common Rules and Rules for Buildings; German version EN 1995-1-1:2004/ A2:2014.
About the authors: Rimshin Vladimir Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, corresponding member of Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Labudin Boris Vasil'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (NArFU), 17 nab. Severnoy Dviny str., Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; [email protected];
Melekhov Vladimir Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (NArFU), 17 nab. Severnoy Dviny str., Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; [email protected];
Popov Egor Vyacheslavovich — postgraduate student, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (NArFU), 17 nab. Severnoy Dviny str., Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; [email protected];
Roshchina Svetlana Ivanovna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (VISU), 87 Gor'kogo str., Vladimir, 600000, Russian Federation; 8 (4922) 47-98-10; [email protected].
For citation: Rimshin V.I., Labudin B.V., Melekhov V.I., Popov E.V., Roshchina S.I. Soedineniya elementov derevyannykh konstruktsiy na shponkakh i shaybakh [Dowel and Washer Connections for Elements of Wooden Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 9, pp. 35-50. (In Russian) DOI: 10.22227/1997-0935.2016.9.35-50
