Нагеля для соединения дерева

Лекция 7 нагельные соединения

Нагелями называются гибкие стержни или тонкие пласти­ны, которые препятствуют взаимному сдвигу сопрягаемых эле­ментов, а сами в основном работают на изгиб.

К нагелям относятся в первую очередь болты с резьбой, ци­линдрические стальные стержни, как правило, без гайки и резь­бы, шурупы, глухари, гвозди.

Нагели применяются в растянутых стыках элементов сквозных конструкций, в узловых соединениях. Пластинчатые на­гели применяются в балках составного сечения для сплачива­ния брусьев по высоте.

Нагели могут выполняться из стали, стеклопластика или древесины твердых пород.

По способу постановки различают нагели, закладываемые в заранее подготовленные отверстия (болты, цилиндрические стальные стержни, шурупы, глухари), и нагели, забиваемые в цельную древесину (гвозди).

Диаметр отверстия под рабочий болт должен быть равен диаметру болта. Для нерабочих болтов диаметр отверстия мо­жет быть на 1 мм больше.

Цилиндрические стальные стержни вставляются в просвер­ленные отверстия диаметром на 0,2—0,5 мм меньше диаметра стержня.

Шурупы с минимальным диаметром 4 мм могут использо­ваться как несущие в соединениях. При этом древесина должна предварительно просверливаться сверлом с диаметром, равным диаметру шурупа, на всю длину его гладкой части. Забитый шуруп не обладает высокой несущей способностью, поскольку резьба сильно разрушает древесину, и он ведет себя практичес­ки как обычный проволочный гвоздь.

Чтобы получить плотное соединение, сверлить отверстия необходимо в предварительно собранном и обжатом пакете элементов.

В зависимости от вида деформации нагелей под нагрузкой различают: симметричные соединения (при симметричной от­носительно середины длины нагеля кривой изгиба его оси) и несимметричные.

По количеству плоскостей сдвига соединяемых элементов (количеству рабочих швов сплачивания) соединения делятся на односрезные, двухсрезные и многосрезные.

Здесь понятие «срез» означает только место пересечения нагелем рабочего шва сплачивания и не относится к характеру разрушения. Этот термин заимствован у металлических конст­рукций.

В деревянных соединениях отношение длины нагеля к его диаметру значительно больше, чем в металлических. В связи с этим нагель является гибким стержнем, работающим на изгиб, срезывающие напряжения в этом случае имеют второстепенное значение.

Срезать деревянным элементом нагель, даже деревянный, нельзя, не говоря уже о металлическом нагеле.

2. Расчет нагельного соединения

Расчет нагельных соединений строится на основе общих положений расчета конструкций по предельным состояниям.

Расчет нагельного соединения чаще всего сводится к опре­делению количества нагелей, необходимых для восприятия, дей­ствующего на соединение усилия

где N — расчетное усилие (кН); п_ср — количество срезов или швов, которое пересекает нагель; T_min – минимальная несущая способность одного среза нагеля.

Силы стягивания в болтовых соединениях не велики, они зависят от силы закручивания гайки. Эти силы не могут быть сильно увеличены из-за смятия древесины поперек волокон, поэтому силы трения в расчетах не учитываются.

3. Определение минимальной несущей способности одного среза нагеля

Для того чтобы определить несущую способность одного среза нагеля, следует рассмотреть напряженное состояние нагельного соединения.

В нагельных соединениях сплачиваемые элементы под нагрузкой сдвигаются и стремятся вначале развернуть нагель, который после некоторого поворота, обусловленного неплот­ностями и обмятием древесины, упирается в неё сначала по краям элемента, а затем вовлекается в работу и начинает изги­баться. Древесина под нагелем начинает работать на смятие. Равнодействующие образуют две пары взаимоуравновешенных продольных сил.

Условие равновесия нагеля может быть записано в виде

Равновесие нагеля обес­печивается только продольными силами. Нагельное соедине­ние является безраспорным.

Таким образом, при сдвиге одного элемента относительно другого нагель работает на изгиб, однако его изгиб не свобо­ден, он зависит от жесткости нагеля и смятия древесины.

Напряжения смятия древесины по всей длине нагеля неравно­мерны и имеют разные знаки. Смятие древесины под нагелем будет неравномерным так­же и по его контуру.

Равнодействующие радиальных напряжений, расположен­ные слева и справа продольной оси Х-Х, могут быть разложе­ны на две составляющие:

Продольная составляющая вызывает появление напряже­ний скалывания по площадкам а — а и а_х — а_х.

Поперечные составляю­щие стремятся расколоть дере­вянный элемент по линии b —b.

Итак, видим, что напря­женное состояние нагельного соединения довольно слож­ное.

Несущая способность на­гельного соединения опреде­ляется прочностью нагеля на изгиб, древесины на смятие, скалывание и раскалывание.

Следовательно, расчетная несущая способность одного среза нагеля должна определяться из всех четырех усло­вий.

Несущая способность на­геля по скалыванию и раска­лыванию древесины зависит от расстояния между нагеля­ми. Можно найти такие мини­мальные расстояния, при ко­торых несущая способность нагеля по скалыванию и раскалы­ванию будет заведомо больше несущей способности нагеля по изгибу и смятию древесины.

В нормах проектирования принято минимальные расстоя­ния выражать в диаметрах нагеля. Они зависят от вида нагеля и толщины соединяемых элементов.

С учетом этого при конструировании нагельных соедине­ний необходимо выполнять следующие условия расстановки нагелей при толщине пакета b>10d

При соблюдении данных условий расстановки несущая спо­собность одного среза нагеля определяется только из условия изгиба нагеля и смятия древесины.

Существующие на данный момент формулы для определе­ния несущей способности нагеля получены эксперименталь­но-теоретическим путем. В основу положен ряд предпосылок.

Древесина при смятии и нагель при изгибе рассматриваются как идеально упруголастические материа­лы. Несущая способность нагеля определяется предельными деформациями. Ось нагеля остается прямолинейной до момен­та образования шарнира пластичности.

В результате решения теоретической задачи получена в об­щем виде формула для определения несущей способности (кН) одного среза нагеля из условия работы его на изгиб для сим­метричного соединения

Для соединений с разной толщиной элементов формула для определения несущей способности по изгибу нагеля имеет вид

Формулы несущей способности (кН) одного среза нагеля из условия смятия древесины соответственно имеют вид:

Для инженерных расчетов в СНИП 11 -25-80 (табл. 17) пред­ставлены формулы для определения несущей способности на­гельных соединений из условия смятия крайнего и среднего элементов

Т_см а =0,8ad_н; Т_см а =0,5 cd_н.

Для стального нагеля и действия сдвигающего усилия вдоль волокон деревянного элемента (сосна) формулы для определе­ния несущей способности одного среза нагеля из условия из­гиба соответственно имеют вид:

Если усилия действуют под углом к волокнам или исполь­зуется пиломатериал других пород, в расчетные формулы вво­дятся соответствующие коэффициенты k_а, k_п.

T_u = 2,5 d 2 ; Т_см а =0,8аd_нk_аk_п; Т с _см=0,5сd_нk_аk_п.

При конструировании нагельных соединений предпочтение следует отдавать симметричным соединениям.

Применение односрезных несимметричных соединений вызывает отклонение силового потока в одну сторону от оси действия усилия, что приводит к изгибу элементов. Поэтому в таких соединениях количество болтов на 10—15% больше, чем в симметричных соединениях.

По ширине элемента нагели следует ставить в четное число рядов. Рабочие болтовые соединения должны иметь не менее двух болтов диаметром > 8, но не более 24 мм. По обе стороны необходимо ставить толстые шайбы. Для обжатия нагельных соединений без нарезки обычно рекомендуется ставить стяжные болты в количестве около 25% от общего числа нагелей при деревянных накладках и в количестве 50% при металлических накладках.

Соединения, содержащие в ряду шесть и более болтов, име­ют неравномерное распределение нагрузки между болтами. Два конечных болта вместе обычно несут на себе свыше 50% нагрузки.

Источник

Нагели в деревянном доме: значение и функции

Нагели — это штыри, которые соединяют прилегающие венцы в доме из бруса и препятствуют их смещению. Причиной возможной деформации сруба является усадка, во время которой материал теряет воду и уменьшается в размере. Нагели устанавливаются перпендикулярно венцам сруба в шахматном порядке. Правильная установка нагелей позволяет не допустить деформации дома и появления межвенцовых щелей.

Разновидности и значение нагелей

Нагели появились раньше, чем было изобретено строительство домов из бруса, эта технология веками при строительстве домов из бревен. Установка нагелей позволяет надежно присоединить соседние венцы друг к другу. При усушке бруса венцы смогут сохранить исходное положение.

При строительстве домов из бруса применяются деревянные и металлические нагели. Чаще всего строители работают с деревянным штырями, это самое практичное и доступное решение. Обычно используются круглые нагели, потому что под них можно быстро сверлить отверстия в брусе.

Некоторые строители считают, что эффективно работать с нагелями можно только при возведении дома из клееного бруса. У простого и профилированного бруса относительно высокая влажность, они дают более сильную усадку. Чтобы контролировать процесс усушки и избежать деформации сруба следует установить дополнительные компенсаторы винтового или пружинного типа.

Деревянные нагели

Твердость деревянных нагелей должна быть выше, чем твердость стен. При строительстве домов из хвойного бруса обычно применяются нагели из березы или дуба. Для сборки каркаса подходят цилиндрические нагели с гладкой поверхностью.

Преимущества деревянных нагелей по сравнению с металлическими:

• отсутствие коррозии;
• меньше дополнительная нагрузка на фундамент;
• меньше деформация из-за перепадов температуры.

При расчете конструкции следует учитывать, что нагели также будут давать небольшую усадку. До установки крепежных элементов следует обработать их антисептиком для защиты от гниения. Для монтажа нагелей требуется много времени, но результат полностью себя оправдывает.

Металлические нагели

В качестве металлических нагелей используются обрезки арматуры, полые изнутри штыри и даже гвозди. При неправильной установке металлического крепежа есть риск испортить брус. Установку нагелей из металла должны проводить специалисты, но даже опытные мастера иногда совершают ошибки. Риск повредить брус стал причиной, по которой металлические нагели редко применяют при строительстве домов. К недостаткам металлического крепежа относится высокая стоимость, подверженность коррозии и увеличение нагрузки на фундамент.

Технология монтажа нагелей

Для монтажа деревянных нагелей следует просверлить отверстия. Крепежный элемент забивают в отверстие киянкой, но не до конца, иначе в брусе может появиться трещина. Перед установкой нагели смазывают строительным клеем. Штырь должен свободно входить в отверстие, чтобы усадка конструкции не привела к растрескиванию бруса. Необходимое количество нагелей и расстояние между ними указывается в проекте дома.

Выводы

Установка нагелей помогает избежать деформации, вызванной усушкой бруса. При строительстве домов из дерева применяются нагели из твердой древесины. Вертикальные штыри соединяют друг с другом соседние венцы. Благодаря наличию креплений усушка сруба происходит равномерно, и стены не теряют форму. Применение нагелей обеспечивает прочность и долговечность сруба. В некоторых случаях для контроля усадки нельзя обойтись одними нагелями и требуется установка подвижных компенсаторов усадки.

Источник