Жёсткий узел сопряжения элементов балочных конструкций на вклеенных стальных шайбах

Полезная модель относится к области строительства. Жесткий узел сопряжения элементов балочных конструкций на вклеенных стальных шайбах включает балочные элементы прямоугольного поперечного сечения, в которых предварительно выбраны четверти под соединительные сердечники стальных крестовин и в боковых гранях сверху и снизу балок высверлены круглые гнезда диаметром на 2 мм больше диаметра вклеиваемой шайбы и глубиной равной толщине шайбы, по центру выбранных круглых гнезд высверлены сквозные отверстия под болты, после чего гнезда заполнены клеевой композицией и в них вложены круглые стальные шайбы, между соединяемыми балочными элементами вставлены сварные стальные сердечники коробчатого сечения, к которым предварительно приварены парные стальные пластины, имеющие отверстия под болты, в процессе сборки соединяемые балки заведены между парными стальными пластинами, в отверстия вставлены болты, с помощью которых путем завинчивания гаек обеспечена плотность соединения всех элементов и монолитность всего узла. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении высокой несущей способности узла, а также увеличении жесткости, уменьшении деформативности и снижении материалоемкости балочной конструкции в целом.

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в качестве жесткого узлового соединения клееных деревянных элементов в балочных конструкциях.

Балочная конструкция может применяться в качестве покрытия или перекрытия здания или сооружения и состоит из несущих балок, расположенных в плоскости покрытия под разными углами друг к другу. Особую сложность при проектировании и изготовлении балочных конструкций представляют узлы сопряжения балок, которые предпочтительно выполнять жесткими, что придает балочной конструкции пространственную работу и уменьшает ее деформативность.

Известен узел сопряжения элементов балочной конструкции на нагелях (или дюбелях) через стальную крестовую прокладку (Шмидт А.Б., Дмитриев П.А. «Атлас строительных конструкций из клееной древесины и водостойкой фанеры», 2001 г., с.198.), включающий стальную крестовину с высотой, равной высоте стыкуемых балок, имеющую в верхней и нижней своих частях стальные полосы, которые расположены в вертикальных пропилах, выполненных в соединяемых элементах, и закреплены в них с помощью нагелей.

Недостатком указанного аналога является высокая металлоемкость, ограниченная несущая способность и жесткость, вследствие податливости нагельных соединений, а также технологическая сложность исполнения, требующая одновременного сверления отверстий в деревянных балках и стальных полосах.

Известен узел сопряжения элементов балочной конструкции на нагелях посредством звезды из стальных листов (Атлас деревянных конструкций // К.-Г. Гетц, Д. Хоор, К. Меллер, Ю. Наттерер; пер. с нем. Н.И. Александровой; под ред. В.В. Ермолова., 1985 г. с.147), включающий крестовину с высотой, равной высоте стыкуемых балок, выполненную в виде звезды с вырезами, закрепленную нагелями в прорезях балок.

Все недостатки, описанные в предыдущем аналоге присущи и этому варианту.

Также известен узел сопряжения балочных элементов посредством звезды из вертикальных стоячих стальных полос, приваренных к сердечнику в виде трубы с высотой, равной высоте стыкуемых балок, вставленных в прорези балок, и соединенных с ними с помощью нагелей (Атлас деревянных конструкций // К.-Г. Гетц, Д. Хоор, К. Меллер, Ю. Наттерер; пер. с нем. Н.И. Александровой; под ред. В.В. Ермолова., 1985 г. с.149).

Данному аналогу присущи такие недостатки, как значительный расход металла, большое количество сварных швов, необходимость высокой точности сборки и большого количества нагелей. Кроме того, нагельное соединение является податливым, что снижает несущую способность и жесткость всего узла и ограничивает область применения данного аналога по величине пролетов балок и действующим нагрузкам.

Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в обеспечении высокой несущей способности соединения элементов в балочной конструкции, увеличении ее жесткости и уменьшении деформативности.

Для решения поставленной задачи жесткий узел сопряжения элементов балочной конструкции, содержащий сопрягаемые под углом клееные деревянные балочные элементы прямоугольного поперечного сечения, отличается тем, что сверху и снизу сопрягаемых балок выбраны четверти под соединительные сердечники и предварительно высверлены в боковых гранях сверху и снизу балок вблизи узла сопряжения круглые гнезда диаметром на 2 мм больше диаметра шайбы для удобства укладки и глубиной равной толщине шайбы. Кроме того, по центру выбранных круглых гнезд высверлены сквозные отверстия под болты, так чтобы болты не упирались в древесину и не создавали в ней напряжения. Новым является то, что стальные шайбы вклеены в тело деревянных балок путем заполнения гнезда клеевой композицией на основе эпоксидной или фенол-резорциновой смолы. Соединение балок в узле выполнено посредством сварных стальных сердечников коробчатого сечения, к которым по направлению соединяемых балок приварены парные стальные пластины, имеющие отверстия под болты, совпадающие соосно с месторасположением отверстий во вклеенных шайбах. После установки стальных крестовин в отверстия вставлены болты, с помощью которых путем завинчивания на них гаек обеспечена плотность соединения всех элементов и монолитность всего узла. Размеры приваренных к сердечнику пластин определены согласно правилам расстановки шайб: удаление шайб друг от друга и расстояние от края балочного элемента до центра шайбы равно трем диаметрам шайбы, расстояние от края металлической накладки до центра шайбы равно диаметру шайбы, ширина пластины на 20 мм больше диаметра шайбы.

Достигаемый технический результат выражается в том, что вклеенные шайбы передают усилия на древесину преимущественно через напряжения смятия, которые перераспределяются в балочном элементе на большую площадь, чем сама шайба, что приводит к снижению локальных напряжений смятия и скалывания и, как следствие, к увеличению несущей способности соединения.

Введение клеевой композиции в кольцевое гнездо позволяет быстро и полно включиться в работу стальной шайбе и исключить начальные деформации, кроме того она способствует локальному упрочнению древесины по периметру шайбы и монолитному соединению шайбы с древесиной.

Наличие монолитного соединения древесины с вклеенной шайбой существенно снижает податливость соединения элементов в балочной конструкции, т.е. способствует повышению жесткости всего перекрытия.

Технологичность сборки обеспечена применением в качестве соединительной детали сварных стальных сердечников, которые установлены не на всю высоту соединяемых балок, а лишь на ее часть, располагаемую сверху и снизу балки, и к которым приварены парные стальные полосы, установленные не в прорези балки, а по боковым граням.

Указанные особенности свидетельствуют о преимуществе по сравнению с аналогами заявленной конструкции жесткого узла сопряжения элементов балочных конструкций, обеспечивающей высокую несущую способность, а также способствующей увеличению жесткости и уменьшению деформативности всего балочного перекрытия в целом.

Полезная модель поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

На фиг.1 изображен изометрический вид жесткого узла сопряжения элементов балочной конструкции на вклеенных стальных шайбах

На фиг.2 вид сверху на фиг.1

На фиг.3 вид А на фиг.2

На фиг.4 поперечный разрез Б-Б на фиг.3

На фиг.5 поперечный разрез В-В на фиг.3

Изготовление жесткого узла сопряжения элементов балочных конструкций на вклеенных стальных шайбах осуществляется следующим образом.

В начале, расчетом определяют количество вклеиваемых шайб 3 в одном ряду клееного балочного элемента 1, необходимое для полного восприятия возникающих в узле усилий.

Затем изготавливают стальные сварные крестовины 2 в количестве двух штук. Для этого сначала изготавливают две коробочки из стальных пластин. В шестнадцати одинаковых стальных накладках сверлят отверстия под болты 4, которые приваривают к подготовленным коробчатым элементам по две накладки с каждой из четырех сторон коробчатого элемента. При этом необходима выверка симметричности отверстий.

Сверху и снизу каждого клееного балочного элемента 1 выбирают четверти размерами под стальную крестовину 2 и просверливают сквозные отверстия под стяжные болты 4. Крестовины 2 при этом используют как шаблоны. По отверстию под болт 4 в каждой боковой грани деревянных балочных элементов 1 выбирают гнезда диаметром на 2 мм больше диаметра шайбы 3. Все гнезда с одной стороны балок 1 заполняют полимерной композицией (клеем), затем в них вставляют шайбы 3.

Для отверждения клеевой композиции балочные элементы 1 выдерживают 2 дня. Затем вклеивают шайбы 3 на противоположной боковой грани соединяемых балочных элементов 1.

Производят окончательную сборку узлового соединения. Готовые клееные балочные элементы 1 с вклеенными шайбами 3 состыкуют посредством стальных крестовин 2, устанавливаемых сверху и снизу. В отверстия пропускают болты 4 и закручивают гайками 5.

Таким образом, технология сборки жесткого узла включает следующие операции:

1. Выборка гнезд под шайбы и сверление сквозных отверстий по центру гнезд в соединяемых балочных элементах;

2. Вклеивание металлических шайб в высверленные гнезда соединяемых элементов;

3. Заготовка трубчатых сердечников и стальных пластин с просверленными отверстиями под соединительные болты;

4. Монтажная сборка сердечника и пластин в узловую крестовину;

5. Установка узловых крестовин в проектное положение и выполнение операций по окончательной сборке узла (установка соединительных болтов и завинчивание гаек).

Монтажную сборку всего балочного перекрытия можно производить укрупненными блоками, состоящими из четырех балочных элементов, сходящихся в жестком узле.

В процессе восприятия узлом конструктивных нагрузок его элементы и вклеенные шайбы 3 обеспечивают работу всего балочного перекрытия как единого целого.

Кроме того, варьируя количество шайб в составе конструкции узла, можно варьировать несущую способность балочной конструкции перекрытия.

1. Жесткий узел сопряжения элементов балочных конструкций на вклеенных стальных шайбах, содержащий сопрягаемые под углом клееные деревянные балочные элементы прямоугольного поперечного сечения, отличающийся тем, что в сопрягаемых элементах сверху и снизу предварительно выбраны четверти под соединительные стальные сердечники, в боковых гранях сверху и снизу балок вблизи узла сопряжения высверлены круглые гнезда диаметром на 2 мм больше диаметра вклеиваемой шайбы и глубиной, равной толщине шайбы, по центру выбранных круглых гнезд высверлены сквозные отверстия под болты, после чего гнезда заполнены клеевой композицией на основе эпоксидной или фенол-резорциновой смолы и в них уложены круглые стальные шайбы, имеющие центровые отверстия под соединительные болты, между торцами соединяемых балочных элементов вставлены сварные стальные сердечники коробчатого сечения, к которым предварительно по направлению соединяемых балок приварены парные стальные пластины, имеющие отверстия под болты, совпадающие соосно с отверстиями во вклеенных шайбах, в процессе сборки соединяемые балки заведены между парными стальными пластинами, отрихтованы в соответствии с месторасположением отверстий в пластинах и в шайбах, после чего в отверстия вставлены болты, с помощью которых путем завинчивания на них гаек обеспечена плотность соединения всех элементов и монолитность всего узла.

2. Жесткий узел сопряжения элементов балочных конструкций на вклеенных стальных шайбах по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочих связей использованы круглые стальные шайбы, которые расположены не на наружных поверхностях соединяемых балок, а уложены в заранее выбранные фрезой круглые отверстия диаметром на 2 мм больше, чем диаметр шайбы и глубиной, равной толщине шайбы, заполненные полимерной клеевой композицией, способной после отверждения монолитно соединять стальную шайбу и древесину балок, что обеспечивает их совместную работу в соединении.

3. Жесткий узел сопряжения элементов балочных конструкций на вклеенных стальных шайбах по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединительных деталей применены сварные стальные сердечники, которые установлены в узле не на всю высоту соединяемых балок, а лишь на ее часть, располагаемую сверху и снизу балки, и к которым приварены парные стальные полосы, установленные не в прорези балки, а по боковым граням, что упрощает установку соединительных болтов.

4. Жесткий узел сопряжения элементов балочных конструкций на вклеенных стальных шайбах по п.1, отличающийся тем, что передача усилий от элементов на узел осуществлена через вклеенные стальные шайбы, создающие в древесине преимущественно напряжения смятия и благодаря монолитной вклейке перераспределяющие локальные напряжения на большую площадь, что приводит к увеличению несущей способности узлового соединения и повышает эксплуатационную надежность и жесткость.