Зависимость величины разрушающей нагрузки при сдвиге соединений деревянных элементов от количества нагелей

Аннотация. Данная статья посвящена нахождению точной зависимости между показаниями разрушающей нагрузки и количеством крепежных деталей в соединении деревянных элементов при деформации сдвига. Актуальность темы обусловлена тем, что затрагиваются вопросы, связанные с грамотным использованием восполняемого ресурса, такого как древесина, в условиях сложного напряженного состояния, возникающего повсеместно.

Abstract. This article is devoted to finding the exact relationship between the readings of the breaking load and the number of fasteners in the connection of wooden elements during shear deformation. The relevance of the topic is due to the fact that issues related to the competent use of a renewable resource, such as wood, are raised in a complex stress state that arises everywhere.

Ключевые слова: конструкции из древесины, узлы, сдвиг, прочность, податливость.

Keywords: wood structures, knots, shear, strength, pliability.

На сегодняшний день известны различные типы строительных материалов. Однако в качестве конструкционных широко применяются в наше время лишь несколько, таких как: бетон, металл, железобетон, кирпич, газобетон и древесина.

На последнем остановимся подробнее. Древесина - это материал, производимый из кустарников и деревьев. Она применяется для производства самых разных предметов и строительства. Отличительной чертой древесины является ее “природность”, естественность. Древесина, как строительный материал, имеет массу плюсов, к примеру:

• Легкость в обработке;
• Прочность;
• Долгий период эксплуатации;
• И др.

Одним из главных преимуществ древесины является ее экологичность. Дом из древесины, при должном уходе и обработке этого строительного материала, может эксплуатироваться очень долго.

Немаловажным и является адгезия древесины. При высокой влажности в помещении материал впитывает эту влагу, а при низкой влажности – наоборот, отдает. Тем самым поддерживая благоприятный микроклимат.

Именно поэтому древесина часто используется в качестве материала для строительства загородного дома, дачи и др. Одним словом,  для строительства индивидуальных зданий или сооружений.

При проектировании будущего здания или сооружения из древесины, не стоит забывать и о сопротивлении тем или иным видам деформаций, а так как древесина – материал анизотропный, то и прочность ее при разных видах воздействия, в зависимости от того, вдоль или поперек волокнам приложена нагрузка, может отличаться в десятки раз.

В реальных конструкциях проектировщик старается спланировать на бумаге так, чтобы тот или иной элемент сопротивлялся, исключительно, одному виду деформаций. Однако на практике так редко выходит в силу разных причин. В большинстве случаев при объемном напряженном состоянии имеет место сочетание внешних сил, приложенных к телу и действующих в разных плоскостях, которое приводит к сложным деформациям.

Поэтому при изучении прочности элементов или соединений рассматривают несколько основных типов деформаций:

• Растяжение (сжатие);
• Сдвиг;
• Кручение;
• Изгиб;
• Случай сложных деформаций (сочетание простых деформаций)[1].

При изучении данного вопроса было выявлено, что сопротивлению при сдвиге соединений деревянных элементов  не было уделено должного внимания, хотя такой вид деформации встречается достаточно часто. К примеру, в каркасном доме такого рода деформация возникает внизу стоек, в тех местах, где они крепятся к нижнему поясу обвязки (рис. 1).

Рисунок 1. Крепление стойки к нижней обвязке с помощью стального уголка

Основной текст

При исследовании данной области было произведено 2 серии испытаний соединений деревянных элементов на станке SHUMATZU. Для достоверности сравнительного анализа схема загружения, а как соответствие образцов в машине, является одинаковой для всех опытов (рис. 2).

Рисунок 2. Схема загружения образцов

Первая серия испытаний

Материалы: Доски строганные сечения 20Х100 мм, саморезы, универсальные оцинкованные с потайной головкой и техническими характеристиками (табл. 1):

Таблица. 1.

Характеристики саморезов

Образец 1

Рисунок 3. Схема образца 1

Описание: Три доски скреплены саморезами, универсальными оцинкованными с потайной головкой и размерами 60х4 мм, как показано на рисунке (наслоение одной доски на другую составляет 120 мм, саморезы закручены так, чтобы расстояние от боковых граней составляло 20 мм, а шаг по вертикали составлял 40 мм) (рис. 3).

В ходе испытания был построен график зависимости силы, в результате действия которой происходит сдвиг в соединении, от хода центральной доски (рис. 4):

Рисунок 4. График зависимости силы от хода

Результаты испытания до разрушения представлены в графической форме. По результатам максимальная нагрузка при разрушении образца 1 составила 11288.1 Н.

Образец 8

Описание: Образец 8 идентичный образцу 1.

В ходе испытания был построен график зависимости силы, в результате действия которой происходит сдвиг в соединении, от хода центральной доски (рис. 5):

Рисунок 5. График зависимости силы от хода

Результаты испытания до разрушения представлены в графической форме. По результатам максимальная нагрузка при разрушении образца 8 составила 9927.13 Н.

Рисунок 6. Сравнительный график зависимости силы от хода

Исходя из сравнительного графика (рис. 6), была построена таблица показаний разрушающей нагрузки, и было вычислено среднее арифметическое между показаниями максимальных разрушающих нагрузок 10607.6 .

Вторая серия испытаний

Материалы: Доски строганные сечения 20Х100 мм, саморезы, универсальные оцинкованные с потайной головкой.

Образец 2

Рисунок 7. Схема образца 2

Описание: Три доски скреплены саморезами, универсальными оцинкованными с потайной головкой и размерами 60х4 мм, как показано на рисунке (наслоение одной доски на другую составляет 120 мм, саморезы закручены так, чтобы расстояние от боковых граней составляло 20 мм, а расстояние от верхней грани составляет 40 мм) (рис. 7).

В ходе испытания был построен график зависимости силы, в результате действия которой происходит сдвиг в соединении, от хода центральной доски (рис. 8):

Рисунок 8. График зависимости силы от хода

Результаты испытания до разрушения представлены в графической форме. По результатам максимальная нагрузка при разрушении образца 2 составила 7059 Н.

Образец 7

Описание: Образец 7 идентичен образцу  2.

В ходе испытания был построен график зависимости силы, в результате действия которой происходит сдвиг в соединении, от хода центральной доски (рис. 9):

Рисунок 9. График зависимости силы от хода

Результаты испытания до разрушения представлены в графической форме. По результатам максимальная нагрузка при разрушении образца 7 составила 5325.27 Н.

Также, была построена таблица показаний разрушающей нагрузки, и было вычислено среднее арифметическое между показаниями максимальных разрушающих нагрузок 6192.13 .

Исходя из теоретического описания данного процесса и формулы, которая прописана в Еврокод 5 “Проектирование деревянных конструкций” [2,3]:

,

Где  - нормативная несущая способность одного ряда нагелей, параллельного направлению волокон древесины;

 - число нагелей в рассматриваемом ряду, параллельном направлению волокон древесины;

 - нормативная несущая способность одного нагеля в рассматриваемом ряду.

Можно сделать вывод, что значение средней максимальной силы в первой серии опытов  должно быть ровно в 2 раза больше, чем значение средней максимальной силы во второй серии опытов . Однако на практике это не так:

Найдено противоречие теоретических формул, которые описывают это явление, и эмпирических значений. Из этого следует, что нужно продолжать данное исследование для выявления точной зависимости.