Соединение деревянных конструкций с применением вклеенных стальных шайб с внутренней резьбой

Исследования соединений деревянных конструкций с применением вклеенных стальных шайб [1] показали, что указанный тип соединений обладает многими положительными качествами, такими как прочность, надежность, технологичность, ремонтопригодность. Вместе с тем данное соединение можно дополнительно усилить, применив вклеенные стальные шайбы с внутренней резьбой.

Резьбовое соединение является крепежным разъемным соединением, представляющим собой сцепление двух входящих друг в друга деталей, а точнее, их спиральных поверхностей: внутренней и внешней. Применение резьбовых соединений в деревянных конструкциях объясняется простотой и прочностью этого вида креплений, возможностью регулирования затяжки, а также легкостью осуществления разборки и повторной сборки соединения без замены функционального элемента.

В целях повышения жесткости соединения с применением вклеенных стальных шайб в шайбах и на шпильке нарезается соответственно внутренняя и внешняя резьбы, обеспечивающие совместную работу шпильки и стальных шайб. При таком соединении шпилька теоретически должна работать как неразрезная балка, что увеличит жесткость соединения за счет уменьшения деформативности шпильки. Для изучения данного вопроса проведено экспериментальное исследование, результаты которого представлены ниже.

Цель исследования – определить характер работы соединений деревянных конструкций с применением вклеенных стальных шайб с внутренней резьбой (далее – ВШР).

Методика проведения экспериментального исследования

Методика экспериментального исследования соединений ВШР принципиально не отличается от методики исследования соединений с применением вклеенных стальных шайб (далее – ВШ) [2] и включает в себя разработку следующих вопросов:

• выбор формы и размеров образцов;
• выбор клеевой композиции;
• разработка технологии изготовления образцов;
• подготовка и контроль образцов перед испытанием;
• выбор испытательной установки и назначение нормативных и контрольных нагрузок;
• определение порядка измерений и наблюдений в процессе испытаний.

Материалом для испытываемых образцов принята древесина сосны 2-го сорта, так как эта порода имеет наиболее широкое применение в строительстве при изготовлении несущих деревянных конструкций. Влажность древесины принималась близкой к W = 12 %. Круглые шайбы и шпильки изготавливались из стали С255. В качестве основного образца принимался образец с размерами a × b × h = 200 × 150 × 50 мм. Диаметр шпильки – 20 мм. Для склеивания древесины и металла используется клеевая композиция на основе эпоксидной смолы ЭД-20.

Технология изготовления образца включает в себя несколько этапов.

1. Перед выполнением операций по вклеиванию стальной шайбы сначала выбирается образец заданной формы и размеров (рис. 1).
2. Однозаходная резьба на шпильке и в шайбах изготавливается с помощью токарно-фрезерного оборудования. Также на внешнюю поверхность одной из шайб наносятся специальные насечки для удобства закручивания шайб.
3. Специальной фрезой в образце выбираются гнезда диаметром на 1–2 мм больше диаметра шайбы с двух сторон и на необходимую толщину шайбы. Отверстие под стяжную шпильку просверливается диаметром на 2–3 мм больше диаметра шпильки. Это необходимо для того, чтобы шпилька не упиралась в деревянный элемент средней частью и передавала на него усилия только через стальные шайбы. Процесс выборки гнезда под шайбу представлен на рис.
4. Гнездо частично заполняется эпоксидным клеем так, чтобы пространство между стальной шайбой и древесиной было полностью заполнено клеевой композицией.
5. С одной стороны в гнездо вставляется шайба с предварительно ввернутой шпилькой. Шпилька вворачивается для того, чтобы совпал заход резьбы на обеих шайбах. Далее с другой стороны наворачивается вторая шайба до тех пор, пока не войдет в гнездо, и затягивается. Перед вклеиванием шайбы обезжириваются ацетоном, чтобы увеличить адгезию металла и древесины и тем самым повысить прочность клеевого шва. Шпилька же обрабатывается масляным составом, чтобы облегчить ход резьбы, а также уменьшить адгезию контактных поверхностей шпильки при попадании на них излишков клея. Готовый к испытанию образец выдерживается не менее трех дней до полного отвердения клеевой композиции и установления равновесной влажности древесины.
6. Из образца выкручивается шпилька, и готовый образец вставляется в П-образную стальную раму. Затем шпилька вкручивается вновь, и с помощью гаек полученная конструкция стягивается. Перед тем как образец помещается в испытательную установку, на него устанавливаются необходимые детали для размещения датчиков для определения деформаций. Образец, готовый к испытанию, представлен на рис.

Так как целью данного исследования является определение характера работы рассматриваемого соединения, для эксперимента изготовлены три образца с одинаковыми размерами деревянного элемента, но разными (случайными) параметрами стальных шайб. Все образцы соответствующим образом промаркированы, и их параметры приведены в табл. 1.

Схема маркировки образцов: ВШР-80–8-РМ,

где ВШР – вклеенная шайба с внутренней резьбой;

80 – диаметр шайбы, мм;

8 – толщина шайбы, мм;

РМ – испытание образца, помещенного в П-образную металлическую раму.

Исследование проводилось на базе лаборатории кафедры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» при нормальных температурно-влажностных условиях, т. е. при температуре 18–20 °C и относительной влажности воздуха 60–65 %. Испытательная установка состоит из силовой рамы, домкрата марки ДУ20 П150 грузоподъемностью 20 тонн, устройства управления давлением с преобразующим блоком.

Нагрузка создается гидравлическим прессом и прикладывается в соответствии с заданным алгоритмом. Алгоритм задан при помощи программного обеспечения АСИС, разработанного ООО НПО «Геотек». Алгоритм проведения испытания состоит из двух этапов.

На первом этапе образец загружается до 100 кг. Данная нагрузка выдерживается в течение 5 секунд, а затем сбрасывается до 0. Цель первого этапа – обжатие элементов испытываемого образца.

Второй этап предназначен для непосредственного определения разрушающей нагрузки и деформации образца. Нагружение задается ступенчато, величина ступени – 100 кг. Каждая ступень выдерживается в течение 5 секунд, далее идет нагрузка следующей ступени. Ступени повторяются непрерывно до полного разрушения образца. Деформации образца (вертикальные перемещения) определяются при помощи датчика, подключенного к преобразующему блоку, и индикатора часового типа и фиксируются в журнале испытания.

Схема приложения нагрузки представлена на рис. 4. Общий вид испытательной установки представлен на рис. 5.

Испытания проводились до полного разрушения образцов. За разрушающую нагрузку принята та, при которой наблюдается значительный рост деформаций при небольшом увеличении вертикальной нагрузки.

Результаты испытаний

Результаты испытаний приведены в табл. 2. По итогам испытаний построены графики деформаций образцов (рис. 6). Общий вид разрушения образцов представлен на рис. 7.

По характеру разрушения образцов можно прийти к выводу, что клеевое соединение стальных шайб и деревянного элемента не включилось в работу соединения в полной мере, о чем говорит отсутствие сколов древесины под поверхностью шайб. Клеевое соединение преимущественно предназначено для восприятия сдвиговых усилий между соединяемыми элементами [3] и его работа на восприятие растягивающих усилий несколько хуже. В данном эксперименте разрушение клеевого соединения произошло в результате отрыва шайб от деревянного элемента в продольном направлении шпильки до исчерпания предела прочности клеевого шва на восприятие усилий сдвига. Отрыв шайб (распор) произошел из-за деформаций (изгиба) шпильки, соединенной с шайбами жестким резьбовым соединением.

Анализируя графики деформаций образцов, можно предположить, что на характер разрушения рассматриваемого соединения в большей степени влияет толщина шайбы, так как клеевой шов под торцом шайбы работает на восприятие сдвиговых усилий от распора, чем и объясняется хрупкое разрушение образца 2, имеющего наибольшую толщину шайб в данной серии образцов. Вместе с тем для более полного исследования этого вопроса необходимо проведение дополнительных испытаний серий образцов с различными параметрами стальных круглых шайб.

Выводы

Экспериментальные исследования соединения ВШР показали, что при возникновении деформаций в шпильке от вертикальной кратковременной нагрузки происходит отрыв шайб от деревянного элемента, что приводит к росту деформаций и уменьшению разрушающей нагрузки. В дальнейшем необходимо предусмотреть конструктивные мероприятия для восприятия усилий отрыва вдоль шпильки в клеевом соединении стальных шайб и деревянного элемента либо отказаться от применения клеевой композиции в данном соединении, отдав предпочтение технологичности изготовления соединения.

Результаты испытаний показали, что на характер работы соединения влияет изменение параметров шайбы. Данный вопрос будет изучен в ходе дальнейших исследований.