Одним из актуальных направлений в исследовании строительных структур является разработка новых видов соединений деревянных конструкций [1–3]. Ввиду особенностей древесины как строительного материала к узловым соединениям деревянных элементов предъявляются определенные требования. Многие из них обусловлены такой особенностью древесного материала, как анизотропность [4][5]. По причине отличия друг от друга физико-механических характеристик материала в разных геометрических направлениях соединения деревянных конструкций получили большое разнообразие как по способам передачи внутренних усилий между элементами, так и по типу соединительных деталей [6–8]. Одним из перспективных способов соединения деревянных конструкций является соединение с применением круглых шайб, заподлицо вклеиваемых или вкладываемых в заранее выбранные гнезда в деревянных элементах. Шайба позволяет распределить усилия, передаваемые через стяжную шпильку на большую площадь, тем самым уменьшая концентрацию напряжений в месте передачи усилий. Вклеенные шайбы обладают высокой несущей способностью [9], однако попытка усилить их дополнительно резьбовым соединением со шпилькой приводит к значительному снижению несущей способности [10]. Вместе с тем вклеивание шайб требует определенных навыков и условий для работы с клеевыми составами, что увеличивает трудоемкость изготовления конструкции. Резьбовое же соединение менее требовательно к данным факторам, что создает интерес к его применению в соединениях деревянных конструкций с применением круглых стальных шайб [11][12].

Цель исследования – изучить характер работы соединения деревянных конструкций с применением резьбовых шайб (ШР), определить влияние параметров шайб на несущую способность соединения.

Задачи исследования – провести натурный эксперимент серий образцов для определения разрушающих нагрузок и предельных деформаций, а также для изучения механизма работы соединения.

В целях исследования характера работы рассматриваемого соединения и влияния параметров резьбовых шайб на несущую способность проведено экспериментальное исследование 4 серий по 3 образца в каждой. Для исследования использовались шайбы с максимальными и минимальными параметрами, принятыми по аналогии с соединениями на вклеенных шайбах [9][13]: диаметр шайбы, Dш, 60 и 100 мм, толщина шайбы, tш, 6 и 10 мм. Размеры деревянных элементов приняты в соответствии с параметрами шайб и требуемым шагом привязки (рис. 1).

Параметры образцов и маркировка серий приведены в табл. 1.

В качестве основного материала образцов выбрана древесина сосны 2-го сорта ввиду своей доступности и широкой области применения. Стальные элементы изготовлены из стали С255.

Технология изготовления образцов соединения на резьбовых шайбах включает в себя выборку гнезд под шайбы, сверление отверстия под шпильку и завинчивание шайб на шпильке. Гнезда под шайбы выбираются специальными фрезами с направляющим наконечником, обеспечивающим соосное расположение гнезд. Отверстие под шпильку высверливается на 1–2 мм больше диаметра шпильки для обеспечения передачи усилий на деревянный образец только через шайбы. Ввиду отсутствия соответствующей нормативной базы завинчивание шайб осуществлялось в соответствии с СТО НОСТРОЙ 2.10.76-2012 [14], как в соединениях, не требующих обеспечения контроля натяжения. При диаметре стяжной шпильки 20 мм затяжка шайб должна осуществляться ключом с длиной рычага не менее 35 см до отказа. Данный способ сборки позволяет собирать соединение в кратчайшие сроки без применения специального оборудования.

После сборки образец устанавливается в сборную раму, имитирующую передачу нагрузки через стальные накладки (рис. 2). Готовый образец в раме помещается в испытательный стенд (рис. 3).

Для загружения опытных образцов использовался гидравлический пресс П-500 со встроенным оборудованием для определения вертикальных перемещений. Данные о результатах исследований (вертикальная нагрузка, деформации) записываются в журнал испытаний.

Образцы испытываются воздействием кратковременной нагрузки при скорости нагружения 4 кН/мин до их разрушения. За разрушающую нагрузку принималась та, при которой значительно увеличивается рост деформаций при относительно небольшом увеличении нагрузки.

Разрушение образцов происходило без резких щелчков в древесине, однако наблюдались короткие проскальзывания шайб, которые можно отнести к так называемым «рыхлым деформациям», так как в дальнейшем наблюдался рост разрушающей нагрузки без явных признаков разрушения образцов. Кроме того, при дальнейшем нагружении проскальзывания шайб не наблюдалось. Данные о результатах испытаний представлены в табл. 2.

На рис. 4, 5 представлены графики зависимости разрушающей нагрузки от параметров шайб и образцы после разрушения.

Исследование показало, что резьбовые шайбы обладают высокой несущей способностью, незначительно уступающей несущей способности вклеиваемых шайб. К достоинствам данного соединения бесспорно можно отнести его скорость сборки, которая составляет 10–20 минут по сравнению с 7 днями [9]. Также нельзя не отметить, что монолитное соединение шайб и шпильки в узле позволяет перераспределить усилия между шайбами, тем самым увеличив надежность работы соединения.

В ходе нагружения образцов наблюдалось уплотнение шайб в гнездах, о чем свидетельствуют проскальзывания шайб, сопровождаемые громким звуком и соответствующими ступенями на графиках (ступени наиболее выражены на рис. 4а). Также можно сделать вывод, что несущая способность резьбовых шайб складывается из смятия древесины под ребром шайбы и силой трения между пластью шайбы и деревянным элементом, при этом, судя по характеру разрушения образцов, влияние первого фактора значительнее. Данное явление можно отнести как к достоинствам, так и к недостаткам разрабатываемого соединения.

В соединениях на вклеенных шайбах после разрушения клеевого шва вся несущая способность шайб будет состоять из смятия древесины под ребрами шайб. Резьбовые шайбы, помимо того, что остаются монолитно связанными друг с другом через шпильку посредством резьбы, с ростом нагрузки только плотнее прилегают к деревянному элементу, тем самым делая разрушение образца более пластичным.

Вместе с тем силы трения между деревом и металлической шайбой значительно зависят от силы затяжения шайб [15][16], шероховатости контактных поверхностей и влажности древесины. Как было сказано выше, для контроля затяжения целесообразно воспользоваться рекомендациями СТО НОСТРОЙ 2.10.76-2012 [14], выполнения требований которых достаточно для создания требуемого затяжения и сохранения технологичности сборки соединения. Механическое увеличение трения между шайбой и древесиной приведет к увеличению усилий, требуемых для затяжения шайб, что приведет к снижению технологичности соединения и может повлиять на снижение усилия затяжения шайб. При этом, учитывая, что основная часть несущей способности складывается из усилий смятия под ребрами шайб, увеличение несущей способности соединения будет не столь значительно [17][18].

Влажность древесины играет значительную роль во всех видах соединений деревянных конструкций. В рассматриваемом соединении высокая влажность древесины может сильно повлиять на трение между шайбой и древесиной, а после усушки значительно уменьшится усилие затяжения шайб, что критично снизит несущую способность соединения [19][20]. Влияние влажности древесины на несущую способность соединения на резьбовых шайбах необходимо исследовать дополнительно.

Экспериментальное исследование соединения на резьбовых шайбах показало, что данное соединение обладает высокой несущей способностью и технологичностью. За счет изменения способа фиксации шайб в деревянном элементе, а именно замены клеевой композиции резьбовым соединением, значительно ускоряется изготовление и сборка соединения и конструкции в целом при практически незначительном уменьшении несущей способности.

Аналогично вклеенным шайбам несущая способность резьбовых шайб складывается из сопротивления смятию древесины под ребрами шайб и усилий, возникающих под пластями шайб. Отличие заключается в том, что эти усилия являются силами трения между шайбами и деревянным элементом. Кроме того, существенным отличием является тот факт, что резьбовые шайбы монолитно связаны друг с другом, что приводит к равномерному распределению усилий между шайбами.

Вместе с тем применение резьбовых шайб в узлах деревянных конструкций может быть сопряжено с таким недостатком, как влияние влажности древесины, что требует дополнительного изучения.

Тем не менее соединение на резьбовых шайбах обладает большим рядом достоинств, которые предлагают перспективы для дальнейшего изучения данного соединения и его применения в практике строительства.