Соединения деревянных элементов

Соединения деревянных элементов имеют задачу связать сопрягаемые строительные материалы, например обрезные брусья, так, чтобы они не смещались относительно друг друга. По положению и направлению соединяемых деревянных элементов различают продольные соединения и угловые соединения, а также соединения на ответвлениях и перекрестях. Пространственные соединительные элементы из стального листа и накладки из стального листа с просверленными заранее отверстиями часто заменяют плотницкие соединения.

Соединения, которые должны передавать усилия определенной величины и направления, например усилия сжатия, называют также стыками соединяемых деревянных элементов как стержней, например сжатых стержней. Сжатые стержни, соединяемые под острым углом, могут соединяться на врубках. Другие соединения деревянных конструкций устраиваются за счет стыков деревянных элементов с помощью соединительных средств.

По виду соединительных средств такие соединения называются гвоздевыми или болтовыми, дюбельными или нагельными соединениями. В строительстве из дерева применяют также клееные строительные конструкции. Так как они имеют особенные преимущества, применение клееных деревянных конструкций имеет все увеличивающееся значение.

Продольные соединения

Различают продольные соединения на опорах и продольные соединения в пролете. Над опорами применяют перпендикулярные цапфы, стык «в лапу» и частично цапфовый стык «в лапу» (рис. 1). Для усиления этих стыков сверху или сбоку могут вбиваться строительные скобы из плоской или круглой стали. Часто деревянные элементы стыкуются в лоб и закрепляются только строительными скобами. Если, однако, в стыке действуют большие растягивающие усилия, например у прогонов на стропилах крыши, то оба элемента в лоб стыкуются на опоре и связываются боковыми накладками из досок или дырчатыми полосками защищенной от коррозии стали.

Рис. 1. Продольные соединения

Прогоны могут быть также выполнены в виде консольно-подвесных (прогоны Гербера) или шарнирных прогонов. У них стык находится в месте, определенном расчетом, недалеко от опоры, в которых изгибающие моменты равны нулю и где нет изгибающих усилий (рис. 2). Там прогоны соединяют прямой или косой накладкой. Входящий прогон удерживается шурупным болтом, который называют также шарнирным болтом. Шарнирный болт с подкладочными шайбами должен воспринимать нагрузку от подвешенного прогона.

Рис. 2. Продольные соединения прогонов Гербера

Прогоны Гербера с лежащим сверху стыком нецелесообразны, так как имеется опасность, что прогоны на краю стыка оторвутся. При подвешенном стыке, напортив, опасность отрыва отсутствует.

Для соединения прогонов Гербера применяют также пространственные элементы из стального листа, которые называют также соединительными элементами Гербера. Они прикрепляются гвоздями по лобовым стыкуемым концам прогонов (см. рис. 2).

Угловые соединения

Угловые соединения необходимы, когда два бревна или бруса в углу стыкуются под прямым или приблизительно под прямым углом в одной плоскости. Наиболее часто применяемыми видами стыков являются вырезные цапфы, гладкая угловая лапа и сжатая лапа (рис. 3). С помощью вырезных цапф и гладких угловых лап соединяются лежащие на опорах или выступающие консольно концы порогов, прогонов и стропильных ног. Для закрепления соединений могут применяться гвозди или шурупные болты. Сжатая лапа имеет косо входящие друг в друга плоскости. Она особенно подходит для соединения нагруженных, полностью лежащих на опоре порогов.

Рис. 3. Угловые соединения

Ответвления

При ответвлении подходящий под прямым или под косым углом брус в большинстве случаев поверхностно стыкуется с другим брусом. В обычных случаях применяют стык на цапфах, а во второстепенных конструкциях также и соединение «в лапу». Кроме того, балки из бруса могут стыковаться с помощью металлических соединительных пространственных элементов. В цапфовых соединениях толщина цапфы составляет примерно одну треть толщины бруса. Цапфы имеют длину в большинстве случаев от 4 до 5 см. Паз для цапфы делается на 1 см глубже, чтобы сила сжатия передавалась не через сечение цапфы, а через большую площадь оставшегося сечения брусьев.

При устройстве цапф различают нормальные цапфы, проходящие через всю ширину бруса, и оттопыренные (пеньковые) цапфы, которые применяют при соединениях на концах брусьев (рис. 4). Если брусья в соединении подходят друг к другу не под прямым углом, например у угловых подкосов, то цапфа у подкоса должна быть выполнена под прямым углом к горизонтальному (или вертикальному) элементу конструкции (см. рис. 4).

Рис. 4. Соединения с помощью цапф

При устройстве цапф в деревянных балках и прогонах цапфа должна нести всю нагрузку. Более выгодно такие соединения осуществлять с применением балочных башмаков из защищенной от коррозии стали (рис. 9). Эти башмаки закрепляются с помощью специальных гвоздей таким образом, чтобы предотвратить их подкашивание и поворот относительно места стыковки. Кроме того, поперечное сечение балки не ослабляется отверстиями для цапф.

Перекрестные соединения

Деревянные брусья могут пересекаться в одной плоскости или со смещенными плоскостями и быть накладными или опорными. Пересекающиеся в одной плоскости брусья могут пересекаться «В ЛАПУ», если ослабление сечения не играет никакой роли (рис. 5). Пересекающиеся накладные пороги на опорных балках желательно связать круглыми шпонками (штифтами) из твердого дерева или из стали длиной от 10 до 12 см (рис. 6).

Рис. 5. Соединение «в лапу»

Рис. 6. Соединение с помощью круглых шпонок (штифтов)

Стыкующиеся сбоку брусья получают хорошую опору на столбе, если их соединение выполнено «В ПАЗ» (рис. 7). Для этого плоскости пересечения обоих элементов вырезаются на глубину от 1,5 до 2,0 см. При этом получается несдвигаемое соединение, которое закрепляется с помощью шурупного болта.

Рис. 7. Соединение «в паз»

При стыковании наклонных и горизонтальных брусьев, как это обычно имеет место при стыковании стропильных ног с прогонами — порогами, в стропильной ноге делается вырез, соответствующий уклону, который называется врезкой (рис. 8).

Рис. 8. Врезка стропильной ноги

Глубина врезки в стропильных ногах при нормальной высоте сечения от 16 до 20 см составляет от 2,5 до 3,5 см. Для крепления служит один гвоздь, проникающий в порог на длину не менее 12 см, или специальный анкер для крепления стропил к прогонам.

Рис. 9. Соединение с помощью стального башмака

Врубки

При врубках входящий под острым углом сжатый стержень связывается с другим брусом с помощью одной или нескольких передающих усилие плоскостей на его лобовой стороне. По количеству и положению передающих усилие плоскостей различают лобовую врубку, врубку с зубом и двойную лобовую врубку с зубом.

При лобовой врубке (называемой также лобовым упором) принимающий брус имеет клиновидный вырез, соответствующий по форме концу сжатого стержня (рис. 10). Лобовая плоскость должна проходить под углом, делящим тупой внешний угол врубки пополам. То же направление должен иметь и скрепляющий болт, гарантирующий стык от бокового смещения. Для разметки врубки проводят параллели на одинаковом расстоянии от сторон угла, который надо делить пополам. Соединительная линия между точкой их пересечения и вершиной тупого угла будет биссектрисой этого угла (см. рис. 10). Положение скрепляющего болта получается, если расстояние между биссектрисой и концом врубки разделить на три части параллельно биссектрисе (см. рис. 10).

Рис. 10. Лобовая врубка

Под действием сжимающей силы лежащая перед лобовой частью сжатого стержня древесина работает на срез (см. рис. 10). Так как допустимое напряжение на срез древесины вдоль волокон сравнительно невелико (0,9 МН/м²), то плоскость древесины перед гранью среза (плоскость среза) должна быть достаточно большой. Так как, кроме того, следует принимать в расчет трещинообразование за счет усушки, то за редким исключением длина плоскости среза не должна быть меньше 20 см.

При обратной или зубчатой врубке плоскость врубки обрезается под прямым углом к нижней стороне сжатого стержня (рис. 11). Вследствие того, что из-за внецентренного соединения в зубчатой врубке может возникнуть опасность раскалывания сжатого стержня, необходимо, чтобы свободный конец врубки плотно не прилегал к опорному стержню и между ними был бы предусмотрен шов.

Рис. 11. Зубчатая врубка

Двойная врубка состоит, как правило, из лобовой врубки в сочетании с зубчатой врубкой (рис. 12). Направление плоскостей врубки аналогично тому, как это принято для каждой из врубок этого сочетания. Однако зубчатая врубка в этом случае должна быть глубже не менее чем на 1 см, для того чтобы ее плоскость среза находилась ниже плоскости среза лобовой врубки. Скрепляющий болт должен проходить параллельно лобовой части врубки примерно посередине между биссектрисой и вершиной острого угла соединения.

Рис. 12. Двойная врубка

Глубина врубки  t_v ограничивается по DIN 1052. Определяющими для этого являются угол примыкания (а) и высота h вырезаемого стержня (табл. 1).

Таблица 1. Глубина врубок по DIN 1052
Соединение
Глубина врубки tv	tv ≤ h/4	fv ≤ h/6	tv ≤ h/6

Штифтовые и болтовые соединения

В случае штифтовых и болтовых соединений деревянные брусья или доски, соприкасающиеся боковыми сторонами, соединяются цилиндрическими соединительными элементами, такими, как стержневые дюбели, болты с утопленными головками и гайками, обыкновенные болты с гайками. Эти стержневые дюбели и болты должны препятствовать тому, чтобы деревянные элементы сдвигались в плоскости соединения, которая называется также плоскостью среза. При этом действуют силы перпендикулярно к оси стержневого дюбеля или болта. Дюбели и болты при этом работают на изгиб. В соединяемых деревянных элементах все усилия сосредоточиваются на внутренней поверхности отверстий для дюбелей или болтов.

Количество устанавливаемых в месте соединения стержневых дюбелей и болтов зависит от величины передаваемого усилия. При этом, как правило, должно устанавливаться не менее двух таких элементов (рис. 13).

Рис. 13. Соединение с помощью стержневых дюбелей

В одном соединении многие плоскости среза могут быть расположены рядом друг с другом. По числу плоскостей среза, которые связаны одинаковыми соединительными элементами, различают односрезные, двухсрезные и многосрезные дюбельные и болтовые соединения (рис. 14). Согласно DIN 1052 односрезные несущие соединения с помощью стержневых дюбелей должны иметь не менее четырех стержневых дюбелей.

Рис. 14. Болтовые соединения

Для болтовых соединений применяют в основном болты с гайками из стали с нормируемым диаметром 12, 16, 20 и 24 мм. Для того чтобы головка и гайка болта не могли врезаться в дерево, под них следует подкладывать прочные стальные шайбы. Минимальные размеры этих шайб приводятся для различных диаметров болтов в DIN 1052 (табл. 2).

Чтобы предотвратить расщепление соединяемых деревянных элементов стержневыми дюбелями и болтами, эти соединительные средства должны иметь установленные минимальные расстояния между собой, а также от нагруженного и ненагруженного концов. Минимальные расстояния зависят от направления силы, от направления волокон древесины и от диаметра стержневого дюбеля или болта db и do (рис. 15 и 16). Для несущих болтов с гайками следует выдерживать большие расстояния между собой и от нагруженного конца, чем в случае стержневых дюбелей и болтов со спрятанными головками. Зато близко расположенные друг к другу в направлении волокон древесины стержневые дюбели или болты со спрятанными головками должны быть расположены в разбежку относительно линии среза, чтобы соединения не растрескивались (см. рис. 15).

Рис. 15. Минимальные расстояния в случае стержневых дюбелей и болтов со скрытой головкой

Рис. 16. Минимальные расстояния в случае несущих болтов

Отверстия для штифтов и болтов предварительно высверливаются перпендикулярно к плоскости среза. Для этого применяют электрические сверла со станиной с параллельным перемещением. Для штифтов при высверливании отверстий в дереве, а также при одновременном высверливании отверстий в дереве и металлических соединительных элементах диаметр отверстия должен соответствовать диаметру штифта.

Также и отверстия для болтов должны хорошо подходить к диаметру болтов. Нельзя увеличивать диаметр отверстия по сравнению с диаметром болта более чем на 1 мм. При болтовых соединениях плохо, когда болт свободно сидит в отверстии. Также плохо, если за счет усушки древесины зажим болта в отверстии постепенно ослабевает. При этом в плоскости среза возникает люфт, который приводит к еще большему давлению стержня болта на граничные плоскости стенок отверстий (рис. 17). Вследствие связанной с этим податливостью болтовые соединения не могут применяться неограниченно. Для простых построек, таких, как сараи и навесы, а также леса, их, однако, можно применять. Во всяком случае в готовом сооружении болты должны подтягиваться многократно в течение эксплуатации.

Рис. 17. Люфт при болтовом соединении

Дюбельные соединения

Дюбели — это крепежные элементы из твердого дерева или из металла, которые применяются вместе с болтами для соединения гладко-стыкуемых деревянных элементов (рис. 18). Их располагают таким образом, чтобы они равномерно действовали на поверхности соединяемых элементов. При этом передача усилий осуществляется только через дюбели, тогда как болты обеспечивают зажимающее действие в соединении, чтобы дюбели не могли опрокинуться. Рейки из плоской или профильной стали присоединяются к деревянным элементам также с помощью дюбелей. Для этого применяют односторонние дюбели или плоские стальные дюбели. Дюбели бывают различных форм и видов.

Рис. 18. Соединение деревянных элементов с помошью дюбелей и болтов

При устройстве дюбельных соединений с запрессованными дюбелями сначала в соединяемых элементах высверливаются отверстия для болтов. После этого деревянные элементы снова разделяются, и вырезается, если необходимо, паз для основной пластины. В зависимости от технологии строительства дюбель полностью или частично загоняется в паз одного из соединяемых элементов с помощью киянки. Для окончательного зажима точно выверенного по оси соединения применяют особые зажимные болты с большой шайбой. Соединения с многими или с большими запрессованными дюбелями зажимаются с помощью гидравлического пресса. При соединениях с большим числом дюбелей, как это бывает при устройстве угловых соединений в рамах из клееных дощатых элементов, более предпочтительно использовать круглые вставные дюбели, так как при запрессованных дюбелях давление запрессовки может оказаться слишком большим (рис. 19).

Рис. 19. Дюбельное соединение в углу рамы

Каждому дюбелю, как правило, должен соответствовать один болт с гайкой, диаметр которого зависит от величины дюбеля (табл. 3). Величина подкладочной шайбы такая же, как и при болтовых соединениях. В зависимости от величины действующей на соединение силы могут применяться большие или меньшие дюбели. Самыми употребительными являются диаметры от 50 до 165 мм. На чертежах величина дюбелей обозначается символами (табл. 4).

Таблица 4. Чертежные символы для дюбелей особого вида
Символ	Размер дюбеля
	от 40 до 55 мм
	от 56 до 70 мм
	от 71 до 85 мм
	от 86 до 100 мм
	Номинальные размеры > 100 мм

При расстановка дюбелей следует придерживаться определенных расстояний дюбелей между собой и от краев деревянных элементов. Эти минимальные расстояния согласно DIN 1052 зависят от вида дюбеля и от его диаметра (см. табл. 3).

Болты с гайками дюбельных соединений проводятся почти всегда через центр дюбеля. Только при прямоугольных и плоских стальных дюбелях они лежат вне плоскости дюбеля. При затяжке гаек на болтах подкладочные шайбы должны врезаться примерно на 1 мм в древесину. При дюбельных соединениях гайки на болтах через несколько месяцев после установки должны подтягиваться повторно, для того чтобы их затягивающее действие осталось и после усадки древесины. Говорят о соединении с постоянной передачей усилия.

Несущие нагельные соединения

Несущие нагельные (гвоздевые) соединения имеют задачей передавать усилия растяжения и сжатия. С помощью нагельных соединений могут скрепляться несущие детали, например для свободно опертых ферм, а также конструкций из досок и брусьев. Нагельные соединения могут выполняться односрезными, двухсрезными и многосрезными. При этом величина гвоздей должна соответствовать толщине пиломатериалов и глубине забивки. Кроме того, при расположении гвоздей должны выдерживаться определенные расстояния между ними. В несущих нагельных соединениях отверстия метут высверливаться заранее. Высверленное отверстие при этом должно быть немного меньшего диаметра, чем диаметр гвоздя. Так как при этом дерево не так сильно растрескивается, гвозди таким способом можно размещать ближе друг к другу. Кроме того, несущая способность гвоздевого соединения повысится, а толщина древесины может быть уменьшена.

Односрезные нагельные соединения применяются, когда сжатые и растянутые стержни из досок или брусьев должны присоединяться к брусьям (рис. 20). При этом гвозди проходят только через один соединительный шов. Они нагружены там перпендикулярно шахте отверстия и могут изогнуться при слишком большом усилии. Так как в соединительном шве в теле гвоздя возникают также усилия среза, то эту плоскость сечения называют плоскостью среза. В случае парного присоединения дощатых стержней на плоскостях основного бруса имеют место два односрезных нагельных соединения друг напротив друга.

Рис. 20. Односрезное нагельное соединение

При двухсрезных нагельных соединениях гвозди проходят через три соединяемых деревянных элемента (рис. 21). Гвозди имею по две плоскости среза, так как они в обоих соединительных швах нагружены одинаково направленной силой. Поэтому несущая способность двухсрезно-нагруженного гвоздя в два раза больше, чем у односрезного. Для того чтобы двухсрезные нагельные соединения не могли разойтись, половину гвоздей забивают с одной стороны, а другую половину — с другой. Двухсрезные нагельные соединения в основном применяют, если свободно опертые фермы целиком или преимущественно состоят из досок или брусьев.

Рис. 21. Двухсрезное нагельное соединение

Минимальные толщины деревянных элементов и минимальная глубина забивки гвоздей

Так как тонкие деревянные элементы при забивании гвоздей легко раскалываются, то доски для несущих стержней, поясов и планок должны быть толщиной не менее 24 мм. При применении гвоздей начиная с размера 42/110 следует использовать еще большие минимальные толщины а (рис. 22). Они зависят от диаметра гвоздя. При нагельных соединениях с предварительно просверленными отверстиями минимальные толщины древесины метут быть меньше, чем при простом забивании гвоздей, так как опасность растрескивания при этом меньше.

Рис. 22. Минимальная толщина и глубина забивки

Удаление острия гвоздя от наиболее близко лежащей плоскости среза называют глубиной забивки s (см. рис. 22). Она зависит от диаметра гвоздя dn и имеет различную величину при односрезных и двухсрезных гвоздевых соединениях. Односрезно-нагруженные гвозди должны иметь глубину забивки не менее 12d_n. Однако для определенных специальных гвоздей из-за большей удерживающей силы вследствие особой профилировки достаточной является глубина забивки 8d_n. При двухсрезных соединениях также достаточной является глубина забивки 8d_n. При меньшей глубине забивки несущая способность гвоздей уменьшается. Если гвозди имеют глубину забивки менее половины требуемой, то их нельзя принимать в расчет на передачу усилий.

Минимальные расстояния между гвоздями

Крепления опалубок, реек и кобылок, а также стропил, обрешетки и т.п. допустимы с применением менее четырех гвоздей. Однако в общем случае для каждого шва или многосрезного гвоздевого соединения, предназначенного для передачи усилий, требуется не менее четырех гвоздей.

Равномерное расположение этих гвоздей на плоскости соединения производится с помощью гвоздевых рисок (рис. 23). Для того, чтобы два расположенных друг за другом гвоздя не сидели на одном и том же волокне, их смещают относительно точки пересечения взаимно перпендикулярных гвоздевых рисок на толщину гвоздя в обоих направлениях. Кроме того, необходимо соблюдать минимальные расстояния. Они зависят от того, проходит ли направление силы параллельно или поперек волокон. Далее необходимо следить за тем, будут ли концы стержней или края древесины нагружены действующей в соединении силой или не будут. Так как при нагруженных концах стержней или краях возникает опасность растрескивания, то необходимо выдерживать большие расстояния от краев до гвоздей.

Рис. 23. Минимальные расстояния между гвоздями при односрезном соединении

При односрезном гвоздевом соединении вертикального или диагонального растянутого стержня гвоздями диаметром d_n ≤ 4,2 мм действительны минимальные расстояния, приведенные на рис. 23. При применении гвоздей диаметром d_n > 4,2 мм эти расстояния следует несколько увеличить. Если отверстия для гвоздей высверливаются предварительно, то в большинстве случаев требуются меньшие расстояния.

При двухсрезных гвоздевых соединениях гвозди располагаются уступами. Между рисками односрезного гвоздевого соединения проводятся дополнительные риски с минимальным расстоянием 10d_n (рис. 24).

Рис. 24. Минимальные расстояния между гвоздями при двухсрезном соединении

Устройство гвоздевых соединений

При устройстве гвоздевых соединений гвозди должны забиваться в древесину вертикально. При этом шляпка гвоздя должна только слегка вдавливаться в дерево, чтобы волокна древесины в месте стыка не повредились. По этой же причине выступающие концы гвоздей могут загибаться только особым образом. Это должно происходить только перпендикулярно волокнам. Для нанесения расположения гвоздей применяют, как правило, соответствующим образом просверленные шаблоны из тонкой фанеры или жести. В случае фанерных шаблонов дырки делаются такого диаметра, чтобы через них могли проходить шляпки гвоздей. В случае шаблонов из жести места расположения гвоздей размечаются кисточкой и краской.

Гвоздевые соединения со стальными накладками

Гвоздевые соединения со стальными накладками можно подразделить на три вида, а именно соединения с врезанными или снаружи лежащими накладками толщиной не менее 2 мм и соединения с врезанными накладками толщиной менее 2 мм.

Снаружи лежащие накладки , как правило, имеют заранее просверленные отверстия (рис. 25). Они накладываются поверх соединения брусьев или досок в торец и прибиваются соответствующим количеством проволочных или специальных гвоздей. При врезанных накладках толщиной не менее 2 мм отверстия для гвоздей должны просверливаться одновременно в деревянных элементах и в накладках. При этом диаметр отверстий должен соответствовать диаметру гвоздя. Врезанные накладки толщиной менее 2 мм, которых в месте стыка может быть несколько, могут пробиваться гвоздями без предварительного просверливания (рис. 26). Такие соединения могут устраиваться только с помощью специально разработанных шлицевых инструментов и выполняться только на основе специального допуска властей.

Рис. 25. Соединение с помощью дырчатой стальной пластины-накладки

Рис. 26. Гвоздевое соединение с врезанными стальными накладками (Грейм)

Соединения с помощью гвоздевых фасонок

Гвоздевые фасонки применяются для рационального изготовления деревянных фахверковых ферм из однорядных сечений древесины (рис. 27). Для этого обрезаются по длине деревянные стержни одинаковой толщины, пропитываются и подгоняются точно друг к другу.

Рис. 27. Соединение с помощью гвоздевой фасонки

Влажность древесины при этом не должна превосходить 20%, а разница по толщине не должна быть больше 1 мм. Кроме того, стержни не должны иметь никаких срезов и кантов.

Гвоздевые фасонки необходимо расположить с обоих сторон симметрично и с помощью подходящего пресса так вдавить в древесину, чтобы гвозди сидели в древесине на всю длину. Забивка гвоздевых фасонок с помощью молотка или тому подобного недопустима.

Скрепление с помощью гвоздевых фасонок создает в узловых точках прочное на сжатие, растяжение и сдвиг соединение или стыки без ослабления несущего сечения древесины. Для передачи усилий главное значение имеет рабочая площадь соединения гвоздевой фасонки (рис. 28). Она соответствует площади соприкосновения гвоздевой фасонки с деревом, за исключением краевой полоски с шириной минимум 10 мм.

Рис. 28. Рабочая площадь соединения у гвоздевой фасонки

Фермы с соединением стержней фасонками индустриально изготавливаются только лицензированными предприятиями, поставляются в готовом виде на стройплощадку и там монтируются.