В мире строительства деревянные конструкции занимают особое место из-за своей функциональности. Резьбовые шпильки, благодаря своей способности создавать сильное стягивающее усилие, широко используются для соединения различных деревянных элементов. Они обеспечивают надежное и, при необходимости, разъемное соединение, что делает их незаменимыми во многих строительных проектах. Как определить оптимальный диаметр резьбовой шпильки, исходя из ожидаемых нагрузок и свойств используемых материалов, обеспечивая тем самым долговечность и безопасность деревянной конструкции расскажет продавец-консультант отдела Скобяные изделия «Лемана ПРО» в городе Барнаул Лилия Куртакова.
Факторы, влияющие на выбор диаметра шпильки
Выбор диаметра резьбовой шпильки – это инженерное решение, основанное на учете ряда факторов. Игнорирование хотя бы одного из них может привести к ошибкам в проектировании и, как следствие, к ненадежности соединения. Первым и самым важным шагом является точное определение нагрузок, которые будут действовать на соединение. Различают несколько типов нагрузок, на основе каждого из которых следует по-разному выбирать диаметр шпильки.
Растяжение – это нагрузка, направленная вдоль оси шпильки и стремящаяся разорвать соединяемые элементы. Этот тип нагрузки наиболее критичен для шпильки, так как она работает на прямой разрыв. Сдвиг – нагрузка, действующая параллельно плоскости соединения и стремящаяся сместить соединяемые элементы относительно друг друга. В этом случае шпилька работает на срез. Изгиб – вид деформации, который возникает под под воздействием внешних нагрузок. Это приводит к комбинированному воздействию растяжения и сжатия на шпильку.
При этом нагрузки бывают статические и динамические. Первые – это постоянные нагрузки, например, вес самой конструкции и элементов, которые она поддерживает. Вторые – это переменные нагрузки, возникающие от движения людей, оборудования, ветра, снега и других временных воздействий. Есть также пиковые нагрузки: они кратковременные и могут возникать при особых условиях, например, сильный порыв ветра, удар.
Для обеспечения надежности соединения и предотвращения его разрушения при непредвиденных обстоятельствах,таких как пиковые нагрузки, необходимо предусмотреть запас прочности. Его величину определяют исходя из нормативных требований и возможных рисков. ГОСТ 22032-76 и ГОСТ 22042-76 — это нормативные документы, которые регламентируют характеристики двух типов шпилек.
Первый стандарт (ГОСТ 22032-76) описывает шпильки с ввинчиваемым концом, устанавливая требования к их конструкции, размерам и допускам. Второй стандарт (ГОСТ 22042-76) посвящён шпилькам, предназначенным для использования с деталями, имеющими гладкие отверстия. В нём также определены параметры конструкции, точные размеры и допустимые отклонения для обеспечения качественного монтажа.
Древесина – анизотропный материал, то есть ее свойства зависят от направления волокон. Это необходимо учитывать при выборе диаметра шпильки и проектировании соединения. Разные породы дерева обладают различной прочностью на сжатие, растяжение и сдвиг. Например, твердые породы обладает большей прочностью, чем мягкие.
Влажность древесины сильно влияет на ее прочностные характеристики. С увеличением влажности прочность снижается. При проектировании необходимо учитывать эксплуатационную влажность древесины.
Расчет диаметра резьбовой шпильки
Нормативные документы содержат различные формулы для расчета несущей способности соединений на резьбовых шпильках, учитывающие тип нагрузки, свойства древесины и шпильки, а также геометрию соединения.
Для соединения, работающего на растяжение, можно использовать упрощенную формулу, которая дает ориентировочную оценку:
d = (4 * N / (π * R * k)), где: d – необходимый диаметр шпильки, N – расчетная растягивающая нагрузка, R – расчетное сопротивление древесины растяжению вдоль волокон, k – коэффициент надежности по материалу, в котором учитываются возможные отклонения в свойствах древесины.
Пример расчета: необходимо соединить два бруса из сосны, у которых расчетное сопротивление растяжению вдоль волокон R=18 МПа, коэффициент надежности по материалу k=1,3 с растягивающей нагрузкой N=10 кН=10000 Н.
d=4*10000 / (π * 18 * 1,3) = 40000 / (3,1416 * 18 * 1,3) = 23,3 мм
С учетом стандартных размеров выбирается шпилька диаметром 24 мм.
Выбор подходящей шпильки
После определения диаметра, необходимо правильно выбрать саму шпильку, учитывая ее материал, класс прочности и длину. Для соединений деревянных конструкций рекомендуется использовать шпильки из высокопрочной стали, которая обладает большей несущей способностью по сравнению с обычной сталью. Это дает возможность использовать шпильки меньшего диаметра при той же нагрузке или обеспечивает больший запас прочности. Например, из 40ХН или 35ХМ.
Класс прочности шпильки обозначается двумя числами, разделенными точкой, например, 4.6. Первое число, умноженное на 100, дает номинальный предел прочности на разрыв в МПа, а второе число, умноженное на 10, дает номинальный предел текучести в процентах от предела прочности на разрыв. Необходимо выбирать класс прочности шпильки таким образом, чтобы ее несущая способность соответствовала или превышала расчетную нагрузку. Например, если на соединение действует нагрузка 300 МПа, то шпилька классом прочности 4.6 выдержит эту нагрузку, потому что у нее предел прочности: 4 * 100 = 400 – это больше 300 МПа.
Длина шпильки должна обеспечивать необходимую глубину врезания резьбы в гайку, а также позволять установить шайбы под гайку и головку шпильки (при наличии). Рекомендуется, чтобы длина резьбовой части шпильки, находящейся в контакте с гайкой, составляла не менее одного диаметра шпильки. Также необходимо учитывать толщину соединяемых элементов и шайб.
Пример: соединяются две балки толщиной по 50 мм, для этого используется шпилька диаметром 22 мм. Длина шпильки равна:
L = 50 + 50 + 4 + 22 + 22 = 148 мм, где “4” – это толщина двух шайб, каждая по 2 мм, “22” – это длина резьбы под гайку, равная диаметру шпильки. Если используется шпилька с головкой, один размер “22” не учитывается и в формулу не вставляется. При этом “148” – минимальный размер длины.
Дополнительные факторы, влияющие на выбор
Помимо основных факторов, описанных выше, существуют и другие аспекты, которые могут повлиять на выбор диаметра резьбовой шпильки. Например, если соединение выполняется с использованием нескольких шпилек, необходимо учитывать распределение нагрузки между ними. В идеале нагрузка должна распределяться равномерно между всеми шпильками. Но из-за возможных неточностей монтажа или неоднородности материала, фактическое распределение нагрузки может быть неравномерным. Увеличение количества шпилек позволяет снизить нагрузку, приходящуюся на каждую отдельную шпильку, поэтому можно уменьшить диаметр используемых шпилек.
Конструкция соединения также влияет на выбор диаметра шпильки. Например, в соединениях встык шпильки работают преимущественно на растяжение, в то время как в соединениях внахлест они могут работать как на растяжение, так и на сдвиг. Для каждого типа соединения существуют свои методики расчета, учитывающие особенности работы шпилек и древесины.
Даже правильно рассчитанный и выбранный крепеж может оказаться неэффективным при некачественном монтаже. Неправильное затягивание гаек, перекос шпильки или недостаточное заглубление резьбы могут значительно снизить несущую способность соединения.
Заключение
Правильный подбор диаметра резьбовой шпильки является тем фактором, который обеспечивает надежность соединений в деревянных конструкциях. Этот процесс требует учета множества факторов, включая ожидаемые нагрузки, свойства древесины, нормативные требования и особенности конструкции соединения. Недооценка любого из этих факторов может привести к серьезным последствиям, включая разрушение деревянной конструкции. При реализации ответственных проектов рекомендуется обращаться к квалифицированным инженерам-проектировщикам, которые смогут выполнить точные расчеты и обеспечить безопасность и надежность. Компания “ЛеманаПРО” предлагает услугу проектирования различных частей зданий, в которых используются деревянные конструкции. При этом в самом магазине можно приобрести резьбовые шпильки разного диаметра и длины, изготовленных из сталей разной марки.