РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИСПЫТАНИЮ СОЕДИНЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

РЕКОМЕНДОВАНО к изданию решением секции деревянных конструкций научно-технического совета ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко.

Изложены основные правила проведения испытания соединений деревянных конструкций: требования к испытанию соединений I и II группы, рекомендуемая форма образцов соединений различных видов и схемы приложения к ним усилия, изготовление образцов и подготовка их к испытанию с измерением деформаций, назначение ступени нагрузки на основании результатов пробных испытаний, передача усилия на образцы и их центрирование, проведение испытаний, временной режим нагружения, отсчеты деформаций и времени, обработка результатов испытаний и оценка несущей способности испытанного соединения. Даны пояснения особенностей испытания соединений деревянных конструкций и формы журналов испытания соединений I и II группы.

Для инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций и работников предприятий по производству деревянных конструкций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Соединения элементов представляют собой важнейшую часть несущих деревянных конструкций, от прочности которой непосредственно зависит надежная служба конструкций. Этим обусловливается существенное значение испытания с целью определения несущей способности соединений, особенно новых видов, и назначение расчетных усилий, необходимых при проектировании конструкций. Поставленную задачу должны разрешить настоящие Рекомендации, основанные на обширных исследованиях соединений различных видов и апробированные практикой нормирования расчета и строительства деревянных конструкций. Издание Рекомендаций будет способствовать повышению качества и надежности деревянных конструкций, производство которых в настоящее время расширяется, превращаясь в отдельную отрасль промышленности.

Рекомендации разработал и составил д-р техн. наук, проф. Ю.М.Иванов.     

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

     
Задачи испытания

1.1. Испытание образцов соединений деревянных конструкций необходимо для выяснения основных характеристик его работы под нагрузкой путем:

определения максимальной несущей способности соединения (разрушающего усилия) и характера деформации разрушения;

оценки длительной несущей способности испытанного соединения по найденной из испытания величине и временной характеристике ;

установления верхней границы области упругой работы соединения под нагрузкой по диаграммам измеренных при испытании деформаций;

определения величин деформаций соединения (взаимных смещений соединяемых элементов) при различной величине действующего усилия.

1.2. Испытание соединений может преследовать разные цели (экспериментальная проверка соединения нового вида, установление расчетной несущей способности, выяснение влияния на нее различных эксплуатационных условий и т.п.), в зависимости от которых та или другая из указанных в п.1.1 характеристик работы соединения под нагрузкой привлекает большее внимание. Но правильная оценка испытанного соединения должна основываться на всей совокупности его характеристик.

Группы соединений деревянных конструкций

1.3. Соединения деревянных конструкций подразделяются на две группы по виду зависимости упругой деформации от прилагаемого усилия (в диапазоне расчетной несущей способности) и характеру работы под нагрузкой: в I группу входят соединения с линейной зависимостью упругой деформации от усилия, а во II группу - с нелинейной.

1.4. К I группе относятся соединения на врубках, на различных шпонках (в том числе гладких кольцевых), тарельчатых вкладышах и т.п. во фрезерованных гнездах; на деревянных (дубовых и т.п.) цилиндрических и пластинчатых* нагелях в сверленых и фрезерованных гнездах, а также клеевые соединения различных видов (зубчатые, усовые, пластевые, кромочные и др.).

_______________

* Применяются в качестве связей в балках составного поперечного сечения.

Ко II группе относятся соединения на нагелях металлических и пластмассовых, гвоздях металлических и пластмассовых; зубчатых, когтевых вдавливаемых в древесину креплениях (шайбах, пластинках, кольцах и др.).     

Основные требования к проведению испытаний

1.5. Испытания соединений проводятся возрастающей нагрузкой с доведением образцов до разрушения. Каждое соединение нового типа должно быть испытано с периодической разгрузкой в целях отнесения его к I или II группе на основе измерения деформаций упругой и остаточной за цикл. После установления принадлежности соединения к I группе оно может испытываться при упрощенном режиме непрерывного нагружения с постоянной скоростью без разгрузки.

Соединения II группы испытываются с периодической разгрузкой через равные ступени возрастания усилия и измерением остаточной деформации.

1.6. При проведении испытаний в журнале обязательно фиксируется величина усилия и деформации соединения в определенные моменты времени, отсчитываемые по секундомеру (или автоматически) и заносимые в журнал испытания.

1.7. Поскольку надежная работа соединений при назначении их расчетной несущей способности должна быть гарантирована на весь срок службы конструкции, испытываться должны соединения в состоянии, достигаемом в результате длительного воздействия на них эксплуатационных условий. В соответствии с этим требованием силы трения на боковых гранях соединяемых элементов должны быть устранены перед испытанием. С этой целью по плоскостям соприкасания элементов оставляются зазоры, соответствующие по величине сокращению их поперечных размеров в результате усушки древесины в условиях эксплуатации. В клеевых соединениях, эксплуатируемых в условиях переменного температурно-влажностного режима, повышенного высыхания и т.п., могут возникнуть внутренние напряжения в клеевой прослойке, снижающие несущую способность клеевого соединения. Для воспроизведения указанных влияний образцы клеевых соединений рекомендуется перед механическими испытаниями подвергать ускоренным температурно-влажностным воздействиям того или иного характера. Подобное требование относится также к соединениям, подвергающимся в натурных условиях воздействиям агрессивной среды. Соединения элементов конструкций, предназначенных к службе в условиях динамических и вибрационных нагрузок, дополнительно к описываемым в настоящих Рекомендациях испытаниям статической нагрузкой, подлежат динамическим и вибрационным испытаниям.

2. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ СОЕДИНЕНИЙ

     
Форма образцов и схемы приложения усилия

2.1. Соединениям, испытываемым на образцах при разных схемах приложения усилия, рекомендуется придавать те же размеры, какие они имеют в натурной конструкции. По своим габаритам и величине разрушающего усилия образцы соединений должны соответствовать назначенной для их испытания машине или установке (см. ниже п.4.1.).

2.2. Образцы соединений обычно испытываются при сжатии по схеме, представленной на рис.1, а, с расположением не менее двух нагелей по осям I-I и II-II с взаимным расстоянием , необходимым для восприятия момента в плоскости соприкасания соединяемых элементов. Для испытания соединений на растяжение образцы изготовляют по схеме рис.1,б.

Рис.1. Схемы испытательных образцов соединений

а - на сжатие нагельного соединения; б - на растяжение нагельного соединения; в, г - на сжатие под углом к волокнам гвоздевого соединения; д - на растяжение стыка на зубчатых пластинках; с - скосы у концов крайних элементов; 1 - коротыши; 2 - поперечные соединительные планки

    2.3. Для определения несущей способности соединений при направлении усилия под углом к волокнам древесины используются образцы по схемам рис.1, в и г. Нагрузка от верхней головы машины передается на деревянный элемент образца вдоль волокон. На верхнюю грань крайних элементов образца (см. рис.1, в) наклеивают коротыши, на поперечные соединительные планки которых устанавливают индикаторы (см. ниже п.3.2) для измерения смещения продольного элемента относительно поперечных элементов образца.

2.4. Между элементами (см. рис.1, а) оставляют свободный зазор (см. п.1.7). У концов крайних элементов делают скосы на случай перекоса среднего элемента при приближении нагрузки к разрушающей. Для избежания перекоса крайние элементы жестко соединяются планками (на парных шурупах или лучше на клею); чтобы устранить соприкасание со средним элементом, планки утоньшают с внутренней стороны, как показано на рис.1, а.

2.5. Образцы клеевого зубчатого соединения испытывают на растяжение, растягивая отдельный слой, стыкованный на этом соединении.

2.6. Образцы соединений с вдавливаемыми в древесину креплениями при двусторонних зубьях изготовляют и испытывают по схемам рис.1, а-г, а с односторонними зубьями испытывают на растяжение по схеме рис.1, д. Между когтевой пластинкой и поверхностью соединяемых элементов для устранения сил трения оставляют зазор, для чего перед запрессовкой закладывают под когтевые пластинки металлические вкладыши требуемой толщины (см. п.1.7).

Изготовление образцов

2.7. Для изготовления деревянных элементов образцов соединений отбирается древесина хвойных пород с шириной годичных слоев 1-5 мм при содержании их поздней зоны не менее 20%, прямослойная, без деструктивной гнили и других пороков, как сучки, прорость, серные кармашки, сердцевина и другие неоднородности строения древесины. Доски для изготовления элементов образцов должны иметь правильную форму, рекомендуется тангенциальная распиловка. Расположение годичных слоев на торцах элементов должно быть зарисовано. Влажность древесины для соединяемых элементов неклееных конструкций рекомендуется 12-18%, для клеевых соединений - 9-12%.

2.8. Для изготовления образцов соединений составляются рабочие чертежи с указанием размеров с допусками и маркировкой элементов из отобранных досок.

2.9. Для достижения меньшего разброса результатов испытаний рекомендуется изготовлять образцы с одинаковым составом деревянных элементов, например для серии из десяти образцов по схеме рис.1, а элементы должны быть изготовлены не более чем из трех досок А, Б и В с тем, чтобы в каждом отдельном образце элементы изготовлялись из этих досок, с разметкой одинаковых элементов по длине каждой из указанных досок.

2.10. Элементы образцов соединений должны быть изготовлены в соответствии с рабочими чертежами при отклонении размеров не более ±0,5 мм и обеспечении строгой параллельности боковых граней и перпендикулярности торцевых плоскостей.

Паспортизация материала образцов

2.11. При изготовлении элементов образцов соединений из досок отбираются заготовки для стандартных образцов древесины (на сжатие вдоль волокон и изгиб), измеряется ширина годичных слоев и процент поздней древесины, влажность определяется влагомером. Паспортизации подлежит также древесина рабочих частей соединения (например, деревянных нагелей). Для паспортизации материала (стали, пластмасс) рабочих частей соединений производятся его испытания для определения механических показателей.

2.12. В тех случаях, когда требуется выяснить несущую способность соединения, определяемую прочностью и деформативностью только древесины, стальные части креплений должны быть усилены, поскольку коэффициент надежности деревянных элементов соединения всегда выше, чем его стальных рабочих частей.

3. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ К ИЗМЕРЕНИЮ ДЕФОРМАЦИЙ И ИСПЫТАНИЮ

     
Измерительные приборы и их установка

3.1. Перед испытанием к образцам должны быть прикреплены приборы для измерения деформаций. С этой целью используются индикаторы часового типа с ценой деления обычно 0,001 мм и необходимой величиной хода, устанавливаемые с противоположных сторон образца.

3.2. Прикрепление индикаторов производится, например, к поперечным планкам при помощи обоймы с упорными винтами, зажимающими корпус прибора, и парных шурупов, туго завинчиваемых в древесину. Упоры для штифтов индикаторов привертываются к древесине также парными шурупами.

3.3. Основное требование к установке индикатора и упора для его штифта заключается в том, чтобы при взаимном смещении элементов соединения под нагрузкой штифт выдвигался из корпуса индикатора. При обязательном выполнении этого условия исключается повреждение индикаторов и появляется возможность оставлять их на образце до момента разрушения последнего. При этом отсчеты по индикатору идут по мере нагружения в сторону уменьшения, что должно учитываться при вычислении деформаций соединения (см. п.5.1).

При необходимости определения распределения напряжений в элементах соединения применяются тензорезисторы, по показаниям которых и известным модулям упругости древесины в местах их установки определяются напряжения при работе материала в упругой области. Применяются также лаковые, оптически активные покрытия и т.п.

Передача усилия на образец

3.4. При испытании образцов соединений по сжатой схеме сжимающее усилие от машины к образцу рекомендуется передавать через стальные призмы (рис.1, а), фиксирующие точки приложения сил и, следовательно, плечи моментов в плоскости, перпендикулярной плоскостям соприкасания элементов соединения. По ребрам призм производится центрирование образца в указанной плоскости, в перпендикулярном направлении центрирование осуществляется сферическими опорами голов машины.

3.5. При испытании образца соединения по растянутой схеме достаточно прочное закрепление концов деревянных элементов может быть достигнуто с помощью клиновидных захватов испытательной машины, имеющих глубокую косую насечку и ограничители сближения клиньев для устранения раздавливания древесины поперек волокон. Ограничители должны прикрепляться к кромкам элемента на его концах и иметь такую толщину , чтобы деревянный элемент обжимался поперек волокон не более чем на 8-10% своей толщины , т.е. (рис.2). Длина рабочей части образца принимается равной десятикратной ширине поперечного сечения.

Рис.2. Закрепление элемента в захватах машины

- толщина элемента; - ограничитель

3.6. При испытании клеевых соединений растянутого элемента (а также цельных деревянных элементов с пороками) требуется значительно более прочное закрепление его концов, например в специальных зажимах согласно рис.3, а и б. Конец образца зажимается в стальную обойму, состоящую из двух половин (одна зеркальное изображение другой), стягиваемых вплотную друг к другу точеными болтами с контргайками. При этом конец деревянного элемента обжимается на величину 10% его толщины, с одновременной запрессовкой в древесину его боковых поверхностей двух колец, полуромбического профиля и косой насечки. Последняя сделана на внутренней стороне листа обоймы между продольными краевыми планками на длину зажимаемого конца элемента и имеет шаг 10 мм, глубину 1 мм. Диаметр первого кольца и глубина его вдавливания в древесину меньше, чем второго, что обеспечивает значительное развитие площади скалывания. В отверстие в обеих половинах обоймы вставляются парные стальные треугольные призмы (см. рис.3, а и в), служащие для центрирования прилагаемого усилия в плоскости широкой стороны испытываемого элемента и передачи усилия через "язык" (см. рис.3, б), закрепляемый в захватах испытательной машины. Одна из призм (со стороной, равной 30 мм) имеет закругление ребра радиусом 0,5 мм, а другая - углубление радиусом 0,8 мм (см. рис.3, в).

Рис.3. Детали зажимов для закрепления концов деревянного элемента при испытании соединений по растянутой схеме (размеры в мм)

а - вид половины зажима; б - "язык", передающий усилие от головы машины к зажиму через парные треугольные призмы в окне А; в - детали парной призмы

Назначение ступени нагружения

3.7. Величина ступени возрастания усилия (рис.4, а) при нагружении образца (см. п.4.3) назначается в 0,08-0,1 разрушающего усилия . Величина последнего определяется из испытания до разрушения пробных образцов соединения.

Рис.4. Схемы диаграмм

а - изменения усилия во времени при испытании соединения с периодической разгрузкой; б - разностей полных деформаций в зависимости от усилия (соединение I группы); в - остаточной деформации за цикл в функции упругой деформации (соединения II группы)

3.8. Чтобы удобно было осуществлять в процессе испытания контроль за постоянством скорости нагружения по секундомеру (в отсутствие автоматики), ступени нагрузки должны совпадать с делениями циферблата силоизмерителя испытательной машины или циферблат должен быть предварительно размечен карандашом.