Узел соединения колонн и ригелей с применением деревянных элементов на металлических накладках и клееввинченных шурупах

Название	Узел соединения колонн и ригелей с применением деревянных элементов на металлических накладках и клееввинченных шурупах
Разработчик (Авторы)	Дежин Максим Александрович, Ибрагимов Александр Майорович
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	222579
Дата регистрации	11.01.2024
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ)
Область применения (класс МПК)	E04B 1/58 (2006.01)

Описание изобретения

Полезная модель относится к строительству и может быть использована при соединении деревянных конструктивных элементов.

Из существующего уровня техники известно приспособление для соединения деревянных элементов [JP 2017203350 A, опубл. 16.11.2017], состоящее из ригеля, колонны и цельных металлических соединительных элементов Н-образной формы, которые представляют собой две пластины с просверленными отверстиями, параллельные граням ригеля и колонны, к которым крепятся соединительные элементы, и перемычку между ними. При этом соединительные элементы крепятся к ригелю и колонне с помощью болтов по дереву большого диаметра в предварительно просверленные отверстия и шурупов по дереву меньшего диаметра.

Недостатком данного технического решения является полное отсутствие огнезащиты соединительных элементов. По этой причине в случае возникновения пожара возможен излишний нагрев металлических соединительных элементов и разрушение соединения.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является приспособление для соединения деревянных колонн и ригелей с помощью закрепленных к ним металлической накладки с шипом и металлической накладки с пазом соответственно [www.sherpa-connector.com], состоящее из деревянных колонны и ригеля и двух алюминиевых накладок, соединенных по принципу «ласточкин хвост». При этом часть шурупов (без пропитки клеевым составом гнезд шурупов) для крепления металлической накладки с шипом и металлической накладки с пазом к колонне и ригелю соответственно размещена горизонтально (под углом 90° к поверхностям металлической накладки с шипом и металлической накладки с пазом, в которых выполнены отверстия), а другая часть шурупов (также без пропитки клеевым составом гнезд шурупов) размещена наклонно (под углом α=52,5° к поверхностям металлической накладки с шипом и металлической накладки с пазом, в которых выполнены отверстия).

Недостатком данного технического решения является то, что соединение является податливым, длина шурупов (без пропитки клеевым составом гнезд шурупов), ввинчиваемых в накладки с шипом и в накладки с пазом, одинакова, несмотря на разные значения усилий на выдергивание шурупов, крепящих накладки с шипом и накладки с пазом к колонне и ригелю соответственно вдоль и поперек волокон древесины, в накладках с шипом и в накладках с пазом присутствуют наклонные отверстия под шурупы, что усложняет изготовление накладок с шипом и накладок с пазом, процесс ввинчивания шурупов в колонну и ригель соответственно и сильно снижает возможность обеспечения плотного контакта головки шурупа и зенкованной поверхности отверстия под шурупы в накладке с шипом и в накладке с пазом. Также из-за незначительной степени расширения шипа и паза накладок с шипом и накладок с пазом в направлении от частей накладок со скруглением шипа ласточкина хвоста и паза ласточкина хвоста соответственно и наличия контакта шипа и паза накладок с шипом и накладок с пазом в нижних их частях не обеспечивается необходимое равномерное распределение передаваемых усилий по длине боковых граней шипа и паза, возникающих при нагружении соединения, как следствие, в нижней части шипа и паза на малой площади образуется место концентрации напряжений, в результате чего происходит смятие накладок с шипом и накладок с пазом в этом месте, увеличение нагрузки на верхние шурупы и снижение несущей способности соединения в целом.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение несущей способности и снижение деформативности соединений деревянных колонн и ригелей.

Данная задача решается за счет того, что узел, состоящий из соединенных между собой деревянных колонны и ригеля, посредством прикрепленных к ним металлических накладок с отверстиями для шурупов, размещенными под углом 90° к поверхности накладки и заполненными клеевым составом, при этом сторона каждой накладки, прикрепленная к колонне или к ригелю выполнена с насечками и на нее нанесен клеевой состав, одна из накладок выполнена с шипом, а другая с пазом, имеющими форму ласточкина хвоста, шип и соответствующий ему паз накладки состоят из верхней узкой части и нижней расширяющейся от нее части в форме клина, длина шурупов, ввинчиваемых в накладку с пазом, больше длины шурупов, ввинчиваемых в накладку с шипом, в качестве клеевого слоя используют эпоксидную смолу и отвердитель.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - схема расположения металлической накладки на колонне;

на фиг. 2 - схема расположения металлической накладки на ригеле;

на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2;

на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2;

на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 1;

на фиг. 6 - сечение Г-Г на фиг. 1.

Полезная модель представляет собой разъемное соединение деревянных колонны (1) и ригеля (2), состоящее из соединяемых элементов (колонны (1), ригеля (2) и соединительных элементов (двух стальных накладок (одной с шипом (3), другой - с пазом (4), которые закреплены к колонне и ригелю соответственно с помощью клееввинченных шурупов (шурупов с пропитанными клеевым составом гнездами шурупов), для образования жесткого и надежного соединения по принципу «ласточкин хвост» и передачи нагрузок от одного элемента к другому). Такое решение обеспечивает надежное восприятие усилий внутри соединения во всех направлениях (восприятие вертикальных и горизонтальных усилий, крутящих моментов по трем взаимно перпендикулярным направлениям и усилий при растяжении и сжатии), за исключением тех, которые направлены в сторону, противоположную нагружению соединения и приводят к разъединению накладок.

В качестве материала изготовления металлических накладок с шипом и металлических накладок с пазом используется конструкционная легированная сталь.

В накладках находятся отверстия (5) под клееввинченные шурупы (шурупы с пропитанными клеевым составом гнездами шурупов). На сторонах металлических накладок, с шипом и металлических накладок с пазом, контактирующих с колонной и ригелем соответственно, выполнены насечки (6). Насечки на тыльной стороне накладок с шипом и накладок с пазом могут быть одинарными, двойными перекрестными, рашпильными или дуговыми.

Накладка с шипом (3) выполнена с шипом (7), а накладка с пазом (4) - с пазом (8), имеющими форму ласточкина хвоста, шип и соответствующий ему паз накладки состоят из верхней узкой части и нижней расширяющейся от нее части в форме клина. Такая форма шипа (7) и паза (8) обеспечивает эффект самоцентрирования для возможности соединения накладок без значительных усилий и ударов и надежного соединения накладок без их нежелательного заклинивания, даже в случае несоосности накладок и изначально неправильного их положения относительно друг друга.

Форма паза (8) накладки с пазом (4) и шипа (7) накладки с шипом (3) обеспечивает удобство вставки накладки с шипом (3) в накладку с пазом (4). Паз (8) и шип (7) каждый состоят из двух частей (расширенных и узких). Расширенная часть паза (10) накладки с пазом (4) выступает в роли направляющей при сопряжении накладки с пазом (4) с накладкой с шипом (3) и значительно упрощает процесс вставки накладки с пазом (4) в накладку с шипом (3). После надвижки узкой части паза (9) накладки с пазом (4) на узкую часть шипа (11) накладки с шипом (3) происходит окончательное выравнивание в вертикальной плоскости сопрягаемых плоскостей накладки с пазом (4) и накладки с шипом (3) за счет надвижки расширенной части паза (10) накладки с пазом (4) на расширенную часть шипа (12) накладки с шипом (3) до завершения процесса соединения накладки с пазом (4) и накладки с шипом (3).

Между шипом (7) накладки с шипом (3) и пазом (8) накладки с пазом (4) в вертикальном направлении в частях накладок со скруглением шипа ласточкина хвоста и паза ласточкина хвоста соответственно выполнен зазор 3 мм для обеспечения распределения внутренних напряжений, возникающих при нагружении соединения, по длине боковых граней шипа (7) и паза (8).

Крепление металлических накладок с шипом и металлических накладок с пазом к колонне и к ригелю соответственно осуществлено клееввинченными шурупами (шурупами с пропитанными клеевым составом гнездами шурупов), которые проходят сквозь отверстия (5) в металлических накладках с шипом и металлических накладках с пазом и прижимают тыльные стороны накладок с шипом и накладок с пазом к колонне и к ригелю соответственно. Клееввинченные шурупы располагаются под углом 90° к торцу колонны и ригеля, к которому закреплена металлическая накладка с шипом и металлическая накладка с пазом соответственно.

Для диффузионной пропитки массива древесины вокруг предварительно просверленного отверстия в колонне и ригеле при атмосферном давлении без использования специального оборудования для повышения давления осуществлено предварительное импрегнирование клеем стенок отверстия посредством поэтапного заполнения отверстия низковязким клеевым составом с помощью шприца и иглы.

Накладка с пазом (4) закреплена на ригель, в который клееввинченные шурупы (шурупы с пропитанными клеевым составом гнездами шурупов) завинчены вдоль волокон древесины, накладка с шипом (3) - на колонну, в которую клееввинченные шурупы завинчены поперек волокон древесины. Общая длина клееввинченных шурупов, крепящих накладку с пазом (4), больше длины клееввинченных шурупов, ввинчиваемых в накладку с шипом (3).

На задние поверхности металлических накладок с шипом и металлических накладок с пазом нанесен клеевой состав. В качестве клеевого слоя между клееввинченными шурупами (шурупами с пропитанными клеевым составом гнездами шурупов) и массивом древесины колонны и между клееввинченными шурупами и массивом древесины ригеля, а также между металлической накладкой с шипом и колонной и между металлической накладкой с пазом и ригелем может использоваться эпоксидная смола ЭД-20 и отвердитель ТЭТА, эпоксидная смола ЭД-20 и отвердитель ПЭПА, эпоксидная смола DER-331 и отвердитель ТЭТА, эпоксидная смола DER-331 и отвердитель ПЭПА.

Соединение выполнено путем фрезерования паза в ригеле. В таком случае ширина незащищенного от огня соединения со всех сторон, кроме нижней, составляет 5 мм, экспериментально подтверждено, что такая величина зазора не требует дополнительных мер огнезащиты накладок с шипом и накладок с пазом. С нижней стороны это значение достигает 15 мм. Нижние зазоры могут быть заполнены деревянными вставками, которые в случае пожара будут препятствовать распространению огня на металлические накладки с шипом и металлические накладки с пазом и их нагреванию, или негорючими материалами.

Расположение металлических накладок с шипом и металлических накладок с пазом на колонне и ригеле соответственно, расположение отверстий в колонне и ригеле и металлических накладках с шипом и металлических накладках с пазом, а также минимально допустимые расстояния от краев колонны и ригеля до торцов металлических накладок с шипом и металлических накладок с пазом соответственно назначены с учетом требований по расстановке отверстий, установленных СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» и СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».

Данная полезная модель позволяет добиться повышения несущей способности и снижения деформативости соединений за счет

равномерного по высоте и глубине отверстия импрегнирования массива древесины колонны и ригеля клеевыми составами в районе резьбы клееввинченных шурупов (шурупов с пропитанными клеевым составом гнездами шурупов) и за ее пределами вследствие увеличения рабочей зоны клееввинченных шурупов, повышения степени сцепления клееввинченных шурупов со стенками отверстий, нивелирования возможных нарушений структуры массива древесины колонны и ригеля в пределах резьбового соединения, образования после полимеризации клея модифицированного слоя массива древесины колонны и ригеля с повышенными физико-механическими характеристиками гнезд массива древесины колонны и ригеля вокруг клееввинченных шурупов - наиболее напряженной зоне соединения, увеличения глубины пропитки массива древесины колонны и ригеля вокруг клееввинченных шурупов вследствие создания в момент ввинчивания клееввинченных шурупов давления от клееввинченных шурупов на находящийся в отверстиях клей и вдавливания его в стенки отверстий,

внедрения в конструкцию соединения клеевого слоя между клееввинченным шурупом и массивом древесины колонны и между клееввинченным шурупом и массивом древесины ригеля, а также между металлической накладкой с шипом и колонной и между металлической накладкой с пазом и ригелем,

выполнения насечек на сторонах металлических накладок с шипом и металлических накладок с пазом, контактирующих с колонной и ригелем соответственно и как следствие увеличения коэффициента трения поверхностей,

того, что длина клееввинченных шурупов, ввинчиваемых в накладку с пазом, больше длины клееввинченных шурупов, ввинчиваемых в накладку с шипом,

того, что шип и паз металлической накладки с шипом и металлической накладки с пазом имеют расширение в форме клина,

того, что шип и паз в нижней их части выполнены с образованием зазора при их соединении.

Данная полезная модель может быть применена при строительстве зданий и сооружений различного назначения с использованием деревянных элементов, в том числе большепролетных и многоэтажных, при реконструкции и реставрации зданий и сооружений, в том числе объектов культурного наследия.

Формула полезной модели

1. Узел соединения, состоящий из соединенных между собой деревянных колонны и ригеля, посредством прикрепленных к ним металлических накладок с отверстиями для шурупов, размещенными под углом 90° к поверхности накладки и заполненными клеевым составом, при этом сторона каждой накладки, прикрепленная к колонне или к ригелю, выполнена с насечками и на нее нанесен клеевой состав, одна из накладок выполнена с шипом, а другая - с пазом, имеющими форму ласточкина хвоста, шип и соответствующий ему паз накладки состоят из верхней узкой части и нижней расширяющейся от нее части в форме клина, длина шурупов, ввинчиваемых в накладку с пазом, больше длины шурупов, ввинчиваемых в накладку с шипом, в качестве клеевого слоя используют эпоксидную смолу и отвердитель.

2. Узел соединения по п. 1, отличающийся тем, что насечки на выполнены одинарными, двойными перекрестными, рашпильными или дуговыми.

3. Узел соединения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве клеевого слоя между шурупом и древесиной, а также между металлической накладкой и древесиной использована эпоксидная смола ЭД-20 и отвердитель ТЭТА.

4. Узел соединения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве клеевого слоя между шурупом и древесиной, а также между металлической накладкой и древесиной использована эпоксидная смола ЭД-20 и отвердитель ПЭПА.

5. Узел соединения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве клеевого слоя между шурупом и древесиной, а также между металлической накладкой и древесиной использована эпоксидная смола DER-331 и отвердитель ТЭТА.

6. Узел соединения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве клеевого слоя между шурупом и древесиной, а также между металлической накладкой и древесиной использована эпоксидная смола DER-331 и отвердитель ПЭПА.

7. Узел соединения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала изготовления металлических накладок использована конструкционная легированная сталь.

8. Узел соединения по п. 1, отличающийся тем, что в ригеле выполнен паз для установки в него накладки с пазом с образованием нижнего зазора.

9. Узел соединения по п. 8, отличающийся тем, что нижний зазор паза заполнен деревянной вставкой.

10. Узел соединения по п. 8, отличающийся тем, что нижний зазор заполнен негорючими материалами.

Изобретение "Узел соединения колонн и ригелей с применением деревянных элементов на металлических накладках и клееввинченных шурупах" (Дежин Максим Александрович, Ибрагимов Александр Майорович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога