Крепежный узел для соединения элементов деревянных строительных конструкций Российский патент 2024 года по МПК E04B1/10 

Изобретение относится к области деревянного домостроительства и может быть использовано для сборки конструкций из дерева (бруса, бревна) и других деревянных строительных материалов, обладающих возможностью незначительной деформации, линейных и пространственных смещений и изменения объема/плотности в зависимости от времени и условий окружающей среды. В частности, заявленное решение используется для сборки деревянных домов, зданий и сооружений из бруса и оцилиндрованного бревна, а так для сборки каркасных домов.

Из уровня техники известен крепежный узел для соединения элементов деревянных строительных конструкций, содержащий цилиндрический стержень с головкой, ограненной под ключ и с круглым основанием, состоящий из верхней и нижней частей, с выполнением на нижней части конусного наконечника и резьбы, последовательно нанизанные на цилиндрический стержень коническую пружину с левой навивкой, упирающуюся меньшим витком в круглое основание головки стержня, и нижний упорный элемент в виде шайбы с центральным отверстием, на который опирается больший виток конической пружины, при этом шайба с центральным отверстием имеет форму перевернутой вверх дном тарелки (RU 205948, F16B31/04, E04B2/70, опубл. 12.087.2021 г.).

В известном решении на цилиндрический стержень между ограненной под ключ головкой стержня и меньшим витком конической пружины может быть дополнительно установлена плоская шайба с центральным отверстием.

Это решение принято в качестве прототипа.

Данный узел обеспечивает значительное уменьшение образования трещин между скрепляемыми деревянными элементами конструкции, возникающих вследствие усадки и линейных деформаций, Однако, данной конструкции присущ недостаток, выраженный в том, что применение плоской упорной шайбы под головкой тарельчатой шайбы под большим витком пружины зачастую приводит к потере устойчивости узла, возможности перекосов пружины относительно общей оси и увеличению затрат за счет смены его позиции. Конструкция специальной шайбы в виде перевернутой вверх дном тарелки повышает качество сборки за счет позиционирования узла по оси до момента вкручивания болта в древесину. Но для того, чтобы эту шайбу надеть на стержень необходимо, чтобы отверстие в шайбе было больше диаметра стержня. При вкручивании стержня эта тарельчатая шайба первой опирается на древесину и занимает то положение, которое для нее ставится устойчивым по отношению к древесине, а не к продольной оси стержня. В результате стержень может быть вкручен с перекосом, а пружина будет позиционирована не по отношению к стержню, а к площадке на древесине. Это приводит к перекосу сжатой пружины относительно стержня. А при перекосе пружины образуется изгибный момент, действующий на стержень через его головку. При высыхании дерева и снижении степени обжатия стержня этот момент будет выворачивать стержень, так как на его резьбовых витках при разложении сил в системе координат одна из них будет направлена вдоль стержня в сторону головки, а другая в сторону стенки отверстия в дереве. Это приводит к ослаблению затяжки.

При больших длинах стержня, например, до 60 см, изгибный момент формирует продольный изгиб самого стержня, в результате чего стержень в отверстии изгибается. В известном решении для стержня применена стандартная по нормативам метрическая крупная резьба с углом наклона сторон витков 45° с широким шагом с классом прочности от 5,8 до 10,9 и с углом заточки торца 20-30°. У саморезов для применения в дереве высота такой заостренной резьбы выполняется большей, чем для металла или бетона с целью прорезания структуры дерева и надежности закрепления стержня. Прорезание дерева сопровождается его разрушением и при высыхании дерева связь стержня с деревом в прорезанных канавках ослабевает.

При этом за счет применения двух типов разных по конструкции шайб конструкция самого крепежного узла усложняется.

Важным при использовании такого типа крепежного узла является решение задачи по обеспечению строго совпадения продольной оси сжатой конической пружины в момент ее опирания на дерево с продольной осью стержня для исключения появления изгибного момента. И желательно при этом сократить номенклатуру составных частей этого узла для удобства быстрой сборки и применения.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении крепежной способности при усадке/усушке скрепляемых деревянных элементов за счет исключения разрыва пор дерева при ввинчивании и исключения самовывинчивания под действием упругой составляющей пружины.

Указанный технический результат достигается тем, что в крепежном узле для соединения элементов деревянных строительных конструкций, содержащем цилиндрический стержень с головкой, ограненной под ключ, который по длине состоит из расположенной на стороне головки верхней части и на стороне свободного конца конусного наконечника с винтовой нарезкой нижней части, и нанизанную на цилиндрический стержень коническую пружину, упирающуюся крайним витком в основание головки стержня, нижняя грань винтовой нарезки выполнена под углом 60° заточки, на стороне стержня основание головки выполнено плоским, два верхних витка конической пружины сжаты между собой с целью упругого обхвата стержня при упоре в плоское основание головки, крайний нижний виток конической пружины выполнен диаметром меньшим диаметра следующего за ним витка и размещен в его пространстве, крайние верхний и нижний витки конической пружины выровнены для получения плоских поверхностей перпендикулярных продольным осям конической пружины и стержня, при этом на стержне на участке его длины внутри конической пружины выполнены продольные заостренные выступы, винтообразно изогнутые на длине этого участка и противоположное этой нарезке направление изогнутости.

Технический результат также достигается тем, что два верхних витка конической пружины могут быть выполнены одинакового диаметра. Заостренные выступы могут иметь диаметр, превышающий диаметр винтовой нарезки, и выступы могут быть выполнены в количестве 6-12 шт.

Указанные признаки взаимосвязаны между собой и являются существенными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 – вид в сборе на крепежный узел, первый пример исполнения;

фиг. 2 – положение элементов крепежного узла по фиг. 1 при вворачивании в деревянный элемент;

фиг. 3 – второй пример исполнения крепежного узла;

фиг. 4 – третий пример исполнения крепежного узла;

фиг. 5 – четвертый пример исполнения крепежного узла.

Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция крепежного узла для соединения элементов деревянных строительных конструкций, в частности, при деревянном домостроительстве. Узел обладает высокими свойствами по самоудержанию в структуре дерева, имеет простую конструкцию и достаточную надежность при высоком сроке эксплуатационной службы.

Благодаря постоянному поджатию одного деревянного элемента к другому при усадке/усушке, обеспечивается ровная усушка всего дерева, уменьшают в конструкции мостики холода. Улучшается эстетический вид конструкции после усадки дома или конструкций при усадке, дает экономическую целесообразность при отоплении дома за счет уменьшения образования мостиков холода между деревянными конструкциями.

Узел состоит из связанных между собой двух элементов: коническая пружина и стержень с головкой, повторяющей форму самореза/шурупа (фиг. 1). Саморез/шуруп отвечает за прижимную способность, а именно дерево имеет свойство расширяться, разбухать, усыхать, в зависимости от погодных условий.

В общем случае, крепежный узел для соединения элементов деревянных строительных конструкций содержащий цилиндрический стержень 1 с головкой 2, ограненной под ключ. Стержень по длине состоит из расположенной на стороне головки 2 верхней части 3 и на стороне свободного конца конусного наконечника 4 с винтовой нарезкой 5 в нижней части. На верхнюю часть цилиндрического стержня нанизана коническая пружина 6, упирающаяся крайним верхним витком 7 в основание головки стержня.

Форма стержня напоминает форму самореза, в котором нижняя грань винтовой нарезки выполнена под углом 60° заточки, как это принято в резьбе, используемой для болтов под бетон и металл. На стороне верхней части стержня основание головки выполнено плоским. В связи с этим верхний виток конической пружины упирается в плоскую стенку головки. Резьбовая нарезка на стержне может быть выполнена до уровня крайнего нижнего витка 8 пружины 6 или только на части длины стержня. Так как длина шурупа варьирует от 120 мм до 600 мм для разных толщин скрепляемых деревянных изделий, то при соединении двух деревянных изделий стержень проходит первое изделие и резьбовой счастью вводится в тело другого деревянного изделия. За счет стягивания первое изделие прижимается ко второму. В связи с этим между резьбовым участком и участком расположения конической пружины стержень может иметь участок с гладкой поверхностью 9 (фиг. 3–5). При этом длина участка гладкой поверхности 9 стержня определена толщиной скрепляемого изделия, в которое вводится конусный наконечник и может быть от 2 (при длине шурупа 160 мм) до 92 мм (при длине шурупа 250 мм и более).

Применение угла заточки нижней грани резьбы 60° обеспечивает правильный вход в дерево, при котором не происходит разрыв пор дерева. Данная заточка обеспечивает правильную структуру в дереве, что дает уплотнение и в дальнейшем правильную эксплуатацию конструкции. При вворачивании резьбовые элементы на конусном наконечнике не срезает, а раздвигает структуру дерева за счет смятия перегородок пор, которое усиливается давлением основной частим резьбовой навивки. В результате структура дерева не разрушается, а сохраняет упругие свойства, направленные на прижим дерева к стержню.

У конической пружины два верхних витка (поз. 7 и 10) сжаты между собой с целью упругого обхвата стержня при упоре в плоское основание головки. Два верхних витка выполнены предпочтительно одинакового диаметра. При этом крайний верхний виток 7 конической пружины выровнен для получения плоской поверхности перпендикулярной продольным осям конической пружины и стержня. Выравнивание представляет собой стачивание части витка и получение плоской поверхности. Это позволяет упруго одеть пружину на стержень и прижать верхний виток к плоскому основанию. Плоское основание по отношению к плоской поверхности витка является базовой поверхностью, определяющей позиционирование продольной оси пружины относительно продольной оси стержня. В собранном состоянии крепежный узел не распадается и в таком неразъемном виде поступает в эксплуатационное применение.

Крайний нижний виток 8 конической пружины выполнен диаметром меньшим диаметра следующего за ним витка 11 и размещен в его пространстве (может иметь частичное размещение). При этом крайний нижний виток конической пружины так же выровнен для получения плоской поверхности перпендикулярной продольным осям конической пружины и стержня. При ввинчивании стержня нижние витки садятся на дно глухого отверстия в деревянном изделии, и пружина начинает сжиматься. При сжатии крайний нижний виток 8 плотно плоской поверхностью упирается на дно отверстия (положение нижнего витка 8 определено контактом верхнего витка 7 с основанием головки). А следующий за ним нижний виток 11 проседает и укладывается на дно глухого отверстия вокруг витка 8. Таким образом образуется развитая по площади опора сжатой пружины. При этом сжатие и деформация витков пружины проходят строго вдоль продольной оси стержня, что исключает перекос самого стержня и образование изгибающего момента. При этом пружина четко позиционируется на дне глухого отверстия даже при наличии неровностей на этом дне. Это объясняется тем, что все витки взаимосвязаны между собой и изменение траектории деформации одного витка компенсируется действием других витком, при котором деформируемый виток возвращается в правильное положение.

Возможно цинковое покрытие пружины, которое обеспечивает длительный срок ее службы (по испытаниям в морской воде работоспособность пружины 1500 часов).

За зимний период, деревянный дом проходит 40-50 циклов морозных изменений. В среднем за год, деревянный дом может изменять свои циклы до 200-250 раз. Из-за этого желательно применять в материале пружины и самореза специальную сталь.

Стержень может изготавливаться из стали 10В21, что обеспечивает разрыв минимально 35 НМ. Сталь 10B21 – это легированная сталь с пределом текучести от 690 МПа для изготовления крепежных изделий специального назначения, используемых в высокотемпературных условиях, в том числе в установках атомных станций. Материал подвергается закалке и отпуску в жидкой среде. Сталь 10B21, подвергнутая деформации после закалки и отпуска, должна быть повторно нагрета не ниже температуры отпуска.

В большинстве случаев у похожих изделий при изготовлении пружин используется обычная сталь, которая не выдерживает такую нагрузку, пружина или сминается теряя свои свойства на 30-40% или приходит полностью в непригодность. В заявленном изделии для пружины используется высокоуглеродистая сталь. Например, может быть использована высокоуглеродистая сталь марки 65Mn, применяемая в основном при изготовлении различных плоских пружин малого сечения, круглых пружин, часовых механизмов и т. д. Она также может быть использована для изготовления амортизаторов, язычков сцепления, тормозных пружин пружинных колец, клапанных пружин. При этом частота открытия и закрытия каждого клапана (впускного и выпускного) автомобилей за одну минуту составляет не менее 3000 раз.

При таком закреплении пружины и ее исполнении в сочетании с конструкцией резьбовой части стержня пружина работает только на поджатие скрепленных деревянных изделий друг к другу. А выполнение резьбы со специальной заточкой нижней грани обеспечивает сохранность контакта стержня со стенкой отверстия, так как дерево сохраняет в зоне витков неразрушенную структуру пор. При этом коническая пружина так же является позиционером стержня при его ввинчивании в дерево.

Так как при усушке дерева ослабевает контактное взаимодействие витком резьбы и стенок дерева, то возможно выкручивание стержня под действием сжатой пружины, которая в равной степени действует на поджатие скрепленных деревянных изделий, так и в сторону головки болта. Для исключения этого явления или для его уменьшения на стержне на участке его длины внутри конической пружины, в разжатом ее состоянии, между цилиндрическим стержнем 1 и участком с гладкой поверхностью 9 выполнены продольные заостренные выступы 12, винтообразно изогнутые на длине этого участка и имеющие противоположное этой нарезке направление изогнутости. Данные выступы выполнены в форме насечек (на английском scroll, они же мельница, профессионально - фреза). Геометрия фрезы предназначена для уплотнения стружки, образовывающейся при прохождении шурупа через дерево. Фреза создает пространство для прохода стержня и предотвращает его перегрев, облегчая закручивание изделия. Так же данный элемент обеспечивает надежность от выкручивания шурупа из тела дерева, поскольку коническая основа с фрезой дает максимальную адгезию в дереве. Длина фрезы может изменяться от 25 мм до 80 мм при количестве зубьев от 6 до 12. При полном сжатии пружины участок с насечками утоплен в отверстии скрепляемых изделий (фиг. 2 и 5).

Количество, шаг и высота зубьев фрезы зависят от нагрузки. Чем больше брус или сруб, тем больше нужен шуруп. Чем длиннее шуруп, тем больше на него нагрузки. Например, при длине шурупа 160 мм, длина фрезы может быть 25 мм, шаг резьбы – 0,8 мм, число зубьев – 8, высота зуба – 0,75 мм, угол наклона линии зуба – 25 градусов.

Под действием расклада сил на наклонных гранях резьбы и упругой силы пружины стержень нагружается усилием, выталкивающим его в сторону головки по траектории обратной траектории ввинчивания. Но наклон изогнутости насечки выполнен противоположным наклону резьбовых витков, в связи с чем стержень должен выкручивается по уплотненной стружке, которая является тормозом смещения вверх. Эта конструктивная особенность не дает возможности стержню самовыкручиваться.

Кроме того, при применении насечек с внешним диаметром равным или большим диаметра резьбы участок с насечками становится опорой для длинных стержней и предотвращает продольный изгиб стержня (двухточечное крепление стержня) и его скручивание при ввинчивании в дерево на большую глубину. При применении разных диаметров резьбовой части и участка с насечками саморез по окончанию вкручивания проходит в тело дерева и встает в распор, таким способом получается плотное основание для работы пружины. Получается надежное прилегание в теле дерева с обеспечением надежной защиты от самовыкручивания.

Настоящее изобретение промышленно применимо и позволяет обеспечить гарантированно надежное и долговременное скрепление деревянных конструкций за счет точного позиционирования стержня в дереве и постоянного поджатия скрепленных изделий друг к другу независимо от состояния самого дерева.

Изобретение относится к области строительства, в частности к крепежному узлу соединения деревянных элементов. Технический результат заключается в повышении крепежной способности при усадке/усушке скрепляемых деревянных элементов. Крепежный узел, содержащий цилиндрический стержень с головкой, ограненной под ключ, который по длине состоит из расположенной на стороне головки верхней части и на стороне свободного конца конусного наконечника с винтовой нарезкой нижней части, и нанизанную на цилиндрический стержень коническую пружину. Нижняя грань винтовой нарезки выполнена под углом 60° заточки, а на стороне стержня основание головки выполнено плоским. Два верхних витка конической пружины сжаты между собой. Крайний нижний виток конической пружины выполнен диаметром, меньшим диаметра следующего за ним витка, и размещен в его пространстве. Крайние верхний и нижний витки выровнены для получения плоских поверхностей. На стержне на участке его длины внутри конической пружины выполнены продольные заостренные выступы, винтообразно изогнутые на длине этого участка и имеющие противоположное этой нарезке направление изогнутости. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Крепежный узел для соединения элементов деревянных строительных конструкций, содержащий цилиндрический стержень с головкой, ограненной под ключ, который по длине состоит из расположенной на стороне головки верхней части и на стороне свободного конца конусного наконечника с винтовой нарезкой нижней части, и нанизанную на цилиндрический стержень коническую пружину, упирающуюся крайним витком в основание головки стержня, отличающийся тем, что нижняя грань винтовой нарезки выполнена под углом 60° заточки, на стороне стержня основание головки выполнено плоским, два верхних витка конической пружины сжаты между собой с целью упругого обхвата стержня при упоре в плоское основание головки, крайний нижний виток конической пружины выполнен диаметром, меньшим диаметра следующего за ним витка, и размещен в его пространстве, крайние верхний и нижний витки конической пружины выровнены для получения плоских поверхностей перпендикулярных продольным осям конической пружины и стержня, при этом на стержне на участке его длины внутри конической пружины выполнены продольные заостренные выступы, винтообразно изогнутые на длине этого участка и имеющие противоположное этой нарезке направление изогнутости.

2. Крепежный узел по п.1, отличающийся тем, что два верхних витка конической пружины выполнены одинакового диаметра.

3. Крепежный узел по п.1, отличающийся тем, что заостренные выступы имеют диаметр, превышающий диаметр винтовой нарезки.

4. Крепежный узел по п.1, отличающийся тем, что продольные заостренные выступы выполнены в количестве 6-12 шт.

5. Крепежный узел по п.1, отличающийся тем, что расстояние между участком стержня с заостренными выступами и участком с винтовой нарезкой составляет 2-92 мм.