Деревянная балка составного сечения на шпоночных соединениях Российский патент 2025 года по МПК E04C3/12 

Изобретение относится к области строительства, в частности к балкам перекрытий и покрытий зданий, выполненным составного сечения, и может быть применено в указанных конструкциях зданий, в которых обычные деревянные балки цельного сечения не могут обеспечить прочность и жесткость.

Из уровня техники известны получившие широкое использование деревянные балки составного сечения на пластинчатых нагелях, разработанные B.C. Деревягиным в 1932 г., состоящие из двух или трех брусьев, которые сплачиваются по высоте пластинчатыми нагелями, изготовленными из древесины твердых пород (https://helpiks.org/6-37874.html дата просмотра 22.01.2024).

Недостатком аналога является сложная технология изготовления точного паза, сквозного или глухого, для пластинчатого нагеля, реализуемая преимущественно в заводских условиях.

Известна деревянная балка составного сечения на наклонно вклеенных связях, обеспечивающих сплачивание соединяемых между собой элементов таким образом, чтобы они работали как одно целое. При этом используемые в качестве соединительных элементов металлические стержни установлены под углом в пределах от 30° до 45° и заглублены в нижнем элементе балки (патент РФ №2173376 С1, дата приоритета 08.06.2000, дата публикации 10.09.2001, авторы: Меркулов А.Т. и др., RU).

Известно также конструктивное решение деревянной балки, состоящей из нескольких брусьев по высоте сечения и объединенных нагелями в виде наклонно под углом от 30° до 45° вклеенных полимерных композитных стержней, смонтированных на всю глубину балки, обеспечивающих жесткое соединение по плоскостям сплачивания и работу соединяемых элементов как единого целого (патент РФ №222454 U1, дата приоритета 12.10.2023, дата публикации 26.12.2023, авторы: Зиннуров Т.А. и др., RU).

Недостатком известных деревянных балок составного сечения на наклонно вклеенных связях в виде стержней является сложность выполнения под них наклонных отверстий, что связано с использованием оснастки и изготовлением в заводских условиях.

Известна составная деревянная балка на металлических зубчатых пластинах, состоящая их двух или более брусьев, объединенных по высоте металлическими зубчатыми пластинами по боковым поверхностям (патент РФ №2645026 С1, дата приоритета 10.03.2017, дата публикации 15.02.2018, авторы: Карельский А.В. и др., RU).

Недостатком составной деревянной балки на металлических зубчатых пластинах является ограниченное применение, обусловленное зависимостью от условий эксплуатации и недостаточной надежностью из-за возможного выхода из строя зубчатых пластин, в частности, при изменении влажности.

Известна комбинированная опорная балка, состоящая из двух деревянных балок, которые обработанной поверхностью через прокладку или непосредственно прилегают друг к другу, а для их соединения используются рифленые стержневые элементы, которые проходят насквозь одну балку и входят во вторую балку, а также используются гвоздевые плиты, при этом допустимо изготовление комбинированной опорной балки на стройплощадке (патент РФ №2093647 С1, дата приоритета 25.02.1994, дата публикации 20.10.1997, автор Йоханн Вольф, AT).

Недостатком комбинированной опорной балки является большой расход соединительных элементов, что также усложняет монтаж.

Известен узел соединения протяженных деревянных элементов, способный нести высокую нагрузку, который содержит, по меньшей мере, два деревянных элемента, частично перекрывающих друг друга по длине и стянутых в месте перекрытия, по меньшей мере, в двух местах, в каждом из элементов выполнен по меньшей мере один продольно ориентированный паз, причем пазы элементов сопряжены с образованием общей полости, в которую вставлена шпонка, при этом стяжные элементы и шпонка обеспечивают высокие прочностные характеристики сборной деревянной конструкции (патент РФ №198878 U1, дата приоритета 17.04.2020, дата публикации 30.07.2020, автор Булыгин П.С., RU).

Недостатком сборной деревянной конструкции является сложность точного выполнения сопрягаемых продольных прямоугольных пазов для установки в них шпонки с возможностью восприятия скалывающих усилий.

В качестве прототипа принята деревянная балка составного сечения из сращиваемых по высоте брусьев на шпоночных соединениях, схематично представленная на рисунках в статье «Как надежно срастить деревянные балки по высоте?». Предложенное конструктивное решение составной деревянной балки обеспечивает сращивание брусьев таким образом, чтобы включить их в совместную работу и заставить работать конструкцию единым механизмом, обеспечивая минимальное смещение брусьев относительно друг друга. Одним из вариантов такой конструкции является деревянная балка из сращиваемых по высоте брусьев, содержащая вертикальные стяжные болты, стягивающие брусья, и используемые для сращивания шпонки из древесины твердых пород, установленные горизонтально или наклонно по отношению к плоскости сплачивания с возможностью восприятия скалывающих усилий между брусьями по плоскости сплачивания, при этом в брусьях выполнены сопрягаемые между собой гнезда, в которые установлены шпонки (https://dzen.ru/a/XlLIyVvcLhswfba8. дата просмотра 22.01.2024, прототип).

Недостатком прототипа является трудозатратная технология изготовления, связанная с конфигурацией шпонок и их установкой в сопрягаемых гнездах, выполняемых в каждом из брусьев, от которых зависит плотность шпоночных соединений и непосредственно прочность и жесткость балки.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является упрощение технологии изготовления деревянной балки составного сечения из сращиваемых по высоте брусьев на шпоночных соединениях путем использования конфигурации шпонок в виде тел вращения и объединения их со стяжными болтами для возможности вдавливания между брусьями, получения плотного соединения с глухими отверстиями в брусьях или установки с натягом и увеличения прочности и жесткости соединения по плоскости сплачивания при рациональном расположении в приопорных зонах балки.

Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложена деревянная балка составного сечения, состоящая из брусьев, скрепленных между собой по высоте сечения посредством связей в виде вертикальных стяжных болтов пропущенных через шпонки, выполненные из древесины твердых пород и размещенные в глухих сопрягаемых между собой отверстиях, выполненных в каждом из брусьев, с глубиной, соответствующей половине высоты шпонки. Новым является то, что каждая шпонка выполнена цилиндрической формы или в форме двух усеченных конусов с общим основанием большего диаметра, при этом для цилиндрической шпонки глухое отверстие для ее плотной установки выполнено или цилиндрическим с тем же диаметром, как и сама шпонка, или коническим с уменьшенным внутренним диаметром по отношению к диаметру цилиндрической шпонки, а для шпонки в форме двух конусов глухое отверстие для ее плотной установки выполнено или коническим, соответствующим по форме половине указанной шпонки, или цилиндрическим с диаметром, соответствующим меньшему диаметру основания усеченного конуса.

На фиг. 1 схематично изображена деревянная балка составного сечения из двух брусьев, общий вид; на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показан разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 схематично изображена деревянная балка составного сечения из трех брусьев, общий вид; на фиг. 5 показан разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 6 схематично изображена шпонка, выполненная в виде двух усеченных конусов с общим основанием большего диаметра.

На чертежах приведены следующие обозначения:

1 - деревянная балка из двух брусьев;

2 - деревянная балка из трех брусьев;

3 - брусья, сплачиваемые между собой по высоте сечения;

4 - вертикальные стяжные болты;

5 - шпонки цилиндрические;

6 - шпонка в виде двух усеченных конусов с общим основанием большего диаметра.

В примерах выполнения приведены деревянные балки 1 и 2, состоящие из сплачиваемых по высоте брусьев 3. При этом деревянная балка 1 выполнена из двух брусьев (фиг. 1 - фиг. 3), а деревянная балка 2 выполнена из трех брусьев (фиг. 4, фиг. 5). Брусья 3 в обеих балках расположены поэтажно и соединены между собой посредством связей в виде вертикальных стяжных болтов 4 и установленных между брусьями 3 шпонок 5 или 6 в виде тел вращения с осью, перпендикулярной плоскости сплачивания, причем шпонки 5 выполнены цилиндрическими, а шпонки 6 выполнены в виде двух усеченных конусов с общим основанием большего диаметра (фиг. 6). Указанные шпонки 5, 6 выполнены из древесины твердых пород, например березы, ясеня, дуба, и плотно установлены в глухих сопрягаемых между собой отверстиях, выполненных в каждом из брусьев 3, с глубиной, соответствующей половине высоты шпонки. При этом для осуществления их плотной установки вертикальные стяжные болты 4, стягивающие брусья, пропущены через шпонки 5 или 6 для возможности их вдавливания в указанные глухие отверстия в брусьях, обеспечения плотного соединения в отверстиях или установки с натягом при затягивании стяжных болтов. Указанные связи расположены в приопорных зонах по продольной оси балки и предназначены для надежного сплачивания брусьев в единую конструкцию и восприятия действующих усилий в местах их наибольшего проявления.

Изготовление деревянной балки составного сечения на шпонках 5 или 6 характеризуется упрощенной технологией, реализуемой как в заводских условиях, так и на стройплощадке, позволяющей за счет использования конфигурации шпонок в виде тел вращения и объединения их со стяжными болтами осуществлять вдавливание шпонок между брусьями, получать плотное соединение их с глухими отверстиями в брусьях или соединение с натягом и увеличивать прочность и жесткость соединения по плоскости сплачивания при рациональном расположении в приопорных зонах балки. По данной технологии в брусьях 3 предварительно выполняют, например, с помощью ручного фрезера глухие отверстия на глубину, равную половине высоты шпонок 5 или 6. Глухое отверстие под шпонку 5 для плотного соединения выполняют либо цилиндрическим с тем же диаметром, как и сама шпонка, либо выполняют коническое глухое отверстие, наружный диаметр которого совпадает с диаметром шпонки 5, а внутренний - меньше.

Глухое отверстие под шпонку 6 в виде двух усеченных конусов с общим основанием большего диаметра для ее плотной установки выполняют или коническим, соответствующим по форме половине указанной шпонки 6, или цилиндрическим с диаметром, соответствующим меньшему диаметру основания усеченного конуса.

Указанные шпонки 5 или 6 устанавливаются горизонтально между брусьями в сопрягаемые глухие отверстия в брусьях. Через брусья и шпонки просверливаются сквозные отверстия, в которые вставляются стяжные болты 4. При затяжке болтов 4, пропущенных через шпонки 5 или 6, последние вдавливаются в брусья 3, сплачивая их между собой. При вдавливании цилиндрической шпонки 5 в зауженное отверстие в варианте с глухим коническим отверстием волокна древесины балки сминаются, и происходит более плотная установка шпонки 5 в отверстии. При вдавливании половин шпонок 6 в глухие цилиндрические отверстия с диаметром, совпадающим с меньшим диаметром усеченного конуса, волокна древесины балки сминаются, и происходит более плотная установка шпоночной шайбы 6 в отверстии. Приведенные выше другие варианты выполнения глухих отверстий в брусьях при вдавливании в них шпонок 5 или 6 также обеспечивают их плотную установку в глухих отверстиях, что положительно влияет на восприятие шпонками касательных напряжений в плоскости сплачивания между брусьями и повышает прочность и жесткость балки.

Деревянные балки 1 и 2, загруженные поперечной нагрузкой, работают следующим образом. При воздействии поперечной нагрузки в балках 1 и 2 возникают поперечные усилия с максимальным значением в приопорных зонах, воспринимаемые стяжными болтами 4, а между брусьями 3 возникают касательные напряжения, которые воспринимаются шпонками 5 или 6. При этом объединение стяжных болтов и шпонок, имеющих конфигурацию тел вращения с осью, расположенной перпендикулярно плоскости сплачивания, способствует снижению трудозатрат при установке шпонок между брусьями, а также способствует увеличению прочности и жесткости соединения по плоскости сплачивания за счет более плотной установки шпонок между брусьями с возможным натягом в глухих цилиндрических или конических отверстиях, выполнение которых возможно на стройплощадке и более технологично по сравнению с выполнением глухих пазов или гнезд в аналогах.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в изготовлении деревянной балки составного сечения из брусьев на шпоночных соединениях, обладающей плотным соединением шпонок с глухими отверстиями, способствующим увеличению прочности и жесткости соединения по плоскости сплачивания, достигаемым за счет наличия стяжного болта в соединении, за счет выполнения шпонки цилиндрической формы или в форме двух усеченных конусов с общим основанием большего диаметра, а также за счет размеров и конфигурации глухого отверстия, которое может быть выполнено либо цилиндрическим, либо коническим.

Изобретение относится к области строительства, в частности к балкам перекрытий и покрытий зданий. Технический результат заключается в повышении прочности балки. Деревянная балка составного сечения состоит из брусьев, скрепленных между собой по высоте сечения посредством связей в виде вертикальных стяжных болтов, пропущенных через шпонки и размещенных в глухих сопрягаемых между собой отверстиях, выполненных в каждом из брусьев, с глубиной, соответствующей половине высоты шпонки. Каждая шпонка выполнена цилиндрической формы или в форме двух усеченных конусов с общим основанием большего диаметра, при этом для цилиндрической шпонки глухое отверстие для ее плотной установки выполнено или цилиндрическим с тем же диаметром, как и сама шпонка, или коническим с уменьшенным внутренним диаметром по отношению к диаметру цилиндрической шпонки, а для шпонки в форме двух усеченных конусов глухое отверстие для ее плотной установки выполнено или коническим, соответствующим по форме половине указанной шпонки, или цилиндрическим с диаметром, соответствующим меньшему диаметру основания усеченного конуса. 6 ил.

Деревянная балка составного сечения, состоящая из брусьев, скрепленных между собой по высоте сечения посредством связей в виде вертикальных стяжных болтов, пропущенных через шпонки, выполненные из древесины твердых пород и размещенные в глухих сопрягаемых между собой отверстиях, выполненных в каждом из брусьев, с глубиной, соответствующей половине высоты шпонки, отличающаяся тем, что каждая шпонка выполнена цилиндрической формы или в форме двух усеченных конусов с общим основанием большего диаметра, при этом для цилиндрической шпонки глухое отверстие для ее плотной установки выполнено или цилиндрическим с тем же диаметром, как и сама шпонка, или коническим с уменьшенным внутренним диаметром по отношению к диаметру цилиндрической шпонки, а для шпонки в форме двух усеченных конусов глухое отверстие для ее плотной установки выполнено или коническим, соответствующим по форме половине указанной шпонки, или цилиндрическим с диаметром, соответствующим меньшему диаметру основания усеченного конуса.