Соединения деревянных конструкций на шпонках 

Шпонками в деревянных конструкциях называются вкладыши, которые препятствуют взаимному сдвигу соединяемых элементов и работают в основном на сжатие. Отличительным признаком шпоночных соединений является распор, требующий постановки рабочих стяжных связей (болтов и т. п.).

Применяются шпонки различных видов: деревянные, стальные (штампованные), чугунные (литые) и др.

Основы расчета

Характерные особенности работы соединений на шпонках и основы их расчета выявляются путем рассмотрения равновесия призматической наклонной шпонки (рис. 1). Противодействуя сдвигу сплачиваемых брусьев, сама шпонка подвергается действию двух пар сил: Т_шп с плечом e_шп и шп с плечом l_шп, причем e_шп≈2(h_вр/2)=h_вр . Поворачиваясь (на рис. 1 — против часовой стрелки), шпонка распирает сплачиваемые брусья. Для того чтобы предотвратить раскрытие шва между брусьями, необходимо обжать их поперечными силами, равными полной силе распора. К самой шпонке силы Qшп приложены через ее торцы с плечом l_шп , тем большим, чем больше длина шпонки. Момент поперечной пары сил Q_шп l_шп уравновешивает момент продольной пары сил Т_шп e_шп; отсюда определяется распор Q_шп= Т_шп(e_шп/ l_шп) .

Из рис. 1 видно, что на шпонку фактически действуют силы N_cм — равнодействующие продольных сил Т_шп и поперечных сил Q_шп. Две силы N_см взаимно уравновешиваются, они лежат на прямой, соединяющей центры тяжести сминаемых торцов наклонной шпонки, и подвергают ее центральному сжатию.

Чем короче шпонка, тем больше сила распора Q_шп. Короткая шпонка (рис. 1, б) заметно вминается в древесину сплачиваемых брусьев или бревен. Вследствие поворота шпонки плечо вращающей (действующей) пары сил увеличивается (e₂>e₁), а плечо удерживающей (противодействующей) пары сил уменьшается (l₂1). Это приводит к дальнейшему увеличению силы распора и деформации соединения.

Рис. 1. Призматическая наклонная шпонка:

(а — нормальная (l_шп = 5h_вр  б — недопустимо короткая (l_шп < 3h_вр))

Для исключения чрезмерной деформативности шпоночных соединений в эксплуатации, а также в целях уменьшения затраты стали на изготовление стяжных болтов нормы требуют, чтобы длина шпонки была не менее l_шп ≥5h_вр , т. е. h_вр/l_вр=е_шп/l_шп≤1/5,

и, следовательно, Q_шп ≤(1/5)Т_шп. Глубина врезки шпонок в брусья должна быть не менее 2 см и не более — высоты бруса и соответственно в бревна — не менее 3 см и не более 1/4 диаметра бревна.