Сборка бруса на шканты: видео-инструкция по монтажу своими руками, дрель, фото и цена

Содержание

видео-инструкция по монтажу своими руками, дрель, фото и цена

Статьи

При возведении строений очень большое значение имеет их правильное крепление и фиксация отдельных элементов. Шканты для бруса относятся к тому виду изделий, которые не видны снаружи, но оказывают большое влияние на надежность и долговечность строения, поэтому следует разобраться с тем, какие изделия подойдут вам лучше всего и как правильно их применять.

На фото: шкант – важный элемент любого сруба, будь то брус или бревно

Основные требования к данному типу крепления

Рассматриваемые нами элементы по-другому называются нагели, поэтому если встретите этот термин ниже, то имейте в виду, что это одно и то же. Что касается изделий подобного рода, то их использование производится только с соблюдением нескольких важных условий:

Материал изготовления	Многие специалисты в качестве идеальной породы дерева рекомендуют использовать березу, но найти этот вариант получается далеко не всегда, поэтому зачастую используется та же древесина, из которой возводится строение, тем более, что чаще всего в процессе работы образуются отходы, которые можно использовать для изготовления шкантов
Влажность элементов	Она должна совпадать с влажностью основного материала, это обусловлено тем, что при разности показателей высыхание будет происходить неравномерно, что чревато деформацией и возникновением проблем в будущем. С этой точки зрения использовать отходы используемого материала – разумное решение, так как в этом случае влажность точно совпадает
Соответствие отверстия шканту	Это требование обозначает, что слишком свободное расположение нагелей так же нежелательно, как и слишком плотное. Дело в том, что после строительства сруб дает усадку, поэтому элементы будут двигаться вниз, а в случаях высокой влажности материал будет увеличиваться в объеме и конструкция приподнимется, шкант должен служить направляющей, предотвращающей деформацию, но не препятствующей движению бруса
Правильность расположения элементов	Помните одно простое правило: нагель должен быть углублен примерно на 2 сантиметра относительно верхнего бруса, это предотвратит ситуацию, когда при увеличении объема крепеж приподнимает элементы, расположенные выше

Важно! Не стоит слушать советчиков, утверждающих, что чем плотнее будет забит шкант, тем лучше будет держаться конструкция, такой вариант не даст двигаться срубу, что приведет к увеличению стыков и усиленному образованию трещин на поверхности.

Для углубления крепежа используйте проставку такого же диаметра

Описание рабочего процесса

Рассмотрим основные правила проведения работ, они довольно просты, поэтому справиться с ними может практически любой человек, самое главное – делать все аккуратно и использовать качественные материалы и инструмент.

Изготовление нагелей

Конечно, можно купить готовые элементы, но их цена достаточно высока, да и процесс изготовления своими руками не представляет больших сложностей.

Работа производится следующим образом:

При изготовлении шкантов не важна аккуратность и привлекательность, важна точность и соответствие элементов отверстиям

Для начала вам нужно подобрать метод изготовления, если у вас есть хотя бы простейший токарный станок, то можно делать круглые варианты, не отличающиеся от готовых, которые продают в торговой сети. Если оборудования нет, то можно обойтись и прямоугольными элементами, особой разницы все равно не будет;
Длина заготовок должна составлять 2,3 толщины бруса. Это обусловлено тем, что правильное расположение предполагает вариант, при котором каждый крепежный элемент проходит через три бруса, причем в верхнем и нижнем венце он должен располагаться примерно на 2/3 их толщины. Как отмечалось выше, шкант должен утапливаться как минимум на 20 мм, чтобы при движении конструкции не происходило деформаций;

Эта схема наглядно показывает все основные правила фиксации венцов, этот вариант используют уже более двух столетий профессиональные плотники

Совет! Можно упростить работу по изготовлению путем приобретения бруска нужного размера, его стоимость невелика, зато вам будет достаточно просто немного скруглить углы — и крепеж будет готов.

Можно не резать элементы сразу, а делать это в процессе работы, все зависит от того, какой вариант предпочтительнее для вас.

Крепление бруса

Важно правильно провести работы, так как от этого зависит, насколько надежно будет зафиксирована конструкция, перечень мероприятий следующий:

Для начала нужно подобрать качественную дрель для шкантов для бруса. Очень часто используются слишком слабые варианты, поэтому случаи, когда при сверлении сгорает электроинструмент, нередки. Лучше всего подходят малооборотистые модификации с трехступенчатым редуктором мощностью 1300 и более Ватт, они хорошо справляются с работой, так как предназначены для высоких нагрузок;

Выбирайте модификации с ручкой сверху, вам будет гораздо удобнее проводить работы по сверлению бруса

Что касается сверла, то подбирается винтовой вариант нужной длины, лучше не экономить и приобрести изделие известного бренда, так как дешевые аналоги обычно не отличаются прочностью и могут выйти из строя чуть ли ни не на первом отверстии. Длина зависит от того, какой толщины у вас брус, а диаметр варьируется в зависимости от ширины стен, чаще всего используются изделия от 20 до 30 мм;

Сверла диаметром 30 мм – одни из самых востребованных

Сверление производится начиная с третьего ряда, при этом очень важно соблюдать вертикальное положение оборудования при работе, ведь шкант будет служить направляющей, и если он будет расположен под наклоном, то поверхность может искривиться со временем. Работу следует поручать физически крепкому человеку, так как сверло иногда заедает и может провернуть инструмент, что небезопасно при работе на высоте;

При работе нужно очень крепко держать дрель

Помните простое правило – отверстие должно быть на 1-2 мм больше размера шканта, это обеспечит его достаточно плотное расположение, при этом крепление не будет препятствовать усадке конструкции. То есть при диаметре сверла в 30 мм, нагель должен быть 28-29 мм;

Отступ от края бруса должен быть не менее 300 мм, расстояние между точками крепления составляет от полутора до двух метров. Иногда можно увеличивать количество шкантов, располагая их в местах, которые могут деформироваться;
Забивание нагелей производится с помощью тяжелого молотка или кувалды весом 2-3 кг, чтобы утопить элементы, заранее запаситесь проставкой.

Как видите, инструкция по проведению работ не отличается сложностью, важно иметь под рукой надежный инструмент и использовать крепеж нужного размера.

Вывод

Использование шкантов обязательно для деревянных построек. С их помощью строение не только укрепляется, но и получает направляющие для правильной усадки конструкции. Видео в этой статье расскажет о некоторых рассмотренных выше моментах более подробно.

Шканты для бруса своими руками: как сверлить, крепить, размеры

Возведение сооружений из древесины подразумевает обязательное использование особых крепежных фрагментов. Подобные элементы ориентированы на то, чтобы конструкция получилась качественной, надежной, монолитной, максимально прочной.

Что такое шкант?

Неотъемлемой частью сооружения являются нагели, или шканты. Именно качеством данной детали определяется надежность всей конструкции. Можно с легкостью изготовить шканты для бруса даже своими руками. Процедура не представляет собой чего-то особенно сложного. Главное – следовать выбранной методике.

О чём пойдет речь:

1 Что представляют собой деревянные нагели?
2 Шипы для фиксирования бруса: какие выбрать и для чего?
3 Нюансы создания шкантов
4 Тонкости крепления нагелей из древесины
- 4.1 Некоторые секреты процедуры

Что представляют собой деревянные нагели?

Для начала стоит разобраться с тем, что такое непосредственно сам нагель. Деталь представляет собой миниатюрный фрагмент, выполненный с целью укрепления стен сруба, созданного из бруса. При этом именно диаметр шкантов для бруса выступает в роли одной из самых ключевых характеристик.

Шкант для лестницы

Назначение нагелей может быть различным. Например, деревянные шканты ориентированы на фиксацию бревенчатых сооружений. Деталь позволяет затормозить самые разные негативные последствия, которые неизменно сопровождают функционирование сооружений из древесины. Это может быть:

усыхание;
деформация;
расшатывание;
смещение.

Такие своеобразные штыри, установленные грамотно и правильно, сделают здание стабильным. Брусья конструкции будут размещены так, что они останутся в неизменном виде и через пару месяцев, и через несколько десятилетий.

Шипы для фиксирования бруса: какие выбрать и для чего?

Самыми востребованными являются шканты, созданные из твердых сортов древесины. Максимально прочными вариантами выступают шипы из дуба либо березы. Их не представляется возможным деформировать, согнуть, сломать. Однако существует одно условие. Они должны быть правильно зафиксированы. Какова их форма и размеры? Оптимальное решение – детали округлых контуров. Их длина не должна превышать 25 мм. Деревянные нагели обязаны быть гладкими, ровными не только в точке монтажа, а по всей поверхности. Именно такие гвозди гарантируют максимально долгий срок службы.

Установка шкантов в брус – это обязательное правило для брусовых и бревенчатых конструкций. Шипы из березы являются самым распространенным вариантом. Такие нагели не могут стать аналогом саморезов или примитивных гвоздей. Если их использовать, то гарантировать устойчивость и надежность сооружения невозможно. Также стоит отказаться от применения арматуры. Металлические версии могут привести к ряду негативных последствий, что объясняется непосредственным взаимодействием материалов с разными параметрами теплопроводности. К чему может привести использование нагелей из металла? Это может быть:

образование конденсата;
покрытие поверхности шипов ржавчиной;
загнивание всего слоя древесины.

Нюансы создания шкантов

Как сделать шканты для бруса? На самом деле это простая процедура. Ее несложно осуществить своими руками. Для этого потребуется использовать поленья определенной длины. Заготовки (оптимально из березы) необходимо расколоть на множество мелких фрагментов. Целесообразно делать их в форме квадратов. Затем потребуется их обтесать. Выполняется это вручную. Рекомендуется придавать заготовкам округлую форму нужного диаметра.

Владельцам токарного станка сделать нагели очень просто. С его использованием элементы создаются оперативно и аккуратно. Если нет деревянных поленьев, всегда можно пустить в ход черенки от лопат, которые уже вышли из оборота. Чтобы придать им необходимые размеры и форму, потребуется просто их порезать. Круглые детали легко создаются и посредством циркулярной пилы.

Тонкости крепления нагелей из древесины

Как происходит крепление бруса шкантами? Его тоже можно выполнить своими руками, без использования услуг профессионалов. Порядок работ предельно прост. Использование шипов из дерева для начала потребует отыскать середину используемой плоскости. В данной точке необходимо сделать соответствующую разметку. Именно здесь в дальнейшем будет создано отверстие.

Теперь нужно сверлить углубление, используя дрель. Именно в него потом будет нужно крепить шканты. Вот почему очень важно грамотно подобрать диаметр сверла. Его размеры должны быть идентичны таким же параметрам шипа. Что касается глубины, это – 1,5 бруса. Вопрос, какие шканты для бруса 150х150, оказывается совсем несложным. На видео можно увидеть, как выполняется эта процедура.

При этом сама по себе отпадает задача: чем сверлить брус под шканты. Безусловно, оптимальный вариант – это современная дрель. Намного важнее следить за правильностью обработки отверстия. Угол входа зависит от положения сверла. Оно должно быть строго перпендикулярно самому основанию. Грамотность выполнения данного шага позволит в дальнейшем избежать проблем с монтажом фрагментов. Также стоит помнить, что если шкант будет в брусе расположен чрезвычайно свободно, это лишит конструкцию всех преимуществ такого рода крепежей. Также стоит избегать чрезмерной плотности. Длина нагеля не должна быть и больше установленных размеров. Выступание детали над поверхностью приводит к проблемам в процессе неизбежной усадки конструкции.

Некоторые секреты процедуры

Шкант из дерева, как и металлические версии, ориентирован на соединение 2 бревен или брусов. Именно поэтому существует несколько секретов, как грамотно их крепить. Профессиональная сборка бруса на шканты подразумевает:

соблюдение шахматного чередования, учитывающего периметр сооружения;
оптимальное расстояние между ними в пределах от 1000 до 1500 мм;
грамотное совмещение проемов и чаш примерно в 300 мм;
совпадение степени влажности нагелей с данным параметром самой основы.

На фото видно, как произвести монтаж без ошибок самостоятельно. Те отверстия, которые нужно было предварительно сверлить дрелью, теперь заполняются кнопками-кернами. Именно они необходимы для выполнения разметки на брусе. Если такого специального фрагмента под рукой нет, можно сделать заточку в формате карандаша. Ее диаметр должен соответствовать заготовленному отверстию. Их следует крепить непосредственно в центр основания.

ДЛТ | Ламинированная древесина Dowel

Первая цельнодеревянная панель из массивной древесины в Северной Америке — без клея и гвоздей

Большие возможности с DLT

Первая цельнодеревянная панель из массивной древесины

DowelLam (ламинированная древесина Dowel — DLT Timber) — это первая полностью деревянная панель из массивной древесины в Северной Америке, предоставляющая архитекторам, инженерам и разработчикам большую гибкость при проектировании с использованием массивной древесины.

Наше видение в StructureCraft состоит в том, чтобы помогать архитекторам, разработчикам и владельцам строить красивые и экономичные массивные деревянные конструкции и здания из лучших доступных материалов. Запуск этого нового продукта помогает поддержать наше видение увеличения использования древесины в строительстве.

Будущее инженерной древесины

Почему архитекторы и строители любят DLT

DowellLam — это массивный деревянный продукт, который можно использовать для полов, стен и конструкций крыши.

Гибкость профиля

Широкий выбор профилей поверхности может быть недорого интегрирован в нижнюю поверхность панели
Акустический профиль позволяет снизить уровень шума, сохраняя при этом древесину открытой
Панель с точными размерами благодаря строганию панели и обработке на станках с ЧПУ

Структурная эффективность

Более высокая структурная эффективность для односторонних пролетов, чем CLT — все древесные волокна направляются в направлении основного пролета
Одинарные пролеты до 60 футов для крыш, 32 фута для полов. Поперечные (слабая ось) пролеты до 4 футов возможны с винтовым армированием или больше с конструкционным армированием
DLT квалифицируется как элемент из тяжелой древесины в соответствии со строительными нормами США и Канады и, таким образом, соответствует требованиям огнестойкости для зданий из тяжелой древесины 9.0031

All Wood

DowelLam – это изделие из цельнодеревянного массива
Панели DowelLam не требуют гвоздей или металлических креплений и могут быть легко обработаны с помощью станков с ЧПУ, что позволяет вносить изменения на месте

Экономичный

DowelLam дешевле в производстве, чем другие клееные изделия, такие как кросс-ламинированная древесина (CLT), и будет продаваться по более низкой цене. Некоторые из факторов, способствующих этому ценовому преимуществу , включают:

Более низкие производственные затраты — благодаря высокой скорости производства и отсутствию необходимости склеивания и связанного с этим времени отверждения
Меньший объем материала благодаря эффективности конструкции
Сокращение трудозатрат на месте по сравнению с предварительным производством
Сокращение времени установки с помощью «комплекта деталей»

Загрузки

Мы рады поделиться обновленным опубликованным Руководством по проектированию и профилированию клееной древесины с дюбелями (обновлено в июне 2021 г. ).

В связи с растущим спросом на массивную древесину Dowel Laminated Timber (DLT) в наших недавних проектах, мы пересмотрели и улучшили это руководство, чтобы помочь в процессе проектирования вашего проекта. Руководство по проектированию и профилям DLT содержит полезную информацию для проектировщиков, включая таблицы пролетов, сведения о соединениях, доступные профили и структурные свойства.

DowelLam™ — DLT

Руководство по проектированию и профилированию DLT/DowelLam

Загрузите последнюю версию Руководства по проектированию и профилированию DLT/DowelLam.

E119 / S101 Отчет о двухчасовых огневых испытаниях

Отдел противопожарных технологий Юго-Западного научно-исследовательского института (SwRI), расположенный в Сан-Антонио, штат Техас, провел испытание на огнестойкость клееной древесины с дюбелями (DLT) компании StructureCraft.

Отчет об испытаниях E84 для DFir DLT — класс A

Испытания в соответствии со стандартным методом испытаний ASTM E84-20 для характеристик поверхностного горения строительных материалов на древесине Дугласовой пихты DowelLam DLT компании StructureCraft.

Оценка ICC для DLT/DowelLam

Опубликованный отчет ICC-ES демонстрирует соответствие продукта StructureCraft DLT требованиям Международного строительного кодекса (а также IRC, CBC и LABC).

Экологическая декларация продукта

DLT EPD (Экологическая декларация продукта), составленная Институтом устойчивых материалов Athena с проверкой ASTM третьей стороной.

E84 Отчет об испытаниях SPF DLT — класс B

Испытания в соответствии со стандартным методом испытаний ASTM E84-20 для характеристик поверхностного горения строительных материалов на древесине StructureCraft SPF DowelLam DLT.

Избранные проекты DLT

За последние несколько лет StructureCraft спроектировала и построила более 1 миллиона квадратных футов массивных деревянных зданий с использованием клееной древесины Dowel (DLT). Клиенты ценят простоту, качество, эстетику и экономичность DLT. Ниже приведены несколько громких проектов из массивной древесины, построенных с использованием технологии DLT.

Сото

6-этажный коммерческий офис из массивной древесины площадью 120 000 кв. футов
5 этажей деревянной конструкции над 1 этажом из бетона

111 East Grand

Первое офисное здание DLT в Северной Америке
4-этажное офисное здание из массивного дерева площадью 65 000 кв. футов

Т3 Атланта

7-этажное офисное здание из массивной древесины площадью 205 000 кв. футов
Гравитационная система состоит из DLT панелей пола и крыши

Музей изящных искусств Хьюстона

Первый проект DLT, построенный в Северной Америке
Деревянная конструкция состоит из кровельных панелей DLT на стойке из клееного бруса и несущей конструкции из балок. В панелях DLT используется профиль архитектурного пропила на открытой нижней поверхности, который обеспечивает чистое раскрытие тени на каждой панели.

Крупнейшая в мире автоматизированная линия по производству массивной древесины с DLT

Полностью автоматизированная линия по производству массивной древесины с DLT

Изготовлено на заводе StructureCraft площадью 50 000 кв.

футов
Линия для массового производства пиломатериалов StructureCraft DLT полностью автоматизирована и имеет высокую производительность, с использованием новейших европейских технологий и оборудования для оптимизации, сращивания, формовки, механической обработки и покрытия.
Производственный процесс набивки не требует времени на отверждение клея или пресса, в результате чего производство панелей происходит быстрее, чем аналогичные клеевые изделия, такие как CLT или GLT. Линия StructureCraft DLT имеет пропускную способность выше, чем у большинства североамериканских производителей CLT.
Год исследований и разработок. Созданная по индивидуальному заказу машина StructureCraft DLT стала самой большой и быстрой в мире.
Полностью автоматизированный процесс загрузки и прессования означает, что панель может быть изготовлена быстро, что приводит к более низкой стоимости панели по сравнению с другими массивными деревянными панелями.
Полностью автоматизированное производство массивной древесины с DLT
Полностью автоматизированное производство массивной древесины с DLT
Процесс производства DLT
После тщательной сортировки пиломатериалы структурно соединяются шипами, проходят через формовочную машину и ламинируются в большие панели DLT. Каждая панель обрабатывается на станке с ЧПУ и проверяется на соответствие строгим стандартам контроля качества, затем предварительно устанавливается обшивка, а открытые поверхности обрабатываются на автоматизированной линии покрытия. Панели укладываются на грузовики в порядке установки и доставляются на объект для своевременной доставки.
За последние несколько лет StructureCraft спроектировала и построила более 1 миллиона квадратных футов массивных деревянных зданий. Клиенты ценят простоту, качество, эстетику и экономичность DLT как массового продукта из древесины, который в значительной степени способствует созданию эффективных систем перекрытий и крыш.
Загрузить руководство по проектированию и профилю

Свяжитесь с нами, чтобы узнать о клееной древесине с дюбелями (DLT)
Свяжитесь с нами
Соединения на дюбелях в деревянных конструкциях
Соединения на дюбелях являются одним из наиболее распространенных соединителей. В основном они состоят из одного или нескольких цилиндрических стальных дюбелей, вставленных в соосные отверстия различных элементов. Дюбели передают нагрузки между элементами, подвергаясь противоположным сжимающим усилиям в зоне контакта с каждым элементом. Это заставляет дюбели работать под действием изгибающих моментов и поперечных сил. Существует почти бесконечное количество возможных конфигураций шпунтовых соединений.
1. Введение
Древесина использовалась в качестве строительного материала на протяжении тысячелетий, вплоть до двадцатого века, когда ее значение в этой области уступило место появлению и развитию других материалов, таких как сталь и бетон. Тем не менее, достижения в области новых и более прочных древесных материалов, характеризующихся экологическими преимуществами, повышенной прочностью и стойкостью к агрессивным средам, а также сейсмостойкостью ^[1], возродили интерес к строительству деревянных конструкций, количество которых определенно возросло.
Одним из наиболее широко используемых продуктов на основе древесины является конструкционная клееная древесина. Он образуется путем склеивания нескольких слоев древесины, расположенных в направлении волокон ^[2] . Склеивание выполняется клеями, такими как полиуретан, и формируется в процессе прессования, описанном в стандарте ^[3] . В соответствии со стандартами ^[4] породами древесины, пригодными для изготовления конструкционного клееного бруса, являются ель европейская (Picea abies) ^[5] ^[6] , пихта белая (Abies alba) ^[7] , сосна обыкновенная (Pinus sylvestris) ^[8] , сосна орегонская (Pseudotsuga menziesii), сосна черная (Pinus nigra), лиственница европейская (Larix decidua) , сосна приморская (Pinus pinaster) ^[9] , тополь (Populus robusta, Populus alba), сосна лучистая (Pinus radiata) ^[10] , ель ситкинская (Picea sitchensis), тсуга гетерофилла (Tsuga heterophylla) ^{[11 ]}, западный красный кедр (Thuja plicata) и желтый кедр (Chamaecyparis nootkatensis).
Как и в случае других видов конструкций, соединения деревянных конструкций всегда являются одним из самых слабых мест ^[12] . Действительно, прочность соединений обычно определяет несущую способность всей конструкции, поэтому понимание их механического поведения является вопросом первостепенной важности для проектировщиков и инженеров-конструкторов, чтобы улучшить их конструктивные возможности и не допустить ограничения ими прочности. прочность конструкции ^[13] ^[14] .
Среди всех возможных видов соединений, используемых в деревянных конструкциях, соединения на дюбелях являются одним из наиболее распространенных соединителей ^[15] . В основном они состоят из одного или нескольких цилиндрических стальных дюбелей, вставленных в соосные отверстия различных элементов. Дюбели передают нагрузки между элементами, подвергаясь противоположным сжимающим усилиям в зоне контакта с каждым элементом. Это заставляет дюбели работать под действием изгибающих моментов и поперечных сил. Существует почти бесконечное количество возможных конфигураций шпунтовых соединений. Например, они могут соединять два, три и более бруса ^[16] или даже стальные элементы ^[17] ^[18] . Можно использовать не только одиночный дюбель, но также и комбинацию дюбелей, расположенных в ряд или в матричном распределении ^[19] . Дюбели могут работать в одинарном или двойном сдвиге. Наконец, действие штифта можно усилить с помощью различных технологий: клея ^[20] ^[21], разрезных колец или соединителей с противорезными пластинами ^[22]. Другой формой армирования является расширительный комплект, который представляет особый интерес в качестве предмета для изучения из-за его интенсивного использования и высокой эффективности при работе со сталью и бетоном ^[23] ^[24] ^[25] , два других основных материала, используемых для больших конструкций. В частности, в бетоне расширительные швы стали усовершенствованием, когда они были преобразованы в сборные комплекты, которые имеют много преимуществ ^[26] ^[27]: они позволяют быстро и легко монтировать в строительстве, снижают затраты на ремонт, устраняют необходимость в восстановительных работах. или корректировки «на месте» в стыке и предлагают постоянное решение и, в некоторых случаях, могут использоваться повторно. В деревянных конструкциях была исследована система расширения в дюбелях, образованных полыми стальными трубками, растянутыми за счет сжатия концов труб ^[28] .
Таким образом, разумно предположить, что контролируемое расширение массивного дюбеля в деревянном соединении может также обеспечить ряд преимуществ ^[28]: увеличение несущей способности соединения, снижение проскальзывания соединения, тем самым увеличивая его жесткости, а также улучшения распределения напряжений в деревянных деталях вдоль отверстия, в котором находится шпонка.
2. Модель конечных элементов
Модель конечных элементов была подготовлена в соответствии с геометрией, материалами и нагрузками, описанными в предыдущем разделе. Модель была построена с использованием комбинации восьми-, шести- и четырехузловых объемных элементов (называемых C3D8, C3D8 и C3D4 соответственно в Abaqus). Модель имеет 5820 элементов и 8952 узла. Модель также имеет пять частей: стержень, втулку, блок, центральную и боковые части. Был проведен нелинейный анализ, чтобы учесть эволюцию контакта между втулкой и деревянными частями и упругопластическое механическое поведение обоих материалов, дерева и стали. На рис. 1 показана полная модель, только четверть которой была построена сеткой благодаря наличию двух перпендикулярных плоскостей симметрии.
Рис. 1. Конечно-элементная модель.
Поскольку разработка конечно-элементной модели требует точного указания направлений, определяющих ортотропное поведение древесины, необходимо учитывать различные локальные системы координат, адаптированные к направлению волокон в каждой из деревянных частей модели. На рисунке 1 показаны используемые системы координат: глобальная (G), по три для каждой из трех деревянных частей, центральная, боковая и блочная части, обозначенные как C, L и B соответственно, и цилиндрическая для изучения деформации и напряжения в штифте (D).
2.1. Контактная зона
Зона контакта моделировалась по так называемой жесткой постановке. В контактных моделях МКЭ алгоритм, управляющий возможным контактом между парой тел, требует, чтобы часть поверхности одного из тел была определена как главная поверхность, а соответствующая поверхность другого тела — как подчиненная поверхность. Алгоритм предотвращает проникновение узлов ведомой поверхности на ведущую поверхность ^[15] . Кроме того, он определяет передачу усилия между узлами, когда узел ведомой поверхности контактирует с гранями, построенными с узлами главной поверхности. Эта сила следует ступенчатой функции, которая идет от нуля до контакта до требуемого значения после обнаружения контакта. Тщательный выбор типа и размера сетки необходим для получения точных результатов контакта.
2.2. Модели поведения стали и древесины
Сталь
моделировалась как однородный изотропный материал с трехмерным упругопластическим поведением, описываемым критерием фон Мизеса ^[29] , с учетом эффективной кривой напряжения-деформации с упрощенной трехлинейной формой ^[30] (симметричной при растяжении и сжатии) , со значениями, полученными по результатам одноосных испытаний, как видно на рис. 2 а. Пока эффективное напряжение ниже предела текучести f _y ведет себя как линейно-упругий; далее пластическое течение с изотропным упрочнением развивается до достижения предела прочности f _u, после чего его поведение становится совершенно пластическим.
Рисунок 2. Одноосные модели механического поведения, используемые для: ( a ) стали и ( b ) древесины.
Механическое поведение древесины особенно трудно смоделировать из-за ее анизотропии, которая подразумевает разные модули упругости и прочности в разных направлениях по отношению к направлению волокон ^[31] ^[32] ^[33] ; кроме того, значения последних характеристик изменяются в зависимости от того, приложены ли к нему сжимающие или растягивающие усилия. Эта асимметрия прочности является результатом различных микроскопических механизмов, действующих на древесину: при растяжении происходит разрушение ^[34] и выпучивание при сжатии в направлении волокон, а при растяжении происходит разделение волокон ^[35] и раздавливание. при сжатии происходит в направлении, перпендикулярном зерну ^[36] .
На рис. 2 б показаны рассмотренные в данной работе упрощенные кривые напряжения-деформации, полученные по значениям, указанным в Таблице 1 , для одноосного поведения древесины в направлении волокон и перпендикулярно к ним. Можно наблюдать разные значения прочности на обеих кривых и между ветвями растяжения или сжатия каждой из них, а также разные наклоны линейных упругих участков. В качестве приближения и после преодоления соответствующих сил предполагается идеально пластическое поведение. Это приводит к большим пластическим деформациям при малых увеличениях напряжения.
Для трехмерного моделирования механического поведения древесины особенно важно выбрать правильную модель, включающую различные значения механических свойств при растяжении или сжатии. Наибольшее распространение получили ортотропные упругопластические модели, основанные на критерии Хилла ^[33] . Однако, поскольку теория Хилла рассматривает симметричное поведение при растяжении и сжатии, необходимо обобщить ее, включив в нее различные характеристики древесины в зависимости от типа действующего на нее усилия.
2.3. Подпрограмма пользовательского материала для Timber
Библиотеки материалов коммерческих программ конечных элементов включают упругопластическую изотропную модель фон Мизеса, обычно наряду с моделью Хилла для ортотропного поведения (например, в программе Abaqus, используемой в этой работе, последняя называется Hill48), но они не включают ортотропные модели. которые учитывают разную прочность на растяжение и сжатие. Однако для большинства из них могут быть разработаны специальные модели поведения с использованием дополнительных процедур 9.0210 [37] ^[38] . В Abaqus это делается с помощью пользовательских подпрограмм, называемых UMAT, запрограммированных на FORTRAN.
Поэтому для описания сложного механического поведения древесины потребовалась разработка специальной подпрограммы UMAT, которая содержит программирование пошаговой формулировки упругопластической модели Хилла (выполняется по шагам, указанным некоторыми авторами ^[39] ), но комплектуется для использования прочности на растяжение или сжатие в зависимости от того, как материал работает в анализируемой точке ^[40] . Чтобы определить, как это работает, рассчитываются безразмерные отношения между напряжениями и силами в трех ортотропных направлениях с учетом прочности на растяжение, если напряжение положительное, и прочности на сжатие в противном случае. В последующем определяют наибольшее отношение по абсолютной величине и, если оно положительное, считают, что точка работает преимущественно на растяжение; в противном случае он работает на сжатие.
Подпрограмма включает три основных этапа, необходимых для определения трехмерного упругопластического механического поведения: закон упругости Гука для ортотропных материалов, критерий текучести Хилла для определения наличия пластической деформации и связанное с ним правило потока для определения пластического поведения ^[41] . Для каждого приращения деформации Abaqus использует подпрограмму в каждой точке интегрирования для получения окончательных значений напряжений и деформаций после окончания такого приращения. На рис. 3 показана блок-схема подпрограммы. Во-первых, он определяет, работает ли точка на растяжение или на сжатие, вычисляя константы Хилла с соответствующими значениями прочности. Затем предполагается, что приращение деформации является упругим (предиктор эластичности), и применяется критерий текучести; если критерий не выполнен, приращение подтверждается как эластичное и подпрограмма завершается; в противном случае напряжения, а также упругие и пластические деформации получают путем выполнения расчета на основе правила течения (корректор пластичности).
Рис. 3. Блок-схема подпрограммы, разработанной для моделирования механического поведения древесины.
2.4. Расширение дюбеля
После опробования различных способов моделирования эффекта, производимого комплектом расширения, процедура, которая, как представляется, имеет больше преимуществ, основана на использовании того факта, что программы конечных элементов четко определяют механизм теплового расширения, который можно использовать для моделирования механического один спровоцирован экспансивным комплектом.