Соединения без специальных связей

Соединения без специальных связей

Соединения без специальных связей – раздел Строительство, Современные технологии строительства Конструктивные Врубки(Рис. 1) Соединение В Четве.

Конструктивные врубки(рис. 1)

Соединение в четверть представляет собой сплачивание досок кромками по ширине, для чего в них вырезаются односторонние пазы глубиной несколько большей половины толщины, в которые входят образовавшиеся выступы кромок соседних досок. Сосредоточенные нагрузки в таких обшивках распределяются на две соседние доски.

Соединение в шпунт представляет собой сплачивания досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезаны двусторонние пазы, в другой – один средний паз (шпунт), равный примерно 1/3 толщины, в который входит образовавшийся выступ (гребень) соседней доски. Сосредоточенные нагрузки на них распределяются на ряд соседних досок.

Врубка в полдерева представляет собой соединение концов брусьев или бревен с врезками до половины толщины под углом в одной плоскости, стянутых конструктивным болтом. Так соединяются, например, концы стропильных ног в коньке крыш.

Косой прируб представляет собой продольное сращивание брусьев или бревен концами, в которых сделаны односторонние наклонные врезки длиной, равной удвоенной высоте сечения, с торцами, равными 0,15 высоты сечения. Косые прирубы стягиваются конструктивными болтами и применяются для соединения прогонов и балок по длине.

Лобовые упоры (рис. 2) являются наиболее простыми и надежными соединениями, применяемыми в большинстве видов деревянных конструкций для крепления сжатых стержней. Они работают и рассчитываются на смятие, возникающее в них от действия сжимающих усилий. На растяжение они работать не могут. Лобовые упоры бывают продольными, поперечными и наклонными.

Продольный лобовой упор – это соединение обрезанного под прямым углом конца сжатого стержня с опорой, диафрагмой узла или торца другого такого же стержня в сжатом стыке. В продольном лобовом упоре древесина работает на смятие вдоль волокон и имеет наиболее высокое расчетное сопротивление.

Поперечный лобовой упор – это соединение двух стержней под прямым углом, когда торец сжатого стержня упирается в пласть другого и закрепляется конструктивными накладками на болтах. В этом соединении древесина торца работает на смятие вдоль волокон, а древесина пласти – поперек волокон. Соединение рассчитывается только по меньшей прочности древесины при местном смятии поперек волокон.

Наклонный лобовой упор представляет собой соединение двух сжатых стержней под углом меньше прямого. При этом конец одного из них образуется под прямым углом. В этом соединении площадь, где смятие происходит под углом к волокнам древесины, имеет меньшее сопротивление смятию и должна быть проверена по прочности при общем смятии под углом.

Лобовая врубка с одним зубом является простым в изготовлении соединением двух стержней под углом. Примером лобовой врубки является опорный узел треугольной брусчатой малопролетной фермы (рис. 3). Лобовая врубка работает и рассчитывается на смятие от действия сжимающего усилия во врубаемом стержне N и скалывание от действия горизонтальной проекции этого усилия Т, равного растягивающему усилию в нижнем поясе фермы.

Рисунок 1 – Конструктивные врубки: а – врубка в полдерева; б – косой прируб; в – соединения в четверть; г – соединения в шпунт; 1 – соединяемые элементы; 2 – стяжные болты Рисунок 2 – Лобовые упоры: а – продольные; б – поперечные; в – наклонные; 1 – стяжной болт; 2 – узловое крепление; 3 – опора; 4 -штырь

Рисунок 3 – Лобовая врубка: 1 — аварийный болт; 2 — врубаемый элемент; 3 —опорный элемент; 4 — гвозди; 5 — подбалка; 6 —опорная подкладка

Лобовая врубка с двумя зубьями отличается тем, что сжатый стержень врубается в другой двумя зубьями, в результате чего во врубке образуется две площади смятия и скалывания. Эта врубка является более сложной, трудоемкой и требует повышенной точности изготовления для обеспечения совместной работы всех рабочих площадей.

Соединения с деревянными связями являются трудоемкими и устаревшими соединениями построечного изготовления. Связями служат здесь небольшие деревянные вкладыши. Они плотно вставляются в соответствующие отверстия в соединяемых элементах – бревнах или брусьях – и обеспечивают их совместную работу на изгиб, воспринимая сдвигающие усилия. Соединения бывают на шпонках, пластинках и штырях.

Соединения на шпонках выполняют при помощи брусков – шпонок или колодок, которые работают на смятие и скалывание и создают поперечный распор элементов, воспринимаемый болтами. Соединения на пластинках выполняют при помощи дубовых пластинок (пластинчатых нагелей), которые работают на изгиб и смятие древесины и не создают поперечного распора. Соединения на штырях выполняют при помощи дубовых штырей (дубовых нагелей), которые тоже работают на изгиб и смятие без поперечного распора.

Эти соединения применяются в некоторых временных деревянных конструкциях и гидротехническом строительстве.

Соединения без специальных связей

СОЕДИНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Типы соединений

Размеры лесоматериалов (длина и сечения) ограничены, поэтому отдельно они могут быть применены только в виде стоек и балок невысокой несущей способности. Для создания большинства строительных конструкций деревянные элементы должны быть прочно и надежно соединены между собой. При помощи соединений ряд элементов соединяется по длине — сращивается, по ширине — сплачивается, связывается под углом узлами и прикрепляется к опорам — анкеруется.

Соединения являются наиболее ответственными деталями деревянных конструкций. При изготовлении многих соединений в элементах конструкций делают отверстия и врезки, ослабляющие их сечения и повышающие их деформативность. Разрушение деревянных конструкций начинается в большинстве случаев в соединениях. Деформативностью соединений объясняются повышенные прогибы деревянных конструкций. Таким образом, от правильного решения, расчета и изготовления соединений зависят прочность и деформативность конструкции в целом.

Анизотропия строения, малая прочность древесины при скалывании, растяжении поперек волокон и смятии являются причиной большой сложности и многообразия соединений конструкций из дерева.

Наиболее просто и надежно решаются конструкции соединений сжатых деревянных элементов, в которых усилия передаются непосредственно от элемента, к элементу и не требуется специальных рабочих связей. Более сложно решаются соединения изгибаемых элементов, в которых для передачи усилий требуются рабочие связи.

Наиболее сложно решаются соединения растянутых элементов. В них имеется опасность хрупкого разрушения древесины по ослабленным сечениям, а также в результате скалывания и растяжения поперек волокон. Применение в соединениях растянутых элементов податливо работающих связей уменьшает опасность их хрупкого разрушения. Сложность соединения растянутых деревянных элементов приводит их в ряде конструкций к замене металлическими.

По характеру работы все основные соединения деревянных конструкций могут быть разделены на следующие группы:

а) соединения без специальных связей, требующих расчета, — упоры и врубки;

б) соединения со связями, работающими на сжатие,— шпонками и колодками;

в) соединения со связями, работающими на изгиб, — нагелями-болтами, штырями, гвоздями, винтами, деревянными пластинками и штырями;

г) соединения со связями, работающими на растяжение, — болтами, гвоздями, винтами и хомутами;

д) соединения со связями, работающими на сдвиг, — клеевыми швами.

В связи с тем что одни и те же связи входят в разные группы, удобно изучать соединения деревянных конструкций в следующем порядке: соединения без специальных связей, с деревянными связями, с металлическими связями, с клеевыми связями.

Клеевые соединения, наиболее прогрессивные и технологичные, являются основными соединениями элементов при заводском изго­товлении деревянных конструкций. Соединения, не требующие специальных связей (упоры и врубки), применяются главным образом при построечном, изготовлении деревянных конструкций. Металлические соединения являются универсальными и широко используются при обоих основных методах изготовления деревянных конструкций. Соединения с деревянными связями являются устарелыми типами соединений, требующими значительных затрат ручного труда. Они применяются редко и только при построечном изготовлении деревянных конструкций.

Все соединения деревянных конструкций являются податливыми, за исключением клеевых. Деформации в них образуются в результате неплотностей, возникающих при изготовлении, от усушки и смятия древесины, особенно поперек волокон и изгиба связей. Величина этих деформаций при длительном действии расчетных нагрузок в соединениях, где древесина работает поперек волокон, принимается равной 3 мм, а во всех других случаях— 1,5—2 мм.

В большинстве соединений деревянных конструкций, кроме клеевых, в результате действия сжимающих усилий или начального обжима, например при постановке болтов, возникают между соединяемыми элементами силы трения, которые уменьшают усилия в связях. Однако эти силы в результате возможной знакопеременности усилий, усушки древесины и ослабления начальных натяжений связей могут снизиться до нуля и поэтому расчетом не учитываются. Они учитываются только при кратковременном действии сжатия с коэффициентами трения пласти по пласти 0,2, торца по пласти 0,3 и когда они вызывают дополнительные напряжения с коэффициен­том трения 0,6.

Расчет соединений деревянных конструкций по прочности производят на основе методики, изложенной в гл. 4.

Соединения без специальных связей

Соединения элементов, в которых действуют незначительные усилия или усилия передаются непосредственно от одного элемента к другому, не требуют специальных связей, подлежащих расчету. К таким соединениям относятся конструктивные врубки, лобовые упоры и лобовые врубки.

Конструктивные врубки(рис. 1) являются соединениями, в которых возникают усилия намного меньше их несущей способности, и они не нуждаются в расчете. В деревянных конструкциях наибольшее применение находят конструктивные соединения в четверть, в шпунт, в полдерева и косой прируб.

Рисунок 1 – Конструктивные врубки: а – врубка в полдерева; б – косой прируб; в – соединения в четверть; г – соединения в шпунт; – соединяемые элементы; 2 – стяжные болты

Соединение в четверть представляет собой сплачивание досок кромками по ширине, для чего в них вырезаются односторонние пазы глубиной, несколько большей половины толщины, в которые входят образовавшиеся выступы кромок соседних досок. Обшивки стен из досок, соединенных в четверть, препятствуют продуванию стен и проникновению атмосферных осадков. Сосредоточенные нагрузки в таких обшивках распределяются на две соседние доски.

Рисунок 2 – Лобовые упоры: а – продольные; б – поперечные; в – наклонные; 1 – стяжной болт; 2 – узловое крепление; 3 – опора; 4-штырь

Соединение в шпунт представляет собой сплачивания досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезаны двусторонние пазы, в другой – один средний паз (шпунт), равный примерно Уз толщины, в который входит образовавшийся выступ (гребень) соседней доски. Настилы из досок, соединены в шпунт, препятствуют просыпанию засыпок, и сосредоточенные нагрузки на них распределяются на ряд соседних досок.

Врубка в полдерева представляет собой соединение концов брусьев или бревен с врезками до половины толщины под углом в одной плоскости, стянутых конструктивным болтом. Так соединяются, например, концы стропильных ног в коньке крыш.

Косой прируб представляет собой продольное сращивание брусьев или бревен концами, в которых сделаны односторонние наклонные врезки длиной, равной удвоенной высоте сечения, с торцами, равными 0,15 высоты сечения. Косые прирубы стягиваются конструктивными болтами и применяются для соединения прогонов и балок по длине.

Лобовые упоры (рис. 2) являются наиболее простыми и надежными соединениями, применяемыми в большинстве видов деревянных конструкций для крепления сжатых стержней. Они работают и рассчитываются на смятие, возникающее в них от действия сжимающих усилий. На растяжение они работать не могут. Лобовые упоры бывают продольными, поперечными и наклонными.

Продольный лобовой упор – это соединение обрезанного под прямым углом конца сжатого стержня с опорой, диафрагмой узла или торца другого такого же стержня в сжатом стыке. В стыке упор перекрывается конструктивно двусторонними накладками толщиной не менее 1 /з толщины стержней и длиной не менее трех высот сечений на болтах. В продольном лобовом упоре древесина работает на смятие вдоль волокон и имеет наиболее высокое расчетное сопротивление. В большинстве случаев напряжения смятия достигают значительной величины и требуют проверки по формуле (5.15) только в упорах, где на смятие работает только часть пло­щади торца.

Поперечный лобовой упор – это соединение двух стержней под прямым углом, когда торец сжатого стержня упирается в пласть другого и закрепляется конструктивными накладками на болтах. Так, например, соединяются стойки с верхними и нижними элементами каркаса. В этом соединении древесина торца работает на смятие вдоль волокон, а древесина пласти – поперек волокон. Соединение рассчитывается только по меньшей прочности древесины при местном смятии поперек волокон по формулам (5.13) и (5.15) в порядке.

Наклонный лобовой упор представляет собой соединение двух сжатых стержней под углом меньше прямого. При этом конец одного из них образуется под прямым углом. Так, например, соединяются подкосы с ригелями в подкосных конструкциях. В этом соединении площадь, где смятие происходит под углом к волокнам древесины, имеет меньшее сопротивление смятию и должна быть проверена по прочности при общем смятии под углом по формулам (5.14) и (5.15). Формула (5.14) может быть упрощена путем подстановки значений расчетных сопротивлений смятию вдоль и поперек волокон:

(1)

Лобовая врубка с одним зубом является простым в изготовлении соединением двух стержней углом. Она применяется главным образом для соединения стержней малопролетных дерм и подкосных систем в узлах при их построечном изготовлении, причем один из врубаемый, должен быть обязательно сжат. Примером лобовой врубки является опорный узел треугольной брусчатой малопролетной фермы (рис. 3).

Рисунок 3 – Лобовая врубка: 1 — аварийный болт; 2 — врубаемый элемент; 3 —опорный элемент; 4 — гвозди; 5 — подбалка; 6 —опорная подкладка

Врубаемый стержень верхнего пояса фермы час­тью обрезанного под прямым углом и срезанного снизу конца «зубом» вводится во врезку в стержне нижнего пояса и упирается в ее рабочую поверхность. Узкий

клиновидный зазор исключает нежелательное сжатие нерабочих поверхностей врубки. Глубина врубки hвр должна быть не более 1 /з, а расстояние от ее вершины до конца нижнего пояса lск – не менее 1,5 высоты его сечения h для получения достаточных площадей растяжения и скалывания. Врубка должна быть центрирована по осям опоры, верхнего пояса и ослабленного врубкой сечения нижнего пояса, для того чтобы в этом сечении не возникло кроме растяжения еще и изгиба от эксцентриситета растягивающего усилия. Врубка стягивается дополнительно наклонным болтом, перпендикулярным верхнему поясу и называемым аварийным. Он препятствует расхождению стержней в процессе монтажа фермы в случае возникновения в верхнем поясе растяжения. При разрушении врубки от скалывания аварийный болт включается в работу и предотвращает опасность внезапного обрушения фермы. Опорная подбалка, прибиваемая гвоздями, предохраняет нижний пояс от местного смятия на опоре и необходимости устройства в нем ослабляющей его врезки для шайбы аварийного болта.

Лобовая врубка работает и рассчитывается на смятие от действия сжимающего усилия во врубаемом стержне N и скалывание от действия горизонтальной проекции этого усилия Т, равного растягивающему усилию в нижнем поясе фермы.

Читайте также:  Соединение навеса с домом

Смятие древесины. От действия сжимающего усилия N по площади упора торца сжатого стержня в рабочую поверхность врезки растянутого возникают равномерные напряжения смятия . Площадь смятия F определяют в зависимости от глубины врубки hвр, угла наклона сжатого стержня а и ширины врубки b, которая в брусьях равна ширине сечения, а в бревнах диаметром d находят из выражения . Соответственно площадь смятия равна во врубках брусьев ; во врубках бревен .

Расчет производят по прочности рабочей площади врезки при местном смятии под углом к волокнам растянутого стержня . Расчетное сопротивление местному смятию под углом к волокнам ввиду малой длины площади смятия и значительного поддерживающего действия соседних участков древесины определяют по формуле (5.14) с учетом повышенного коэффициента условий работы :

(2)

Проверку прочности лобовой врубки при местном смятии производят по формуле (5.15). По этой же формуле, переписанной относительно сжимающего усилия N, определяют несущую способность врубки по смятию древесины.

Скалывание древесины. От действия скалывающих усилий Т вдоль волокон древесины по площади скалывания F равной “произведению ширины врубки b на длину скалывания lск возникают скалывающие напряжения . Длина площади скалывания lск равна расстоянию от нижней точки врубки до конца растянутого стержня, но учитывается не более длины, равной 10 глубинам врубки hвр (см. гл. 5).

Напряжения скалывания распределяются по длине площади скалывания особенно неравномерно, так как силы скалывания действуют с одной стороны от площади скалывания и достигают максимума близ врубки. Напряжения же отрыва здесь несколько снижаются в результате прижима, создаваемого вертикальной составляющей усилия сжатия.

Расчет производят по прочности при скалывании по средним значениям скалывающих напряжений. Расчетное среднее сопротивление скалыванию определяют по формуле (5.17), где принимается коэффициент , а плечо пары сил скалывания . При учете длины площади скалывания, равной не более двойной высоты сечения растянутого стержня, разрешается принимать расчетное среднее сопротивление скалыванию равным Лобовую врубку проверяют по прочности на скалывание по формуле (5.18). По этой же формуле, но относительно скалывающих усилий Т можно определить несущую способность врубки по скалыванию.

Лобовая врубка с двумя зубьями отличается тем, что сжатый стержень врубается в другой двумя зубьями, в результате чего во врубке образуется две площади смятия и скалывания. Эта врубка является более сложной, трудоемкой и требует повышенной точности изготовления для обеспечения совместной работы всех рабочих площадей. Такая врубка применяется в некоторых случаях для соединения стержней под углом 45° и более.

Соединения с деревянными связями являются трудоемкими и устаревшими соединениями построечного изготовления. Связями служат здесь небольшие деревянные вкладыши. Они плотно вставляются в соответствующие отверстия в соединяемых элементах – бревнах или брусьях – и обеспечивают их совместную работу на изгиб, воспринимая сдвигающие усилия. Соединения бывают на шпонках, пластинках и штырях.

Соединения на шпонках выполняют при помощи брусков – шпонок или колодок, которые работают на смятие и скалывание и создают поперечный распор элементов, воспринимаемый болтами. Соединения на пластинках выполняют при помощи дубовых пластинок (пластинчатых нагелей), которые работают на изгиб и смятие древесины и не создают поперечного распора. Соединения на штырях выполняют при помощи дубовых штырей (дубовых нагелей), которые тоже работают на изгиб и смятие без поперечного распора.

Эти соединения применяются в некоторых временных деревянных конструкциях и гидротехническом строительстве.

Дата добавления: 2017-01-16 ; просмотров: 1520 ;

Лекция 15 Соединения деревянных конструкций.

Размеры лесоматериалов (длина и сечения) ограничены, поэтому отдельно они могут быть применены только в виде стоек и балок невысокой несущей способности. Для создания большинства строительных конструкций деревянные элементы должны быть прочно и надежно соединены между собой. При помощи соединений ряд элементов соединяется по длине — сращивается, по ширине — сплачивается, связывается под углом узлами и прикрепляется к опорам — анкеруется.

Соединения являются наиболее ответственными деталями деревянных конструкций. При изготовлении многих соединений в элементах конструкций делают отверстия и врезки, ослабляющие их сечения

По характеру работы все основные соединения деревянных конструкций могут быть разделены на следующие группы:

а) соединения без специальных связей, требующих расчета, — упоры и врубки;

б) соединения со связями, работающими на сжатие,— шпонками и колодками;

в) соединения со связями, работающими на изгиб, — нагелями-болтами, штырями, гвоздями, винтами, деревянными пластинками и штырями;

г) соединения со связями, работающими на растяжение, — болтами, гвоздями, винтами и хомутами;

д) соединения со связями, работающими на сдвиг, — клеевыми швами.

В связи с тем, что одни и те же связи входят в разные группы, удобно изучать соединения деревянных конструкций в следующем порядке: соединения без специальных связей, с деревянными связями, с металлическими связями, с клеевыми связями.

Клеевые соединения, наиболее прогрессивные и технологичные, являются основными соединениями элементов при заводском изго­товлении деревянных конструкций. Соединения, не требующие специальных связей (упоры и врубки), применяются главным образом при построечном, изготовлении деревянных конструкций. Металлические соединения являются универсальными и широко используются при обоих основных методах изготовления деревянных конструкций. Соединения с деревянными связями являются устарелыми типами соединений, требующими значительных затрат ручного труда. Они применяются редко и только при построечном изготовлении деревянных конструкций.

Соединения элементов, в которых действуют незначительные усилия или усилия передаются непосредственно от одного элемента к другому, не требуют специальных связей, подлежащих расчету. К таким соединениям относятся конструктивные врубки, лобовые упоры и лобовые врубки.

Конструктивные врубки(рис. 1) являются соединениями, в которых возникают усилия намного меньше их несущей способности, и они не нуждаются в расчете. В деревянных конструкциях наибольшее применение находят конструктивные соединения в четверть, в шпунт, в полдерева и косой прируб.

Конструктивные врубки: а – врубка в полдерева; б – косой прируб; в – соединения в четверть; г – соединения в шпунт; – соединяемые элементы; 2 – стяжные болты

Соединение в четверть представляет собой сплачивание досок кромками по ширине, для чего в них вырезаются односторонние пазы глубиной, несколько большей половины толщины, в которые входят образовавшиеся выступы кромок соседних досок. Обшивки стен из досок, соединенных в четверть, препятствуют продуванию стен и проникновению атмосферных осадков. Сосредоточенные нагрузки в таких обшивках распределяются на две соседние доски.

Соединение в шпунт представляет собой сплачивания досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезаны двусторонние пазы, в другой – один средний паз (шпунт), равный примерно 1/3 толщины, в который входит образовавшийся выступ (гребень) соседней доски. Настилы из досок, соединены в шпунт, препятствуют просыпанию засыпок, и сосредоточенные нагрузки на них распределяются на ряд соседних досок.

Врубка в полдерева представляет собой соединение концов брусьев или бревен с врезками до половины толщины под углом в одной плоскости, стянутых конструктивным болтом. Так соединяются, например, концы стропильных ног в коньке крыш.

Косой прируб представляет собой продольное сращивание брусьев или бревен концами, в которых сделаны односторонние наклонные врезки длиной, равной удвоенной высоте сечения, с торцами, равными 0,15 высоты сечения. Косые прирубы стягиваются конструктивными болтами и применяются для соединения прогонов и балок по длине.

Соединения с изгибаемыми болтами (рис. 6.5) относятся к классу нагельных, в которых связи, в данном случае болты, работают главным образом на изгиб. Эти соединения широко применяются в стыках и узлах деревянных конструкций, препятствуя взаимным сдвигам соединяемых элементов.

Рис. 6.5. Изгибаемые болты: a – схемы расстановки; б – расчетные схемы; в – схема работы; 1 – прямая расстановка; 2 – шахматная; 3 – в стальных накладках; 4 – в соединениях под углом; 5 – симметричная двухсрезная схема; 6 – несимметричная односрезная; 7 двухсрезная – со стальными накладками; 8 – условные эпюры напряжений смятия

Расстановку болтов в соединении производят по правилам, исключающим опасность преждевременного разрушения древесины элементов от скалывания и растяжения поперек волокон. Расстояние между осями болтов вдоль волокон и до торцов элементов должно быть не меньше 7d, а поперек волокон между осями — 3,5 d и до кромок — 3 d.

Гвоздевые соединения. Гвозди изготовляют из холод­нотянутой проволоки в соответствии с ГОСТ 4028—63. Острие гвоздя имеет четырехгранную форму и длину, равную полутора диаметрам. Круглая шляпка имеет диаметр, равный двум диаметрам гвоздя. Наибольшее применение в, деревянныхконструкциях находят гвозди диаметром 3, 4, 5 и 6 мм г и длиной соответственно 80, 100, 150 и 200 мм. Гвозди забивают в цельную древесину ударами ручного или пневматического молотка. Гвоздевые соединения являются простыми и общедоступными, но трудоемкими и применяются главным образом при построечном изготовлении дощатых деревянных конструкций.

Гвоздь при забивке частично разрывает, а частично раздвигает волокна древесины, образуя в ней отверстие с уплотненными стенками. Благодаря этому он прочно зажимается в древесине и хорошо сопротивляется выдергиванию, однако по этой же причине в ней возникают дополнительные усилия растяжения поперек волокон. Кроме того, малая изгибная жесткость гвоздей приводит к по­вышенной ползучести гвоздевых соединений. Расхождению соединений препятствуют стяжные болты.

Правила расстановки гвоздей в соединениях исключают опасность преждевременного скалывания и раскалывания соединяемых элементов, которая повышается по мере уменьшения их толщины.

Поэтому диаметр гвоздей должен быть не более 1 /4 толщины эле­ментов.

Расстояния между гвоздями диаметром d вдоль волокон соединяемых элементов должны быть не менее: от торцов—15d, между осями в элементах толщиной, равной и большей 10d,— 15d, между осями в элементах толщиной, равной 4d,25d, а в элементах промежуточной толщины принимают по интерполяции.

Расстояния между гвоздями поперек волокон и до кромок элементов должны быть при прямой расстановке не менее 4d, а при расстановках шахматной и косыми рядами — не менее 3d.

Нагели за исключение гвоздей диаметром до 6 мм ставятся в заранее просверленные отверстия диаметром на 0,2 – 0,5 мм меньше диаметра нагеля.

Соединения с винтами. Винты представляют собой стандартизованные стальные изделия и состоят из головки, ненарезанной и нарезанной частей. Их диаметр d измеряют по ненарезанной части. Винты диаметром меньше 12 мм называют шурупами. Они имеют сферические или плоские головки с прорезями для завертывания их отверткой. Винты диаметром 12 мм и более называют глухарями, которые имеют шестигранные или квадратные головки для завертывания их ключом.

Винты применяют для крепления стальных накладок и деталей к деревянным элементам в узлах конструкций. Они завертываются через отверстия в накладках в отверстия, просверленные в древесине. Диаметр отверстий в древесине должен быть равным 0,8d ненарезанной части винта, для того чтобы нарезка полностью врезалась в древесину.

Винты расставляют в соединениях на больших расстояниях, чем болты. Вдоль волокон между их осями должно быть не менее 10d,а поперек — 5d, поскольку уменьшенный диаметр отверстия вызывает дополнительные напряжения растяжения поперек волокон

Соединения с хомутами относятся к классу соединений с растянутыми связями. Они охватывают поверхности соединяемых элементов и применяются главным образом при построечном изготовлении деревянных конструкций. Хомуты бывают проволочными, полосовыми со стяжными болтами и болтовыми с подкладками из листовой или профильной стали. По форме хомуты бывают круговыми в бревенчатых конструкциях и прямоугольными в конструкциях из пило­материалов. Хомуты работают и рассчитываются на растяжение, а древесина — на местное смятие.

Соединения со скобами относятся к классу конструктивных соединений. Скобы изготовляют из арматурной стали класса A-I диаметром 10—16 мм и имеют П-образную форму с заостренными и зазубренными концами. Они забиваются в цельную древесину и обеспечивают проектное положение соединяемых элементов при построечном изготовлении деревянных конструкций из бревен и брусьев.

Соединения с когтевыми шайбамиотносятся к классу соединений на шайбах шпоночного типа. Они представляют собой стальные пластинки, в которых методом штамповки образованы многочисленные односторонние острия — когти. Шайбы забиваются или впрессовываются с двух сторон в древесину соединяемых элементов. Известны два основных типа когтевых шайб — Леннова и «ГЭНГ-НЕЙЛ». Шайбы Леннова имеют круглую форму и центральное отверстие для болта. При сборке конструкций элементы соединяются стальными накладками, прикрепляемыми к гайкам болтами. Шайбы «ГЭНГ-НЕИЛ» имеют прямо­угольную форму, впрессовываются одновременно в соединяемые элементы при сборке и не требуют стальных накладок и болтов. Острия шайб работают на изгиб, а окружающая древесина — на смятие. Несущую способность шайб определяют экспериментально.

Клеевые соединения применяют для склеивания досок из хвойной древесины толщиной не более 50 мм и влажностью не выше 12%. При нарушении этих ограничений клеевые соединения могут разрушиться от усилий, возникающих в результате коробления досок при высыхании. Для клеевых соединений применяют конструктивные синтетические клеи на основе термореактивных смол. В настоящее время в отечественной практике для склеивания древесины и фан­еры наибольшее применение находят фенолоформальдегид­ный клей КБ-3 и резорциновый клей РФ-12, а для склеивания древесины с металлом — эпоксидный клей ЭПЦ-1.

Стыки досок выполняют как правило зубчатым шипом (а) или соединением на «ус» (б).

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции», М.,

Соединения без специальных связей

Соединения элементов, в которых действуют незначительные усилия или усилия передаются непосредственно от одного элемента к другому, не требуют специальных связей, подлежащих расчету. К таким соединениям относятся конструктивные врубки, лобовые упоры и лобовые врубки.

Конструктивные врубки (рисунок 3.1) являются соединениями, в которых возникают усилия намного меньше их несущей способности, и они не требуют расчета. В деревянных конструкциях наибольшее применение находят конструктивные соединения в четверть, в шпунт, в полдерева и косой прируб.

Соединение в четверть представляет собой сплачивание досок кромками по ширине, для чего в них вырезаются односторонние пазы глубиной, несколько больше половины толщины, в которые входят образовавшиеся выступы кромок соседних досок. Обшивки стен из досок, соединенных в четверть, препятствуют продуванию стен и проникновению атмосферных осадков. Сосредоточенные нагрузки в таких обшивках распределяются на две соседние доски.

Соединение в шпунт представляет собой сплачивания досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезаны двусторонние пазы, в другой – один средний паз (шпунт), равный примерно трети толщины, в который входит образовавшийся выступ (гребень) соседней доски. Настилы из досок, соединенные в шпунт, препятствуют просыпанию засыпок, и сосредоточенные нагрузки на них распределяются на ряд соседних досок.

Врубка в полдерева представляет собой соединение концов брусьев или бревен с врезками до половины толщины под углом в одной плоскости, стянутых конструктивным болтом. Так соединяются, например, концы стропильных ног в коньке крыш.

Рисунок 3.1 – Конструктивные врубки:

Читайте также:  Погреб на болоте

а – врубка в полдерева; б – косой прируб; в – соединения в четверть; г – соединения в шпунт; 1 – соединяемые элементы; 2 – стяжные болты

Рисунок 3.2 – Лобовые упоры:

а – продольные; б – поперечные; в – наклонные;

1 – стяжной болт; 2 – узловое крепление; 3 – опора; 4 – штырь

Косой прируб представляет собой продольное сращивание брусьев или бревен концами, в которых сделаны односторонние наклонные врезки длиной, равной удвоенной высоте сечения, с торцами, равными 0,15 высоты сечения. Косые прирубы стягиваются конструктивными болтами и применяются для соединения прогонов и балок по длине.

Лобовые упоры (рисунок 3.2) являются наиболее простыми и надежными соединениями, применяемыми в большинстве видов деревянных конструкций для крепления сжатых стержней. Они работают и рассчитываются на смятие, возникающее в них от действия сжимающих усилий. На растяжение они работать не могут. Лобовые упоры бывают продольными, поперечными и наклонными.

Продольный лобовой упор – это соединение обрезанного под прямым углом конца сжатого стержня с опорой, диафрагмой узла или торца другого такого же стержня в сжатом стыке. В стыке упор перекрывается конструктивно двусторонними накладками толщиной не менее 1 /з толщины стержней и длиной не менее трех высот сечения и стягивается конструктивными болтами. В продольном лобовом упоре древесина работает на смятие вдоль волокон и имеет наиболее высокое расчетное сопротивление. В большинстве случаев напряжения смятия достигают незначительной величины, и проверка прочности требуется только в упорах, где на смятие работает только часть площади торца элемента.

Поперечный лобовой упор – это соединение двух стержней под прямым углом, когда торец одного сжатого стержня упирается в пласть другого и закрепляется конструктивными накладками на болтах. Так, например, соединяются стойки с верхними и нижними элементами каркаса. В этом соединении древесина торца работает на смятие вдоль волокон, а древесина пласти – поперек волокон. Соединение рассчитывается только по меньшей прочности древесины при местном смятии поперек волокон.

Наклонный лобовой упор представляет собой соединение двух сжатых стержней под углом меньше прямого. При этом торец одного из них может быть перпендикулярным его оси (соединение подкосов с ригелями в подкосных конструкциях) или торцы обоих элементов наклонены к их осям (коньковый узел безраскосных ферм). В соединении площадь, где смятие происходит под углом к волокнам древесины, имеет меньшее сопротивление смятию, чем вдоль волокон и должна быть проверена по прочности на смятие под углом к волокнам.

Лобовая врубка с одним зубом является простым в изготовлении соединением двух стержней под углом. Она применяется главным образом для соединения стержней малопролетных ферм и подкосных систем в узлах при их построечном изготовлении, причем один из них, врубаемый, должен быть обязательно сжат. Примером лобовой врубки является опорный узел треугольной брусчатой малопролетной фермы (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Лобовая врубка:

1 – аварийный болт; 2 – врубаемый элемент; 3 – опорный элемент;

4 – гвозди; 5 – подбалка; 6 – опорная подкладка

Врубаемый стержень верхнего пояса фермы частью обрезанного под прямым углом и срезанного снизу конца «зубом» вводится во врезку в стержне нижнего пояса и упирается в ее рабочую поверхность. Узкий клиновидный зазор исключает нежелательное сжатие нерабочих поверхностей врубки. Глубина врубки hвр в опорных узлах должна быть не более 1 /з высоты сечения нижнего пояса h, а расстояние от ее вершины до конца нижнего пояса lск – не менее 1,5 h для получения достаточных площадей растяжения и скалывания. Врубка должна быть центрирована по осям опоры, верхнего пояса и ослабленного врубкой сечения нижнего пояса, для того чтобы в этом сечении не возникло кроме растяжения еще и изгиба от эксцентричного приложения растягивающего усилия. Врубка стягивается дополнительно наклонным болтом, перпендикулярным верхнему поясу и называемым аварийным. Он препятствует расхождению стержней в процессе монтажа фермы в случае возникновения в верхнем поясе растяжения. При разрушении врубки от скалывания аварийный болт включается в работу и предотвращает опасность внезапного обрушения фермы. Опорная подбалка, прибиваемая гвоздями, предохраняет нижний пояс от местного смятия на опоре и необходимости устройства в нем ослабляющей его врезки для шайбы аварийного болта.

Лобовая врубка работает и рассчитывается на смятие от действия сжимающего усилия во врубаемом стержне N и скалывание от действия горизонтальной проекции этого усилия Т, равного растягивающему усилию в нижнем поясе фермы.

Смятие древесины. От действия сжимающего усилия N по площади упора торца сжатого стержня в рабочую поверхность врезки растянутого возникают равномерные напряжения смятия . Площадь смятия Fсм определяют в зависимости от глубины врубки hвр, угла наклона сжатого стержня и ширины врубки b, которая в брусьях равна ширине сечения, а в бревнах диаметром d находят из выражения . Соответственно площадь смятия равна во врубках брусьев; во врубках бревен.

Расчет производят по прочности рабочей площади врезки при местном смятии под углом к волокнам растянутого стержня . Расчетное сопротивление местному смятию под углом к волокнам для лобовых врубок определяют по формуле (2) примечания 2 к таблице 3 СНиП II-25-80.

Проверку прочности лобовой врубки при местном смятии производят из условия: действующее расчетное усилие N не должно превышать расчетной несущей способности соединения Т =Rсмα Fсм.

Скалывание древесины. От действия скалывающих усилий Т вдоль волокон древесины по площади скалывания Fск, равной произведению ширины врубки b на длину скалывания lск, возникают скалывающие напряжения . Длина площади скалывания lск равна расстоянию от нижней точки врубки до конца растянутого стержня, но в расчет принимается длина не более 10 глубин врубки hвр.

Напряжения скалывания распределяются по длине площади скалывания неравномерно, так как силы скалывания действуют с одной стороны от площади скалывания и достигают максимума около врезки. Напряжения же отрыва здесь несколько снижаются в результате прижима, создаваемого вертикальной составляющей усилия сжатия.

Проверка прочности лобовой врубки из условия скалывания: действующее расчетное усилие N не должно превышать расчетной несущей способности соединения Т =Fск.

Расчетное среднее сопротивление скалыванию определяют по формуле (54) СНиПII-25-80,

где коэффициент , а плечо пары сил скалывания.

Лобовая врубка с двумя зубьями отличается тем, что в сжатом стержне делается две врезки, в результате чего во врубке образуется по две площади смятия и скалывания. Эта врубка является более сложной, трудоемкой и требует повышенной точности изготовления для обеспечения совместной работы всех рабочих площадей. Такая врубка применяется в некоторых случаях для соединения стержней под углом 45° и более.

Соединения с деревянными связями являются трудоемкими и устаревшими соединениями построечного изготовления. Связями служат здесь небольшие деревянные вкладыши. Они плотно вставляются в соответствующие отверстия в соединяемых элементах – бревнах или брусьях – и обеспечивают их совместную работу, воспринимая сдвигающие усилия. Соединения бывают на шпонках, пластинках и штырях.

Соединения на шпонках выполняют при помощи брусков – шпонок или колодок, которые работают на смятие и скалывание и создают поперечный распор элементов, воспринимаемый болтами. Соединения на пластинках выполняют при помощи дубовых пластинок (пластинчатых нагелей), которые работают на изгиб и смятие древесины и не создают поперечного распора. Соединения на штырях выполняют при помощи дубовых штырей (дубовых нагелей), которые тоже работают на изгиб и смятие без поперечного распора.

Эти соединения применяются в некоторых временных деревянных конструкциях.

Основные виды соединений (при сплачивании)

1. Соединения на врубках, работающих без специальных рабочих связей. Соединения безраспорные; требуются лишь вспомогательные поперечные связи (устаревший вид сплачивания)

Рис. 1. Схема соединения на врубках

2. Соединения на шпонках, работающих в основном на сжатие (с), аналогично сжатым раскосам фермы (с). Распор Qшп воспринимается рабочими поперечными связями (р) — болтами, хомутами и т. п., работающими на растяжение аналогично растянутым стойкам фермы (р)

Рис. 2. Схема соединения на шпонках

3. Соединения на нагелях, работающих в основном на изгиб (и), аналогично стойкам (и) безраскосной фермы. Соединения безраспорные, требуются лишь вспомогательные поперечные связи

Рис. 3. Схема соединенияна нагелях

4. Соединения на клею, работающем в основном на сдвиг (τ), аналогично сварному шву в металлических балках. Поперечная связь обычно обеспечивается самим клеевым швом

Рис. 4. Схема соединения на клею

Основные требования к соединениям элементов деревянных конструкций

Способ соединенияэлементов деревянных конструкций оказывает большое влияние на их несущую способность.

Соединение растянутых деревянных элементов, создает наибольшие трудности которые связаны с их местным ослаблением. В ослабленном сечении могут концентрироваться опасные, не учитываемые расчетом, местные напряжения (например, вследствие поперечного изгиба неразрезного растянутого пояса фермы в результате провисания конструкции). Кроме того, в стыковых и узловых соединениях растянутых деревянных элементов наибольшую опасность представляют скалывающие и раскалывающие (местные О) напряжения, особенно в тех случаях, когда они суммируются с напряжениями от усушки.

Скалывание и разрыв вдоль или поперек волокон относят к хрупким видам работы древесины. В древесине не происходит пластического выравнивания напряжений. Для компенсации природной хрупкости древесины используют вязкую податливость работы соединений элементов. Наиболее вязким видом работы является работа древесины на смятие.

Требование вязкости, предъявляемое ко всем видам соединенийэлементов деревянных конструкций, сводится к следующему: обеспечить выравнивание напряжений (усилий) в параллельно работающих брусьях или досках, а также в зубьях, нагелях и т. п. использованием вязкой податливости работы древесины на смятие, до того как произойдет хрупкое разрушение от разрыва или скалывания наиболее напряженного волокна.

Для растянутых элементов деревянных конструкций обеспечения вязкости соединения, осуществляется применением «принцип дробности», который позволяет избежать опасности скалывания древесины путем увеличения числа площадок скалывания.

В качестве примера на рис. 1 приведен результат опытной проверки эффективности использования принципа дробности в соединении на нагелях растянутых досок одинакового сечения. Применение вместо одной сосредоточенно приложенной связи шестнадцати дает увеличение несущей способности дробного соединения и увеличение его вязкости (A16 ≥ A1 в диаграмме работы соединений на рис. 1), измеряемой количеством работы сопротивления A16 ≥ А1.

Эффективность применения принципа дробности объясняется равномерным распределением усилий между многими параллельно работающими связями. Степень равномерности распределения в значительной мере зависит от точности проведения соединения, от начальной плотности прилегания рабочих поверхностей в связях.

Рис. 1. Проявление принципа дробности в работе стыкового соединения растянутых досок (5×12 см)

при замене одного стального нагеля диаметром 2,4 см 16 тонкими нагелями диаметром 0,6 см

Для сжатых элементов вязкость достигается работой древесины на смятие. Сжатый стык реализуемый простым лобовым упором позволяет не опасаться хрупкого разрушения древесины.

Обеспечение плотности соединения путем предотвращения нерабочих, рыхлых деформаций является вторым из основных требований, предъявляемых ко всем видам соединений элементов деревянных конструкций.

6.41. Опирание несущих деревянных конструкций на фундаменты, каменные стены, стальные и железобетонные колонны и другие элементы конструкций из более теплопроводных материалов (при непосредственном их контакте) следует осуществлять через гидроизоляционные прокладки.

Деревянные подкладки (подушки), на которые устанавливаются опорные части несущих конструкций, следует изготовлять из антисептированной древесины преимущественно лиственных пород.

6.42. Металлические накладки в соединениях конструкций, эксплуатируемых в условиях, где возможно выпадение конденсата, должны отделяться от древесины гидроизоляционным слоем.

6.43. Покрытия с деревянными несущими и ограждающими конструкциями следует проектировать, как правило, с наружным отводом воды.

6.44. В ограждающих конструкциях отапливаемых зданий и сооружений должно быть исключено влагонакапливание в процессе эксплуатации. В панелях стен и плитах покрытий следует предусматривать вентиляционные продухи, сообщающиеся с наружным воздухом, а в случаях, предусмотренных теплотехническим расчетом, использовать пароизоляционный слой.

Рулонные и пленочные материалы, используемые в качестве пароизоляции в плитах и панелях стен, у которых обшивки соединены гвоздями или шурупами с деревянными или с клееным каркасом из фанеры или древесины, должны укладываться сплошным непрерывным слоем между каркасом и обшивкой.

В ограждающих конструкциях с соединением обшивок с каркасом на клею следует применять окрасочную или обмазочную пароизоляцию. Швы между панелями и плитами должны быть утеплены и уплотнены герметизирующими материалами.

34 Соединение древесины с помощью наращивания Наращиванием называется соединение брусьев или бревен по вертикальному направлению. Наращивание часто встречается в стройках, сваях и т. д. Наращивание шипом. Этот способ показан на рис. 48 и состоит в том, что один торец бруса обделывается шипом, а в другом выдалбливается соответствующее гнездо. Шип вставляется в гнездо, и таким образом происходит соединение. Шипы бывают круглые, четырехгранные равносторонние и плоские. Они делаются или вырезными, когда шип вырубается из самого бруса, или вставными, тогда в торцах обоих соединяемых брусьев высверливаются или выдалбливаются отверстия, куда и вставляется шип. Наращивание шпунтом. На торце одного бруска во всю толщину его нарубают гребень, а на торце другого вырубают соответствующее гнездо, как показано на рис 49 А. Гребень вводится в гнездо, и торцы плотно пригоняются друг к другу. Иногда гребень и гнездо делаются не во всю титану бруса, а лишь до 2/3 их, тогда получается соединение с боковым шипом. Наращивание в полдерева состоит в том, что сращиваемые брусья срезаются на полдерева, на длине около 1 метра, затем соединяются и обхватываются железными кольцами и хомутами. Такое наращивание часто употребляется в сваях. Наращивание крестообразным шипом показано на рис. 49 Б и состоит в том, что на торце одного бруса нарубается крест, а на торце другого выбирается гнездо. Разметка обоих торцов делается одинаковой. Каждая сторона торца делится на три равные части. Для получения крестового шипа выбираются угловые части бруса, а для получения гнезда — средние. Крестовой шип входит в гнездо, и таким образом производится наращивание двух брусьев. Часто соединяют брусья также с помощью накладок, которые потом стягиваются болтами.

Сращивание древесины

При продольном соединении двух брусьев применяются следующие способы сращивания, или так называемые врубки.
Сращиваниев накладку или в полдерева. Этот способ показан на рис. 42 А — и представляет простейшее соединение двух кусков дерева по длине. Концы брусьев отесывают в полдерева; на длину, равную двойной толщине дерева, накладывают один конец на другой и скрепляют их двумя нагелями (деревянными гвоздями). Нагели располагаются наискось. Такое соединение часто употребляется в бревенчатых стенах и в других случаях, когда давление на бревна производится сверху, но не сбоку.
Косой накладной замок. Сращиваемые части стесываются косо, как показано на рис. 42 Б, — накладываются друг на друга и сколачиваются гвоздями. Это соединение очень непрочно и употребляется большей частью во временных сооружениях.

Читайте также:  Винтовой фундамент

Косой прирубной замок отличается от предыдущего тем, что концы брусьев не скашиваются совсем, а оставляются небольшие упоры, которые не позволяют брусьям скользить. Такое соединение употребляется в перилах и кружалах и показано на рис. 42 В.

Косой зуб показан на рис. 43 А и делается, как косой прирубной замок, только по середине скоса, поперек во всю ширину бруса, зарубается зуб. Этот зуб мешает бревнам разойтись по длине. Такая врубка употребляется в нижних и верхних обвязках бревенчатых стен, в мостах и т. д.

Прямой зуб показан на рис. 43 Б и делается так: конец бруса на длине, равной 2,5 толщины бруса, стесывается на 2/5 его толщины; отесанный конец делится поперек, пополам, и одна половина (внутренняя) стесывается еще на 1/5 толщины бруса. Так же обделывается и другой брус. Эта врубка ясно показана на рис. 43 Б.

Врубка в полдерева с угловым скосом показана на рис. 44 А. Концы дерева стесываются на половину толщины и концы выступов зарубают углом.
Соответственные угловые гнезда срубаются во внутренних выступах. В эти гнезда входят углы, нарубленные на концах брусьев.
Такая врубка хорошо сопротивляется боковому сдвижению.

Врубка в полдерева с шинами похожа на предыдущую, только вместо углов на выступах нарубаются шипы и соответствующие гнезда. Эта врубка показана на рис. 44 Б.

Сквозной сковородень показан на рис. 45. Конец одного бруса обделывается в виде ласточкина хвоста, а в конце другого делается соответствующее гнездо, как это ясно показано на рис. 45. Такая врубка хорошо сопротивляется растягивающим силам. Размеры врубки показаны на рисунке.

Глухой сковородень отличается от сквозного тем, что шип и гнездо делаются не во всю толщину бруса, а лишь до половины, остальная же половина делается в виде обыкновенного сращивания в полдерева.

Двойной сковородень представляет собою ту же врубку, что и врубка в полдерева с шипами (см. выше), но только шипы и гнезда нарубаются не прямые, а в виде ласточкина хвоста.
Все сковородни соединяются вколачиванием натуго одной штуки в другую молотком или топором.

Прямой натяжной зуб показан на рис. 46 и отличается от обыкновенного прямого зуба только тем, что в соединении получается отверстие, в которое молотком загоняется деревянный ключ, имеющий вид немного суживающегося четырехгранного брусочка.
Иногда натяжной зуб делается более сложным, как это видно из рис. 47. Размеры, которые имеет эта врубка, показаны на рисунке.
Вместо прямых натяжных зубов делаются иногда косые натяжные зубы. Они делаются так же, как и простые косые зубы, но только по середине врубки оставляется отверстие, куда заколачивается деревянный ключ, так же. как и в прямом натяжном зубе.
Натяжные зубы употребляются в обвязках построек, в стропилах и в балках мостов.

Последнее изменение этой страницы: 2016-09-19; Нарушение авторского права страницы

Катенаны: соединение молекул
без участия химических связей

Из множества нулей
получаются отличные цепи.
С.Е.Лец

Весь путь развития химии – это разработка способов, позволяющих раскрывать уже существующие химические связи и создавать новые. Накопленный опыт дает возможность химикам поставить перед собой такую задачу, решение которой ранее казалось совершенно недостижимым: соединить две молекулы не химически, а механически, наподобие колец, продетых одно в другое, как в металлических цепочках. Для решения такой задачи одного знания химии было мало, вначале следовало наметить путь, затем разработать план и только после этого приступать к синтезу. Еще до того, как задача была решена, для подобных соединений было выбрано название – катенаны (от латинского слова catena – цепь), именно это слово стоит в заголовке.

Естественно, что вначале стояла цель – соединить таким образом хотя бы два кольца. Проще всего изобразить такую конструкцию на пальцах (рис. 1), но если требуется ее собрать из металлических колец, то необходимо потрудиться: берем одно замкнутое кольцо и в него продеваем разомкнутое, затем разомкнутое кольцо замыкаем, звенья оказываются соединенными (рис. 2).

Рис. 1.
Модель катенана.
Объяснение «на пальцах»

Теперь перейдем к аналогичной химической задаче. Размыкать и замыкать циклические фрагменты химия умеет хорошо, но не существует такого «пинцета», который позволил бы незамкнутую молекулу «просунуть» в замкнутый цикл (второй этап на рис. 2). Для решения проблемы пришлось искать нестандартные пути. Можно считать, что это одна из самых оригинальных и красивых задач химии. Нас прежде всего будет интересовать пространственное решение, поэтому на химической стороне вопроса сосредотачиваться не будем.

Рис. 2.
Металлическая модель «сборки» катенана

Один из способов получения катенанов был подсказан детскими играми и фокусами со склеенными бумажными лентами. Возможно, некоторые из вас делали подобные опыты. Возьмите бумажную ленту длиной приблизительно 50 см и шириной 4–5 см. Склейте ее концы, у вас получится кольцо (вариант А на рис. 3). Теперь разрежьте это кольцо ножницами вдоль по средней линии – она обозначена на рисунке пунктиром. У вас в руках окажутся два разъединенных кольца, что достаточно очевидно и без опыта.

Совсем иной результат получится, если при склеивании ленты один из концов вы предварительно повернете на пол-оборота. Возникнет известная лента Мёбиуса. (Место спирального скручивания равномерно распределится по ленте и будет не так заметно, как это показано на рисунке. Если теперь вы это кольцо разрежете вдоль по средней линии, то результат будет неожиданный – у вас в руках окажется всего одно кольцо, но вдвое большего диаметра (вариант Б на рис. 3).

Теперь проделаем третий опыт, он и приведет нас к решению задачи. Перед склеиванием поверните один из концов ленты на 360° (полный оборот). Если такую ленту разрезать вдоль по всей длине точно посередине, то вы получите два независимых кольца, продетых одно в другое (вариант В на рис. 3). Это и есть катенан.

Рис. 3.
Моделирование получения катенана
из бумаги

Таким образом, мы нашли один из способов решения задачи на молекулярном уровне: необходимо взять длинную молекулу, состоящую из двух цепей, соединенных поперечными сшивками. Внешне она будет напоминать ленту. Такие молекулы существуют, они называются лестничными (рис. 4).

Рис. 4.
Лестничные полимеры:
нужны для создания негорючих материалов

Если действовать по аналогии с бумажной лентой, необходимо химически соединить два конца молекулы, предварительно повернув один из концов на 360°. Следующий этап – расщепление всех поперечных связей – «разрезание» ленты вдоль по всей длине. При этом необходимо, чтобы поперечные связи химически отличались от связей в основной цепи, тогда сами цепи сохранятся. (Показанные на рис. 4 структуры не соответствуют этому требованию и, к сожалению, для решения обсуждаемой задачи не годятся.)

Мы рассмотрели пока только принципиальную возможность решения задачи. До настоящего времени не было сведений о том, чтобы кто-то получил катенаны подобным способом. Впрочем, существуют предположения, что иногда катенаны образуются в небольших количествах случайно, например, при получении полимерных органосилоксанов (–[-R2SiO-]n–) и фосфонитрилхлоридов
(–[-PCl2=N-]n–).

Неудачные попытки

Идея получения катенанов давно привлекала химиков. Известный немецкий химик Р.Вильштеттер обсуждал возможность решения этой задачи на семинарах в период 1900–1912 гг. Российский химик академик И.Л.Кнунянц в 1929–1930 гг. предпринимал попытки получения катенанов, но размеры замыкаемых циклов были слишком малы (8–10 атомов углерода), что, как теперь понятно, не могло привести к успеху.

И вот в феврале 1957 г. появилось сенсационное сообщение немецких химиков А.Колера и Г.Дитриха из г. Тюбингена, которые запатентовали получение катенана, содержащего циклы из 20 атомов углерода. Это сообщение вызвало очень большой интерес, но оказалось, что синтезированный катенан существовал только в воображении авторов работы. Синтез подтвердить не удалось, и патент был признан недействительным.

В 1960–1962 гг. попытку получить катенан предприняли американские химики Э.Вассерман и Г.Фриш. Они использовали длинные углеводородные молекулы (34 атома углерода), содержащие на концах реакционные группы. Их предположение строилось на том, что в процессе циклизации молекулы с определенной вероятностью могут перехлестнуться, образуя катенан. Таким образом, это был синтез не целенаправленный, а вероятностный, т. е. в расчете на то, что возникнет случайный удачный вариант. В результате после многократной очистки авторы получили несколько миллиграммов маслообразного продукта, но подтвердить его строение им не удалось. Постепенно исследователи пришли к мысли, что получить катенан можно только в результате тщательно спланированного целенаправленного синтеза.

Полезное мастерство ремесел

Вероятно, вам доводилось видеть или даже держать в руках особые, довольно редкие произведения народного промысла. Речь идет о цепочках, изготовленных из монолитного материала – дерева или кости (рис. 5). Каждое звено такой цепочки сплошное, оно не размыкается. Как же их изготавливают? Мастер вначале вырезает общие очертания звеньев, а затем аккуратно удаляет материал в том месте, где по замыслу звенья сплетаются. Когда удаляются последние остатки перемычки, связывающей звенья, кольца получают возможность свободно перемещаться одно в другом. Работа поистине ювелирная!

Рис. 5.
Деревянные модели
катенанов

Этот принцип выбрали немецкие химики Г.Шилл и А.Люттрингхаус из г. Фрайбурга, приступая к получению катенанов. Авторы решили сформировать кольца на основе общего центра, а затем удалить перемычки. Вначале нужно было оценить минимальный размер циклов, для которых возможно такое взаимное замыкание. Расчет показал, что циклы должны содержать не менее 20 углеродных атомов, иначе они будут «очень тесные», и кольца не смогут свободно перемещаться.

Сборка катенана была намечена по следующей схеме (рис. 6–9). На первом этапе был создан узел, вокруг которого началось «строительство» катенана, – бензольный цикл с двумя реакционными группами a и c. Кроме них к циклу присоединены два длинных углеводородных «хвоста» с другими реакционными группами – e. Второй реагент – протяженная углеводородная молекула с реакционной группой b в середине цепи и двумя группами d (см. рис. 6) по концам. Химическая природа всех реакционных групп была заранее тщательно продумана, и весь синтез был очень четко спланирован. Вначале реагируют только группы a и b. Протяженная молекула присоединяется к бензольному ядру. При этом было предусмотрено, чтобы она расположилась перпендикулярно плоскости бензольного кольца.

Рис. 6.
Начало «сборки» катенана: волнистыми линиями
показаны углеводородные «хвосты»
с реакционными группами на концах

В полученном соединении группа c была заранее выбрана такая, чтобы на следующем этапе она могла прореагировать одновременно с двумя группами d (благодаря этому оба конца d стягиваются в одну точку, образуя первый цикл будущего катенана) (см. рис. 7).

Рис. 7. Есть первое кольцо!

Эта стадия наиболее изящна по замыслу. Как можно стянуть в одну заранее намеченную точку два длинных углеводородных «хвоста», оставив два других длинных углеводородных «хвоста» незадействованными? Авторы нашли простое химическое решение: группа с – это аминогруппа (NH2), связанная с бензольным ядром, а группы d – атомы хлора на концах углеводородной цепочки. Их взаимодействие и приводит к нужному результату.

На следующем этапе происходит взаимодействие двух групп e, которые находятся на концах двух других удлиненных цепей – «ветвей», присоединенных к бензольному кольцу. «Ветви» имеют такую длину, чтобы реагирующие группы е могли «дотянуться» друг до друга. В итоге образуется второе кольцо катенана (см. рис. 8).

Рис. 8. Замыкание второго кольца

Однако полученные кольца не свободны, они соединены двумя перемычками, которые следует удалить. В итоге получается катенан – два сплетенных кольца, химически не связанных друг с другом (см. рис. 9). В структуру одного из колец входит бензольное ядро как напоминание о «технологии строительства» этой необычной молекулы.

Рис. 9.
Завершение «катенанообразования»:
процесс удаления перемычек показан условно –
двумя рубящими топориками

Мы рассмотрели лишь общую стратегию. Для того чтобы все получилось в реальности, необходимо было умело выбрать все участвующие реагирующие группы. Потребовалось исключительно глубокое знание органической химии. Весь синтез, включая получение исходных продуктов, состоит из более чем 20 стадий. По описанной схеме было получено несколько катенанов. Структура соединения, которое было синтезировано первым (этот синтез Г.Шиллу и А.Люттрингхаусу удалось осуществить в 1964 г.), показана на рис. 10.

Рис. 10. Родоначальник катенанов

Основная часть колец первого катенана набрана из 24 углеродных атомов (группы СН2). К бензольному кольцу присоединены ацетокси-группы, оставшиеся после расщепления перемычек, соединявших кольца на промежуточном этапе.

Авторы не остановились на достигнутом, и по разработанной схеме получили более сложное соединение – три кольцевых молекулы, связанные по типу катенанов.

Несмотря на то, что синтез удалось успешно завершить, общую схему нельзя считать оптимальной. Можно предположить, что группы с, d и е могут реагировать не только внутри одной молекулы, а еще и между соседними молекулами. При таком взаимодействии катенан не возникнет. Это предположение подтверждает эксперимент. В результате подобных побочных процессов и большого числа промежуточных стадий выход нужного соединения – катенана – крайне невелик.

Ближайший родственник катенана

Практически одновременно с синтезом катенана Шиллу удалось осуществить получение еще одного соединения, названного ротаксаном (от лат. rotare – вращать). Это кольцевая молекула, насаженная на «ось» – линейную молекулу, снабженную на концах объемистыми «заглушками». В результате кольцо может перемещаться по оси, вращаться, но не может соскочить с нее. Фактически, это тоже соединение двух молекул, но не химическим способом, а чисто механически.

Сквозь кольцевую молекулу, составленную из 30 атомов углерода, продета линейная молекула гантелеобразной формы, роль концевых «заглушек» исполняют фенильные группы (рис. 11). Получение этого ротаксана проводили приблизительно по той же схеме, что и катенана, только вместо замыкания второго кольца на каждый конец молекулы поместили по три фенильных группы.

Рис. 11. Родственник катенанов – ротаксан

Химию катенанов и ротаксанов принято рассматривать совместно, т.к. логика синтеза этих соединений почти одинакова. Результаты работы Шилла и Люттрингхауса оказались весьма значимыми, поскольку удалось практически показать, что такие молекулы получить возможно. Далее большая армия химиков стала искать более совершенные способы синтеза, и они, разумеется, были найдены. Сегодня исследование катенаноподобных молекул представляет собой самостоятельный, интенсивно развивающийся раздел химической науки.

Л и т е р а т у р а

Г.Шилл. Катенаны, ротаксаны и узлы. Пер. с англ., М., 1973; В.И.Соколов. Введение в теоретическую стереохимию. М.: Наука, 1978.

Ссылка на основную публикацию