Problematyka współczesnych złączy w konstrukcjach drewnianych

STRESZCZENIE

Intensywne zmiany zachodzące w technice połączeń konstrukcji drewnianych oraz ujednolicanie europejskiego rynku w zakresie wyrobów wymagają od inżyniera uważnego śledzenia zmian. Sama znajomość zaleceń Eurokodu 5 nie zawsze jest wystarczająca, na rynku pokazują się nowe łączniki i nowe ich zastosowania, za którymi norma czasem nie nadąża. W artykule podjęto próbę przedstawienia tych zagadnień przede wszystkim dla łączników trzpieniowych (najczęściej występujących na polskim rynku) oraz źródeł pobierania danych przy ich zastosowaniu.

ABSTRACT

The intense changes taking place in the timber structure connection technology and the homogenization of the European market the product-wise require the engineer to carefully monitor the changes. Merely knowing the recommendations of Eurocode 5 does not always suffice; new connectors keep showing up in the market together with their new applications, and the norm is not always able to keep up. The article attempts to present those issues for, above all, dowel type connectors (the most common type seen in the Polish market), as well as the sources of the data collected during their application.

Fot. 1. Węzeł podporowy przekrycia z blachą węzłową (Pejo-Włochy)

Zastosowanie łączników w konstrukcjach drewnianych nie ogranicza się jedynie do kształtowania węzłów, ale pozwala również wzmacniać newralgiczne miejsca, w których naprężenia na docisk (strefa podporowa) lub na rozciąganie w poprzek włókien (strefa kalenicowa dźwigarów dużych rozpiętości) mogą zostać przekroczone.

Patrząc przez pryzmat połączenia, weryfikacja węzła obejmuje m.in. analizę:

• elementów drewnianych – m.in. weryfikacja przekroju netto i ewentualna weryfikacja ścinania blokowego grupy łączników;
• części stalowych – w zależności od rozwiązania należy sprawdzić przekrój netto, ewentualne spawy;
• łączników – głównie dobór łącznika i weryfikacja wg rozdziału 8 w [5], nazywanej w skrócie EC5.

Fot. 2. Wielkość i kształt wybranych łączników trzpieniowych

Łączniki trzpieniowe

W praktyce zawodowej najczęściej spotkamy się z łącznikami trzpieniowymi, które coraz częściej wspomagane są szeroką gamą trójwymiarowych łączników mechanicznych (fot. 1).

Wymagania w zakresie łączników trzpieniowych, dawniej nazywanych sworzniowymi, kształtuje norma [5]. Przyjmuje się, że łącznikami trzpieniowymi do konstrukcji drewnianych są gwoździe, wkręty, sworznie, śruby z nakrętkami oraz zszywki. Podstawą wpuszczenia wyrobu na plac budowy jest posiadanie europejskiej oceny technicznej (ETA dawniej europejska aprobata techniczna). Jest ona przygotowywana zgodnie z postanowieniami rozporządzenia UE (305/2011) na podstawie europejskiego dokumentu oceny (EAD), np. dla wkrętów EAD nr 130118-00-0603 Wkręty do konstrukcji drewnianej. Dla przykładu Wkręty samogwintujące SPAX przeznaczone do użycia w drewnianych elementach konstrukcji posiadają ETA-12/0114 z dnia 12.10.2017. Dokument ten podaje podstawowe parametry techniczne, takie jak wytrzymałość na docisk (f_h,k), charakterystyczny moment uplastycznienia (M_y,k), wytrzymałość na wyciąganie wkręta wkręconego pod kątem a w stosunku do słojów (F_ax,α,Rk) i wiele innych, które wykorzystujemy przy projektowaniu połączenia zgodnie Eurokodem 5 [1]. Większość zależności podanych w EC5 jest identyczna, jednak w kilku sytuacjach odnotowujemy dokładniejsze wskazania niż w ogólnej formule EC5.

Rys. 1. Geometria gwoździ (główka i ostrze) uwzględniana przy liczeniu powierzchni czynnej wg EN 14592:2008+A1:2012

Na przykład moment uplastycznienia dla wkręta wg EC5 (wzór 8.14) wynosi M_y,k = 0,3 f_u d^2,6 lub 0,45 f_u d^2,6 (w zależności od średnicy gładkiej części trzpienia), natomiast ETA-12/0114 podaje następujące zasady: „wkręty SPAX dla 2,5 mm ≤ d ≤ 12,0 mm wykonane ze stali węglowej M_y,k = 0,15 • 600 • d^2,6; pręty gwintowane SPAX M_y,k = 140 000 [Nmm]; wkręty SPAX dla 3,0 mm ≤ d ≤ 12,0 mm wykonane ze stali nierdzewnej M_y,k = 0,15 • 400 • d^2,6″. Ten sam moment uplastycznienia M_y,k wyznaczany na podstawie innej ETA 11/0027 z dnia 16 października 2016 r. dla wkrętów Fischer Power-Fast też nieco się różni: wkręty ze stali węglowej o średnicy 3,0 mm ≤ d ≤ 5,0 mm i 12,0 mm oznaczymy na podstawie M_y,k = 0,15 • 500 • d^2,6 [Nmm]; wkręty ze stali węglowej o średnicy 6,0 mm ≤ d ≤ 10,0 mm – M_y,k = 0,15 • 600 • d^2,6; wkręty ze stali nierdzewnej 3,0 mm ≤ d ≤ 6,0 mm – M_y,k = 0,15 ≤ 350 ≤ d^2,6; wkręty ze stali nierdzewnej d = 8,0 mm – Myk = 0,15 ≤ 400 ≤ d^2,6; gdzie d to zewnętrzna średnica gwintu [mm]. Z czego wynika taka różnica? Odpowiedź tkwi w EAD 130118-00-0603 p. 2.2.2, gdzie M_y,k uzależniono od wyników badań na podstawie EN 409 i obliczeń przeprowadzonych wg EN 14358. Z tego też względu, projektując połączenia, warto uwzględnić konkretny łącznik i związane z nim zależności, wykorzystując bogatą dziś bibliotekę katalogów producenckich i zawarte tam algorytmy. Analizując łączniki trzpieniowe typu gwoździe, wkręty, warto mieć też na uwadze problem wyznaczania czynnej długości pracy trzpienia (t₁ bądź t₂ uwzględniany we wzorach rozdziału 8 – patrz rys. 8.4 EC5). W wielu źródłach, powielając starą normę, ostrze tych łączników przyjmowano 1,5 d. Obecnie należy uwzględnić geometrię łącznika zgodnie z jego stanem faktycznym, np. wg ETA, ponieważ dla niektórych łączników długość ostrza może wynosić nawet 2,5 d (np. dla gwoździ, patrz rys. 2 PN-EN 14592:2008+A1:2012 oraz p. 6.1.3 tej normy).

Rys. 2. Łączniki typu wkładki A1, B1, C5, D1 [2], płytka kolczasta PD12 [6]

Wkładki

Drugą dużą grupą łączników są wkładki (wciskane i wpuszczane), dziś reprezentowane głównie przez płytki kolczaste, pierścienie gładkie i łączniki zębate. Wymagania dotyczące wkładek i pierścieni porządkuje norma [4]. Jednak zasadnicze definicje (oznaczenia, geometria) znajdują się w normie [2]. Ze względu na sporadyczne zastosowanie na naszym rynku na rys. 2 prezentowane są tylko wybrane rozwiązania.

Rys. 3. Łączniki trójwymiarowe reprezentowane w ETAG 015 (elementy zaczerpnięte z katalogu producenta Simpson Strong-Tie [8])

Pozostałe łączniki stalowe – połączenia z wykorzystaniem elementów stalowych

Wraz z rozwojem literatury przedmiotu i norm oraz na podstawie założeń wytycznych ETAG pojęcie „łączniki” zostało poszerzone o trójwymiarowe „okucia” stalowe produkowane jako elementy prefabrykowane. Trójwymiarowe łączniki mechaniczne do konstrukcji drewnianych są opracowywane zgodnie z wytycznymi ETAG015. Zasadniczo są to systemowe „blachy profilowane i perforowane” o grubości ok. 2 mm, za pomocą których przy użyciu wkrętów, gwoździ lub śrub następuje scalenie z elementami drewnianymi. Wytyczne te dotyczą gotowych „okuć”, za pomocą których scalane są elementy drewno – drewno. Obecnie jednak grupa wieszaków została poszerzona o rozwiązania pozwalające łączyć drewno z elementami stalowymi i żelbetowymi. Część tych okuć wytwarzana jest w oparciu o indywidualne blachy węzłowe o grubości kilkunastu czasem kilkudziesięciu milimetrów, są jednak rozwiązania systemowe łączników (wieszaków) pasowanych, np. KNAPP, RothoBlaas.

Zastosowanie blach umożliwia zmniejszenie gabarytu samego połączenia i/ lub zakrycie elementu łączącego, jakim jest blacha, co tworzy również zabezpieczenie przeciwpożarowe. Wykorzystanie blach daje możliwość dość swobodnego kształtowania połączeń w zależności od oczekiwanych rezultatów estetycznych i mechanicznych. Jako łączniki stosuje się głównie śruby i sworznie, czasem wkręty, rzadko gwoździe, jeżeli już to profilowane.

Rys. 4. Wiązar (oprac. autorów)

Używając indywidualnych blach stalowych, należy:

• uwzględnić wszystkie działające na węzeł siły, w tym także moment siły wynikający z układu konstrukcyjnego i/lub mimośrodu połączenia;
• sprawdzić najbardziej prawdopodobne modele zniszczenia z uwzględnieniem zniszczenia blokowego połączenia;
• stosować głównie drewno przetworzone, np. klejone lub KVH, pozwoli to uniknąć sytuacji niekontrolowanych pęknięć wzdłużnych w obrębie łączników, które w zasięgu węzła są niebezpieczne.

Rys. 5. Przykłady wzmocnień łącznikami wg ETA [7]

Rys. 6. Wzmocnienie strefy podporowej łącznikami wg ETA [7]

Łączniki trzpieniowe wykorzystywane do wzmacniania konstrukcji

Analizując aprobaty wkrętów, można się również natknąć na ich zastosowanie w aspekcie wzmocnień charakterystycznych miejsc konstrukcji drewnianych (rys. 5 i 6).

Strefa podporowa i jej wzmocnienie

Drewno, jako materiał anizotropowy, w poprzek włókien wykazuje małe wytrzymałości przy ściskaniu i rozciąganiu, dlatego też kształtując strefę podporową, należy zwrócić uwagę na cechy związane z tym aspektem.

Najczęściej spotykane problemy to:

• zbyt mała powierzchnia oparcia w wyniku czego może dojść do przekroczenia naprężenia na docisk w poprzek włókien, zwłaszcza w elementach dużych rozpiętości ze względu na nierównomierny rozkład naprężeń w wyniku ugięcia i nieznacznego obrotu;
• przekroczone naprężenia na rozciąganie w poprzek włókien w wyniku podcięcia w strefie podporowej;
• wpływ zmiennych warunków pracy drewna w obrębie podpór zewnętrznych – okresowe pęcznienie i wysychanie drewna.

W sytuacji gdy naprężenia na docisk są przekroczone, mamy następujące możliwości projektowe:

• zwiększenie powierzchni docisku – możliwe na wczesnym etapie projektu, jednak ze względów ekonomicznych bywa niemożliwe;
• redystrybucja siły podporowej wzdłuż włókien – zastosowanie przekładki z drewna liściastego lub wklejenie kształtowników stalowych (rys. 7);
• redystrybucja siły podporowej wzdłuż wysokości – zastosowanie wzmocnienia w postaci wkrętów, np. SFS WR-T, ROTHOBLAAS V-GZ – tzw. zbrojenie strefy podporowej obecnie wydaje się najtańsze i najprostsze (rys. 8).

Wielu producentów łączników i rozwiązań systemowych udostępnia narzędzia w postaci oprogramowania ułatwiające analizę tego miejsca (rys. 8).

Rys. 7. Redystrybucja siły podporowej wzdłuż włókien za pomocą podkładki z drewna oraz kształtownika stalowego

Rys. 8. Wizualizacja wzmocnienia podpory z wykorzystaniem oprogramowania MyProject rev.4.20 Rothoblaas

Podsumowanie

Ważnym elementem świadomości projektanta są dziś zmiany, jakie zachodzą w normalizacji wyrobów budowlanych, m.in. łączników, które wpływają na nasze zachowania projektowe. Niestety są one słabo sygnalizowane w polskiej literaturze przedmiotu, dobrze więc jest sięgać po materiały informacyjne producentów.

mgr inż. Tomasz Kochański

dr inż. Dorota Kram

mgr inż. Klaudia Śliwa-Wieczorek

Normy

1. PN-EN 1995-1-1:2010-04 Eurokod 5. Projektowanie konstrukcji drewnianych – Część 1-1: Postanowienia ogólne – Reguły ogólne i reguły dotyczące budynków (EC5).
2. PN-EN 912:2011 Łączniki do drewna – Dane techniczne łączników stosowanych w konstrukcjach drewnianych.
3. PN-EN 14358:2016-08 Konstrukcje drewniane – Obliczanie i weryfikacja wartości charakterystycznych.
4. PN-EN 14545:2011 Konstrukcje drewniane. Łączniki typu wkładek i pierścieni – Wymagania.
5. PN-EN 14592+A1:2012 Konstrukcje drewniane. Łączniki trzpieniowe – Wymagania.
6. Świadectwo ITB 507/84 Łączniki do drewna – płytki kolczaste dwustronne PD-12.
7. ETA-12/0114 z dnia 12 października 2017 r. Wkręty samogwintujące SPAX.
8. Katalog Simpson Strong-Tie Timber Construction Connector 2016-2018.
9. ETAG 015 Trójwymiarowe łączniki mechaniczne do konstrukcji drewnianych.
10. Biblioteka CAD/BIM dla Simpson Strong-Te.