Wymiarowanie połączenia krokiew-murłata w przypadku dachów rozporowych

Podejmując temat połączenia krokwi z murłatą, warto w pierwszej kolejności zidentyfikować typ więźby dachowej. Z uwagi na ustrój konstrukcyjny więźby dachowe można podzielić na rozporowe i bezrozporowe. Granica jest oczywiście umowna, ale pewne charakterystyczne rozporowe schematy powinny uczulić konstruktora na etapie wymiarowania tego połączenia. W przypadku więźby dachowej, przez rozpór rozumie się poziomą siłę, o zwrocie na zewnątrz budynku, oddziaływującą na podporę więźby (murłatę) wywołaną obciążeniem pionowym. Z rozporem mamy do czynienia także w przypadku łuków, kopuł i sklepień. Siły poziome na podporach więźby mogą mieć różne pochodzenie, mogą być na przykład skutkiem poziomego oddziaływania wiatru. Żeby mówić o rozporze, siła pozioma w poziomie podparcia więźby mysi być wynikiem pionowych obciążeń (np. śnieg, ciężar własny). Wartość siły rozporu dachu zależy od wielu czynników, jak schemat statyczny, nachylenie połaci, ciężar pokrycia, wartości obciążeń zewnętrznych (np. śnieg). Kilka popularnych schematów konstrukcyjnych generuje duże siły rozporu. Mowa tu głównie o więźbach krokwiowych i krokwiowo-jętkowych, czyli więźbach podpartych wyłącznie na murłatach, bez płatwi pośrednich, czy kalenicowych. Dla przykładu przeanalizujmy reakcje podporowe dla dwóch dachów o identycznym obrysie zewnętrznym, ale różniących się schematem więźby. Na rysunku 1 przedstawione są więźby krokwiowo-jętkowa i płatwiowo-kleszczowa. Oba dachy są tak samo obciążone, mają identyczna rozpiętość, rozstaw, geometrię zewnętrzną, jętki/kleszcze są na tej samej wysokości. Różnica polega na schemacie konstrukcyjnym i sposobie podparcia.

Zdj. 1. A – więźba rozporowa krokwiowo-jętkowa (1-murłata, 2-krokiew, 3-jętka) B – więźba bezrozporowa płatwiowo-kleszczowa (1- murłata, 2-krokiew, 3- kleszcze, 4- płatew, 5- słup)

W przypadku dachu krokwiowo-jętkowego wszelkie obciążenia pionowe i poziome przekazywane są z więźby na murłaty. Dach płatwiowo-kleszczowy ma dodatkowe podpory w postaci płatwi i słupów. Dzięki temu obciążenie rozkłada się na większą ilość podpór. W rzeczywistości to właśnie słupy przejmują większość obciążenia pionowego z dachu. Dach krokwiowo-jętkowy podobnie jak czysty dach krokwiowy przekazuje na murłaty duże siły rozporu. W przypadku konstrukcji płatwiowo-kleszczowej i dzięki zastosowaniu podparcia w czterech punktach, wiązar praktycznie nie wykazuje reakcji rozporowych. Na zdjęciu 2 widoczne są schematy statyczne obu konstrukcji i wartości sił pionowych i poziomych przekazywanych z krokwi na murłaty.

Zdj. 2. Schematy statyczne wiązarów i obciążenia przekazywane z krokwi na murłatę.

Więźba płatwiowo-kleszczowa (B) praktycznie nie generuje sił poziomych (1 kN), obciążenia pionowe, także są znikome z uwagi na przejęcie większości obciążenia przez słupy podpierające płatwie. Obciążenia przekazywane z krokwi na murłatę są bardzo małe, więc takie połączenie można wykonać przez wkręcenie wkrętu ciesielskiego, przez krokiew w murłatę.

W przypadku wiązara krokwiowo-jętkowego (A) pojawia się bardzo duży rozpór na poziomie 17,5 kN. Jest to obciążenie kilkukrotnie przekraczające nośność połączenia z użyciem wkrętu ciesielskiego. Niestety część wykonawców nie zauważa tego problemu i w takich przypadkach bardzo często dochodzi do awarii dachu będącej skutkiem niedostatecznej nośności połączenia wykonanego jedynie pojedynczym wkrętem ciesielskim.

Jak łączyć krokiew z murłatą w przypadku dachów rozporowych?

W przypadku dachów o rozporach nie przekraczających 10 kN, połączenie można wykonać wykorzystując kątowniki wzmocnione z serii ABR Strong (zdj. 3).

Zdj. 3. Kątownik ABR10525

Jest to bardzo uniwersalne połączenie i w przypadku rozporów do ok 10 kN jest bardzo dobrym rozwiązaniem. Niestety nie zawsze jest możliwość zastosowania tego złącza z uwagi na geometrię połączenia krokiew-murłata. W przypadku dachów stromych o niedużych zaciosach, może pojawić się problem z wbiciem wszystkich gwoździ w kątownik. Dodatkowo należy pamiętać o zachowaniu normowych odległości gwoździ od krawędzi elementu drewnianego. W przypadku tego połączenia stosowane są gwoździe CNA o średnicy 4 mm i należy zachować „minimalną odległość od obciążonego boku elementu” równą według normy Eurokod 5 a_4,t = 7d = 7 x 4 = 28 mm (zdj. 4). Na zdjęciu pokazana jest geometria połączenia krokwi o wysokości 160 mm, nachyleniu 45 stopni, zaciosie 1/3 h i murłaty 140 x 140 mm.

Zdj. 4. Geometria połączenia krokiew-murłata i minimalna odległość gwoździa od krawędzi

Dwa gwoździe nie spełniają minimalnej odległości i z tego powodu nie powinny być wbijane. W związku z tym, takie połączenie nie uzyska pełnej nośności deklarowanej przez producenta. Rozwiązaniem wydaje się przesunięcie kątownika do zewnętrznej krawędzi murłaty. Będzie to niestety skutkowało niespełnieniem minimalnych odległości gwoździ od krawędzi murłaty. Projektując i wykonując takie rozwiązania należy zwracać uwagę na zachowanie normowych odległości minimalnych. Jeżeli zastosowanie kątowników z uwagi na geometrię połączenia jest niemożliwe, należy zastosować rozwiązanie opisane poniżej.

Połączenie w przypadku dużych sił rozporu

Jeżeli kątowniki z uwagi na ograniczoną nośność lub specyfikę geometrii połączenia nie mogą być zastosowane, należy sięgnąć po złącza przeznaczone do przenoszenia dużych sił rozporu. Są to złącza grupy SFH / SFHM (zdj. 5, 6), które uzyskują nośności obliczeniowe od 15 do nawet 40 kN. Nośności zależą od wariantu złącza i zastosowanych łączników. Systemowymi łącznikami są gwoździe pierścieniowe CNA4,0. Można zastosować gwoździe o różnych długościach, więc mamy możliwość dostosowania nośności całego połączenia do potrzeb konkretnej konstrukcji.

Zdj. 5. Złącza SFH / SFHM do przenoszenia dużych sił rozporów z krokwi na murłatę

Zdj. 6. Zastosowanie złącza SFH przenoszącego rozpór z krokwi na murłatę

Zastosowanie tych złączy poza zapewnieniem bardzo dużej nośności daje dodatkową korzyść. Wbicie gwoździ przez płytkę złącza w całą szerokość murłaty ogranicza rozwieranie się pęknięć w osi murłaty będących skutkiem skurczu drewna w czasie wysychania. Na zmniejszenie ryzyka pękania murłaty pozytywnie wpływa też fakt przenoszenia sił rozporu grupą gwoździ na cały przekrój murłaty. Rozwiązanie z użyciem wkrętów ciesielskich przekazuje rozpór w formie siły skupionej, rozłupującej murłatę w miejscu jego mieszczenia. Efekt ten kumuluje się z pękaniem murłaty w skutek skurczu. W konsekwencji większość murłat ma charakterystyczne zarysowania i pęknięcia w osi na dużej części swojej długości.

Przykłady awarii połączenia krokiew-murłata

Przykład 1
Więźba krokwiowo-jętkowa. Rozpiętość między murłatami ok 9 m. Nachylenie 35º. Pokrycie – dachówka ceramiczna. Tyle informacji wystarczy doświadczonemu projektantowi, aby wiedzieć, że taki dach będzie miał problem z siłami rozporu na murłatach. Niestety w tym przypadku projektantowi zabrakło czujności i całkowicie zbagatelizował rozpór o wartości 15 kN. W związku z tym, że konstruktor w projekcie nie odniósł się w żaden sposób co do sposobu wykonania połączenia krokwi z murłatą. Wykonawca zastosował rozwiązanie tanie, szybkie i wygodne z jego punktu widzenia – połączył krokiew z murłatą przy użyciu długiego wkrętu ciesielskiego o średnicy 8 mm. W ostatnich latach takie połączenia zyskały na popularności, jednakże ich nośność ogranicza się do kilku kiloniutonów i nie może zagwarantować spełnienia Stanu Granicznego Nośności w przypadku dachów rozporowych. W konsekwencji już w trakcie układania pokrycia w postaci dachówki ceramicznej, dach rozjechał się kila centymetrów na obu murłatach (zdj. 7).

Zdj. 7. Przykład awarii połączenia krokiew-murłata z dodatkowym rozwarstwieniem murłaty.
Połączenie z użyciem wkrętu ciesielskiego.

Przykład 2
Konstrukcja o wymiarach w rzucie 14 m x 11 m. Odległość między murłatami ok 8,5 m, wysięg okapów ok. 1,2 m. Nachylenie połaci 35 stopni. Pokrycie – dachówka ceramiczna. W większej części budynku więźba o schemacie krokwiowo-jętkowym. W tym przypadku wina nie leżała po stronie projektanta, bo w projekcie było wyspecyfikowane rozwiązanie będące w stanie przenieść pojawiające się tutaj siły rozporu (13 kN – wartość obliczeniowa). Projektant rozrysował detal połączenia z wykorzystaniem złącza ciesielskiego SFH. Niestety cieśla przekonał inwestora, że to rozwiązanie to fanaberia projektanta-biurokraty, który budowy nie widział i że wkręty ciesielskie będą rozwiązaniem równie dobrym. Jak pokazują zdjęcia z budowy nie były (zdj. 8).

Zdj. 8. Przykład awarii połączenia krokiew-murłata z obróceniem murłaty.
Połączenie z użyciem wkrętu ciesielskiego.

Przykład obliczeniowy, poprawnego wymiarowania połączenia krokiew-murłata

Wymiarowanie połączenia krokiew-murłata (drewno klasy C24) w dachu krokwiowo-jętkowych (rozporowym) z użyciem złączy Simpson Strong-Tie.
Obciążenia (Reakcje podporowe):

F_H,d = 17,0 kN (reakcja pozioma – wartość obliczeniowa)

F_V,d = 20,0 kN (reakcja pionowa – wartość obliczeniowa)

Klasa trwania obciążenia: obc. średniotrwałe

Klasa użytkowania konstrukcji – Klasa 2.

Wymiarowanie połączenia – Reakcja pionowa:

Wymiarowanie przeniesienia składowej pionowej sprowadza się do zaprojektowania odpowiedniego pola docisku między elementami. Uzyskuje się je przez kształtowanie wymiarów zaciosów w krokwi. Należy uwzględnić wytrzymałość drewna murłaty na ściskanie w poprzek włókien. Procedura obliczeniowa jest bardzo prosta i jest opisana w normie Eurokod 5 (6.1.5 Ściskanie w poprzek włókien), warto zwrócić uwagę na możliwość uwzględnienia efektywnego pola docisku.

Traktuje się, że złącze ciesielskie nie bierze udziału w przenoszenia pionowego o zwrocie w dół.

Wymiarowanie połączenia – Reakcja pozioma:

Nośność charakterystyczna złącza SFH:

Katalog Simpson Strong-Tie – tabela nośności

Złącze SFH nośność charakterystyczna dla gwoździ CNA4,0x60: R_1,k = 35,7 kN

Współczynnik modyfikacyjny  k_mod:

k_mod = 0,8 (Eurokod  5 – Tabela 3.1 – dla 2 klasy użytkowania i obc. średniotrwałego)

Nośność obliczeniowa złącza SFH:

R_1,d = R_1,k · k_mod /  = 35,7 kN · 0,8 / 1,3 = 21,97 kN

Sprawdzenie Stanu Granicznego Nośności:

Co spełnia SGN, detal konstrukcyjny zdj. 9

Zdj. 9. Detal połączenia krokwi z murłatą z użyciem kompletu złączy SFH i gwoździ CNA4,0x60

Jak widać na przykładzie przedstawionych zdjęć i schematów, kwestia połączenia krokwi z murłatą jest bardziej złożona niż można by na pierwszy rzut oka sądzić. Przykłady przytoczonych awarii więźb były skutkiem ewidentnych zaniedbań w obszarze połączenia krokiew-murłata, zarówno po stronie projektowej jak i wykonawczej. Zwracam uwagę na ryzyko jakie z sobą niesie bagatelizowanie zagadnienia tych połączeń szczególnie w przypadku dachów rozporowych. Wykonawca powinien być szczególnie wyczulony na tą kwestie i nie ulegać pokusie kopiowania rozwiązań z pozornie podobnych dachów. Przedstawiony przykład obliczeniowy pokazuje, że poprawne zaprojektowanie i wyspecyfikowanie tego połączenia jest kwestią kilku minut. Jak widać na przykładzie dwóch przytoczonych w artykule identycznych co do gabarytów zewnętrznych dachów, siły z którymi przyjdzie nam się mierzyć w połączeniach mogą być skrajnie różne. Czujność powinny szczególnie wzbudzić dachy krokwiowe i krokwiowo-jętkowe bo to te schematy statyczne generują największe siły rozporu.

Siły w połączeniu krokiew-murłata przedstawione w tym artykule są wartościami jedynie poglądowymi. W przypadku konkretnych więźb należy odwołać się do wyników obliczeń statycznych umieszczonych w dokumentacji projektowej.

W razie pytań dotyczących sposobów łączenia krokwi z murłatą, poprawności wykonania lub sposobów montażu złączy ciesielskich zachęcamy do kontaktu z inżynierami z działu wsparcia technicznego Simpson Strong-Tie. Z chęcią podzielimy się z Państwem wiedzą i doświadczeniami naszymi i naszej firmy. Tel: 22 865 22 00 e-mail: poland@strongtie.com

mgr inż. Tomasz Szczesiak

Kierownik techniczny oddziału

Simpson Strong-Tie