Kotwienie złączy ciesielskich w betonie

Złącza ciesielskie zwane również złączami do drewna, jak sama ich nazwa wskazuje, służą do połączeń drewnianych elementów konstrukcji. Wiele złączy pozwala jednak na szersze ich zastosowanie i umożliwiają połączenie drewnianych fragmentów konstrukcji z betonowymi elementami. Połączenia tego typu wykorzystują kotwy mechaniczne i chemiczne. W tym artykule omówię kilka kwestii na które trzeba zwrócić uwagę, kotwiąc złącza ciesielskie do betonu.

„Czy to jest na pewno artykuł dla mnie?” – może sobie zadać pytanie każdy cieśla. Uważam, że zdecydowanie tak! Czy kiedykolwiek montowałeś elementy więźby bezpośrednio do wieńca? Czy kiedykolwiek opierałeś drewniane belki stropowe na wieszakach kotwionych do betonu? Czy kiedykolwiek stosowałeś kotwione podstawy drewnianego słupa do fundamentu? Jeżeli tak, to podstawowa wiedza z zakresu stosowania kotew chemicznych i mechanicznych okazuje się niezbędna w pracy ciesielskiej.

Poprawny montaż kluczem do sukcesu

Kotwy mechaniczne i chemiczne są bardzo popularne na polskim rynku, a ich dostępność i różnorodność jest bardzo duża. Wydawać by się mogło, że każdy wykonawca powinien wiedzieć, jak poprawnie stosować je w połączeniu z betonem. Niestety, z doświadczenia mogę stwierdzić, że wcale nie jest tak dobrze. Nawet najprostsze rozporowe kotwy mechaniczne są często montowane niepoprawnie. Jeszcze gorzej jest z kotwami chemicznymi. Z wieloletnich doświadczeń firmy Simpson Strong-Tie wynika, że ponad 90% awarii połączeń z użyciem kotew chemicznych wynika z ich niepoprawnego montażu lub innych błędów wykonawcy. Jak się okazuje, tylko w niewielkim stopniu awarie są wynikiem błędów projektowych. Dlatego też chciałbym w tym artykule położyć akcent na kwestie poprawnego montażu i przekazać informacje, które każdy wykonawca powinien znać.

Zamierzone zastosowanie – materiał bazowy

Zanim zastosujemy konkretną kotwę, czy to chemiczną, czy mechaniczną, upewnijmy się, jakie jest deklarowane przez producenta zastosowanie danego produktu. W przypadku kotew chemicznych bardzo ważne jest upewnienie się czy dana kotwa może być stosowane w danym materiale bazowym. Kotwy mogą być stosowane w betonie, cegle, pustakach ceramicznych, bloczkach z gazobetonu itd. Każda kotwa chemiczna ma ograniczony zakres zastosowań, jeśli chodzi o podłoże, w jakim może zostać zamontowana.

Niektóre kotwy przeznaczone są do otworowych elementów murowych jak np. bloczki ceramiczne i nie nadają się do kotwienia w betonie. Inne świetnie łączą się z betonem, ale nie znajdują zastosowania w innych podłożach. Informację o zastosowaniu konkretnego produktu znajdziemy w katalogu danego producenta lub w aprobacie technicznej danego produktu.
Badania kotew są drogim przedsięwzięciem, dlatego też większość producentów ogranicza je do żądanego przez klientów zastosowania i nie wykonuje nadmiernej ilości badań.

Beton zarysowany/niezarysowany

Jeżeli materiałem bazowym jest najpopularniejsze podłoże – beton, trzeba rozstrzygnąć dodatkową kwestię. Należy określić czy beton jest zarysowany czy niezarysowany. Pojęcie to nie nic wspólnego z wiekiem elementu betonowego czy jego uszkodzeniem Zarysowanie, o którym mowa, jest naturalną cechą każdego elementu żelbetowego i wynika z charakteru jego pracy. W najprostszej belce jednoprzęsłowej obciążonej w dół można wyróżnić strefę ściskaną przekroju i strefę rozciąganą (rys. 2. ).

W strefie rozciąganej pojawiają się rysy wynikające z niedużej wytrzymałości betonu na rozciąganie. Pojawianie się tych rys jest naturalnym zjawiskiem i nie powinno budzić żadnych obaw. Jednakże jak łatwo sobie wyobrazić, ta sama kotwa zakotwiona w strefie rozciąganej (beton zarysowany) przeniesie mniejsze obciążenie niż zakotwiona w strefie ściskanej (beton niezarysowany). Należy zdawać sobie sprawę z faktu, że w tym samym elemencie poddanym zmiennemu obciążeniu strefa ściskana może pojawiać się raz na górze, innym razem na dole przekroju. Lokalizacja strefy ściskanej i rozciąganej zależy również od schematu statycznego (wspornik, belka wieloprzęsłowa itd. ). Jeżeli miejscem kotwienia jest strefa rozciągana należy upewnić się czy stosowana kotwa jest przeznaczona do betonu zarysowanego.

Rozstawy kotew i odległości od krawędzi betonu

Dość rzadko zdarzają się połączenia z wykorzystaniem tylko jednej kotwy, z reguły do zakotwienia jednego złącza (np. podstawy słupa) stosujemy grupę kotew lub stosujemy parę złączy w połączeniu (np. dwa kątowniki). Mając do czynienia z grupą kotew należy zachować między nimi minimalne rozstawy. Dodatkowo każda z kotew musi zachować minimalną odległość od krawędzi betonu. Przy tej okazji warto wytłumaczyć różnicę między minimalnymi a charakterystycznymi rozstawami kotew i odległościami od krawędzi. Każda kotwa poddana obciążeniu wytwarza w betonie pewną bryłę naprężeń. Może się zdarzyć, że bryła naprężeń jest ograniczona przez wymiary betonu lub bryły naprężeń sąsiednich kotew nachodzą na siebie (rys. 3).

Wtedy nośność kotwy lub grupy kotew jest zredukowana. Kotwa i grupa kotew zachowuje swoją pełną nośność pod warunkiem zachowania charakterystycznych rozstawów i odległości od krawędzi betonu. Wartości smin i cmin określają minimalne odległości między kotwami i od krawędzi betonu. Należy pamiętać, że stosując wartości minimalne (smin, cmin) nośności są znacznie mniejsze niż zachowując wartości charakterystyczne (scr, ccr). Zanim zastosujemy konkretną kotwę warto zapoznać się z tymi parametrami w katalogu producenta.

Montaż rozporowej kotwy mechanicznej

Jak wspomniałem wcześniej poprawny montaż jest kluczem do sukcesu w przypadku kotew. Procedura montażu kotwy mechanicznej przedstawiona poniżej dotyczy kotwy rozporowej WA Simpson Strong-Tie. Szczegółowe instrukcje montażu udostępniają producenci stosowanych kotew.
– Wiercenie: należy zwrócić uwagę na wymaganą średnicę i głębokość wiercenia. Z reguły średnica kotwy jest jednocześnie średnicą wiercenia (np. kotwa M10 – wiertło Ø10). Zachowanie odpowiedniej głębokości wiercenia determinuje uzyskanie pełnej nośności kotwy.
– Czyszczenie: w przypadku kotew mechanicznych rozporowych procedura czyszczenia otworu ogranicza się do przedmuchania otworu ręczną pompką w celu usunięcia zwiercin.
– Osadzenie kotwy: osadzając kotwę z reguły wbijamy ją młotkiem przez mocowany element (montaż przelotowy). Jeżeli wbicie kotwy wymaga nadmiernej siły, prawdopodobnie wiertło jest już zużyte i wykonuje zbyt wąski otwór w betonie. Należy je wymienić.
– Dokręcenie kotwy: element najczęściej bagatelizowany, a niestety najważniejszy do uzyskania pełnej nośności. Dokręcenie kotwy rozporowej wykonuje się z wykorzystaniem klucza dynamometrycznego stosując odpowiedni moment dokręcający (fot. 1. ).

Wartość momentu dokręcającego [Nm] podawana jest w katalogu producenta lub w instrukcji dołączonej do kotew. Niestety, nie stosując tego narzędzia przykręcimy ją zbyt słabo (kotwa niedostatecznie się rozeprze w betonie) lub zbyt mocno (kotwa zacznie się wysuwać w skutek nadmiernego dokręcenia). Tylko zastosowanie klucza dynamometrycznego gwarantuje poprawny montaż. Zawsze, kiedy wspominałem wykonawcom o kluczu dynamometrycznym słyszałem „Panie, kto będzie takie cuda stosował i ile to kosztuje?!”. Sprawdziłem więc – najprostszy klucz dynamometryczny kosztuje poniżej 100 zł.

Montaż kotwy chemicznej

O ile montaż kotwy mechanicznej jest dość prosty i praktycznie pomylić się można jedynie wykonując niepoprawny otwór lub stosując niepoprawny moment dokręcający. Montaż kotew chemicznych jest bardziej skomplikowany, a skutki błędów z reguły są bardzo dotkliwe. Opisywana procedura montażu dotyczy kotwy chemicznej AT-HP Simpson Strong-Tie. Szczegółowych informacji na temat montażu poszczególnych kotew należy szukać w katalogach producentów.

– Przechowywanie. Kotwy chemiczne muszą być przechowywane w określonych temperaturach. Może im zaszkodzić mróz jak również zbyt wysoka temperatura. Utwardzacz stosowany w większości kotew chemicznych ulega degradacji w temperaturze ok 40°C. Może takie temperatury nam nie grożą, ale nie radzę latem zostawiać kotwy chemiczne na cały dzień w nasłonecznionym samochodzie.

– Data ważności. Przed użyciem kotwy chemicznej należy sprawdzić jej termin przydatności do użycia.

– Wiercenie (fot. 2). Należy wywiercić otwór o średnicy i głębokości podanej przez producenta. Uwaga: różne materiały mogą wymagać różnych otworów. W przypadku kotew chemicznych, inaczej niż w przypadku rozporowych, wiercony jest szerszy otwór niż średnica mocowanego pręta gwintowanego (np. pręt M10 – otwór Ø12).

– Czyszczenie otworu (fot. 3). Sprawa bardziej skomplikowana niż w przypadku kotew mechanicznych. Stosując kotwy chemiczne w betonie należy przeczyścić otwór ze zwiercin ręczną pompką (lub sprężonym powietrzem z kompresora) następnie stosując nylonowy lub stalowy wycior przeszczotkować otwór następnie znowu przedmuchać otwór. Ilość szczotkowań i przedmuchań różni się w zależności od stosowanej kotwy i ma duży wpływ na przyczepność kotwy do materiału bazowego. Szczegółów należy szukać w katalogu producenta.

Dla przykładu dla kotwy AT-HP Simpson Strong-Tie procedura czyszczenia betonu wygląda następująco: 2 przedmuchania – 4 szczotkowania – 2 przedmuchania. W przypadku materiałów otworowych (np. ceramiczne bloczki kratowe lub cegła dziurawka) procedura czyszczenia ogranicza się do szczotkowania.

– Zmieszanie składników (fot. 4. ). N ależy zdawać sobie sprawę z tego, że kotwa chemiczna składa się z dwóch składników – żywicy i utwardzacza. Tylko poprawne zmieszanie tych dwóch składników gwarantuje odpowiednie związanie kotwy. W tym celu należy zawsze stosować mieszacze załączone do kotwy chemicznej. Nie można stosować innych mieszaczy ponieważ nie gwarantuje to odpowiedniego połączenia składników. Ponad to po otwarciu opakowania (w zależności od budowy kartridża, konieczne może być przecięcie woreczka pod nakrętką) i nakręceniu mieszacza należy początkową mieszaninę wycisnąć poza otworem. Należy wycisnąć taką ilość mieszaniny aż uzyska ona jednolity i niezmienny kolor. Wyciśniętą część należy potraktować jako odpad. Pominięcie tego etapu jest bardzo częstym błędem i musi skutkować awarią, ponieważ początkowa mieszanina zawsze ma niewłaściwą proporcję składników.

– Zastosować tuleję siatkową (koszyczek) (fot. 5. ). W materiałach otworowych (i tylko w nich!) należy stosować tuleje siatkowe, tzw. koszyczki. Uniemożliwiają one podawanej mieszaninie spłynięcie w otwory znajdujące się w materiale bazowym. Uwaga: tulei siatkowych nie należy stosować w materiałach litych jak beton czy cegła pełna.

– Wypełnić otwór kotwą (fot. 6. ): wypełnianie otworu należy rozpocząć od dna otworu aby uniknąć pustek powietrznych, stopniowo wysuwając mieszacz w miarę wypełniania otworu.

-Wsunąć pręt gwintowany: pręt gwintowany o danej średnicy i długości musi być pozbawiony zanieczyszczeń. Pręt należy wsuwać powoli kręcąc nim delikatnie na zmianę w lewo i w prawo do osiągnięcia dna otworu. Jeżeli zastosowano tuleje siatkowe należy przed wsunięciem pręta zamknąć wieczko centrujące tulei. Maksymalny czas miedzy podaniem kotwy do otworu a wsunięciem pręta gwintowanego nazywa się czasem obróbki. Jest to czas jaki nie może minąć między tymi czynnościami, ponieważ po jego przekroczeniu kotwa rozpoczyna wiązanie. Może się okazać, że późniejsze wsunięcie pręta jest niemożliwe bez naruszania procesu wiązania.

– Odczekać do związania: po wykonaniu połączenia należy odczekać minimalny czas wiązania. W tym czasie zachodzi chemiczna reakcja wiązania, kotwa się utwardza. Nie można w tym czasie obciążać połączenia, bo może to zaburzyć proces wiązania. Połączenie można obciążać dopiero po upłynięciu czasu wiązania. Czasy wiązania i czasy obróbki zależą od temperatury kotwy i temperatury materiału bazowego.

– Montaż kotwionego złącza (fot. 7. ): po upłynięciu czasu wiązania można zamontować kotwione złącze ciesielskie. Podobnie jak przy montażu kotew mechanicznych należy przykręcić nakrętki stosując odpowiedni moment dokręcający przy użyciu klucza dynamometrycznego.

Innowacja Simpson Strong-Tie AT-HP BLUE

Opisując procedurę montażu kotwy chemicznej pojawiły się pojęcia czasu obróbki i czasu wiązania. Jak wspomniałem wyżej czasy te zależą od temperatury stosowanej kotwy i temperatury materiały bazowego (który może różnić się od temperatury otoczenia). Oczywiście rodzi to pewne problemy wykonawcze, ponieważ wymaga od wykonawcy pomiaru temperatury wspomnianych elementów.

Nowością na rynku jest kotwa chemiczna Simpson Strong-Tie AT-HP BLUE (fot. 8). Jej innowacyjność polega na tym, że jest to kotwa w kolorze niebieskim w momencie podania. W miarę postępowania chemicznej reakcji wiązania jej kolor zmienia się na szary. Nie ma konieczności pomiaru temperatury i patrzenia na zegarek. Połączenie związało, gdy kolor zmieni się z niebieskiego na szary. Doskonale ułatwia i przyśpiesza to pracę na budowie.

Jak widać, montaż kotew mechanicznych i chemicznych daje pole do wielu błędów wykonawczych. W razie jakichkolwiek wątpliwości montażowych sugeruję kontakt z działem wsparcia technicznego producenta danej kotwy. Pozwoli to uniknąć ewentualnych awarii i wielu nerwów.

mgr inż. Tomasz Szczesiak
Inżynier wsparcia technicznego
Simpson Strong-Tie