Pierścienie kolczaste Bulldog i Geka – zastosowanie i montaż

Pierścienie kolczaste Bulldog i Geka są produktami, które mogą w znacznym stopniu zwiększyć nośność połączeń w konstrukcjach drewnianych. Pomimo tego, że są stosunkowo tanimi i prostymi w montażu złączami, nie są powszechnie znane i stosowane na polskich budowach. Może to wynikać z faktu, że informacje o tych produktach są trudnodostępne. Stąd wiedza wykonawców o ich zastosowaniu jest niewielka. W niniejszym artykule chciałbym przybliżyć ten temat i przekazać kilka podstawowych informacji o zastosowaniu i montażu pierścieni kolczastych Bulldog i Geka.

Pierścienie kolczaste Bulldog i pierścienie Geka nazywane są też w normie Eurokod 5 wkładkami zębatymi typ C. Złącza te stosowane są w konstrukcjach drewnianych w celu zwiększenia nośności połączeń śrubowych. Mogą być stosowane w połączeniach śrubowych elementów drewnianych (pierścienie dwustronne) lub połączeniach elementów drewnianych ze stalowymi (pierścienie jednostronne) (zdj. 2).

Zastosowanie pierścieni kolczastych

Pierścienie Bulldog są złączami wykonanymi z blachy o grubości nieprzekraczającej 1,5 mm i średnicach od 50 do 130 mm. Pierścienie Geka są złączami odlewanymi z żeliwa, przez to są zdecydowanie grubsze 3,0 mm i mają znacznie mniej ostre zęby. Średnice 50-115 mm. W związku z tym pierścienie Bulldog są łatwiejsze w montażu, ale pierścienie Geka uzyskują znacznie większe nośności. Najpopularniejsze typy i kształty pierścieni z ich oznaczeniami przedstawiono w tabelach 1 i 2.

Pierścienie kolczaste dwustronne

Zasada działania pierścieni jest bardzo prosta. W połączeniach śrubowych elementów drewnianych (bez pierścieni), jednym z kluczowych czynników mających wpływ na nośność połączenia jest pole docisku między trzpieniem śruby, a łączonymi drewnianymi elementami. Aby uzyskać większą nośność połączenia, można zwiększać pole docisku zwiększając średnicę śruby. Jednakże z jednej strony może to być rozwiązanie niekorzystne z ekonomicznego punktu widzenia. Z drugiej strony zwiększanie średnicy łączników wypłynie na zwiększenie minimalnych rozstawów łączników i ich odległości od krawędzi elementów drewnianych.
Alternatywnym rozwiązaniem jest zastosowanie pierścieni kolczastych Bulldog lub Geka. W połączeniach śrubowych elementów drewnianych pierścienie montuje się pomiędzy łączonymi drewnianymi elementami. W otwór w pierścieniu wkłada się śrubę ściągającą. Skręcanie śruby powoduje zagłębienie się zębów pierścienia w drewnie i połączenie obu elementów. Połączenie śrubowe z pierścieniem ma znacznie większą nośność niż połączenie tą samą śrubą bez pierścienia. Aby pokazać w jak dużym stopniu pierścienie wpływają na zwiększenie nośności, w tabeli 3 przedstawiłem przykładowe wartości dla różnych wariantów połączenia ze śrubą M16. Obliczenia wykonano zgodnie z normą Eurokod 5, rozdział 8.10 „Złącza na wkładki zębate”, dla śruby M16 (8.8), drewna C24 (t = 80 mm). Obliczenia mają charakter poglądowy.

C1	C3	C5	C2	C4
Dwustronne	Jednostronne

C10 – dwustronne	C11 – jednostronne
Dwustronne	Jednostronne

Jak widać w tym przypadku, zastosowanie najmniejszego pierścienia Bulldog (d = 50 mm) skutkuje niemalże podwojeniem nośności samej śruby. Natomiast zastosowanie tej samej śruby z pierścieniem Geka (d = 95 mm), pozawala uzyskać nośność niemalże czterokrotną. Warto tu zauważyć, że pierścienie dwustronne mogą być montowane ze śrubami o różnych średnicach. Średnica wewnętrzna pierścienia nie wymusza zastosowania konkretnego rozmiaru śruby.
Powyższy przykład pokazuje jak duże możliwości zastosowania mają pierścienie kolczaste. Przede wszystkim mogą być stosowane w połączeniach obciążonych bardzo dużymi siłami tnącymi. Mogą być też stosowane w połączeniach o znacznie mniejszych obciążeniach, w celu redukcji ilości zastosowanych śrub. Jednakże należy pamiętać, że taka optymalizacja powinna być poprzedzona obliczeniami wykonanymi przez projektanta konstrukcji.

Kolejnym i chyba najciekawszym pod względem ekonomicznym zastosowaniem, jest redukcja przekrojów drewna. W czasie projektowania konstrukcji drewnianej dość często zdarza się, ze projektant jest zmuszony sztucznie zwiększać przekroje drewna. Przykład takiej sytuacji może być następujący. Projektant w oparciu o obciążenia i schemat statyczny wyznaczył wymagane przekroje wiązara krokwiowo -jętkowego. Następnie przystąpił do projektowania połączenia krokiew-jętka i obliczył wymaganą ilość śrub w połączeniu. Następnie przeanalizował minimalne normowe rozstawy miedzy śrubami i ich odległości od krawędzi (Eurokod 5. Tablica 8.4 – Minimalne rozstawy i odległości śrub). Doszedł do wniosku, że obliczone wcześniej przekroje krokwi i jętki i wynikające z nich pole nakładania się elementów jest zbyt małe, aby spełnić wspomniane wyżej rozstawy i odległości. W związku z tym projektant jest zmuszony „sztucznie” zwiększyć wysokość przekroju jętki, aby zwiększyć pole nakładania się elementów i spełnić zapisy normowe odnośnie minimalnych rozstawów i odległości od krawędzi. Jest to dość powszechne zjawisko zwłaszcza w wiązarach dachowych i drewnianych kratownicach wielogałęziowych z połączeniami śrubowymi. Można spróbować uniknąć dość kosztownego zwiększania przekrojów drewna i zastosować pierścienie kolczaste w połączeniu z mniejszą ilością śrub. Jak pokazałem w przykładzie obliczeniowym wyżej, pierścienie Bulldog i Geka potrafią kilkukrotnie zwiększyć nośność śruby. Dzięki temu może okazać się, że wystarczy zastosować mniejszą ilość śrub z pierścieniami, które nie będą wymagały zwiększania przekrojów drewna.

Pierścienie kolczaste jednostronne

Zasada działania pierścieni jednostronnych jest podobna jak pierścieni dwustronnych, różni się jednak w jednym kluczowym szczególe.
Pierścienie jednostronne stosowane są do zwiększenia nośności połączenia śrubowego drewna ze stalą. Dość dobrym przykładem takiego zastosowania może być drewniana kratownica jednogałęziowa, łączona na stalowe blachy węzłowe i śruby. W przypadku pierścieni jednostronnych zęby zagłębiają się wyłącznie w elemencie drewnianym. Jak zatem przekazują się obciążenia między stalą a drewnem? Na tym właśnie polega różnica między pierścieniami dwustronnymi i jednostronnymi. Pierścienie dwustronne stosowane w połączeniu elementów drewnianych zagłębiają się zębami w obydwu łączonych elementach. Obciążenia pomiędzy dwoma elementami przekazywane są bezpośrednio przez pierścień. Pierścienie jednostronne są wykonane w taki sposób, aby średnica wewnętrzna była spasowana ze średnicą śruby ściągającej (zdj. 3).

Obciążenia z drewna przenosi pierścień Bulldog lub Geka i dzięki spasowaniu i docisku ze śrubą przekazywane są za jej pośrednictwem na element stalowy. Schematyczny model przekazywania obciążeń przedstawiono na rysunku 4. W związku z tym rozmiar pierścieni jednostronnych jest zawsze zestawiony ze średnicą śruby ściągającej, którą trzeba zastosować np. C2-50-M10 lub C11-80-M20.

Montaż pierścieni kolczastych Bulldog i Geka

Montaż pierścieni nie jest specjalnie skomplikowany. Pierścień należy nałożyć na śrubę ściągającą i umieścić między łączonymi elementami. Należy zadbać o to, aby śruba ściągająca znalazła się w centrum otworu wewnętrznego pierścienia – dotyczy pierścieni dwustronnych. W przypadku pierścieni jednostronnych centrowanie następuje dzięki spasowaniu średnicy wewnętrznej ze średnicą śruby.
Wysokość pierścieni, uwzględniając wysokości zębów, wynosi maksymalnie 3 cm. Należy to uwzględnić dobierając długość śruby ściągającej. Po wciśnięciu pierścienia, śrubę można zastąpić krótszą, jeśli jest taka potrzeba (względy estetyczne). Śruba musi być oczywiście odpowiedniej jakości, klasa co najmniej 5.8, zalecam 8.8.

Pamiętam jeden telefon od wykonawcy z „reklamacją” na pierścienie Geka, które aktualnie montował. Pan twierdził, że z pierścieniami jest coś nie tak, bo przy zagłębianiu zrywają się śruby ściągające. Zapytałem czy na pewno to właśnie pierścienie powinien Pan reklamować. Okazało się, że wykonawca stosował śruby bez określonej klasy i bez jakiegokolwiek dokumentu. Zasugerowałem zmianę śrub ściągających na śruby klasy co najmniej 5.8. Poprosiłem, aby zadzwonił gdy spróbuje z nowymi śrubami. Oczywiście już nie zadzwonił.
Faktem jest, że zagłębienie pierścieni zwłaszcza Geka, które są grubsze i mniej ostre niż pierścienie Bulldog, wymaga włożenia odrobiny siły przy dokręcaniu śruby (zdj. 5).

Przy dużych rozmiarach pierścieni dobrą praktyką jest przygotowanie dodatkowych grubych i szerokich podkładek montażowych. Bez takich podkładek montażowych, w czasie zagłębiania dużych rozmiarów pierścieni, można wcisnąć standardową podkładkę w element drewniany. Podkładki montażowe można wykonać z dowolnego grubego (5-10 mm) kawałka stali. Ich zadaniem jest zwiększenie powierzchni docisku w momencie zagłębiania pierścieni. Po zagłębieniu pierścienia, podkładki montażowe są zastępowane standardowymi podkładkami do drewna, a podkładki montażowe można użyć do kolejnego połączenia. Pierścienie Bulldog z uwagi na dużo bardziej ostre zęby, z reguły nie wymagają specjalnych podkładek montażowych (zdj. 6.).

Ostatnią kwestią, na którą chciałby zwrócić uwagę, jest ochrona antykorozyjna pierścieni. Pierścienie występują w dwóch typach powłok. Pierwsza wersja to cynkowanie elektrolitycznie, tak zabezpieczone pierścienie mogą być stosowane tylko w środowisku wewnętrznym. Drugim wariantem jest cynkowanie ogniowe, zanurzeniowe. Pierścienie zabezpieczone w ten sposób mogą być stosowane na zewnątrz, nawet w miejscach narażonych na bezpośrednie oddziaływanie warunków atmosferycznych. Dodatkowo, pierścienie Bulldog występują także w wersji nierdzewnej (A4) do konstrukcji pracujących w szczególnie agresywnym środowisku.
Podsumowując, pierścienie kolczaste Bulldog i Geka są bardzo prostymi złączami, które w bardzo dużym stopniu zwiększają nośność połączenia śrubowego. Ich zastosowane nie ogranicza się jedynie do skomplikowanych konstrukcji inżynierskich. Śmiało można je stosować w typowych wiązarach dachowych, na przykład w połączeniu krokiew-jętka. W razie wątpliwości co do zastosowania lub montażu, należy skontaktować się z działem wsparcia technicznego producenta pierścieni.

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