Wkręty konstrukcyjne w specjalnych zastosowaniach

Wydaje się, że sposób wykorzystania wkrętów konstrukcyjnych w konstrukcjach drewnianych jest oczywisty – wkręt łączy dwa elementy. Ale czy to jedyne wykorzystanie wkrętów? Czy wkręt zawsze pełni rolę łącznika? W niniejszym artykule podjęto próbę odpowiedzi na to pytanie wskazując inne zastosowania wkrętów, niż te powszechnie znane.

Wkręty umieszczane w jednym elemencie mają przede wszystkim za zadanie wzmocnienie elementu konstrukcji. Wzmocnienie polega na przejęciu przez wkręt naprężeń i przekazanie ich w inne partie bryły drewna. Przy wzmacnianiu wykorzystuje się przede wszystkim wkręty pełnogwintowe, czasem również dwugwintowe – rysunek 1.

Wzmocnienie belek osłabionych otworami

W przypadku wykonania otworów w elementach konstrukcyjnych dochodzi do zaburzenia ciągłości trajektorii naprężeń. Otwory wykonane w okolicach podpór redukują znacząco wytrzymałość belek na ścinanie, co może prowadzić do ich zniszczenia (rysunek 2). Rozwiązaniem mogą być wkręty wkręcane w okolicach otworów, które prowadzą do wzmocnienia belki – rysunek 3.

Wzmocnienie belek podciętych nad podporą

W przypadku wykonywania podcięć belek nad podporą dochodzi do koncentracji naprężeń w narożu podcięcia, których efektem jest zarysowanie a następnie odseparowanie dwóch fragmentów belek – patrz rysunek 4. Stosuje się tu wkręty celem połączenia części belek, które mogłyby się odseparować na skutek oddziaływujących sił (rysunek 5).

Wzmocnienie belek w strefach połączeń

W przypadku połączeń, które przekazują duże siły poprzecznie do kierunku włókien, może wystąpić sytuacja, gdzie dochodzi do pęknięcia drewna wskutek działania składowej siły rozciągającej prostopadłej do włókien. W takiej sytuacji wykorzystuje się wzmocnienie wkrętami. Rysunki obok przedstawiają przykłady wzmocnienia połączenia wkrętami, gdzie na rysunku 6 oraz rysunku 7 wzmocnienie dotyczy zwiększenia nośności na kierunku pionowym, natomiast na rysunku 8 na kierunku poziomym.

Wzmocnienie drewna nad podporą

Drewno w poprzek włókien ma stosunkowo niewielką wytrzymałość. Nierzadko dochodzi do sytuacji, gdzie pomimo zastosowania belek o odpowiednim przekroju pod względem ich własnych potrzeb, dochodzi do przekroczenia dopuszczalnych naprężeń na styku belki i elementu podpierającego, bądź w miejscu przyłożonej siły. Ma to miejsce w sytuacji, gdy pole powierzchni styku nie jest odpowiednio duże – patrz rysunek 9.

W celu wzmocnienia strefy podporowej możliwe jest stosowanie wkrętów, których rolą jest dystrybucja sił ze strefy bezpośredniego styku elementów, w głębiej usytuowaną przestrzeń drewna. Wkręty działają w tej sytuacji podobnie jak mikropale fundamentowe, które w przypadku słabego podłoża przekazują swoją pobocznicą siły na głębiej usytuowany grunt.

Rysunek 10 przedstawia przykład ukształtowania strefy podporowej belki, w której wykorzystano wzmocnienie wkrętami pełnogwintowanymi. W tej sytuacji z reguły wykorzystuje się wkręty z łbem stożkowym, ze względu na potrzebę oparcia wkrętów na blasze stalowej. Blacha jest tu niezbędna, ponieważ niewielka powierzchnia łbów wkrętów byłaby niewystarczająca do bezpiecznego przekazania sił na element drewniany poniżej.

Dystansowanie i niwelacja poziomu oparcia

Biorąc pod uwagę powyższy przykład wykorzystania wkrętów przy wzmocnieniu nad podporą, możemy sobie wyobrazić sytuację, w której łby wkrętów nie są zlicowane z powierzchnią belki a wystają spoza niej.
W przypadku oparcia elementów drewnianych, np. na konstrukcjach żelbetowych, możliwe jest wykorzystanie wkrętów jako elementów dystansująco-niwelujących (rysunek 11). Tutaj mogą być stosowane wkręty pełnogwintowane z łbem stożkowym, choć nie zawsze jest to koniecznością. Czasem wykorzystuje się w tym celu również np. wkręty SSH z łbem sześciokątnym.
Wkręty w tej sytuacji z reguły traktuje się tylko i wyłącznie jako element pomocniczy do spozycjonowania elementu, pod którym później umieszcza się elementy właściwe, finalnie transferujące naprężenia z belki na konstrukcję położoną poniżej, np. zaprawę montażową.

Wzmocnienie na ścinanie toczne płyt CLT

W przypadku płyt z CLT (z ang. Cross Laminated Timber – Drewno Klejone Krzyżowo), nośność płyt często jest determinowana modelem zniszczenia polegającym na tzw. ścinaniu tocznym (z ang. rolling shear) zobrazowanym na rysunku 12.

Zjawisko występuje ze względu na usytuowanie w przekroju warstw drewna poddanego naprężeniom ścinającym na wrażliwym dla drewna kierunku, tj. takim, w którym wytrzymałość jest bardzo mała. Efektywnym sposobem wzmocnienia płyt CLT i zwiększenia ich potencjału konstrukcyjnego jest zastosowanie wkrętów pełnogwintowanych jak na rysunku 13.

Wzmocnienie dźwigarów zakrzywionych

Wkręty pełnogwintowe, często znacznych długości, stosuje się powszechnie przy dźwigarach zakrzywionych z drewna klejonego (rysunek 14).
Geometria dźwigara i rozciąganie od zginania w dolnej jego zakrzywionej strefie stwarzają ryzyko rozwarstwienia dźwigara na wskutek generowanych sił rozciągających w poprzek włókien. Wkręty mają za zadanie ustabilizować geometrię poprzez transfer sił rozciągających.

Zespolenie z betonem

Innym przykładem zastosowania wkrętów, w którym wkręt umieszcza się w jednym elemencie jest sytuacja, w której łączniki mają służyć zespoleniu drewna z warstwą nadbetonu w konstrukcjach drewnianożelbetowych.
Przypadek jest na tyle osobliwy, że finalnie łącznik faktycznie łączy dwa elementy – drewno z płytą betonową, pomimo tego, że pierwotnie wkręcany jest jedynie w drewno. Na rysunku 15 pomiędzy belką a betonem znajduje się deskowanie, natomiast w przypadku stosowania nadbetonu nad CLT, wkręty wkręcane byłyby jedynie w płytę CLT.

Podsumowanie

Jak można zauważyć na przykładach wskazanych w powyższym artykule, wkręty nie tylko muszą służyć łączeniu dwóch elementów. Umożliwiają również dystrybucję obciążeń w inne strefy elementu konstrukcyjnego, przez co wykorzystywane są do wzmacniania konstrukcji. Mogą też służyć jako elementy pomocnicze ułatwiające pozycjonowanie.
Wiele ze wskazanych powyżej rozwiązań jest zawartych w nowym katalogu technicznym wkrętów konstrukcyjnych (rysunek 16), dostępnym na stronie strongtie.pl, gdzie podano wprost nośności charakterystyczne dla przykładowych konfiguracji połączeń i wzmocnień z wykorzystaniem wkrętów konstrukcyjnych.

W razie pytań dotyczących projektowania, poprawnego wykorzystania złączy lub wkrętów ciesielskich w połączeniach, 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. Pamiętajmy jednak, że doradztwo techniczne nie może zastąpić szczegółowej pracy projektowej, a inżynierowie wsparcia technicznego swoje rekomendacje opierają na dostarczonych im danych.

mgr inż. Rafał Roszczyc
Inżynier Wsparcia Technicznego
Simpson Strong-Tie

Literatura
[1] Simpson Strong-Tie (2023). Structural Fastners Technical Guide C-F-EUTG- 2023
[2] Franke, S., Franke, B., & Harte, A.M. (2015). Failure modes and reinforcement techniques for timber beams – State of the art. Construction and Building Materials, 97, 2-13.
[3] Swedish Wood. (2022). The CLT Handbook. CLT structures – design and detailing.