Zastosowanie wkrętów i gwoździ w konstrukcjach drewnianych

Jak prawidłowo rozmieszczać wkręty w konstrukcjach drewnianych? Choć temat ten (nie zawsze bezpośrednio) opisany jest w normie PN-EN 1995-1-1:2010 – Eurokod 5 (EC5), w rzeczywistości większość zasad ich rozmieszczania wynika z uwarunkowań dotyczących gwoździ, czasami śrub. Dlatego w tym artykule chcemy zwrócić szczególną uwagę na zasady osadzania i kotwienia w drewnie nie tylko wkrętów, ale również gwoździ innych niż gładkie, ponieważ zwykle te same reguły obowiązują również dla wkrętów o średnicy do 6 mm włącznie.

W numerze 6/2021 „Fachowego Dekarza & Cieśli”, w artykule pod przewrotnie postawionym tytułem „Jakie wkręty oraz inne elementy złączne zastosować do konstrukcji dachowej, a jakie do np. altany”, podjęliśmy tematykę stosowania wkrętów w konstrukcjach drewnianych zaczynając od wątku „jak prawidłowo rozmieszczać łączniki?”. Pragniemy przypomnieć, że odpowiedź na tak postawione pytanie powinna być tylko jedna: wyłącznie takie, jakie zostały wyspecyfikowane w projekcie wykonawczym konstrukcji. Rolą projektanta jest zaprojektować poprawnie połączenie wykonując stosowne obliczenia zgodnie z obwiązującym unormowaniem, a rolą wykonawcy jak najlepiej je wykonać. Jednak rzeczywistość z jaką mamy do czynienia na budowach jest… inna (zostało to pokrótce opisane w przywołanym artykule).

W tym wydaniu kontynuujemy temat właściwego rozmieszczania i osadzania łączników (gwoździ i wkrętów), by uchronić wykonawców od niekorzystnych dla nich konsekwencji niewłaściwego ich montażu.

EC5 dla gwoździ osadzonych poprzecznie

Zacznijmy od normowych wymogów (zgodnie z EC5) dotyczących gwoździ osadzonych poprzecznie do włókien, ale pracujących na ścinanie (np. w połączeniach zakładkowych). Zgodnie z nimi:

1. w przypadku gwoździ gładkich, długość zakotwienia gwoździa (liczona od strony ostrza) powinna wynosić co najmniej 8d (d – średnica gwoździa),
2. w przypadku gwoździ innych niż gładkie (w tym wkrętów), długość zakotwienia powinna wynosić co najmniej 6d,
3. w każdym połączeniu należy umieścić co najmniej dwa gwoździe (wkręty),
4. gwoździe należy umieszczać w nawierconych uprzednio otworach; gdy średnica „d” gwoździ jest większa niż 6 mm, lub jeżeli gęstość charakterystyczna drewna jest większa niż 500 kg/m3,
5. otwory należy nawiercać również w drewnie sosnowym i modrzewiowym; jeżeli grubość elementów drewnianych jest mniejsza niż 7d lub jest mniejsza niż wynika to z równania (13d- 30)xρk/400) gdzie: d (średnica) w mm, a ρk (gęstość charakterystyczna drewna w kg/m3),
6. analogiczny warunek występuje dla świerku i jodły (ale jest zwiększony, bo jest to drewno wrażliwe na pękanie) i otwory należy nawiercać; jeżeli grubość elementów świerkowych lub jodłowych jest mniejsza niż 14d lub jest mniejsza niż wynika z równania (13d-30)xρk/200),
7. średnica wstępnie nawierconych otworów nie powinna przekraczać 0,8d,
8. zgodnie z PN-EN 1995-1-1, gwoździe wbijane do czoła elementu uznaje się za niezdolne do przenoszenia obciążeń poprzecznych, jednak w tym przypadku norma dopuszcza wbijanie gwoździ innych niż gładkie w czoło elementu tylko do konstrukcji drugorzędnych (np. deska okapowa przybita do krokwi) pod warunkiem spełnienia łącznie następujących warunków:
   • nośność obliczeniową należy przyjmować za równą 1/3 nośności gwoździ gładkich wbijanych w poprzek włókien;
   • wyłącznym obciążeniem gwoździ jest obciążenie poprzeczne;
   • w złączu są umieszczone co najmniej 3 gwoździe;
   • długość zakotwienia gwoździ wynosi co najmniej 10d;
   • rozstawy i odległości spełniają warunki jak dla gwoździ obciążonych poprzecznie;
   • złącze nie pracuje w warunkach klimatycznych odpowiadających klasie użytkowania 3, tj. w otoczeniu o wilgotności powietrza powyżej 85% (wilgotność drewna powyżej 20%).

Co z ostrzem gwoździ?

Podczas analizy tych warunków pojawia się pytanie, czy ostrze gwoździ wliczamy, czy nie wliczamy do długości zakotwienia? Odpowiedź nie jest prosta, ponieważ Eurokod 5 tego nie definiuje. Uwzględniając dostępną wiedzę techniczną i zapisy wcześniejszych przepisów normowych, należy uznać, że ostrza nie wlicza się do wyznaczania długości zakotwienia. Zaleca się wyznaczanie minimalnej długości zakotwienia gwoździ z pominięciem ostrza, czyli rzeczywista długość powinna być zwiększona o wielkość 1,5d jeżeli długość zakotwienia liczymy łącznie z ostrzem gwoździ.

Uwaga na wytrzymałość stali!

Ku przestrodze dla wykonawców warto dodać, że konieczne jest zwrócenie szczególnej uwagi na wytrzymałości stali, z których muszą być produkowane gwoździe stosowane w konstrukcjach drewnianych. Wynika ona z EC5 i jest automatycznie ujmowana w dokumentacji projektowej połączeń, a praktycznie rzadko wyspecyfikowana w dokumentacji wykonawczej. Otóż gwoździe gładkie wykorzystywane w konstrukcyjnych połączeniach drewnianych muszą być wykonane z drutu stalowego o wytrzymałości na rozciąganie co najmniej 600 N/mm² (600 MPa), bo taką wytrzymałość przyjmuje się w normowych algorytmach obliczeniowych. Dlatego przy zakupie gwoździ należy sprawdzać z jakiej wytrzymałości drutu są wykonane (… a kto czyta karty techniczne gwoździ?). W przypadku zastosowania gwoździ wykonanych z drutu o niższej wytrzymałości niż 600 MPa, połączenie takie zostanie uznane za nienośne – co łatwo sprawdzić.

Gwoździe i wkręty obciążone osiowo

W przypadku gwoździ i wkrętów obciążonych osiowo, czyli połączeń, gdzie łącznik jest wbity lub wkręcony poprzecznie do włókien, ale wyciągany wzdłuż własnej osi, trzeba jednoznacznie podkreślić, że należy unikać gwoździ gładkich, a już na pewno nie wolno ich stosować, gdy mocowany element jest obciążony głównie oddziaływaniem stałym lub długotrwałym (patrz EC5 p. 8.3.2 – należy stosować wkręty lub gwoździe profilowe). Zgodnie z normą EC5 w wypadku gwoździ przyjmuje się także, że gwoździe (wszystkie rodzaje) wbite w czoło elementu nie przenoszą obciążenia osiowego, więc to rozwiązanie nie może być wykorzystywane.
W EC5 zdefiniowano następujące warunki minimalnego zakotwienia gwoździ i wkrętów obciążonych osiowo wbitych lub wkręconych poprzecznie do włókien (t_pen):

• podstawowa długość zakotwienia gwoździ gładkich powinna być równa co najmniej 12d (d- średnica gwoździa), dopuszcza się jednak zakotwienie (t_pen) co najmniej 8d. Wtedy nośność na wyciąganie jest mniejsza i należy ją zredukować, czyli pomnożyć przez (t_pen /4d – 2), gdzie t_pen – rzeczywista długość zagłębienia łącznika w drewnie licząc od strony ostrza.
• w przypadku gwoździ profilowych podstawowa długość zakotwienia powinna być równa co najmniej 8d (d – średnica gwoździa), dopuszcza się jednak zakotwienie (t_pen) co najmniej 6d. Wtedy nośność na wyciąganie należy pomnożyć przez (t_pen /2d – 3).
• w przypadku wkrętów minimalna długość zagłębienia gwintowanej części trzpienia w elemencie od strony ostrza wynosi 6d.

Zasady te dotyczą projektowania połączenia i projektanci powinni je uwzględniać w projekcie, jednak czasami zdarza się na budowie, że zachodzi konieczność zastosowania np. grubszych elementów składowych połączenia (grubszych desek lub podkładek wyrównujących płaszczyznę), wtedy należy zastosować odpowiednio dłuższe gwoździe lub wkręty tak, aby długość zakotwienia łącznika była co najmniej taka, jak podano w projekcie. Nie można dopuścić by długość zakotwienia łączników była mniejsza niż wynika to z obliczeń lub dokumentacji projektowej. Skrajnym przykładem jest tu sytuacja przedstawiona na rys. 1, gdzie wskutek zastosowania podkładek pod płatwie w celu wyrównania płaszczyzny dachu, wkręt był za krótki i w ogóle nie został osadzony w dźwigarze. Wystarczyło zastosować odpowiednio dłuższy wkręt, o długości zwiększonej o grubość podkładek wyrównujących płaszczyznę dachu.

Osadzanie wkrętów w konstrukcjach drewnianych

Przy osadzaniu wkrętów w konstrukcjach drewnianych należy również pamiętać o następujących warunkach zapisanych w EC5:

1. w drewnie iglastym nie jest konieczne wstępne nawiercanie otworów na wkręty o średnicy gładkiej części trzpienia d <= 6 mm,
2. w drewnie liściastym oraz w drewnie iglastym, dla wszystkich wkrętów o średnicy d > 6 mm, wstępne nawiercanie jest wymagane z zachowaniem następujących warunków:
   • otwór w obrębie gładkiej części trzpienia powinien mieć tę samą średnicę co trzpień i głębokość odpowiadającą długości trzpienia,
   • otwór w obrębie części profilowanej powinien mieć średnicę zbliżoną do 70% średnicy trzpienia,
3. w drewnie o gęstości powyżej 500 kg/m3, średnicę wstępnego nawiercenia otworu należy ustalić na podstawie badań,
4. w przypadku, gdy wstępne nawiercanie jest stosowane do wkrętów samowiercących, średnica otworu nie powinna być większa niż wewnętrzna średnica gwintu.

Dodatkowe warunki rozmieszczenia gwoździ i wkrętów

Na zakończenie tego tematu jeszcze kilka uwarunkowań dotyczących rozmieszczenia gwoździ i wkrętów:

• rozstawy i odległości gwoździ obciążonych osiowo wbitych prostopadle do powierzchni należy przyjmować równe rozstawom i odległościom gwoździ obciążonych poprzecznie (rozstawy podane w numerze 6/2021 FD&C),
• w przypadku gwoździ wbijanych ukośnie (patrz rys. 2), odległość gwoździa od brzegu obciążonego powinna wynosić co najmniej 10d, a w złączu należy umieszczać co najmniej dwa gwoździe wbijane ukośnie,
• w przypadku wkrętów obciążonych osiowo należy stosować minimalne rozstawy i odległości wkrętów zgodnie z tablicą 1 i rys. 3, pod warunkiem, że grubość elementu drewnianego jest większa lub równa 12d. Oznacza to, że w przypadku gdy np. osadzamy w drewnie wkręt o średnicy 6 mm, który może być wyciągany, element drewniany, w którym ten wkręt jest zakotwiony musi mieć grubość co najmniej 12d, czyli 72 mm. Problem ten dotyczy nie tylko wkrętów, które mogą być wyciągane, ale również tych połączeń, które zwyczajowo przyjmujemy jako ścinane, lecz wkręt pracuje w nich w złożonym stanie naprężeń, tzn. jest ścinany i wyciągany. Przykładem takiego rozwiązanie jest mocowanie wkrętami stalowych wieszaków do belki drewnianej w celu osadzenia w nich belek podrzędnych, ale to już temat na osobny artykuł.

Podsumowanie

Należy podkreślić, że należy unikać gwoździ w połączeniach, w których gwóźdź może być obciążony osiowo – tzn. może być wyciągany z elementu wzdłuż własnej osi. Dobrym i skutecznym zamiennikiem stosowanym w takim przypadku są wkręty, dlatego polska firma MARCOPOL wprowadziła do oferty nie tylko szeroką gamę wkrętów konstrukcyjnych, złączy ciesielskich, śrub czy gwoździ przewidzianych do łączenia konstrukcyjnych elementów drewnianych, których jakość i bezpieczeństwo potwierdzają europejskie oceny techniczne, europejskie certyfikaty, ale także opracowała katalog połączeń i nośności w konstrukcjach drewnianych typowych rozwiązań (rys. 4), w którym znajdziecie Państwo nie tylko wielkości charakterystyczne ich poszczególnych nośności w połączeniach, ale także zasady i wymogi ich rozmieszczania, by w przyszłości wszyscy długo mogli cieszyć się z dzieła waszych rąk. Zagadnienie osadzania i rozmieszczania wkrętów o średnicy powyżej 6 mm zostanie omówione w jednym z kolejnych artykułów, łącznie z zasadami dla śrub, ponieważ stosuje się dla nich w większości podobne zasady.

Dr inż. Janusz Brol
Politechnika Śląska w Gliwicach
e-mail: janusz.brol@polsl.pl

Mgr inż. Janusz Kabała
Dyrektor Działu Rozwoju Produktów
Marcopol