Pierścienie zębate Geka i Bulldog
Pierścienie Bulldog i pierścienie Geka znane są też pod nazwą „wkładki zębate typ C” (norma Eurokod 5). Stosuje się je, aby zwiększyć nośność połączeń śrubowych w konstrukcjach drewnianych – możliwe są połączenia śrubowe elementów drewnianych – wówczas stosuje się pierścienie zębate dwustronne lub w połączeniach drewna ze stalą (pierścienie jednostronne).
fot. Simpson Strong-Tie | Zastosowanie pierścieni kolczastych dwustronnych i jednostronnych.
Zastosowanie pierścieni kolczastych
Pierścienie Bulldog to złącza, które wykonane są z blachy o grubości nie większej niż 1,5 mm; ich średnice mają od 50 do 130 mm. Z kolei pierścienie Geka są odlewane z żeliwa, dlatego mają one większą grubość (3 mm) i mniej ostre zęby.
Ich średnice wynoszą od 50 do 115 mm. Taka budowa sprawia, że pierścienie zębate Bulldog łatwiej się montuje, z kolei pierścienie Geka uzyskują znacznie większe nośności.
Najpopularniejsze typy i kształty pierścieni oraz ich oznaczenia przedstawione są w tabelach 1 i 2.
Pierścienie kolczaste dwustronne
W tradycyjnych połączeniach elementów drewnianych za pomocą śrub, w których nie stosuje się pierścieni kolczastych, na nośność połączenia wpływ ma przede wszystkim pole docisku między trzpieniem śruby a łączonymi elementami drewnianymi. W celu zwiększenia nośności można zwiększać pole docisku poprzez zwiększenie średnicy śruby, co jednak nie zawsze jest ekonomicznie opłacalne. Zwiększanie średnicy łączników wypływa ponadto na zwiększanie minimalnych rozstawów łączników i ich odległości od krawędzi elementów drewnianych.
Alternatywą jest zastosowanie pierścieni kolczastych Bulldog lub Geka, które montuje się pomiędzy łączonymi elementami, a śrubę ściągającą wkłada się w otwór w pierścieniu. Poprzez skręcanie śruby, zęby pierścienia zagłębiają się w drewnie, łącząc oba elementy.
Takie połączenie, które oprócz śruby wykorzystuje jeszcze pierścienie zębate, ma znacznie większą nośność niż w przypadku zastosowania samej śruby. Dobrze ilustruje to tabela 3, w której przedstawione są przykładowe wartości dla różnych wariantów połączenia ze śrubą M16. Obliczenia są wykonane zgodnie z normą Eurokod 5, rozdział 8.10 „Złącza na wkładki zębate”, dla śruby M16 (8.8), drewna C24 (t = 80 mm) i mają charakter poglądowy.
Tab. 1. Najpopularniejsze typy i kształty pierścieni Bulldog.
Tab. 2. Najpopularniejsze typy i kształty pierścieni Geka.
Zastosowanie nawet najmniejszego pierścienia Bulldog (d=50 mm) niemalże podwoja nośność samej śruby, z kolei wykorzystanie tej samej śruby oraz pierścienia Geka (d=95 mm) skutkuje uzyskaniem nośności niemal czterokrotnej.
Co istotne, wewnętrzne średnice pierścieni zębatych nie wymuszają zastosowania konkretnego rozmiaru śruby, co oznacza, że można je montować ze śrubami o różnych średnicach.
W jakich sytuacjach szczególnie warto zastosować pierścienie kolczaste Bulldog i Geka? Z pewnością wówczas, gdy połączenia są obciążone bardzo dużymi siłami tnącymi. To także doskonały sposób na zredukowanie ilości stosowanych śrub w połączeniach o mniejszych obciążeniach – ważne jednak, aby każdorazowo poprzedzić taką optymalizację obliczeniami, które wykona projektant konstrukcji.
Tab. 3. Przykłady nośności połączeń śrubowych z pierścieniami Bulldog i Geka.
Zastosowanie pierścieni kolczastych Geka i Bulldog sprawdzi się też wówczas, gdy projektantowi konstrukcji zależy na zredukowaniu przekrojów drewna. Często przekroje te są sztucznie zwiększane, na przykład wtedy, gdy nie można zachować minimalnych wymaganych rozstawów i odległości śrub. Przykładem może być sytuacja, w której projektant w oparciu o obciążenia i schemat statyczny wyznacza przekroje wiązara krokwiowo-jętkowego i oblicza wymaganą w połączeniu ilość śrub. Po przeanalizowaniu minimalnych rozstawów między śrubami i uwzględnieniu ich odległości od krawędzi (Eurokod 5. Tablica 8.4 – Minimalne rozstawy i odległości śrub) często okazuje się, że pole nakładania się elementów, wynikające z obliczonych przekrojów krokwi i jętki, jest zbyt małe, a co za tym idzie – nie można spełnić wymaganych normą rozstawów i odległości. Wówczas, aby sprostać wymogom zapisów normowych, projektanci zwiększają wysokość przekroju jętki. Najczęściej do takich sytuacji dochodzi podczas projektowania wiązarów dachowych i drewnianych kratownic wielogałęziowych z połączeniami śrubowymi.
Oczywiście zwiększenie przekrojów drewna jest bardzo kosztowne, jednak w prosty sposób można tę konieczność wyeliminować dzięki zastosowaniu pierścieni kolczastych Bulldog i Geka. Pozwolą one kilkukrotnie zwiększyć nośność śrub, a tym samym – zmniejszyć ich ilość.
Pierścienie kolczaste jednostronne
Pierścienie kolczaste jednostronne stosuje się w przypadku połączeń śrubowych drewno-stal, np. w drewnianych kratownicach jednogałęziowych, łączonych na stalowe blachy węzłowe i śruby. Inaczej niż w przypadku pierścieni dwustronnych, w takiej sytuacji zęby zagłębiają się wyłącznie w elemencie drewnianym. Pojawia się więc pytanie, w jaki sposób w tego typu połączeniach przekazywane są obciążenia pomiędzy stalą a drewnem?
Otóż w pierścieniach dwustronnych, których zęby zagłębiają się w obydwu łączonych elementach, obciążenia przekazywane są bezpośrednio przez pierścień. Z kolei pierścienie jednostronne wykonane są tak, aby ich średnica wewnętrzna była spasowana ze średnicą śruby ściągającej – i na tym też polega różnica pomiędzy tymi dwoma typami pierścieni zębatych.
fot. Simpson Strong-Tie | Zdj. 3. Otwory na śrubę w pierścieniach dwustronnych i jednostronnych.
Obciążenia z drewna w przypadku pierścieni jednostronnych, przenosi pierścień Bulldog lub Geka, a dzięki spasowaniu i dociskowi ze śrubą, są one przekazywane za jej pośrednictwem na element stalowy. Obrazuje to poniższy schematyczny model przekazywania obciążeń. Z tego powodu należy zawsze dobierać do pierścieni jednostronnych śruby ściągające o odpowiedniej średnicy, np. C2-50-M10 lub C11-80-M20.
fot. Simpson Strong-Tie | Schemat przekazywania obciążeń dla pierścieni dwustronnych i jednostronnych.
Pierścienie kolczaste Bulldog i Geka – montaż
Montaż pierścieni zębatych nie jest trudnym zadaniem – należy nałożyć pierścień na śrubę ściągającą i umieści pomiędzy elementami łączonymi. W przypadku pierścieni dwustronnych należy zwrócić uwagę, aby śruba ściągająca znalazła się w centrum otworu wewnętrznego pierścienia, z kolei w pierścieniach jednostronnych centrowanie następuje dzięki spasowaniu średnicy wewnętrznej ze średnicą śruby.
Wysokość pierścieni wynosi maksymalnie 3 cm (z uwzględnieniem wysokości zębów) i należy odpowiednio do tego parametru dobrać długość śruby ściągającej. Ze względów estetycznych można zastąpić zastosowaną śrubę, śrubą krótszą (już po wciśnięciu pierścienia). Ważne jest przy tym, aby dobierać śruby wysokiej jakości, o klasie co najmniej 5.8, a najlepiej – 8.8. W przypadku doboru, które nie legitymują się żadną klasą potwierdzoną przez odpowiednie dokumenty, należy liczyć się z tym, że przy zagłębianiu pierścienie zębate mogą zrywać śruby ściągające. Dotyczyć to może zwłaszcza montażu pierścieni kolczastych Geka, które są grubsze i mniej ostre niż pierścienie Bulldog, przez co wymagają użycia większej siły przy dokręcaniu. Dlatego tak istotne jest, aby każdy element stosowany przy wykonywaniu połączeń miał odpowiednią jakość.
fot. Simpson Strong-Tie | Pierścień Geka po zagłębieniu w elemencie drewnianym.
Jeśli zaplanowane jest użycie dużych rozmiarów pierścieni zębatych, warto przygotować dodatkowe, grube i szerokie podkładki montażowe, co pozwoli wyeliminować ryzyko wciśnięcia standardowej podkładki w element drewniany. Takie podkładki pozwolą zwiększyć powierzchnię docisku w momencie zagłębiania pierścienia. Można je wykonać z dowolnego kawałka stali o grubości 5-10 mm, a po zagłębieniu pierścienia zastępuje się je standardowymi podkładkami do drewna i używa w kolejnych połączeniach.
Pierścienie Bulldog zazwyczaj nie wymagają stosowania specjalnych podkładek, co zawdzięczają bardziej ostrym zębom.
Po zagłębieniu pierścienia, podkładki montażowe są zastępowane standardowymi podkładkami do drewna i można wykorzystać je ponownie do wykonania kolejnego połączenia. Pierścienie Bulldog z uwagi na dużo bardziej ostre zęby, z reguły nie wymagają specjalnych podkładek montażowych (zdj. 6.).
fot. Simpson Strong-Tie | Pierścień Bulldog po zagłębieniu w elemencie drewnianym.
Decydując się na zwiększenie nośności połączeń drewnianych z wykorzystaniem pierścieni zębatych Geka i Bulldog należy też zwrócić uwagę, w jakim miejscu będą one stosowane. Otóż jeśli miejscem montażu jest środowisko wewnętrzne, to można wybrać pierścienie cynkowane elektrolitycznie. Innym typem powłok jest cynkowanie ogniowe, zanurzeniowe – tego typu pierścienie kolczaste mogą być stosowane na zewnątrz, nawet tam, gdzie będą narażone na bezpośrednie oddziaływanie warunków atmosferycznych.
Ponadto pierścienie Bulldog dostępne są też w wersji nierdzewnej (A4), dzięki czemu sprawdzą się one w konstrukcjach pracujących w środowisku szczególnie agresywnym.
Wbrew pozorom stosowanie pierścieni kolczastych Bulldog i Geka nie jest ograniczone tylko do skomplikowanych konstrukcji inżynierskich. Świetnie sprawdzą się one również w typowych wiązarach dachowych, np. w połączeniach krokwi z jętką, zwiększając nośność połączeń śrubowych.
W razie wątpliwości co do zastosowania lub montażu, należy skontaktować się z działem wsparcia technicznego producenta pierścieni: www.strongtie.pl
Na podstawie:
mgr inż. Tomasz Szczesiak
Inżynier wsparcia technicznego
Simpson Strong-Tie
