WYKONAWSTWO Technika mocowań Wytyczne doboru łączników do montażu stalowych blach profilowych dachów i ścian PRZEDMOWA Wprowadzenie; zakres i cel opracowania Podstawowe definicje oraz oznaczenia i symbole użyte w opracowaniu Sposoby mocowania łączników wraz z zasadami ich prawidłowego montażu do różnego typu konstrukcji Mocowanie blach na dachach Mocowanie blach do podłoży konstrukcyjnych Konstrukcje stalowe cienkościenne Konstrukcje stalowe gorącowalcowane lub podobne Konstrukcje z drewna klejonego Konstrukcje betonowe Szycie blach Mocowanie blach na ścianach Mocowanie blach do podłoży konstrukcyjnych Konstrukcje stalowe cienkościenne Konstrukcje stalowe gorącowalcowane lub podobne Konstrukcje z drewna klejonego Konstrukcje betonowe Szycie blach Mocowanie blach fasadowych Mocowanie blach do podłoży konstrukcyjnych Konstrukcje stalowe cienkościenne Konstrukcje stalowe Szycie blach Bibliografia i normy powołane Mgr inż. Marian Bober. Adres dla korespondencji: Stowarzyszenie DAFA ul. Cygana 4 45-131 Opole biuro@dafa.com.pl WSTĘP W Polsce w latach 90-tych XX wieku konstrukcje szkieletowe zostały przeniesione z budownictwa przemysłowego również do obiektów handlowych, usługowych i administracyjnych. Wpływ na to miała szybkość realizacji obiektów z konstrukcją szkieletową, stalową lub betonową, w połączeniu z lekką obudową ścian i dachów. Obecnie przemysł materiałów i usług budowlanych oferuje szeroką gamę tego typu wyrobów. Stowarzyszenie Wykonawców Dachów Płaskich i Fasad DAFA postawiło sobie za jeden z celów określenie standardów jakości, zarówno co do materiałów używanych w lekkiej obudowie jak i wykonania obiektów. W tym celu DAFA rozpoczęła wydawanie publikacji, których zadaniem będzie podniesienie ogólnej wiedzy technicznej wykonawców i projektantów, zajmujących się lekkimi obudowami obiektów. Stowarzyszenie działa tutaj dwutorowo. Po pierwsze, DAFA, jako członek IFBS (niemieckie Stowarzyszenie ds. Przemysłowych Systemów Budowlanych w Lekkim Budownictwie Stalowym) przenosi na rynek polski wydane w Europie zachodniej wytyczne IFBS w postaci tłumaczeń. Wytyczne te, szeroko rozpowszechnione szczególnie w Niemczech, stanowią wręcz normy wykonawcze dla lekkich obudów. W tłumaczeniach zastosowano polską terminologię powszechnie stosowaną w literaturze, co powinno pomóc w wykorzystaniu tych materiałów na naszym rynku budowlanym. Po drugie, Stowarzyszenie DAFA podjęło się wydania własnych opracowań i wytycznych dotyczących materiałów i technologii wykorzystywanych przy lekkich obudowach. Opracowania te powstają przy współpracy firm członkowskich DAFA i w oparciu o ich materiały techniczne. Nie są to jednak katalogi wyrobów czy poradniki projektowe, a jedynie materiały ujednolicające terminy i sformułowania, oraz określające pewne minimalne wymagania dla stosowanych materiałów oraz zasady ich montażu. Stanowią zatem obiektywną pomoc dla osób uczestniczących w procesie projektowania i wykonawstwa tego typu obiektów. Pierwszym z cyklu opracowań DAFA dotyczącym Techniki Mocowań są Wytyczne doboru łączników do montażu stalowych blach profilowych dachów i ścian. Wytyczne te powstały przy współpracy członków Stowarzyszenia, a jednocześnie wiodących na rynku polskim firm, producentów elementów mocujących EJOT TM, ESSVE, KOELNER i SFS intec. Kolejne publikacje z zakresu Techniki Mocowań dotyczyć będą łączników do mocowania izolacji termicznych i hydroizolacji na dachach i ścianach w systemach lekkich obudów oraz mocowania płyt warstwowych. DAFA opracowała również tłumaczenia następujących niemieckich wytycznych Stowarzyszenia IFBS (Industrieverband für Bausysteme im Metallleieichtbau): DAFA ID 1.01. Stalowe blachy trapezowe jako konstrukcja nośna dachów płaskich. DAFA ID 1.05. Podręcznik oceny jakości wykonania lekkich metalowych obudów. DAFA ID 1.03. Wytyczne z zakresu projektowania i wykonania dwupowłokowych, ocieplanych, niewentylowanych dachów metalowych. DAFA ID 4.02. Fizyka budowli Szczelność w lekkim budownictwie stalowym. DAFA ID 5.04. Otwory w dachach z blach fałdowych. DAFA ID 4.06. Izolacja akustyczna w lekkim budownictwie stalowym. Nasze publikacje są opracowaniami skierowanymi m.in. do inżynierów i techników, zajmujących się produkcją, montażem oraz odbiorem i eksploatacją lekkich obudów ścian i dachów. Liczymy na informacje zwrotne, dotyczące opinii ww. grup na temat formy, zakresu dotychczasowych opracowań, a także oczekiwań, jakie powinny one spełniać, aby były bardziej przydatne w codziennej pracy. 36
1. Wprowadzenie; zakres i cel opracowania Niniejsze opracowanie zawiera przykłady podstawowych wymagań, wytycznych dla elementów mocujących stosowanych w lekkiej obudowie dachów i ścian przy montażu blach. Dla przejrzystości opracowania i łatwiejszego wyszukania odpowiednich danych w konkretnym przypadku dokonano podziału według położenia blachy. Kryterium to wyróżnia trzy główne grupy: blachy na dachu, blachy na ścianie, blachy fasadowe. Zastosowanie blach na dachu to przede wszystkim jej mocowanie jako warstwy podstawowej, wewnętrznej w układach dachowych z ociepleniem i zewnętrznym pokryciem na bazie membran dachowych, takich jak: bitumiczne (papowe) lub typu PCV wariant dla dachów płaskich. Innym rozwiązaniem dla lekkiej obudowy dachów hal stalowych jest mocowanie blach zarówno jako spodnich-wewnętrznych jak i poszyć wierzchnich zewnętrznych (wariant dla układ typu: blacha izolacja blacha). Mocowanie blach może być realizowane do różnych elementów konstrukcyjnych: ramy, dźwigary, kratownice oraz płatwie lub elementy pośrednie w przypadku układów warstwowych na dachu (blacha izolacja blacha). Grupa związana z mocowaniem blach na ścianie dotyczy bezpośredniego ich mocowania do elementu konstrukcyjnego i obejmuje również przypadki lekkiej obudowy na bazie stalowych kaset wzdłużnych. W tych przypadkach elementy konstrukcyjne, do których mocujemy blachę to słupy nośne, pośrednie, a także rygle i belki. Wyróżnienie blach fasadowych w tym opracowaniu wynika z faktu, iż stawiane są im inne wymagania, co wpływa zasadniczo na wytyczne dla elementu mocującego. Wyróżniamy wtedy takie elementy konstrukcyjne, do których mocujemy blachę jak: słupy, rygle, profile pośrednie, a także kasety wzdłużne. Drugim, zasadniczym kryterium podziału dla zastosowania, przyjętym w tym opracowaniu, jest rodzaj elementu konstrukcyjnego, do którego mocowana jest blacha w danym przypadku. Mówimy tutaj o następujących typach konstrukcji: stalowa cienkościenna, stalowa gorącowalcowana, z drewna klejonego, z elementów betonowych. Stalowe elementy konstrukcyjne cienkościenne charakteryzują się przede wszystkim niewielką grubością ścianki profilu stalowego (najpopularniejszy podział wskazuje granicę dla grubości ścianki na poziomie ok. 3,0 mm). W tej grupie krytycznym, z punktu widzenia systemu mocowania są profile stalowe o grubości ścianki w zakresie od 0,7 do 2,0 mm. W uzasadnionych przypadkach możemy mówić także o mocowaniu blachy do złożenia dwóch blach np. 2 x 0,88 mm lub 2 x 1,0 mm. Najczęściej przypadek ten występuje dla obudowy ścian na bazie kaset wzdłużnych. Pod pojęciem elementów konstrukcyjnych gorącowalcowanych należy rozumieć wszelkie profile stalowe, dla których grubość ścianki przekracza 5,0 mm. Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na profile o znacznych wymiarach geometrycznych (typu HEA, Broszura: Wytyczne doboru łączników do montażu stalowych blach profilowych dachów i ścian rozpoczyna zamierzony cykl publikacji, mający na celu określenie minimalnych wymagań dotyczących zastosowania łączników. 37
WYKONAWSTWO Technika mocowań HEB jak i specjalne indywidualnie zaprojektowane blachownice) zarówno co do, przekroju poprzecznego profilu jak i jego grubości ścianki w miejscu mocowania. Dla typowych, małogabarytowych wyrobów hutniczych mamy doczynienia ze zmienną grubością ścianki profilu (np. dwuteowniki). Elementy konstrukcyjne wykonane z drewna klejonego występują coraz powszechniej i to zarówno dla układów z blachami dachowymi (np. dźwigary klejone, kratowe lub płatwie) jak i blachami w ścianie (np. słupy, belki lub dźwigary). Pod pojęciem elementów betonowych należy rozumieć wszelkiego rodzaju elementy prefabrykowane, żelbetowe przygotowywane w zakładzie produkcyjnym oraz wylewane bezpośrednio na placu budowy. Dotyczy to zarówno słupów jak i belek betonowych. Osobno wyróżniono przypadek szycia blach ze sobą. Występuje on w różnych przypadkach: zarówno przy zakładzie pomiędzy nachodzącymi na siebie blachami dachowymi, szyciu kaset wzdłużnych między sobą, także zszywaniu blach elewacyjnych na zakładzie jak i mocowaniu obróbek blacharskich do blach fasadowych. 2. Podstawowe definicje oraz oznaczenia i symbole użyte w opracowaniu. FOTO: POBURSKI DACHTECHNIK DEFINICJE: 1. Łącznik łączy ze sobą elementy z tych samych bądź różnych materiałów. Jest elementem konstrukcji, który praktycznie nie powinien ulegać odkształceniom i przemieszczeniom pod wpływem działania sił pionowych i poziomych. Łącznik może stanowić połączenie gwintowe, nitowe, zgrzewane, spawane lub w postaci kształtownika. Łącznik mocujący powinien być zaprojektowany na podstawie obliczeń statycznych i zabezpieczony antykorozyjnie. 2. Łącznik samowiercący łącznik w połączeniu gwintowym dociskowym. Łącznik samowiercący składa się z łba, trzpienia w kształcie walca, częściowo lub całkowicie gwintowanego i zintegrowanego wiertła. Zastosowanie jego nie wymaga wcześniej wykonania otworu wstępnego w łączonych materiałach. 3. Łącznik samogwintujący łącznik w połączeniu gwintowym dociskowym. Łącznik samogwintujący składa się z łba i trzpienia w kształcie walca, częściowo lub całkowicie gwintowanego. Zastosowanie tego elementu wymaga wcześniejszego wykonania otworu wstępnego o zalecanej średnicy (mniejszej od średnicy łącznika) w elemencie, do którego mocujemy. 4. Podkładka stanowi element pomocniczy przy połączeniach gwintowych. Umieszcza się ją pomiędzy łbem łącznika lub nakrętką a elementem łączonym. Zapewnia równomierny docisk, a w szczególnych przypadkach szczelność połączenia. Podkładki powinny mieć wystarczająco dużą powierzchnię, która ograniczałaby możliwość zniszczenia łączonego elementu poprzez jego przeciągnięcie przez łeb łącznika. Możemy wyróżnić podkładki: zwykła stosowana do zabezpieczeń elementów przed zadrapaniem lub zgnieceniem podczas dokręcania śruby; sprężynowa i odginana zabezpiecza przed samoczynnym odkręceniem łącznika; wyrównująca wyrównuje pochylenia elementu łączonego; uszczelniająca z dodatkową warstwą materiału elastycznego uszczelniającego połączenie. 38
5. Podkładka uszczelniająca podkładka z dodatkową warstwą materiału elastycznego, którego zadaniem jest uszczelnienie miejsca połączenia. 6. Nit stanowi element mocujący służący do nierozłącznego łączenia elementów konstrukcji wsporczych do podłoża, obróbek blach oraz łączenia ich na zakład. Zastosowanie jego wymaga wcześniejszego wykonania otworu w łączonych materiałach o średnicy większej niż średnica zewnętrzna tulei nitu. 7. Kołek specjalnie zaprojektowany element stalowy do bezpośredniego osadzania w podłożu betonowym lub tworzywowy element pośredniczący w połączeniu kołkowym. Kołek stalowy do bezpośredniego mocowania składa się z łba i specjalnie ukształtowanego trzpienia, który ulega trwałemu odkształceniu w czasie osadzania w podłożu lub posiada specjalny gwint do podłoża betonowego. Zastosowanie kołków wymaga wcześniejszego wykonania otworu w podłożu o średnicy zgodnej z wymiarem nominalnym kołka. 8. Kołek wstrzeliwany element stalowy, zazwyczaj hartowany, przeznaczony do osadzania w podłożu metodą wstrzeliwania za pomocą osadzaków gazowych lub prochowych. W metodzie tej nie jest konieczne wykonywanie otworu wstępnego. 9. Stal węglowa jest to stal, której węgiel jest pierwiastkiem kształtującym jej charakterystykę. Stal węglową stosuje się głównie podczas wytwarzania elementów konstrukcji, a także urządzeń mechanicznych, w elementach, gdzie jej właściwości są wystarczające. Podwyższona zawartość węgla w stali może w pływać na jego nierdzewność, lecz także na kruchość stali. 10. Stal nierdzewna jest to stal odporna na działanie różnych czynników atmosferycznych, roztworów alkalicznych, kwasów i związków chemicznych. O jej nierdzewności stanowi podwyższona zawartość chromu. Średnia zawartość mieści się w granicach 12-25%. 11. Moment dokręcający jest to iloczyn ramienia przyłożenia siły i tej siły. Moment dokręcający doprowadza do uzyskania optymalnej nośności łącznika. Maksymalna wartość momentu dokręcającego dla danego łącznika nie powinna zostać nigdy przekroczona. 12. Nośność niszcząca wartość siły, która powoduje zniszczenie łącznika lub jego połączenia. 13. Nośność charakterystyczna obliczana jest z przeciętnej wartości średniego obciążenia niszczącego dla pojedynczego łącznika bez uwzględniania wpływu rozstawu i odległości łączników od krawędzi podłoża. Nośność charakterystyczną określa się jako wartość średnią w ujęciu statystycznym na podstawie serii prób wykonanych dla powtarzalnych warunków mocowania. 14. Nośność obliczeniowa to wartość stanowiąca iloczyn wartości nośności charakterystycznej i współczynnika bezpieczeństwa, uwzględniającego możliwości wystąpienia nieprzewidzianych warunków pracy łącznika oraz dokładności wyznaczenia nośności charakterystycznej. 15. Nośność łącznika stanowi maksymalne obciążenie o określonym kierunku działania, które może być przeniesione przez łącznik bez jego zniszczenia. 16. Nośność połączenia stanowi maksymalne obciążenie o określonym kierunku działania, które może być przeniesione przez łącznik i elementy łączone, uwzględniając możliwość zniszczenia łącznika, elementu mocowanego lub podłoża. 17. Nośność na wyrwanie wartość siły działającej tylko w kierunku zgodnym z osią łącznika. 18. Nośność na ścinanie wartość siły działającej tylko w kierunku prostopadłym do osi łącznika. Konkurujące ze sobą firmy: EJOT TM, ESSVE, KOELNER i SFS intec podjęły się trudnego zadania określenia minimalnych standardów jakie powinny spełniać elementy złączne stosowane do montażu lekkich obudów z blach fałdowych. 39
WYKONAWSTWO Technika mocowań 19. Nośność na przeciągnięcie wartość siły działającej w kierunku prostopadłym do osi łącznika powodująca zniszczenie materiału mocowanego w obrębie połączenia przy jednoczesnym braku uszkodzenia łącznika i podłoża. 20. Strefa rozciągana strefa przekroju podłoża, w której występują naprężenia rozciągające. 21. Strefa ściskana strefa przekroju podłoża, w której występują naprężenia ściskające. 22. Blacha profilowa (fałdowa) dźwigar powierzchniowy, wykonany z blach metalowych przez ich ukształtowanie w taki sposób, aby zwielokrotnić moment bezwładności przekroju (sztywność) w stosunku do blachy płaskiej. Jednocześnie powierzchnia użyteczna (w technicznym rozumieniu) takiego kształtownika pozostaje płaska. Blacha profilowana to przede wszystkim cienka blacha stalowa lub aluminiowa, o grubości wahającej się w zakresie od 0,4 do 1,25 mm 1. 23. Korozja ogólna nazwa procesów niszczących mikrostrukturę materiału, które prowadzą do jego rozpadu. Występują dwa podstawowe rodzaje korozji: atmosferyczna i galwaniczna. 24. Korozja atmosferyczna powodowana jest poprzez kontakt materiału z otaczającym środowiskiem. Korozja atmosferyczna uzależniona jest od intensywności występowania poszczególnych związków chemicznych w powietrzu, głównie zanieczyszczeń przemysłowych takich jak związki chloru i siarki. 25. Korozja galwaniczna powstaje w miejscu kontaktu dwóch materiałów o różnych potencjałach. Tworzy się wówczas ogniwo galwaniczne powodujące stopniowe niszczenie jednego z elementów. 26. Przewiercalność maksymalna łączna grubość materiałów, które łącznik samowiercący jest w stanie przewiercić. 27. Średnica łącznika samowiercącego średnica mierzona po pobocznicy gwintu łącznika. 28. Średnica łącznika samogwintującego średnica mierzona po pobocznicy gwintu łącznika. SYMBOLE D min średnica minimalna L min długość minimalna ZP min minimalna zdolność przewiercania łącznika 3. Sposoby mocowania łączników wraz z zasadami ich prawidłowego montażu do różnego typu konstrukcji. FOTO: MARLEY POLSKA Do podstawowych sposobów mocowania zalicza się takie metody, jak: mocowanie w technice samowiercącej przy pomocy łączników samowiercących; mocowanie w technice samogwintującej przy pomocy łączników samogwintujących; innych sposobów takich, jak wstrzeliwanie, nitowanie i przy pomocy elementów rozprężnych. Mocowanie elementów elewacyjnych za pomocą łączników samowiercących odbywa się w jednym cyklu technologicznym, czyli wierceniem otworu przez element mocowany, tzw. połączenie przelotowe. W tej technologii mocowania wiertło zintegrowane jest z łącznikiem, a gwintowanie zachodzi w podłożu. 40
Przy metodzie mocowania elementów elewacyjnych, metodą łączników samogwintujących należy wcześniej wykonać w podłożu otwór wstępny, a następnie wkręcić łącznik, jednocześnie następuje nacinanie gwintu w podłożu. W metodzie wstrzeliwania, łączniki wtłaczane są do podłoża przy wykorzystaniu sił wybuchu ładunku prochowego lub chemicznego, poprzez element pośredniczący (tłok). Metoda ta nie wymaga wstępnego nawiercania mocowanych elementów oraz podłoża. Przy mocowaniu nitami należy na wstępie wykonać otwór w materiałach łączonych. Metoda ta obecnie wykorzystywana jest przy montażu wszelkiego rodzaju obróbek blacharskich w miejscach widocznych. Ważnym kryterium prawidłowego doboru łącznika jest jego nośność na wyrywanie z podłoża, jego ścinanie oraz przeciąganie przez materiał mocowany. Parametry te zawarte są w Aprobatach Technicznych producentów łączników oraz producentów zasadniczych elementów elewacyjnych blach, płyt warstwowych itp. lub w ich materiałach technicznych. Przy doborze łączników mocujących blachy do konstrukcji należy zwrócić uwagę na następujące parametry: minimalna grubość podłoża dla danego rodzaju łącznika; maksymalna zdolność wiercenia przewiercalność (dla łączników samowiercących) czyli łączna grubość przewiercanych materiałów; maksymalna grubość mocowania, szczególnie przy łączeniu elementów z dodatkowymi warstwami pomiędzy nimi (np. przekładka izolacyjna); rodzaju podłoża do jakiego jest mocowany element. Łączniki samowiercące jak i samogwintujące wykonane są ze stali węglowej, ocynkowane, lub ze stali nierdzewnej. Dobór łącznika w wersji ocynkowanej lub nierdzewnej winien być uzależniony od środowiska w jakim ma być zastosowany zgodnie z PN-EN ISO 12944-2:2001, PN EN 10152 2005. Grubość warstwy zabezpieczającej (cynkowej oraz dodatkowych powłok antykorozyjnych) łączników określają Aprobaty Techniczne producenta łączników oraz jego materiały techniczne. Łączenie blach profilowych do konstrukcji nośnych bardzo często wykorzystywane jest przez projektantów jako dodatkowe usztywnienie konstrukcji. Dlatego metody łączenia mogą być dobierane przez konstruktorów na etapie obliczeń. W układzie mocowania do konstrukcji nośnych należy więc ściśle przestrzegać zaleceń konstrukcyjnych jeżeli takowe znajdują się w projekcie, a ewentualne zmiany należy konsultować z projektantem. Ważną kwestią jest prawidłowe zamontowanie łączników do podłoża. Montaż łączników zawsze powinien odbywać się prostopadle do podłoża, urządzeniami (maszynami) dedykowanymi do danego rodzaju łącznika i podłoża przez producenta łącznika. Przy montażu łączników pracujących na zewnątrz (w bezpośrednim kontakcie z warunkami atmosferycznymi lub w specjalnych warunkach) należy szczególną uwagę zwrócić na: zabezpieczenie antykorozyjne łącznika dobrane w zależności od typu atmosfery, w której dany łącznik pracuje; zastosowanie elementów uszczelniających (podkładek uszczelniających) zapobiegających penetracji wilgoci do wewnątrz w miejscu zainstalowania łącznika; istotne znaczenie ma tutaj prawidłowe zamontowanie podkładki z elementem uszczelniającym. Rys. 1. Prawidłowy montaż podkładki uszczelniającej. 41