Połączenia śrubowe - rodzaje, klasy i montaż

Śruby i wkręty do różnych zastosowań

Połączenia śrubowe są najpowszechniejszym sposobem łączenia elementów w budownictwie i wyposażeniu domu, a ich największą zaletą pozostaje rozłączność - element skręcony można rozebrać i złożyć ponownie bez niszczenia materiału, czego nie da się powiedzieć o klejeniu, spawaniu czy gwoździowaniu.

Sposób wykonania gwintu wewnętrznego zależy od łączonego materiału. W konstrukcjach stalowych stosuje się śruby z nakrętkami albo gwint nacinany bezpośrednio w elemencie, na przykład gwintownikiem. W materiałach miękkich - drewnie i tworzywach - gwint powstaje samoczynnie, wytłaczany przez wkręcany element. W cienkiej blasze formuje go blachowkręt w chwili montażu.

Śruba, wkręt czy blachowkręt - nazewnictwo

Potoczne nazwy wyrobów gwintowanych są używane bardzo swobodnie, co bywa źródłem nieporozumień przy zamawianiu materiału. Zgodnie z nomenklaturą techniczną śruba ma gwint znormalizowany, najczęściej metryczny, i łeb przystosowany do klucza - pracuje z nakrętką albo z gwintem naciętym w elemencie. Wkręt do metalu różni się gniazdem przystosowanym do wkrętaka. Wkręt do drewna ma gwint o dużym skoku i ostry zbieg, a jego nazwę uzupełnia się określeniem rodzaju łba. Osobną grupę stanowią blachowkręty, formujące gwint w cienkiej ściance.

Unikalny gwint Power-Fast dosięga końcówki wkrętu i zapewnia szybkie wprowadzanie w drewno (fot. fischer Polska)

Połączenia śrubowe do metali

Gwinty mogą mieć różny zarys i kąt wznoszenia linii śrubowej, ale w praktyce budowlanej króluje gwint metryczny o kącie zarysu 60 stopni. Oznacza się go literą „M” i średnicą nominalną, a przy skoku innym niż normalny podaje się dodatkowo jego wartość. Zapis „M20 x 1,5” opisuje więc gwint metryczny o średnicy 20 mm i drobnym skoku 1,5 mm. Śruba i nakrętka muszą mieć identyczne oznaczenie - gwint drobnozwojny nie współpracuje ze zwykłym, choć na pierwszy rzut oka wygląda podobnie.

Klasy wytrzymałości - jak czytać oznaczenie na łbie

Liczby wybite na łbie śruby nie są numerem katalogowym, tylko klasą wytrzymałości, a odczytuje się je według prostego klucza. Pierwsza cyfra pomnożona przez sto daje wytrzymałość na rozciąganie w megapaskalach, druga mówi, jaką część tej wartości stanowi granica plastyczności. Śruba klasy 8.8 zrywa się więc przy około 800 MPa, a odkształca trwale przy 640 MPa.

Najłatwiej dostępna i najtańsza jest klasa 5.8, w zupełności wystarczająca do połączeń pomocniczych. Przy elementach odpowiedzialnych - złączach konstrukcyjnych, mocowaniu maszyn, wymianie oryginalnych śrub - sięga się po klasy 8.8 lub 10.9. Trzeba przy tym pamiętać o rzeczy pomijanej najczęściej: nakrętka musi mieć klasę dopasowaną do śruby. Wkręcenie śruby 10.9 w tanią nakrętkę klasy 5 kończy się zerwaniem gwintu w nakrętce, a więc marnuje całą różnicę w wytrzymałości, za którą się zapłaciło.

Powłoki ochronne i stal nierdzewna

Standardowe śruby metryczne pokrywa się galwaniczną powłoką cynkową, która chroni je w suchych wnętrzach, ale niewiele daje przy stałym zawilgoceniu. Do elementów narażonych na wodę stosuje się cynkowanie ogniowe albo elementy ze stali nierdzewnej: A2 w warunkach umiarkowanych i A4 tam, gdzie występują chlorki - nad basenem, w strefie nadmorskiej, przy odladzanych nawierzchniach. Nierdzewne łączniki mają własne oznaczenia wytrzymałości, jak A2-70 czy A4-80.

Stal nierdzewna ma jednak przykrą właściwość: przy szybkim wkręcaniu gwint potrafi się zakleszczyć na zimno, a wtedy śruby nie da się już ani dokręcić, ani wykręcić. Zapobiega temu wolne tempo dokręcania i odrobina pasty montażowej na gwincie. Osobno trzeba pilnować, by nie łączyć w mokrym środowisku metali o odległych potencjałach - nierdzewna śruba w aluminiowym profilu tworzy ogniwo, w którym koroduje aluminium.

Blachowkręt samonawiercający (fot. Wkręt-Met)

Wkręty do metalu i blachowkręty

Przy montażu wyposażenia domu często pracują wkręty do metalu z łbem ozdobnym, współpracujące z nakrętką albo z nagwintowanym otworem, wkręcane wkrętakiem o dopasowanej końcówce. Ich rola jest w równym stopniu konstrukcyjna i estetyczna, dlatego produkuje się je w wersjach niklowanych, mosiądzowanych i czernionych.

Blachowkręty znajdują zastosowanie głównie przy lekkiej zabudowie z płyt gipsowo-kartonowych na stelażu stalowym. Ich czarna powłoka fosforanowa zabezpiecza metal przed korozją w kontakcie z gipsem, który jest materiałem higroskopijnym. Do cienkich profili wystarczą wkręty o ostrym zbiegu, wkręcane bez przygotowania otworu; do grubszych ścianek potrzebne są wkręty samowiercące, zakończone miniaturowym wiertłem. Wiertło to określa maksymalną grubość blachy, jaką wkręt przewierci - przy grubszej ściance końcówka wypala się, zanim zdąży się przebić, i wkręt trzeba wymienić na wyższy numer końcówki wiertarskiej albo nawiercić otwór wstępnie.

Wkręty do metalu i nakrętki (fot. kristal.net)

Rodzaje łbów i gniazd

Kształt łba decyduje o tym, jak zamocowanie wygląda i jak przenosi docisk. Łeb sześciokątny pozwala przyłożyć największy moment i pracuje z kluczem płaskim lub nasadowym. Łeb stożkowy chowa się w sfazowanym otworze i licuje z powierzchnią, dlatego stosuje się go tam, gdzie nic nie powinno wystawać. Łeb walcowy i kulisty pozostają widoczne i wymagają płaskiego podparcia. Łeb talerzowy, o dużej średnicy, rozkłada nacisk na miękkim podłożu i nie wciska się w drewno ani w płytę.

Ważniejsze od kształtu bywa jednak gniazdo. Klasyczne gniazdo krzyżowe PH zostało zaprojektowane tak, by wkrętak wyskakiwał z niego po przekroczeniu momentu - miało to chronić połączenie, ale przy wkrętarce oznacza rozwiercone gniazdo i zniszczony bit. Zbliżone wyglądem PZ ma dodatkowe nacięcia i trzyma znacznie lepiej, ale bity obu systemów nie są zamienne, a ich mieszanie to najczęstsza przyczyna rozwierconych gniazd. Gniazdo torx praktycznie eliminuje wypadanie końcówki i przenosi największy moment, dlatego wyparło pozostałe rozwiązania z wkrętów konstrukcyjnych. Imbus sprawdza się przy łbach walcowych i w meblach.

Nakrętki, podkładki i zabezpieczenie przed odkręceniem

Najczęściej stosowana jest zwykła nakrętka sześciokątna, ale asortyment jest znacznie szerszy. Nakrętka kołpakowa zakrywa wystający gwint i zabezpiecza przed skaleczeniem, motylkowa pozwala rozkręcić połączenie bez narzędzi, a samohamowna, z pierścieniem z tworzywa, opiera się samoczynnemu odkręcaniu przy drganiach. Tej ostatniej nie należy używać wielokrotnie - pierścień traci sprężystość po kilku demontażach.

Podkładka płaska nie jest ozdobą: rozkłada nacisk łba na większą powierzchnię i chroni miękki materiał przed wgnieceniem, a przy owalnym otworze montażowym w ogóle umożliwia docisk. Podkładki sprężyste i zębate mają utrudniać odkręcanie, choć ich skuteczność przy silnych drganiach bywa przeceniana - pewniejsze są nakrętki samohamowne, podkładki klinowe albo klej anaerobowy nanoszony na gwint.

Momenty dokręcania i narzędzia

Śruba nie trzyma dlatego, że tkwi w otworze, lecz dlatego, że została rozciągnięta i napina łączone elementy - to naprężenie wstępne przenosi obciążenie. Dokręcenie zbyt słabe zostawia luz, przez który połączenie zaczyna pracować i z czasem samo się rozkręca; zbyt mocne rozciąga trzon poza granicę plastyczności i śruba pęka później, bez ostrzeżenia. Dlatego przy połączeniach odpowiedzialnych producent podaje moment dokręcania w niutonometrach, a jedynym sposobem jego dotrzymania jest klucz dynamometryczny. Warto wiedzieć, że wartość ta zakłada określony stan gwintu - nasmarowany gwint przy tym samym momencie daje wyraźnie większe naprężenie niż suchy.

Wkrętarka akumulatorowa ze sprzęgłem pozwala powtarzalnie dokręcać wkręty i jest podstawowym narzędziem montażu. Zakrętarka udarowa to inne urządzenie: daje ogromny moment, ale nie kontroluje go w żaden sposób. Świetnie sprawdza się przy długich wkrętach ciesielskich, natomiast do cienkiej blachy, wkrętów nierdzewnych i połączeń z zadanym momentem po prostu się nie nadaje.

Połączenia gwintowe do drewna

Przy więźbie dachowej, budowie altany czy stawianiu ogrodzenia sięga się po wkręty do drewna dobrane wymiarem do konkretnego zadania. Od tego wyboru zależy trwałość i sztywność złącza, zarówno przy łączeniu samego drewna, jak i przy osadzaniu w nim okuć stalowych.

Zróżnicowanie zastosowań i samego surowca sprawia, że uniwersalnych parametrów podać się nie da. Warto natomiast pamiętać, że w tradycyjnej ciesiołce wkręty pełnią funkcję pomocniczą - zasadnicze obciążenia przenosi odpowiednio ukształtowane złącze między belkami, a łącznik jedynie zabezpiecza je przed rozsunięciem.

Średnice, długości i głębokość osadzenia

Typowe średnice wkrętów do drewna mieszczą się w przedziale od 4 do 8 mm, a w konstrukcjach mocniej obciążonych stosuje się 10 lub 12 mm. Długość dobiera się do grubości łączonych elementów, wliczając grubość nakładki i wymaganą głębokość osadzenia. Przyjmuje się, że głębokość osadzenia w elemencie dolnym nie powinna być mniejsza niż pięć średnic wkrętu, a jednocześnie wkręt nie może wyjść na drugą stronę.

Gwint pełny czy częściowy

To rozróżnienie decyduje o działaniu złącza. Wkręt z gwintem częściowym ma gładki odcinek pod łbem, który przechodzi przez element nakładany bez chwytania go - dzięki temu przy dokręcaniu obie części zostają do siebie ściągnięte. Wkręt z gwintem pełnym chwyta oba elementy jednocześnie i niczego nie dociąga, za to usztywnia złącze na całej długości; takie łączniki wkręca się często pod kątem około 45 stopni, wykorzystując je jako ukryte zastrzały. Użycie gwintu pełnego tam, gdzie potrzebne jest ściągnięcie, kończy się szczeliną, której nie da się już zlikwidować.

Do zadań nośnych przeznaczone są wkręty konstrukcyjne z europejską oceną techniczną, dla których producent podaje obliczeniowe nośności na wyrywanie i ścinanie. Zwykły wkręt ze sklepu takiego dokumentu nie ma i w obliczeniach statycznych nie może być uwzględniony.

Łby, śruby zamkowe i tuleje gwintowane

W złączach ciesielskich najczęściej pracują wkręty z łbem płaskim i gniazdem torx lub imbus. Na płaskich okuciach dobrze sprawdza się łeb stożkowy, który wchodzi w gniazdo blachy, a tam, gdzie zamocowanie ma wyraźnie odstawać, stosuje się wkręty pod klucz sześciokątny.

Poza wkrętami używa się śrub zamkowych z gwintem metrycznym i nakrętką, spotykanych głównie w ogrodzeniach. Ich półkolisty łeb ma pod spodem kwadratowe podsadzenie, które wcina się w drewno i blokuje obrót - dokręcanie wymaga więc tylko jednego klucza, od strony nakrętki, a od zewnątrz nie ma czego chwycić.

Tam, gdzie złącze będzie wielokrotnie rozbierane, zamiast wkręta osadza się w drewnie tuleję z gwintem metrycznym i wkręca w nią zwykłą śrubę - gwint pracuje wtedy w stali, a nie w drewnie, które przy kolejnych demontażach traciłoby nośność. W elementach cienkościennych podobną rolę pełnią wkładki gwintowe wbijane od strony niewidocznej.

Łączniki do drewna zabezpiecza się powłoką cynkową, często pasywowaną - poznać ją po żółtym zabarwieniu. Wyroby markowe bywają pokrywane powłokami wielowarstwowymi o znacznie wyższej odporności, a do drewna narażonego na zawilgocenie oraz do drewna impregnowanego solami miedzi - te bowiem przyspieszają korozję cynku - właściwym wyborem są wkręty ze stali nierdzewnej.

Technologia wykonywania połączeń na wkręty ciesielskie

Zanim zacznie się wkręcanie, łączone elementy warto unieruchomić ściskami ciesielskimi. Bez tego drewno rozsuwa się pod naciskiem wkrętu i po dokręceniu zostaje szczelina, której nikt już nie zamknie. Wstępne zaciśnięcie pozwala też precyzyjnie wykonać nawiercenia pilotowe.

Rozstawy i odległości od krawędzi

Wkręt działa w drewnie rozporowo - rozpycha włókna, dlatego osadzony zbyt blisko końca belki odłupuje jej krawędź. Z tego samego powodu wkrętów nie umieszcza się jeden przy drugim wzdłuż tego samego włókna. Wymagane odstępy podaje się jako wielokrotność średnicy łącznika: między sąsiednimi wkrętami liczy się je w kilku średnicach, a od obciążonego końca elementu - w kilkunastu. Dokładne wartości zawiera Eurokod 5 oraz karta techniczna konkretnego wkrętu i to one rozstrzygają w złączach nośnych.

Nawiercanie pilotowe

Średnica otworu pilotowego powinna wynosić 0,6–0,7 średnicy nominalnej wkrętu, a jego głębokość nieznacznie przekraczać planowaną głębokość osadzenia. W praktyce oznacza to otwór odpowiadający mniej więcej rdzeniowi gwintu: gwint ma pełne oparcie w drewnie, a rozpychanie włókien zostaje ograniczone.

Producenci oferują wprawdzie wkręty niewymagające nawiercania, ale przy większych średnicach i twardych gatunkach drewna często nie udaje się ich dokręcić do końca - opór narasta szybciej, niż wkrętarka jest w stanie go pokonać, a próba przełamania go siłą kończy się urwanym łbem. W elemencie nakładanym otwór wierci się szerszy, tak aby wkręt przeszedł przez niego swobodnie, nie chwytając gwintem; to właśnie ten zabieg umożliwia ściągnięcie obu części. Przy łbie stożkowym krawędź otworu trzeba dodatkowo sfazować.

Osadzanie tulei gwintowanej

Pod tuleję wierci się otwór o średnicy dobranej do jej wymiaru zewnętrznego, po czym wkręca ją na taką głębokość, by licowała z płaszczyzną drewna. Przez otwór w nakładanej części przekłada się śrubę i dokręca ją momentem podanym przez producenta.

Ile kosztują śruby i wkręty?

Poniższe stawki są orientacyjne i pochodzą z ofert marketów budowlanych oraz hurtowni internetowych. Warto pamiętać, że przy większych zakupach różnica między opakowaniem detalicznym a zbiorczym potrafi sięgnąć połowy ceny.

Ocynkowane śruby metryczne klasy 5.8 w rozmiarze M8×40 kosztują od 0,40 do 0,90 zł/szt., a odpowiedniki klasy 8.8 od 1 do 2 zł/szt. Wersje ze stali nierdzewnej A2 to wydatek rzędu 1,50–3 zł/szt., a A4 bywa dwukrotnie droższa. Nakrętki M8 kosztują od 0,15 do 0,50 zł/szt., samohamowne od 0,40 zł/szt., a podkładki płaskie od 0,05 zł/szt.

Wkręty do drewna 4×50 z powłoką cynkową to koszt od 15 do 30 zł za 100 sztuk, a wersje 5×80 z gniazdem torx od 30 do 70 zł za 100 sztuk. Wkręty ciesielskie 8×200 wyceniane są pojedynczo, od 4 do 10 zł/szt., przy czym łączniki z europejską oceną techniczną kosztują wyraźnie więcej od wyrobów bez dokumentu. Blachowkręty do płyt g-k 3,5×25 kupimy za 25–60 zł za tysiąc sztuk, śruby zamkowe M8×80 za 0,80–1,60 zł/szt., a tuleje gwintowane do drewna za 1,50–5 zł/szt.

Do tego dochodzą narzędzia: pojedynczy bit torx dobrej jakości kosztuje od 6 do 20 zł, komplet bitów z uchwytem od 30 do 100 zł, a klucz dynamometryczny od 150 do 600 zł zależnie od zakresu i dokładności.

Najczęstsze błędy przy połączeniach śrubowych

Najpospolitszym z nich jest rezygnacja z nawiercenia pilotowego w twardym drewnie, kończąca się pękniętą belką albo urwanym łbem. Tuż za nim plasuje się mieszanie systemów gniazd - bit PH w gnieździe PZ pracuje na krawędziach zamiast na całej powierzchni i rozwierca je przy pierwszym większym oporze.

Trzeci błąd to używanie zakrętarki udarowej tam, gdzie liczy się moment: w cienkiej blasze wkręt zrywa dopiero co uformowany gwint, przy nierdzewnym trzonie urywa się łeb, a przy połączeniu z zadanym momentem nikt nie wie, jak mocno zostało dokręcone. Czwarty polega na dobraniu nakrętki gorszej klasy niż śruba, przez co całe połączenie ma wytrzymałość tej słabszej części. Piąty to pominięcie podkładki pod łbem opierającym się o miękki materiał lub o otwór owalny.

Osobną kategorią jest użycie wkrętu z gwintem pełnym w miejscu, gdzie elementy mają zostać ściągnięte. Połączenie wygląda na wykonane, wkręt siedzi do oporu, a między belkami zostaje szczelina - i jedynym wyjściem jest wykręcenie łącznika oraz powtórzenie montażu właściwym wyrobem.

Gwoździe CNA i wkręty CSA do złączy ciesielskich (fot. Simpson Strong-Tie)