Przeglądając publikacje dotyczące kotew do mocowania płyt elewacyjnych, nigdzie nie znalazłem wywodu traktującego te elementy w sposób elementarny. Moim zdaniem warto te braki uzupełnić. Artykuł ten poświęcony jest więc pracy kotwy nośnej i poszczególnych elementów składowych w zależności od jej lokalizacji i kształtu. Opiszę też zjawiska, które są pomijane z uwagi na znikomy (lub nawet żaden!) wpływ na wynik końcowy.

Na wstępie zaznaczę, że pomijam tutaj relacje między wielkościami obciążeń na kotwy, np. tej zlokalizowanej w fudze poziomej i w fudze pionowej z pinem obustronnym.

Najprostszym przypadkiem, który będzie wyjściowy do analizy, jest kotwa zginana. I już w tym miejscu należy zwrócić uwagę, że ma znaczenie, czy jest ona zlokalizowana w fudze pionowej (rys. 1) czy poziomej (rys. 3). Obie kotwy odkształcają się (uginają się) pod wpływem ciężaru płyty. Różnica między nimi polega na tym, że ta pierwsza odkształca się znacznie łatwiej za sprawą „idealnego” przegubu dla przemieszczeń pionowych (rys. 2). Wyraz „idealnego” celowo ująłem w cudzysłów, aby też wtrącić, że w tym artykule pomijam wpływ tarcia. Kotwa zlokalizowana w fudze poziomej nie ma już możliwości swobodnego obrotu na trzpieniu (rys. 4). Jeżeli pin miałby dużą sztywność, to wraz z ugięciem kotwy w płycie pojawiłyby się siły usiłujące wyłamać go z miejsca osadzenia (rys. 5). Przy większych ugięciach, a te zależą przede wszystkim od wysięgu, ciężaru i przekroju kotwy, dochodzi do uplastycznienia (wygięcia) trzpienia (rys. 6), co rekompensuje brak prawdziwego przegubu. Przyznaję jednak, że nie uwzględnia się tego w obliczeniach.

Jeżeli dwa podstawowe przypadki mamy już przeanalizowane, to pora przyłożyć też do kotwy obciążenie poziome (np. wiatr). Ten typ obciążenia powoduje, oprócz zginania, także ściskanie lub rozciąganie. Stwierdzenie niebyt ścisłe, bo pod wpływem ugięcia kotwy dochodzi do przemieszczenia siły poziomej z osi elementu stalowego i ramię to powoduje dodatkowo zginanie (rys. 7). Takie zjawisko nazywa się teorią drugiego rzędu. Obliczenia wykonywane na potrzeby projektów kamieniarskich pomijają ją jednak. Błędem jest natomiast pomijanie zginania w drugim kierunku kotwy wygiętej lub osadzonej pod kątem np. w narożniku budynku (rys. 8). Tam składowa pozioma powodująca zginanie ma stosunkowo dużą wartość i wytrzymałość stali należy porównać z sumą naprężeń od ściskania/rozciągania i wypadkową od zginania dwukierunkowego. Oczywiście o wiele większe siły zginające kotwy w poziomie przenosi kotwa rurowa niż płaskownikowa. Jeżeli miałbym się skupić na kotwie ściskanej, to należy zwrócić uwagę na możliwość jej wyboczenia.

Zanim przejdę do kolejnych przypadków kotew, poczynię wtrącenie o trzpieniu kotwy. Co może się z nim stać po przyłożeniu obciążenia (zawieszeniu płyty i zwolnieniu wyparć całej elewacji)? Otóż element ten może się zniszczyć na kilka sposobów. Pierwszym przypadkiem jest docisk (rys. 9). Po przyłożeniu siły (lub sił) pin osadzony w otworze jest dociskany na grubości płaskownika lub spłaszczonego fragmentu rury. Jeżeli wartość obciążenia jest duża, to ze względu na bardzo małą powierzchnię nacisku fragmentu trzpienia na kotwę może dojść do jego uplastycznienia. Od kilkunastu lat zajmuję się projektowaniem i doborem kotew – takiej formy zniszczenia trzpienia nie miałem okazji oglądać. Nośność trzpienia ze względu na docisk jest znacznie większa niż występujące w naszej branży obciążenia.

Drugą możliwością zniszczenia trzpienia jest jego ścięcie w płaszczyźnie ścianek bocznych płaskownika (rys. 10). Wydaje mi się, że tu nie ma potrzeby wprowadzania dodatkowych komentarzy. Rysunek obok ilustruje problem. Dodam tylko, że ta forma zniszczenia również występuje bardzo, bardzo rzadko w trakcie prac kamieniarskich.

Trzpień może się również zniszczyć przez jego wygięcie (rys. 11). Jest to możliwe w przypadku bardzo ciężkich płyt i szerokiej fugi. Takie zjawisko sporadycznie można zauważyć na budowach.

Rozpatrzmy zatem kotwę z trzpieniem połówkowym. Otóż do chwili uplastycznienia się pina kotwa pracuje tak samo jak przypadki opisywane powyżej. Dla kotwy zlokalizowanej w fudze poziomej schemat pracy nie zmienia się nawet wtedy, gdy trzpień się wygnie. Kotwa zlokalizowana w fudze pionowej będzie w takim przypadku dodatkowo skręcana, ponieważ siła nie jest przyłożona w osi kotwy (rys. 12).

Innym typem kotew są kotwy fajkowe lub w kształcie litery L zlokalizowane w fudze pionowej (rys. 13). W nich powstaje dodatkowe zginanie pod wpływem obciążeń poziomych, ale cały czas w jednym kierunku. Trudniejszym przypadkiem jest kotwa typu „L” lub niesymetrycznego „T”, ale do fugi poziomej (rys. 14). Tutaj również mamy do czynienia z dodatkowymi naprężeniami zginającymi, ale w drugim, poziomym kierunku. Przekrój kotwy należy projektować na sumę:

1)    wypadkowej zginania poziomego i pionowego

2)    ściskania bądź rozciągania.

Projektując kotwy do fugi poziomej, należy pamiętać, że tuż za plecami płyty charakterystyki geometryczne przekroju gwałtownie, nawet kilkudziesięciokrotnie (!) spadają. Wynika to z faktu przekręcenia płaskownika do fugi poziomej lub spłaszczenia rury. Wartość momentu zginającego jest już w tym miejscu bardzo mała, ale może dojść do niebezpiecznego wytężenia kotwy.

Mam nadzieję, że materiał powyższy pomoże Czytelnikowi na nieco bardziej wnikliwe spojrzenie na kotwę nośną. Wydawałoby się, że jest ona bardzo prostym elementem elewacji, ale ilość zjawisk jakie w niej mogą zachodzić, może być nieco zaskakująca. Mając jednak na uwadze, że najlepszą pomocą w zrozumieniu i zobrazowaniu pewnych zagadnień są przykłady, w następnym numerze „Świata Kamienia” pojawią się takowe.