Какой крепеж обязателен при возведении высотных зданий и сооружений?

Многоэтажное строительство — это сфера, распространяющаяся на гражданский и промышленный сектор, начиная от многоквартирных комплексов и заканчивая современными фабриками в несколько ярусов.

Технические задачи, поставленные перед проектировщиком и застройщиком, осложняются не только общим внушительным объемом работы. Возникает необходимость свести воедино множество разрозненных элементов. Особое место здесь занимают вопросы безопасности: то, чем можно пренебречь при строительстве коттеджа, совершенно недопустимо для высотного здания.

Специализированный крепеж — необходимая оснастка, с помощью которой надежно сопрягают между собой различные элементы на всех уровнях и этапах стройки. От прочности крепежа зависит конечная надежность здания, от его технологичности и удобства в применении — суммарная стоимость работ.

Особенности возведения нескольких этажей

Многоэтажные здания в гражданском и промышленном строительстве можно условно классифицировать на несколько групп:

• каркасные;
• из объемных элементов-блоков;
• крупнопанельные;
• на базе металлоконструкций.

Каркасные многоэтажки относят к категории наиболее быстровозводимых и легких зданий. С помощью такой технологии в короткие сроки собирают проекты в том числе на неустойчивых и нестабильных грунтах, а также в местности, где затруднена работа серьезной техники. Это гостиницы, пансионаты, жилые комплексы, офисные высотки.

Каркасное многоэтажное строительство идет вертикальным потоком, наращивая здание ярусами в 2..4 этажа. Последовательность работ включает этапы:

• обустройство фундамента;
• монтаж колонн первого яруса;
• монтаж каркаса и плит перекрытия с выверкой и закреплением;
• навеска стеновых панелей;
• обустройство крыши и кровли.

Сборка «каркасника» подразумевает слаженные цикличные действия, напоминающие соединение конструктора из унифицированных модулей. Чтобы повысить точность сборки и ускорить процесс возведения, используют специальные кондуктора, одиночного и группового типов.

Многоэтажные здания из объемных типовых элементов возводят в сравнительно быстром темпе. Таким образом производят застройку обширных жилых кварталов. За основу берут крупные железобетонные коробки, изготовленные в заводских условиях. Конструкция допускает три типа:

• блочный дом;
• панельно-блочный;
• каркасно-блочный.

Для транспортировки, подачи и монтажа отдельных блоков применяют специальную строительную технику и башенные краны. Последовательно набирают каждый этаж, затем выполняют стыковку, сварку и заделку узлов в горизонтальном и вертикальном направлениях. Отдельно реализуют состыковку инженерных коммуникаций между соседними блоками.

Среди крупнопанельных зданий различают бескаркасные и каркасные варианты конструкции. Первый тип собирают за счет продольных и поперечных несущих стен, второй — с жестким внутренним костяком — используют для домов повышенной этажности, чтобы обеспечить требуемую прочность и устойчивость.

Каждый последующий этаж крупнопанельного многоквартирного проекта монтируют после выверки монтажного горизонта предыдущего. При этом установку наружных панелей осуществляют после подготовки горизонтального шва. Поэтажные связи реализуют в форме:

• сварных соединений;
• болтовых соединений;
• замоноличиваемых сопряжений типа «петля — скоба»;
• самофиксирующих замковых соединений;
• железобетонных шпоночных соединений.

Здания из металлоконструкций стремительно набирают популярность, из сферы промышленного строительства переходя в гражданское. С помощью такой технологии возводят современные высотки для мегаполисов. Особенность указанного метода — универсальность в сочетании с широкими возможностями по реализации самой смелой архитектуры.

В качестве несущих элементов конструкции используют железобетонный каркас. Подкрановые балки и покрытия выполняют из стального проката. Для ограждающих и фасадных конструкций, витрин и потолков применяют алюминиевые сплавы.

Устойчивость колонн высотой до 15 м обеспечивают затяжкой крепления подошвы к фундаменту на фундаментных болтах. Подстропильные фермы опирают на железобетонные опоры, производя установку на анкерах, заделанных в торцах колонн. Основные узлы собирают сваркой, а также на заклепочных и болтовых соединениях.

Нюансы выбора крепежа

Суммарный объем потребления универсального строительного крепежа в России превысил 250 млн. долларов за год. В процентном соотношении доли рынка распределились следующим образом:

• болты (включая анкерные) — 36,8%;
• шурупы — 18,9%;
• саморезы — 15,7%;
• остальные — 28,6%.

Следует выделить основные типы и виды строительного крепежа:

• анкерные болты;
• винты (в том числе самонарезающие);
• строительные закрепы (ерши);
• кронштейны для козырьков и планок навесного вентилируемого фасада;
• костыли;
• крюки анкерные;
• оттяжки анкерные для железобетонных опор;
• хомуты для крепления элементов строительных лесов;
• закладные детали.

Наиболее широко применяют различные варианты анкерного крепежа. Его использование распространяется на такие сферы, как:

• крепление колонн и конструкций к фундаменту;
• монтаж стропильных систем кровли;
• крепление лифтового оборудования и коммуникаций;
• крепление подвесных потолков;
• крепление оконных и дверных систем;
• крепление строительных лесов;
• установка фасадной термоизоляции;
• для такелажных систем.

Испытания анкеров, предназначенных для работы в бетоне, оговорены ГОСТ Р 56731-2015. Они предусматривают обширную программу проверки на вырыв и сдвиг, в том числе — сдвиг с трещинами. Продолжительность нагрузки составляет 1..3 минуты при непрерывном процессе и 15..20 минут при ступенчатой разбивке. Испытывают только металлические анкеры (из стали и латуни).

Дополнительно замеряют превышение момента затяжки (перед испытанием на вырыв), проверяют минимальные межосевые и краевые расстояния, оценивают влияние армирования бетона и многоциклового растяжения.

Выбирая крепеж под многоэтажный проект, всегда учитывают возможное окисление и влияние коррозии на долговечность соединения.

Отдельные производители предлагают решения из нержавеющих коррозионностойких сталей и латуней, но такие варианты либо недостаточно надежны в плане нагрузок, либо имеют чересчур высокую стоимость. При массовых объемах в многоэтажном строительстве это невыгодно. Преимущественно предпочтение отдают оцинкованным изделиям, в некоторых случаях используют вороненые и никелированные болты.

Осажденный на поверхность стальной детали цинк работает по принципу электрохимической защиты. Под влиянием внешней среды цинк постепенно растворяется как анод, принимая весь удар коррозии на себя. Пока остается хоть мизерное количество цинка — ржавчина не распространяется на сталь.

Чтобы наглядно продемонстрировать очевидные преимущества оцинкования можно привести данные по стойкости крепежа в проточной воде. При температуре в 60°С образцы выдерживали в потоке 300 часов с такими результатами:

• стальные изделия без покрытия — глубина коррозии составила 0,24 мм;
• стальные изделия с цинковым покрытием — глубина коррозии 0,015 мм.

Соответственно, скорость окисления детали замедляется в 16 раз.

С учетом особенностей применения строительного крепежа для защиты таких элементов назначают покрытие слоем цинка толщиной от 5 до 20 мкм (0,005..0,02 мм). Наилучшие результаты при работе со сложной геометрией профиля, включая резьбу, дают гальванические технологии. Цинк осаждают в среде цианидных и бесцианидных составов (сульфатные, аммиакатные и цинкатные ванны), под направленным действием электрического тока.

Помимо гальваники широкую популярность имеют методы горячего и термодиффузионного цинкования. Но их применение относительно резьбовых поверхностей затруднено и дает ощутимую погрешность в точности соединения.

При сборке нагруженных узлов металлоконструкций используют высокопрочные болтовые соединения по ГОСТ Р 52643-2006. Такой комплект включает закаленный стальной болт, гайку и шайбу с повышенными несущими характеристиками. Предел прочности материала болта превышает 800 МПа. Для изготовления применяют легированные стали: 40Х, 38ХА, 20Г2Р и др.

Узловые соединения в железобетонном строительстве выполняют за счет применения закладных деталей — стальных элементов, которые размещают по месту до заливки бетонной смеси. После застывания железобетонных блоков закладные детали играют роли выступающих присоединительных частей. К сфере их применения относят:

• соединение колонн с фундаментом;
• стыки блочного фундамента;
• стыки колонн по высоте;
• примыкание к колоннам стеновых панелей, подкрановых балок, балок покрытия и ферм;
• опирание стропильных ферм на подстропильные;
• соединение плит перекрытий с несущими элементами;
• стыки плит перекрытий.

Узлы в многоэтажных зданиях работают в основном на сдвиг, реже — на растяжение. Оптимальная схема узловой сборки обеспечивает требуемую пространственную жесткость всей конструкции. Косвенное влияние на это оказывает выбор закладных деталей и логика их размещения.

Фундамент

Основной тип крепежа, который используют в процессе фундаментных работ, это анкерные болты. В этом случае их называют фундаментными.

Стандартная продукция нормирована ГОСТ 24379.0-2012 (технические требования) и ГОСТ 24379.1-2012 (конструкция и размеры). Гайки к ним подбирают по ГОСТ 5915-70 и ГОСТ 10605-72 (при диаметре резьбы свыше М48).

По конструкции различают:

• однократно изогнутые болты (90°);
• двукратно изогнутые болты (70..75°);
• прямые;
• с коническим концом (в том числе под разжим по цанге);
• с анкерной плитой;
• составные (включающие два комплекта шпилек, гаек и шайб, а также промежуточную втулку-муфту);
• съемные (включающие анкерную плиту, комплект гаек и длинную установочную втулку).

Верхний выступающий конец может быть выполнен в виде резьбового стержня под установку гайки, загнут крюком или свернут в кольцо. Номинальный диаметр резьбы приходится на диапазон от М12 до М140 мм.

Однократно изогнутые болты, с анкерной плитой, составные и съемные устанавливают по месту до заливки бетонной смеси. Двукратно изогнутые, прямые и с коническим концом ставят в скважины готового фундамента, после чего закрепляют эпоксидным или силоксановым клеем, а также цементно-песчаной смесью.

Анкерные плиты представляют собой плоские или объемные изделия квадратной или круглой формы, в том числе с ребрами жесткости. Их изготавливают литыми или сварными — из листового и круглого металлопроката. Для производства втулок используют трубные заготовки. Обобщенно плиты и втулки называют анкерной арматурой.

Диаметр и количество анкерных болтов для крепления различных элементов конструкции к фундаменту рассчитывают, исходя из предельного усилия на растяжение (от 34,8 кН до 982 кН) и расчетного изгибающего момента. При значительных усилиях предпочтительней увеличивать диаметр резьбового стержня, а не количество болтов в наборе.

В зависимости от назначения и нагрузок применяют анкерные болты из сталей: Ст3 и 09Г2С. Чтобы защитить металл от воздействия влаги, продукцию подвергают оцинкованию. В редких случаях используют латунные изделия (при низких нагрузках и неответственных соединениях), но массовое строительство такую практику не поддерживает.

Стены

Отдельно стоит упомянуть специальные анкера для фасадных работ. Различают несколько типов:

• стальные (универсальные, для широкого спектра задач);
• из полимерной (нейлоновой) гильзы и стальной шпильки-распора;
• с тарельчатым дюбелем (для крепления слоев изоляции);
• химические (фиксация за счет спецраствора).

Стальные анкера дополнительно делят на ряд конструктивных групп:

• клиновые, с контролируемым моментом затяжки;
• втулочные, с высокой степенью расклинивания;
• шурупы с шестигранной головкой под ключ.

Для производства анкеров берут углеродистые и легированные стали (с последующим оцинкованием готовой продукции) или же коррозионностойкие сплавы.

Конструкция и принцип работы любого анкера должен обеспечить равномерную передачу давления от крепежа на окружающий его строительный материал — полно- или пустотелый. При этом достигают необходимого баланса между усилием закрепления и величиной развиваемого давления, чтобы исключить образование трещин или выкрашивания куска стены вместе с забитым анкером.

Подбору оптимальных геометрических параметров стержня и шляпки для теплоизоляции фасада уделяют самое пристальное внимание. Здесь необходимо обеспечить стабильное и долговечное крепление при минимальной деформации утепляющего материала. Им может выступать стекловата, шлаковата, минеральная вата, полистирол, полиуретановые и пробковые панели, пеностекло и т.д.

За счет этого классифицируют анкера для теплоизоляции:

• для прочных материалов — с усиленным стержнем и уменьшенной головкой;
• для податливых мягких материалов — с облегченным стержнем и увеличенной головкой.

Их изготавливают стальными и полимерными. Прижимной диск, который ставят под головку, чаще выполняют из полипропилена. Если требуются свойства ударопрочности, применяют полиамид.

Перекрытия

На закладные детали в железобетонном строительстве в России ежегодно расходуется свыше 600 тысяч тонн металла. Около 20% стальных изделий, входящих в конструкцию многоэтажного панельного здания, следует отнести к категории таких крепежей.

По способу производства различают штампованную и сварную продукцию. Номенклатура первого типа позволяет получить большую нагрузочную способность изделия при снижении массы. Но конструкция детали будет жестко ограничена возможностями штамповки.

Сварной вариант предусматривает сборку из листового проката и прутков арматуры. Такой метод более прост и универсален в применении, а также допускает возможность изготовления сборок любого профиля и назначения. Изготавливают закладные детали на заказ, по чертежам, разработанным с учетом конкретных условий эксплуатации.

Приварку стержней к пластинам выполняют при помощи:

• ручной дуговой сварки;
• дуговой сварки под слоем флюса;
• полуавтоматической сварки в среде углекислого газа;
• ручной рельефной сварки.

Реализуют два типа соединений:

• тавровые — препятствующие растяжению и сдвигу;
• нахлесточные — препятствующие только сдвигу.

В конструкции конкретной закладной детали могут быть заложены только тавровые швы или тавровые и нахлесточные. Использование исключительно нахлесточных соединений не допускается из соображений надежности и безопасности.

Чтобы обеспечить требуемую точность размещения стержней относительно базовой пластины и упростить процесс сварки используют специальные кондуктора. Они представляют собой удерживающие приспособления, которые собирают разрозненные элементы будущего изделия в нужную конструкцию и фиксируют в заданном положении. Сварщику остается лишь проварить швы.

Для производства закладных деталей используют листовой прокат толщиной не менее 4 мм из универсальных углеродистых сталей — Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, 08, 08кп, 10, 15. Стержни отрезают из прутков арматуры с периодическим рельефным профилем, диаметром от 8 до 25 мм.

Если при размещении деталей в бетоне возможно образование трещин, то на выступающих концах стержней приваривают плоские шайбы или перед сваркой высаживают подобие головки.

Готовые закладные детали должны быть защищены от коррозии. Предусмотрены несколько путей решения этой задачи:

• лакокрасочные покрытия;
• напыление (металлизация) цинком;
• горячее оцинкование;
• термодиффузионное оцинкование;
• алюминирование;
• лакокрасочные покрытия по металлическому слою;
• обмазка.

Последний вариант — обмазку определенным защитным составом — используют для закладных деталей, которые будут размещены в ячеистых и силикатных бетонах автоклавного твердения. Толщина такого покрытия составляет 0,3..0,5 мм. Допустимо применение:

• холодной цементно-битумной мастики;
• горячей цементно-битумной мастики;
• латексно-минеральной и латексно-битумной мастики.

Крыша

Крыши высотных и многоэтажных зданий формируют преимущественно из сборных железобетонных элементов, получая конструкцию с малым уклоном и внутренним водоотводом.

Различают:

• чердачные крыши (холодного, теплого и открытого типов);
• бесчердачные крыши (вентилируемые и невентилируемые);
• эксплуатируемые крыши (с размещением наверху площадки отдыха, кафе, сада и т.д.).

Для гидроизоляции используют два типа технических решений:

• установка многослойного ковра из рулонных материалов;
• железобетонные панели повышенной прочности и водонепроницаемости, с нанесением мастичных покрытий.

Согласно СТО НОСТРОЙ 2.13.81-2012 для надежного закрепления рулонных изоляционных материалов к несущей части крыши используют специальный крепеж — металлические рейки с ребром жесткости и телескопические анкеры. Такая схема позволяет предусмотреть повышенные ветровые нагрузки.

Анкера для прижима слоев изоляции к бетонному основанию по конструкции аналогичны анкерам, решающим ту же задачу для стен и фасада.

Унифицированная схема включает в себя стержень с широкой шляпкой и допускает ряд вариаций:

• стандартный тип;
• с шипами на нижней плоскости шляпки;
• с овальной шляпкой;
• с увеличенной площадкой шляпки;
• с винтом по стержню;
• с увеличенным винтом по стержню.

Для производства крепежных деталей выбирают полимеры на основе пропиленэтилена, стеклонаполненный полиамид, углеродистые с оцинковкой и нержавеющие стали. Основным критерием при выборе материала выступает высокая усталостная прочность и стойкость к коррозии.

Прижимные рейки и вспомогательную оснастку для крепежа изготавливают из оцинкованной стали и алюминиево-магниевых сплавов.

Рулонную изоляцию крыши крепят точечно, с определенным равным шагом расположения крепежа. Этот параметр напрямую влияет на прочность соединения. Его рассчитывают по отношению между сопротивлением материала разрыву со стороны анкера и возможной ветровой нагрузкой. При этом закладывают коэффициент запаса не менее 1,35 — согласно Своду Правил СП 17.1333.0.2017 «Кровли». Расчетный шаг размещения анкеров корректируют, чтобы обеспечить его нахождение в пределах от 150 до 350 мм.