Крепежи, метизы для ЛСТК

Каркасное строительство на базе металлоконструкций развернули еще в середине прошлого века. Но вплоть до недавнего времени для таких задач использовали преимущественно горячекатаный стальной прокат, а возводимые объекты относились либо к зданиям промышленного назначения, либо к функциональным сооружениям (мосты, опоры, вышки).

Сегодня в работу пошел новый материал — гнутый оцинкованный профиль, открыв обширные возможности для каркасных конструкций и в гражданском строительстве. Рассмотрим, что собой представляют подобные проекты, и как вообще выглядит специализированный крепеж ЛСТК.

Строительство из ЛСТК

Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК) — сравнительно молодое направление в строительстве. Его развитие совпало с началом промышленного освоения выпуска гнутых профилей из полосовой стали. Как только такая продукция стала общедоступной, необходимость в использовании тяжелого и дорогого горячекатаного сортамента (швеллера, уголка, двутавра) отпала, а проектанты получили возможность создавать куда более легкие и простые объекты.

На базе ЛСТК-технологии сегодня возводят:

• жилые малоэтажные дома (до 4 этажей);
• многоэтажные дома офисного типа;
• заводские и фабричные цеха;
• склады;
• супермаркеты;
• базы отдыха;
• выставочные павильоны;
• мобильные передвижные пункты военных, МЧС и геологоразведки.

Отдельно следует упомянуть возникновение новой формы складов — самонесущие здания на основе стеллажных систем. К этому направлению постепенно переходят все крупнейшие торговые компании. И возведение самонесущих складов стало возможным исключительно с развитием ЛСТК, никакая другая технология не позволила бы воплотить в жизнь подобный проект.

Базовые принципы строительства из легкого стального профиля уже нашли отражение в национальных строительных нормах, причем они регулярно обновляются в соответствии с развитием методов и технологий возведения. Последняя редакция «Свода правил по проектированию конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей» СП 260.1325800 датирована 2016 годом.

Ориентировочная стоимость такого проекта зависит от сложности и масштабности стройки. В среднем за 1 кв. м частного дома подрядчики хотят около 300 долларов. Тогда как 1 кв. м. утепленного магазина оценивается в 150...180 долларов, а обустройство огромных цеховых или складских площадей будет еще дешевле.

Преимущества ЛСТК-зданий:

• короткие сроки возведения (от 90 до 120 дней на масштабный торговый склад);
• прочность и жесткость (на фоне построек из дерева по каркасной технологии);
• отсутствие усадки (внутренние работы можно начинать сразу же после сборки короба и не бояться, что со временем что-то «поведет»);
• малый суммарный вес (можно обойтись ленточным или свайным фундаментом);
• высокая пожаробезопасность;
• высокая энергоэффективность (за счет удобства применения современных теплоизоляционных материалов);
• стройку ведут в любое время года;
• можно реализовать любые архитектурные решения.

Многие противники ЛСТК-строительства апеллируют к тому, что постройки из металла неэкологичны. Но только стальные здания по истечении запланированного срока эксплуатации можно полностью разобрать и отдать на переработку, где материалы вновь станут прокатом — и пойдут на новые цели.

Для сборки несущего каркаса ЛСТК-здания используют гнутый профиль из холоднокатаной стали, толщиной сечения от 1 до 4 мм. За основу берут низкоуглеродистые марки вроде 08кп, 10 или 15. Эти сплавы не могут похвастать высокими показателями прочности и выносливости, поэтому необходимый уровень надежности и сопротивления эксплуатационным нагрузкам строители достигают исключительно проектными решениями — за счет рационального подбора и распределения отдельных фрагментов конструкции. Минимальный запас прочности таких зданий составляет 1,8 (180% от расчетных нагрузок).

Чтобы защитить металл от разрушительного воздействия коррозии, весь объем материала подвергают процедуре непрерывного горячего оцинкования. На поверхности стали осаждают сплошной слой цинка, который не только придает изделию некоторую долю декоративности (светлый оттенок), но и полностью исключает контакт основы с окружающей средой.

При сборке несущего каркаса используют профиль различного сечения. Предпочтение отдают таким формам, как:

• П-образный (швеллер);
• С-образный (швеллер с дополнительными полками);
• Z-образный;
• равнополочный и неравнополочный уголок;
• Т-образный (тавровое сечение);
• корытообразный;
• Х-образный.

Большинство крупных фирм-подрядчиков, которые специализируются на возведении зданий по ЛСТК-технологии, организуют выпуск профиля в рамках собственного производства. Они проектируют каждый объект, исходя из мощностей своих гибочных линий, и потому могут позволить себе уход от универсальных решений в пользу специализированных.

Отдельный тип строительного материала для ЛСТК называют термопрофилем. От обычного он отличается наличием сетки упорядоченных пазов или отверстий по всей длине основной плоскости. Такая мера обеспечивает снижение теплопроводности по металлу на 70...80%. Термопрофиль используют для возведения зданий, где предписаны максимально жесткие требования по энергоэффективности обогрева.

Одно из ключевых преимуществ ЛСТК — сборку каркаса можно вести как непосредственно на площадке, так и в условиях цеха.

Так методы ведения работ делят на поэлементную сборку, узловую и крупноузловую. В последнем случае целые фрагменты будущего здания доставляют на место транспортом и просто стыкуют к уже имеющимся. Стройка превращается в огромный конструктор Лего.

Какой крепеж нужен для ЛСТК

В промышленном строительстве, где основным материалом выступает горячекатаный сортамент, базовым соединением остается сварное. Именно на неразборных сварных швах собирают большинство несущих металлоконструкций.

Технология ЛСТК отличается тем, что подавляющее большинство соединений носят разборный характер. Этот выбор имеет под собой весьма серьезную платформу: чтобы стянуть две детали на резьбовом крепеже нужно куда меньше времени, сил и задействованной техники, чем если выполнять равноценный сварной шов.

Поэтому при сборке зданий на базе легкого стального профиля используют крепление на болтах, винтах и вытяжных заклепках.

Самонарезающие винты

Абсолютным лидером среди крепежа, который выбирают строители, постоянно занятые на ЛСТК-объектах, становятся самонарезающие винты. В народе их называют попросту «саморезами».

Предпочтение отдают стандартной продукции, выпущенной по отечественным и международным нормативам:

• ГОСТ 10618-80 (с притупленными концами);
• ГОСТ 10619-80 (с потайной головкой);
• ГОСТ 10620-80 (с полупотайной головкой);
• ГОСТ Р ИСО 10509-2013 (с шестигранной головкой и опорным фланцем);
• ГОСТ Р ИСО 7050-2012 (с потайной головкой и H/Z-образным шлицем).

Первые три стандарта предусматривают производство винтов с метрической резьбой, последние два — с резьбой строительного типа ST. Как правило, для сборки ЛСТК применяют изделия типоразмеров от М4 до М8 (и аналогичные по системе ST).

Для изготовления саморезов используют углеродистые (20, 25) и легированные конструкционные стали (20Х, 40Х, 30ХГСА). Весь объем продукции подлежит обязательной закалке до уровня 57...63 HRC — иначе крепеж не сможет реализовать свою основную функцию: успешно внедриться и закрепиться в металле.

Монтаж самонарезающих винтов происходит с применением пневмо- и электроинструмента. Их затягивают с осевым усилием примерно 20...30 кг и крутящим моментом в пределах 6 Нм. Частота вращения патрона шуруповерта при этом приходится на пределы от 1300 до 2000 оборотов в минуту.

Саморезы типа Harpoon

Впервые возникшая в Европе, новая разновидность саморезов Harpoon быстро перекочевала и на строительные рынки России. Такой крепеж можно назвать гибридным: в его конструкции сочетаются признаки как монтажных метизов, так и режущего инструмента. В литературе встречается оригинальное название «самосверлящий винт».

Саморез Harpoon состоит из:

• головки;
• опорного фланца, бурта или пресс-шайбы;
• цилиндрического стержня, на котором расположены один или два участка резьбы;
• концевика, представляющего собой перовое сверло.

По аналогии с обычными саморежущими винтами, «гарпун» способен самостоятельно прорезать место под свою установку, но делает это намного профессиональней.

Такой крепеж ЛСТК редко используют для непосредственной сборки несущего каркаса, поскольку его преимущества проявляются при стяжке достаточно толстых соединений. Саморезы Harpoon задействуют при монтаже на металлопрофиль сэндвич-панелей, различных доборных элементов и облицовки из профлиста.

Различают несколько вариантов исполнения по форме головки:

• с шестигранной;
• с полукруглой (сферической);
• с плоской круглой;
• с плоской шестигранной;
• с шестигранной и подголовком;
• с шестигранной и прессшайбой.

Саморезы Harpoon изготавливают в двух типах: из углеродистой стали с обязательной закалкой (марки AISI 1018, AISI 1022 и AISI 1035, аналогично — сталь 20, 25 и 35) и из хромоникелевой нержавейки (AISI 304 или 08Х18Н10). Последние предназначены преимущественно для промышленных сооружений, которые будут контактировать с агрессивной средой.

Заклепки

Монтаж конструкций из легкого стального профиля допускает также применение вытяжных заклепок. Они обеспечивают прочные соединения с достаточно простой реализацией, но — неразъемные. При необходимости разобрать узел крепеж придется высверливать или срезать иным путем.

Заклепки используют в тех случаях, когда установка саморезов конструктивно нежелательна или технологически неудобна. Такой выбор также сопряжен с иным подходом в проектном распределении нагрузок. Поэтому принять решение заменить резьбовой крепеж на заклепки (или наоборот) без существенных конструктивных изменений в узлах нельзя.

В ЛСТК-строительстве используют метизы по стандартам:

• ГОСТ 10299-80 (с полукруглой головкой)
• ГОСТ 10300-80 (с потайной головкой);
• ГОСТ 10301-80 (с полупотайной головкой);
• EN ISO 14588-2005 («слепые»).

Предпочтение отдают изделиям с номинальным диаметром от 3,2 до 6,4 мм. Более мощные детали предназначены для соединения толстого горячекатаного металла.

Следует отметить некоторую общность между заклепками и саморезами: оба типа крепежа предусматривают одностороннюю установку. Это в значительной мере экономит трудозатраты по выполнению соединений, поскольку рабочему нет необходимости контролировать положение дел на обратной стороне узла.

В строительстве используют заклепки, выполненные из углеродистых сталей (С1008, С1042, Ст3, 10, 15) и нержавейки (AISI 304, AISI 316, 08Х18Н10, 12Х18Н9). От них требуется оптимальное сочетание прочности и податливости пластической обработке. Если бы продукция подлежала закалке, то ее установка с помощью вытяжки (деформации с частичным расплескиванием) была бы невозможна.

Болты, шпильки и гайки

Болтовые и шпилечные соединения имеют куда меньшее распространение в ЛСТК-строительстве, чем все остальные типы крепежа.

Это связано с тем, что сам по себе принцип стяжки при помощи гаек предусматривает весьма значительную осевую нагрузку. По отношению к тонкостенному стальному профилю это часто вызывает деформацию и даже разрушение металла около отверстия. Проблему можно было бы решить использованием специального инструмента с контролем усилия затяжки, но такая мера приведет к дополнительному удорожанию проекта.

Кроме того, установка и закрутка крепежа требует одновременного удержания в позиции и стержня, и гайки. Это усложняет монтаж, особенно в условиях затрудненного доступа к узлу.

В общем случае болты и резьбовые шпильки используют в легких стальных конструкциях только в тех случаях, если нужно закрепить какое-то оборудование, технику или надстройку иного типа. Это также актуально для специфических элементов, где оставляют возможность регулировки положения.

Выбирая подобный крепеж, следует руководствоваться требованиями, изложенными в СП 16.13330.2017. Сюда войдут:

• использование метизов классов прочности 5.6, 8.8, 10.9 и 12.9 по ГОСТ 1759.4;
• обязательное соответствие классов прочности болтов (шпилек), гаек и шайб друг другу;
• применение только стальных изделий, цветные сплавы недопустимы;
• в качестве мер стопорения резьбы следует использовать шайбы-гровера;
• допустимо также ставить круглые подкладные и косые шайбы.

Решению заложить в конструкции узла именно болтовой или шпилечный крепеж должен предшествовать точный расчет нагрузок. Причем учитывают не только растяжение и срез, но также возможные температурные деформации — в особенности, если речь идет о проектировании утепленных зданий.

Для производства болтов и шпилек по классу прочности 5.6 используют заготовки из сталей 30 и 35 без термообработки. Классы 8.8, 10.9 и 12.9 предусматривают уже более серьезные марки — 35, 35Х, 45Г, 40Г2, 38ХА, 30ХГСА и 40Х, а также закалку с отпуском.

Особенности выбора крепежа

Еще в процессе проектирования объекта, составляя перечень крепежных изделий, необходимо руководствоваться исключительно расчетом всей конструкции и отдельных фрагментов на прочность и соответствие ожидаемым нагрузкам.

Одинаково плохо как недостаточное количество и качество крепежа, так и его переизбыток. В первом случае вы идете на риск, что здание не переживет даже процесса стройки, а во втором — в значительной мере усложняете и удорожаете строительство.

Определившись с идеальными параметрами крепежной фурнитуры, необходимой для возведения ЛСТК, следует в максимальной степени ориентироваться на выбор стандартных метизов. Только если ни одно существующее решение не позволяет воплотить в жизнь задумку инженера-конструктора, можно рассматривать вариант, такой как заказать нестандартный крепеж.

На что нужно обратить внимание:

1. Наличие сертификатов качества к продукции. Уважающий себя производитель никогда не опустится до продажи метизов без сопроводительной документации. Именно в ней вы сможете убедиться в том, что крепеж выполнен из нужных вам материалов, с требуемой точностью и прошел закалку.
2. Наличие протоколов испытаний. Когда на кону стоит прочность здания, не лишним будет затребовать доказательства того, что завод-производитель действительно проверил эту партию товаров. В протоколах испытаний вы найдете описание комплекса проверок, численные результаты измерений и их статистическую обработку. Последний пункт — достаточно важный, поскольку нельзя взять 1 болт из 10 000, и на основании его оценки судить обо всей выборке.
3. Наличие защитного покрытия для изделий из сталей, которые восприимчивы к коррозии.

Для производства метизной продукции в промышленных масштабах используют технологии холодной и горячей высадки из проволоки, причем для саморезов преобладающим методом выступает именно холодная. Этот момент должен быть указан в документации.

Испытания готовой продукции предусматривают оценку крупной партии метизов по выборке из случайных образцов. Их подвергают ряду проверок, определяя:

• разрушающее усилие при растяжении;
• разрушающее усилие при срезе;
• разрушающее усилие при вырыве резьбовой части из листа;
• разрушающее усилие при вырыве головки.

В результате получают точные численные данные, отражающие полный спектр физико-механических и прочностных характеристик метизов. Эту информацию вы можете использовать при точном расчете необходимого количества крепежа. Причем в своих проектных изысканиях вы сразу сможете обратиться к конкретной нагрузке — срезу или растяжению, в зависимости от условий работы соединения.

Наличие защитного покрытия — это едва ли не наиболее важный и обязательный пункт в выборе комплектующих для строительства.

Сам профиль, из которого собирают легкие стальные конструкции, проходит процедуру оцинкования, что делает его защищенным от окисления. Но в точках установки крепежа металл будет поврежден. И метизы могут стать концентраторами развития коррозии в этих местах, что приведет к ослаблению не только самих соединений, но и тела каркаса.

Чтобы исключить подобное развитие событий, в строительстве используют исключительно крепеж с защитным покрытием. Частный случай — изделия из нержавейки, поскольку они обладают стойкостью к окислению сами по себе.

На рынке распространена продукция четырех типов:

• с гальваническим цинковым или никелевым покрытием;
• с многослойным покрытием Ruspert — на стальную заготовку сначала осаждают 5 мкм цинка, затем путем сложной химической реакции получают конверсионную пленку, а поверх наносят 10 мкм керамики;
• с покрытием Xylan — аналогичным тефлоновому;
• с покрытием Dacromets — функциональным сочетанием частиц цинка и алюминия.

Наиболее проверенным и надежным вариантом остаются оцинкованные метизы. Чуть реже можно встретить крепеж ЛСТК с никелевым покрытием, хоть никель и демонстрирует улучшенную стойкость к коррозии. Весьма перспективными строители считают изделия с покрытием Ruspert — эту технологию применяют в том числе по отношению к саморезам Harpoon.

Отдельно следует упомянуть, что при выборе крепежа нужно строго придерживаться рекомендованного производителем диапазона толщин для каждого конкретного типоразмера.

Строительные метизы конструктивно уже оптимизированы под затяжку соединений определенной протяженности (толщины). Если вы решите сэкономить и используете для различных целей крепеж какой-то усредненной длины, то можете существенно проиграть в прочности и надежности. Поэтому лучше расширить номенклатуру закупки крепежной фурнитуры, но сделать так, чтобы каждый винт стоял на своем месте.

Заключение

На российский рынок пришла мода на каркасное строительство. В частном секторе стремительно идет застройка коттеджей из бревна, бруса, OSB и аналогичных материалов. Но в бизнес-категории разворачивает свои возможности строительство на базе облегченных металлоконструкций — сравнительной молодой метод с уже развитой практикой и обширными перспективами.

Вся сборка ЛСТК-зданий сконцентрирована на использовании гнутой стали с разъемными соединениями. Для их реализации используют саморезы, болты, шпильки, гайки и вытяжные заклепки. Конкретные предпочтения по определенному типу и размеру крепежа определяет тщательный расчет еще на этапе проектирования.

Подбирая метизную продукцию для ЛСТК-строительства, следует руководствоваться исключительно величиной и распределением эксплуатационных нагрузок. А чтобы соединения смогли благополучно отработать весь запланированный срок, нужно еще на этапе оформления заявки на закупку уделить максимум внимания материалам изготовления, прочностным свойствам и защите от коррозии.

Дотошность и придирчивость в любой технической сфере переходят из недостатков в несомненные достоинства. И тщательный подбор крепежа для ЛСТК-строительства — не исключение: придется учесть множество нюансов, чтобы прийти к правильному решению и ни капли не уступить в надежности будущего здания.