Особенности применения резьбовых шпилек в многоэтажном строительстве

В крупных городах стремительными темпами осваивают многоэтажное строительство высотных зданий — на 30 и более этажей.

Их популярность растет вместе с потребностью в новых жилых и офисных помещениях и с учетом ограниченных ресурсов — ведь мегаполисы тоже не безразмерные. В этом случае задачу поиска новых площадей решают за счет вертикального подъема вверх.

Со строительством высоток перед инженером ставят множество самых разноплановых задач: сборка нагруженных узлов, прокладка коммуникаций, обеспечение безопасности людей при работе на высоте. Выбирая методы креплений, строители часто обращаются к резьбовым шпилькам.

Сфера применения крепежа

Львиная доля современных многоэтажных проектов относится к категории каркасных зданий. Несущим элементом конструкции выступает железобетонный каркас или стальной, собранный из металлопроката. Отдельной позицией выступают решения комбинированного типа.

Резьбовые шпильки при сборке высотки из металлкаркаса

Каркас выступает пространственным ядром жесткости для всей постройки. Чтобы возвести многоэтажный дом, используют поэтапный монтаж ярусов. Используют методы:

  • наращивания;
  • поворота;
  • скольжения;
  • с предварительной сборкой на стенде или на земле.

Монтаж каркаса начинают после набора бетоном фундамента и опорных колонн 70% проектной прочности. Для подъема и манипулирования отдельными элементами конструкции применяют специальное строительное оборудование: башенные, самоподъемные, приставные и передвижные краны.

Последовательность монтажа каждого яруса включает ряд взаимосвязанных этапов:

  • подъем;
  • установка;
  • выверка и сварка монтажных стыков;
  • монтаж перегородок;
  • укладка перекрытий;
  • замоноличивание стыков и соединений.

В возведении высотных зданий с несущим металлическим каркасом для реализации пространственных связей используют резьбовые соединения — на болтах и шпильках. Не меньшее распространение получили и заклепки, но их установка осложняется применением специальных технологий (нагрев, клёпка).

Сам метод сборки металлоконструкций на болтовых и шпилечных соединениях пришел в многоэтажное строительство прямиком от мостов, железнодорожных переездов и промышленных сооружений. Наиболее интенсивно монтаж на крепеже начал развиваться в 60-ых годах прошлого века в США и Германии, и с тех пор не сдает своих позиций.

Где используют резьбовые шпильки:

  • непосредственная сборка металлоконструкций несущего каркаса высоток;
  • изготовление закладных деталей железобетонных элементов;
  • изготовление гибких приварных упоров;
  • крепление инженерных коммуникаций (вентиляция, канализация, водо- и газопровод, системы отопления и пожаротушения);
  • крепление подъемно-транспортных сооружений (лифтовое хозяйство);
  • сборка и возведение строительных лесов.

Леса используют при фасадных работах — в процессе отделки и утепления. Отраслевой норматив МДС 12-57.2021 определяет правила их монтажа на высотных зданиях. Такие конструкции должны быть легкими, сборно-разборными и многоразовыми. Количество использований — не менее 60 раз.

Сборку связей между отдельными элементами и узлами выполняют с фиксацией на резьбовых болтах и шпильках. Здесь крепеж должен быть:

  • исключительно надежным — чтобы обеспечить безопасность людей при работе на высоте;
  • выносливым — чтобы выдержать множество повторяющихся циклов сборки и разборки;
  • стойким — чтобы не ржавел под дождем и снегом.

Предпочтение отдают стальным закаленным метизам с защитным металлическим покрытием — цинковым или никелевым.

Строительные леса

ГОСТ

Различают два вида стандартных шпилек — для сквозных отверстий и для глухого гнезда.

В первом случае конструкция крепежа предусматривает два одинаковых резьбовых конца на стержне. Такие изделия пропускают сквозь гладкие отверстия в двух сопряженных деталях и стягивают гайками с обеих сторон. Регламентирующие документы:

  • ГОСТ 22042-76;
  • ГОСТ 22043-76;
  • DIN 940;
  • ОСТ 92-0741-72;
  • ОСТ 92-3537-74;
  • ОСТ 92-3538-74;
  • ОСТ 92-4701-86;
  • ОСТ 92-4702-86.

Для установки в глухие гнезда шпильку делят на резьбовой ввинчиваемый и гаечный конец, неравные по длине. Они также могут быть с различным шагом, но одинакового номинального диаметра. Сюда относят:

  • ГОСТ 22032-76;
  • ГОСТ 22033-76;
  • ГОСТ 22034-76;
  • ГОСТ 22035-76;
  • ГОСТ 22036-76;
  • ГОСТ 22037-76;
  • ГОСТ 22038-76;
  • ГОСТ 22039-76;
  • ГОСТ 22040-76;
  • ГОСТ 22041-76;
  • DIN 938;
  • DIN 939;
  • DIN 835;
  • DIN 949-1;
  • DIN 949-2;
  • ОСТ 92-0610-79.

Крепеж может быть сплошного стержневого профиля, в котором гладкая промежуточная часть соответствует наружному диаметру резьбы (по вершинам витков), и с занижением гладкой части ниже уровня впадин резьбы (как вариант — выполнение переходных конусных канавок). В отечественных ГОСТах это отражено как исполнение 1 и исполнение 2.

Шпильки со сплошной резьбой по всему стержню используют в сварных конструкциях строительного назначения. Их выпускают согласно DIN 976-1 и DIN 976-2, соответствующими классу прочности 5.8 (углеродистые стали без закалки). В некоторых источниках такие изделия фигурируют как «резьбовая штанга».

Отдельно идет немецкий стандарт на производство приварных шпилек — DIN 525. Здесь профиль предусматривает гладкий стержень, резьба присутствует только на гаечном конце. Крепеж такого рода применяют при сборке различных армированных узлов и закладных деталей в железобетонном строительстве.

Следует также упомянуть международный стандарт выпуска специальных приварных шпилек — ISO 13918. Указанные изделия предназначены для дуговой и конденсаторной приварки стержней к металлическим пластинам закладных (гибких) упоров. Согласно нормативу различают несколько вариантов конструктивного исполнения:

  • с резьбой;
  • с резьбой и редуцированным стержнем;
  • без резьбы;
  • с внутренней резьбой;
  • с резьбой и фланцем;
  • шпилька-упор.

Существует несколько запатентованных технологий приварки подобных шпилек к пластинам. Среди наиболее известных — «Nelson» (Новая Зеландия) и «Thomas» (Бельгия). Современное строительство требует, чтобы приварка стержней закладных деталей происходила максимально быстро, ведь счет таких соединений при возведении высотки идет на тысячи. При этом следует выдержать требуемую прочность и жесткость узла.

Варианты исполнения крепежа

Вместе со стандартными шпильками общего назначения различают несколько групп метизов с более узкой специализацией или какими-то особенными свойствами.

Рассмотрим по отдельности высокопрочный, фланцевый и нестандартный крепеж, а также — почему оцинкованные изделия предпочтительней в использовании.

Высокопрочный

К группе высокопрочного крепежа относят резьбовые шпильки, соответствующие классу прочности от 8.8 до 12.9. Механические свойства и методы испытаний такой продукции приведены в ГОСТ Р 52627-2006, ISO 898-1-2011 и ГОСТ 1759.4-87.

Пример использования высопрочных резьбовых шпилек

Для производства используют два типа сталей:

  • углеродистые, с содержанием углерода 0,28..0,5% и присутствием в малых долях (1..2%) хрома, марганца, молибдена. Разупрочнение и повторный отпуск изделий наступает после +380°С;
  • легированные, с содержанием углерода 0,3..0,5%. Повторный отпуск — при нагреве выше +425°С.

Заготовки подвергают горячей штамповке с последующей термической обработкой. В результате достигают параметров:

  • предел прочности на растяжение — от 1220 до 1640 МПа;
  • твердость по Виккерсу — 385..435 HV;
  • твердость по Бринеллю — 366..414 HB;
  • твердость по Роквеллу — 39..44 HRC;
  • относительное удлинение после разрыва — 9%;
  • глубина обезуглероженного слоя по виткам резьбы — не более 0,015 мм.

Минимальная разрушающая нагрузка для шпилек М10..М39 составит от 7 200 кгс до 128 500 кгс.

Готовую продукцию подвергают механическим испытаниям на растяжение образца двумя гайками, замеру поверхностной твердости и проверке глубины обезуглероженного слоя. Последнюю операцию выполняют двумя методами — с помощью металлографии и по микротвердости.

Высокопрочные шпильки используют при сборке нагруженных металлоконструкций, в том числе — ключевых узлов и стыков стальных каркасов высотных зданий. Одна шпилька М24 выдерживает растягивающую нагрузку в 43 тонны и поперечный срез в 8,6 тонн.

Оцинкованные

Оцинкование — наиболее распространенный метод защиты метизной продукции от коррозии. Сталь под цинковым покрытием остается невредимой до тех пор, пока на поверхности будет хотя бы минимальная доля цинка. Такой эффект достигают за счет меньшей электроотрицательности цинка по сравнению с железом (1,65 против 1,83).

Помимо высокой коррозионной стойкости изделие приобретает еще декоративные свойства. В зависимости от режимов и метода осаждения крепеж с защитным покрытием имеет равномерный серебристый оттенок, с блестящей или матовой поверхностью.

Различают две основные технологии нанесения цинковых покрытий — термодиффузионное и гальваническое оцинкование. Оба варианта обеспечивают равномерное осаждение металла по всей поверхности шпильки, включая сложный профиль резьбы.

Общие требования к термодиффузионным покрытиям изложены в ГОСТ Р 9.316-2006. Такой метод гарантирует исключительную прочность сцепления — за счет взаимной диффузии цинка и железа в поверхностных интерметаллидных фазах. В ходе операции новый слой не просто наращивают поверх стальной основы — цинк практически врастает в металл заготовки. Такое покрытие даже не испытывают на адгезию к подложке — нужный уровень сцепления достигается самой технологией нанесения.

Основные свойства термодиффузионных покрытий:

  • толщина — от 6 до 50 мкм;
  • возможность эксплуатации изделий при температурах до +370°С;
  • не вызывает необратимого водородного охрупчивания поверхностных слоев стали;
  • допустимо для высокопрочного закаленного крепежа.

Для усиления собственных свойств покрытия его подвергают фосфатированию и промасливанию, наносят специальный воск. Толщину цинкового слоя проверяют двумя методами — магнитным или рентгенофлюоресцентным.

Оцинкование резьбовой шпильки также выполняют гальваническим путем, ориентируясь на требования ГОСТ ISO 2081-2017. Этот метод подразумевает осаждение цинка за счет направленного воздействия электрического тока в среде электролита. Операцию реализуют в ваннах с растворами кислого хлорида цинка, щелочного цианида цинка и щелочного бесцианидного цинка.

Осажденные гальванические покрытия подвергают ускоренным коррозионным испытаниям в нейтральном соляном тумане. До появления на поверхности первых продуктов коррозии проходит от 48 до 360 часов. Сфера применения покрытия определяется периодом стойкости под воздействием сверхагрессивной среды:

  • декоративные цели — 48 часов;
  • в теплом сухом помещении — 72 часа;
  • в условиях, где возможен конденсат — 120 часов;
  • на открытом воздухе, с осадками — 192 часа;
  • в условиях высокой коррозионной активности — 360 часов.

По скорости развития коррозии в процессе эксплуатации гальванические и термодиффузионные цинковые покрытия существенно не различаются. Один и второй вариант дают сопоставимую стойкость.

Недостатком гальванотехнологий выступает лишь водородное охрупчивание, которое затрудняет применение покрытий для высокопрочного крепежа. Цинк на катоде осаждается с водородом, и степень его внедрения в поверхностные слои сталей жестко контролируют режимами, но полностью исключить не могут.

Стальные оцинкованные шпильки

Оцинкованные резьбовые шпильки — основной материал для строительных целей, где следует предусмотреть возможный контакт крепежа с конденсатом, влагой и насыщенным воздухом.

Стальные детали без покрытия, проведя 3000 часов в проточной горячей воде, демонстрируют поражение коррозией на глубину 242 мкм. Изделия с осажденным цинком в тех же условиях дают результат в 15 мкм, а скорость распространения коррозии по площади замедляется в 18 раз.

Оцинкованные шпильки предпочтительно использовать во всех случаях, кроме условий, когда на крепеж работает в зоне повышенного нагрева, и для его изготовления назначают теплостойкие и нержавеющие стали.

Фланцевые

Для сборки фланцевых соединений выпускают специальные шпильки — по ГОСТ 9066-75, ОСТ 26-2040-96 и DIN 2509.

С помощью такого крепежа выполняют монтаж трубопровода, запорной и регулирующей арматуры, котельного и теплообменного оборудования, емкостей и резервуаров. В наибольшей мере фланцевые шпильки используют в сфере энергетики, но они также находят частичное применение и для многоэтажного строительства — в процессе обустройства инженерных систем.

По стандарту изделия делят на несколько конструктивных типов:

  • А — сплошного профиля, с двумя резьбовыми концами. Допустимы для работы с нагревом до +300°С;
  • Б — с заниженной гладкой частью. Можно применять при температурах свыше +300°С;
  • В — с осевым отверстием по всей длине, цилиндрическим выступом и поверхностью под ключ. Затяжку выполняют с предварительным нагревом. Предназначены для работы до +650°С;
  • Г — с осевым отверстием и коротким торцовым выступом;
  • Д — с занижением по гладкой части и осевым отверстием.

Длина нарезанной части ввинчиваемого конца шпильки — в пределах от 1,6d до 1,8d (номинального диаметра резьбы).

Сквозное отверстие по оси центров служит для выпуска воздуха при максимально плотной затяжке соединения, когда за счет посадки с натягом достигается полная герметичность. Резьбовое гнездо на верхнем (открытом) торце шпильки могут использовать как базу для установки рым-болтов при монтаже и транспортировке собранных фланцев и аппаратов целиком.

Схема и чертежи типов фланцевых шпилек

Технические требования к изготовлению таких шпилек — ГОСТ 9066-75. Согласно нормативу, к материалам, которые идут на заготовки под производство крепежа, выдвигают предельно жесткие требования. Допустимо использовать лишь стали, полученные выплавкой в мартеновских или электропечах, а также методами электрошлаковой или вакуумно-дуговой переплавки.

Продукцию классифицируют по свойствам выбранных марок:

  • категория I — шпильки из углеродистых сталей, с диаметром резьбы до М48, работающие в условиях до +200°С;
  • категория II — из углеродистых сталей, с диаметром резьбы свыше М48, работающие в условиях до +300°С;
  • категория III — из качественных углеродистых сталей после улучшения, работающие в условиях до +400°С (в том случае, если температура отпуска при термообработке более, чем на 100°С превышает максимальное значение рабочей температуры — чтобы исключить повторное разупрочнение металла);
  • категория IV — из теплостойких и жаропрочных легированных сталей после термообработки.

Для ОСТ 26-2040-96 технические требования регламентируются по СТО 00220256-024-2016 с изменениями и дополнениями.

Для первых двух категорий отбирают специальные марки углеродистых сталей — ВСт3сп3, ВСт3сп5, ВСт4сп3, ВСт4сп5, ВСт5сп2 и ВСт5сп5. Они отличаются ужесточенными требованиями к чистоте химсостава и демонстрируют лучшие механические свойства по сравнению со сталями общего назначения (такими, как Ст3сп, Ст4пс, Ст5кп и т.д.).

Для третьей категории назначают качественные углеродистые марки с пониженным содержанием постоянных примесей — 10, 20, 25, 30, 35, 40 и 45.

Четвертая категория предусматривает применение сплавов, легированных хромом, молибденом, никелем и ванадием. Эти элементы повышают стойкость материала под нагревом. Сюда относят: 25Х1МФ, 15Х11МФ, 20Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и другие. Отдельной позицией идут нержавеющие стали — 20Х13, 08Х16Н13М2Б, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10Х11Н22Т3МР и аналогичные.

Крепление фланцев на шпильках

Нестандартные

Для некоторых уникальных случаев можно заказать резьбовые шпильки нестандартной конструкции. На них формируют отдельный чертеж, с указанием технических условий на выбор материала, термическую обработку, защитное покрытие и т.д.

Изделия формируют с двумя резьбовыми концами одинаковой или разной длины. Возможен также вариант, когда резьбовая ступень одна, с нарезкой витков по всей длине. Такие шпильки могут служить ходовыми в импровизированной паре «винт-гайка скольжения».

В конструкцию нестандартного крепежа также закладывают:

  • промежуточную увеличенную ступень, которая формирует упорный торец, иногда — с дополнительным пояском большего диаметра, чтобы уменьшить давление на поверхность, куда шпилька будет вкручена;
  • поверхность под затяжку ключом — шестигранник, квадрат, цилиндр со снятыми лысками, крестовое или шестигранное отверстие-зев, торцовый шлиц под отвертку и т.д.;
  • разделку нижнего торца под расклинивание при затяжке — прорезь, отверстие, канавка;
  • поверхность под выход воздуха при герметичной затяжке — сквозное осевое отверстие малого диаметра или паз-прорезь по резьбе.

При назначении материалов изготовления и режимов термической обработки руководствуются требованиями к высокопрочным, фланцевым и шпилькам общего назначения.

Если это обусловлено условиями эксплуатации, нестандартные изделия делают из алюминиевых сплавов (АМг5, АМг5П, Д1, Д16, Д1П, Д16П), латуней (ЛС59-1, Л63) и бронзы (БрАМц9-2). По сравнению со стальным упрочненным крепежом такие изделия демонстрируют снижение нагрузочной способности на 36..55%. Их также не используют там, где возможны ударные и вибрационные нагрузки.

Для строительных целей используют шпильки преимущественно с метрической резьбой крупного шага. Допустимо также изготовление деталей:

  • с метрической резьбой мелкого шага;
  • с метрической конической резьбой;
  • с трубной резьбой;
  • с трубной конической резьбой;
  • с конической дюймовой резьбой (60° профиль витков);
  • с трапецеидальной резьбой (ходовые);
  • с многозаходной трапецеидальной резьбой;
  • с упорной резьбой (для соединений типа домкрат);
  • с асимметричной безызгибной резьбой (для экстремальных нагрузок).

Помимо прочего, направление резьбы может быть левым или правым. Это отражают в обозначении размера на чертеже.

Преимущество нестандартного крепежа — это его глубокая специализация. Всё, начиная от поля допуска на резьбу и заканчивая поверхностью под ключ, рассчитано на то, чтобы обеспечить максимально надежное соединение с удобным монтажом. Но и стоимость изготовления нестандартных шпилек в разы выше.

Вернуться обратно
ОПУБЛИКОВАТЬ В СОЦ.СЕТЯХ