Закрепление отдельно стоящих высотных конструкций. Анкерный крепеж.

Принято считать, что техническая отрасль далека от поэзии. Было бы странным искать какую-то красоту в промышленных объектах и сооружениях. Но зачастую именно они с первого знакомства приковывают взгляд и поражают воображение — своей продуманностью и монументальностью.

Особое место здесь занимают высотные конструкции. Устремленные ввысь, созданные и нависшие над человеком, у большинства людей они вызывают смешанное чувство восхищения и справедливой опаски. Последнее — абсолютно зря, ведь при возведении подобных сооружений инженеры просчитывают каждый опасный момент, чтобы результат их работы стоял на своем месте прочно и служил даже не годы, а целые десятилетия.

Громадная роль здесь отведена вопросам крепежа. Именно эти элементы, почти неразличимые на фоне масштаба общей сборки, несут на себе бремя ответственности за суммарную устойчивость и надежность объекта.

Специфика высотных конструкций

Сооружением принято называть объемную, плоскую или линейную техническую систему, состоящую из несущих, а иногда и ограждающих конструкций. Как правило, такие объекты относятся к различным отраслям промышленности и инфраструктуры. Среди них различают наземные, подземные и надземные.

Основные требования к сооружениям — прочность (способность стойко переносить эксплуатационные нагрузки), огне- и морозостойкость, а также долговечность. Последний пункт особенно интересен, поскольку разбивка объектов на три категории по плану эксплуатации предусматривает срок использования не менее 20, 50 и 100 лет.

К высотным конструкциям относят те, у которых габаритная высота в значительной мере превышает размеры поперечного сечения. Это сооружения башенного и мачтового типа, а также некоторые специфические объекты.

В этот список попадают:

• опоры воздушных линий электропередач;
• градирни;
• башенные копры;
• дымовые трубы;
• вытяжные башни;
• водонапорные башни.

Общая классификация и основные требования к ним приведены в СНиП 2.09.03-85.

В строительстве принято разделять эксплуатационные нагрузки на две категории:

• постоянные — собственный вес, вес установленного оборудования, предварительное монтажное напряжение (растяжка);
• временные — ветровые, температурные, возникающие при работе установленного оборудования, вес наледи и снега, присутствие людей.

Особенностью высотных сооружений выступает специфическое распределение эксплуатационной нагрузки, несвойственное объектам других типов. Суммарно они испытывают:

• напряжения от собственного веса и веса установленного оборудования — 20-30%;
• напряжения от воздействия ветра — 70-80%.

Обе составляющих закономерно возрастают в зимний период. Наледь, образующаяся на поверхности элементов конструкции, искусственно увеличивает их поперечное сечение. Из-за этого ветровая нагрузка становится больше, а к весу сооружения добавляется еще и вес льда.

Внешние усилия, которые воспринимает конструкция под действием ветра, непостоянны и неодинаковы для различной местности и регионов. Их величина напрямую связана с высотой: чем выше объект — тем больше нагрузки он испытывает.

Наибольшая доля проектных расчетов при планировании высотного сооружения приходится именно на определение ветровой нагрузки. Вместе с ней обязательно учитывают динамическое воздействие пульсаций скоростного напора. Их вызывают неконтролируемые и непредсказуемые порывы ветра.

В финальные расчеты также вносят поправку на монтажные усилия — нагрузки, возникающие при непосредственном возведении объекта. Причем они будут существенно разными при поэлементном наращивании (с помощью кранов или вертолетов) и при горизонтальной сборке с последующим подъемом. Если не учесть монтажные усилия, то сооружение, которое бы благополучно работало на своем месте, может просто не пережить процесс строительства или доставить при этом немало хлопот.

Чтобы обеспечить комплексную надежность высотной конструкции в столь сложных условиях, инженеры закладывают:

• исходную компоновочную схему с оптимальным распределением нагрузок сверху вниз и максимальной устойчивостью «подошвы»;
• мощный железобетонный фундамент монолитного типа (с использованием бетона не ниже марки В25);
• в качестве крепежа — жесткие анкерные опоры;
• обязательный организованный сброс воды с кровли;
• отмостки и кювет для отвода атмосферных вод от подножия.

Дополнительными обязательными мероприятиями для высотных сооружений будет установка молниезащиты и системы заземления, а также сигнальных устройств, необходимых для безопасного пролета воздушных судов.

Какой анкерный крепеж необходим

По общестроительным нормам, высотные конструкции фиксируют к фундаменту исключительно с помощью стального анкерного крепежа. Лишь в крайне редких и весьма специфических случаях инженеры выбирают установку на клей или виброопоры (виброгасители).

Условия применения анкеров:

• нагрев окружающей среды не выше +50°С;
• сезонное промерзание не ниже −65°С;
• отсутствие повышенной влажности;
• исключен постоянный контакт с коррозионно-активной средой.

Анкерные болты, которые используют для крепления несущих и ограждающих конструкций, условно делят на две категории:

• расчетные — непосредственно воспринимающие все проектные нагрузки;
• конструктивные — необходимые для крепления отдельных элементов и установленного оборудования с целью противодействия смещениям в наиболее неблагоприятных условиях. Тогда как их собственная устойчивость должна быть достигнута исключительно положением. Конструктивный болт лишь страхует от сдвига или опрокидывания в случае форс-мажора.

Требуемые параметры анкерного крепежа получают проектным расчетом. В нем учитывают все нагрузки, воспринимаемые конструкцией, но разбивают их уже на статические и динамические. При определении характеристик, связанных с динамическими нагрузками, в формулах закладывают число циклов нагружения и поправочные коэффициенты.

В результате расчетов получают такие параметры анкера:

1. Площадь поперечного сечения шпильки, которая приводит к минимально допустимому диаметру болта. При этом для статических нагрузок применяют коэффициент запаса 1,05 (на 5% больше, чем нужно), а для динамических — 1,35 (на 35%).
2. Минимальная глубина заделки болта в бетон (не может быть менее 10 полных диаметров).
3. Наименьшее допустимое расстояние между осями соседних анкеров.
4. Расстояние от болта до края фундамента.

Последние два пункта косвенно влияют на несущую способность монолитного основания, на котором стоит сооружение. Что примечательно, расстояние между соседними анкерами можно уменьшить, увеличив глубину их заделки. Это взаимосвязанные параметры.

Полученные расчетные данные заранее уже содержат в себе требуемый эксплуатационный запас прочности. Но и здесь инженера склонны к дополнительной перестраховке: диаметр и длину болта увеличивают до ближайшего стандартного значения по ГОСТу. Так, например, придя к выводу, что диаметр анкера должен быть 44,2 мм, конструктор выбирает типоразмер на М48, пусть даже М42 был ближе.

Но на расчете и последующем подборе работа с анкерным крепежом не заканчивается. Перед началом монтажа высотной конструкции заранее установленные в фундамент болты должны быть очищены от пыли, а резьбы — смазаны. Степень их предварительной затяжки тоже рассчитывают:

• для восприятия статических нагрузок — 75% от проектной нагрузки;
• для восприятия динамических нагрузок — 110% от проектной.

При таком подходе каждый анкер будет затянут с учетом собственного положения в общей компоновочной схеме. Это позволяет избежать перенапряжения крепежа при достижении требуемой прочности крепления.

По окончании монтажа открытую часть фундаментных болтов защищают от коррозии путем установки колпачков или окрашиванием эмалью по грунту.

Классификация анкерного крепежа

В промышленном строительстве используют преимущественно стандартные анкера. Лишь в исключительных случаях проектируют что-то уникальное и узкоспециальное, разрабатывая отдельный чертеж и принимая решение заказать специализированный крепеж на метизном заводе.

При подборе руководствуются ГОСТ 24379.0-2012 и ГОСТ 24379.1-2012. Согласно этим документам, весь ассортимент унифицированного анкерного крепежа делят на несколько видов:

• тип 1 — с изогнутой шпилькой (одно- или двукратно);
• тип 2 — с прямой шпилькой и анкерной плитой;
• тип 3 — составные, укомплектованные двумя прямыми шпильками на промежуточной резьбовой муфте;
• тип 4 — съемные, в комплект которых включена высокая втулка, выполняющая роль анкерной плиты и одновременно — закрывающая шпильку от контакта с бетоном;
• тип 5 — прямые с гладкой шпилькой;
• тип 6 — с коническим концом (с заостренной шпилькой, накрученной втулкой или разжимной цангой).

Общая номенклатура выпуска предусматривает варианты от М12 до М140. Во всех случаях для изготовления деталей используют углеродистые или низколегированные стали — Ст3, 20, 09Г2С или 10Г2С1. Лишь при получении сложных анкерных плит обращаются к литейной стали 25Л или серому чугуну СЧ15.

Стоит отметить, что строительные нормы четко определяют выбор анкерных болтов для крепежа высотных конструкций к основанию:

1. Эффективно сопротивляться ветровой нагрузке могут лишь изделия с изгибом или анкерной плитой (1 и 2 тип по ГОСТу).
2. Прямые анкеры (тип 5) и с коническим концом (тип 6) допустимо применять лишь в качестве конструктивных.
3. Съемных и составных болтов следует по возможности избегать, а в безвыходных ситуациях — закладывать лишь для фиксации к фундаменту спецоборудования и ограждений.

Болты изогнутого типа выпускают с ограничением по размеру — от М12 до М48. Предусмотрено два конструктивных исполнения: с однократным изгибом хвоста шпильки под 90 градусов и с двукратным, когда хвост сначала слегка отклоняется от вертикальной оси, а уже потом с под острым углом переходит в горизонтальное положение.

Изогнутые анкера принято считать самыми простыми в установке и обращении. Они способны выдержать значительные нагрузки за счет прочного механического сцепления с бетоном. Зачастую такой крепеж изготавливают в кустарных условиях, а не на спецпредприятиях, поскольку «испортить» его практически невозможно.

Частным случаем крепежа с изгибом можно считать комплект крепежа к анкерным опорам ССД. Такие шпильки имеют U-образную форму, но их никогда не применяют для монтажа высотной конструкции к основанию. С помощью таких деталей на линиях электропередач фиксируют навесное оборудование.

Фундаментные болты с анкерной плитой — наиболее прочные изделия в стандартном ассортименте. Их выпуск охватывает практически весь допустимый ряд диаметров и делится на три конструктивных исполнения:

• с прямой шпилькой и плоской плитой — от М16 до М48;
• с прямой утолщенной шпилькой и плоской плитой — от М56 до М140;
• с прямой утолщенной шпилькой и объемной плитой — от М56 до М140.

Присутствие анкерной арматуры в конструкции крепежа позволяет в наибольшей степени усилить сцепление болта с окружающим его бетоном.

Плоские детали получают достаточно грубой вырубкой из стального листа, объемные — изготавливают литьем, формируя короткую двухступенчатую втулку с шестью ребрами жесткости по окружности. Саму отливку выполняют по третьему классу точности.

Шпильку утолщают для тяжелонагруженных условий работы. Степень утолщения по гладкой части составит от 3 до 9% относительно номинального размера резьбы. Так для изделия М72 эта зона станет 75 мм, а для болта М110 — 120 мм. Таким простым техническим решением в некоторой мере повышают запас прочности крепежа.

Комплект прямого анкера включает гладкую цилиндрическую шпильку, подкладную шайбу и две гайки. Резьба нарезана только на «открытом» конце стержня. Допустимый диапазон размеров — от М12 до М48.

Прямой фундаментный болт по своей конструкции не может гарантировать хорошее сопротивление нагрузке, стремящейся выдернуть его из бетона. Поэтому такой крепеж закладывают для фиксации узлов и техники, которая в процессе эксплуатации может сдвинуться относительно базового положения (так называемые «конструктивные» болты). В том числе это касается смещения под действием интенсивной вибрации или ударной нагрузки. Прямой анкер здесь служит импровизированным штифтом.

Более надежным по сравнению с прямым считается фундаментный болт с коническим концом. Различают три исполнения:

• с заостренным фигурным наконечником, который выступает одним целом со шпилькой;
• с накрученной на шпильку резьбовой втулкой, чья наружная поверхность имеет форму конуса;
• с заостренным наконечником на шпильке, на котором установлена разжимная цанга.

В конструкции таких анкеров минимальное противодействие вертикальным «вырывающим» нагрузкам реализовано за счет конического конца. Наибольшую эффективность при этом демонстрирует комплект с цангой: при затяжке шпильки перья цанги расходятся в разные стороны, врезаясь в основание и перенося нагрузку на окружающий материал. Чтобы усилить этот эффект, на наружной поверхности цанги дополнительно нарезают три ряда радиальных зубьев.

Составные анкерные болты представлены асимметричной двойной конструкцией:

• нижняя шпилька выполнена удлиненной, и на ней между двух гаек зажата плоская анкерная плита;
• верхняя шпилька — гораздо короче и оснащена квадратным навершием под затяжку ключом;
• промежуточным связующим звеном выступает муфта, в отверстие которой с двух сторон и вкручиваются обе шпильки.

Схема допускает два конструктивных исполнения — с одноступенчатыми шпильками и с утолщенной нижней, для повышенных нагрузок.

Стоит отметить, что анкерный крепеж составного типа хуже работает на растягивающие нагрузки просто по той причине, что львиная доля сопротивления приходится на контакт между муфтой и концами шпилек по резьбе.

Исходя из своего названия, съемные фундаментные болты допускают периодический демонтаж закрепленных элементов, причем шпилька изымается из гнезда полностью. На месте остается лишь удлиненная втулка, нижней своей частью работающая как анкерная плита.

Для изготовления такой втулки (иначе ее иногда называют анкерной арматурой) используют ручную дуговую сварку по ГОСТ 5264-80, соединяя между собой несколько деталей в единое целое. По стандарту допустимы три варианта сборки втулки:

• два плоских кольца и отрезок трубы;
• литая фигурная втулка, заглушенная снизу, и отрезок трубы;
• сварная фигурная втулка с ребрами жесткости, заглушенная снизу, и отрезок трубы.

Во всех случаях наиболее длинную цилиндрическую часть детали получают из прямошовной электросварной трубы по ГОСТ 10704-91. Нагрузочная способность и прочность этого элемента не имеют особого значения — он просто закрывает шпильку от контакта с бетоном, работая как обечайка или кожух.

Также примечательно, что во всех трех случаях у стандартных съемных анкеров опорную часть арматуры делают строго квадратной формы, максимум — с закругленными кромками. В этом кроется ее существенное отличие от фундаментных болтов с литой анкерной плитой, которую выполняют только круглой.

Области применения специализированного анкерного крепежа

При возведении и монтаже высотных конструкций фундаментные болты можно устанавливать различными методами. Их условно делят на две категории — до бетонирования основания и после. Выбор конкретного способа будет зависеть исключительно от конструктивных особенностей анкера.

Какой крепеж ставят до бетонирования:

1. Однократно изогнутые болты (тип 1, исполнение 1 по ГОСТу) размещают в опалубке одновременно со сборкой арматурного каркаса, в том числе — фиксируя шпильки от смещения в пространстве непосредственно на прутьях арматуры. Затем заливают бетон, и хвост анкерного крепежа оказывается полностью утопленным в растворе. Снаружи остается лишь резьбовой конец, на котором после закрепят гайку.
2. Болты с анкерной плитой (тип 2) также устанавливают до заливки бетона вместе с арматурой. После застывания фундамента извлечь анкерную плиту без существенного разрушения основания будет невозможно. Этим и определяется высокая нагрузочная способность и надежность такого вида анкерного крепежа.
3. Из комплекта составных фундаментных болтов (тип 3) в опалубке перед заливкой ставят только нижние детали и соединительную резьбовую муфту. Верхнюю шпильку возвращают в сборку уже после застывания смеси. Ее закручивают и прихватывают точечной сваркой.
4. В съемных болтах (тип 4) до бетонирования в опалубке размещают только крепежную арматуру — высокую цилиндрическую анкерную плиту-втулку, которая одновременно служит и опорой, и укрывает шпильку от контакта с бетоном. После заливки получают удобное место для установки остального комплекта деталей, и шпильку просто вворачивают в наглухо забетонированную оснастку.

Какой крепеж ставят после бетонирования:

1. Анкера с двойным изгибом (тип 1, исполнение 2) размещают в колодцах, которые получают изоляцией внутри общей опалубки. После установки болт сверху заливают остатками той же бетонной смеси, которую использовали при общей заливке.
2. Под монтаж прямого анкера (тип 5) в готовой монолитной плите бурят узкую скважину, лишь незначительно превосходящую по диаметру сечения шпильки. Величину требуемого зазора между деталью и стенками скважины определяют конструктивно. Как правило, этот параметр не превышает 10-.12 мм. После установки шпильки в скважину заливают эпоксидный или силоксановый клей. Также применяют виброзачеканку цементно-песчаной смесью.
3. Фундаментные болты с коническим концом также нуждаются в бурении скважины по монолиту. Анкерный крепеж, подразумевающий установку разжимной цанги (тип 6, исполнение 1), требует минимально допустимого диаметра скважины, чтобы при разжиме перья цанги оказывали воздействие непосредственно на стенки бетонного основания. Саму полость более ничем не заливают.
4. Если же фундаментный болт с коническим концом изготовлен с цельной заостренной шпилькой или на ее конец накручена втулка (тип 6, исполнение 2 и 3), то пробуренную скважину сначала заливают цементным раствором, а затем погружают в него шпильку вибрационным методом, не дожидаясь застывания.

Столь широкое разнообразие анкерного крепежа и способов его установки призвано решить ровно одну проблему — гарантировать неподвижность закрепленной конструкции именно для тех условий, с которыми ей придется столкнуться в процессе эксплуатации.

Причем, по незыблемому инженерному правилу финальный выбор делают, рассматривая самый худший вариант развития событий. Если крепеж выдержит такую нагрузку — он выдержит и работу по «оптимистичному» плану.