Общие сведения

Первое, что бросается в глаза при знакомстве с ка­талогом продукции любого ведущего производителя крепежа, - это четкая классификация по области при­менения. Элемент крепежа для полочек в интерьере не годится для установки оконных рам, и тем более - для крепления навесных фасадов.

Одним из важнейших критериев правильного выбора крепежных элементов является тип и качество строительного материала, в который они устанавливают­ся: бетон, материалы с плотной структурой (полнотелые кирпичи), пустотелые материалы с плотной структурой (пустотелые кирпичи и блоки), полнотелые кирпичи с пори­стой структурой, пустотелые материалы с пористой струк­турой (пустотелые кирпичи), тонкостенные строительные плиты.

Основным крепежным элементом, применяемым при устройстве фасадов, является дюбель. Современный дюбель (от немецкого Dubel - закреп, шип) пришел на смену широко применявшейся в строитель­стве деревянной пробке. При необходимости прикреп­ления к стене каких-либо тяжелых предметов (полок, шкафчиков), в стене делалось отверстие. Туда загонялась деревянная пробка, в которую ввинчивался шуруп или вбивался гвоздь. Этот простой и многократно проверенный способ обладал, однако, серьезным недостатком: дре­весина при изменении влажности воздуха меняла свои размеры, со временем разрушалась, а вместе с этим уху­дшалась и надежность крепления. Современный дюбель позаимствовал от старой де­ревянной пробки основной принцип работы. Но в то же время он обеспечивает гораздо более прочное и надеж­ное закрепление специального гвоздя или шурупа в теле стены. Дюбели (рис. 7.1) представляют собой полую гильзу с анкерующей (распорной) частью. Как правило, дю­бели устанавливаются в предварительно сделанное от­верстие в стене. Закрепление (расклинивание) дюбеля происходит в процессе введения в него (забивания или ввинчивания) металлического или усиленного полимер­ного распорного элемента (в виде шурупа, специального гвоздя, и т. п.). Фасадные дюбели сразу комплектуются не­обходимыми распорными элементами, то есть представляют собой совместную систему гильзы и гвозде - или шурупообразного элемента.

Существует несколько способов анкеровки (закреп­ления дюбеля в материале) (рис .7.2):

а) анкеровка силой трения является основным спосо­бом. В этом случае распорная часть дюбеля прижима­ется к стенке отверстия и за счет силы трения удерживает внешнюю тяговую сипу. Этот принцип может быть реа­лизован как в забивных, так и в закручиваемых дюбелях;

б) анкеровка по форме является результатом образо­вания в материале несущего основания большего, чем диаметр входного отверстия, пространства, заполненного элементами тела гильзы дюбеля. Такой способ исполь­зуется, как правило, при анкеровке в несущем основании из материала с низкой прочностью сжатия (например, ячеистые бетоны), где зачастую является единственно возможным;

в) при анкеровке спайкой материалов анкеровочная часть дюбеля представляет собой гвоздеообразное окончание из закаленной стали. Анкеровка происходит посредством энергии порохового заряда или сжатого воздуха, преобразуемого в кинетическую энергию гвоздеобразного окончания дюбеля. В результате внедрения гвоздя в основание кинетическая энергия преобразуется в тепловую. При этом сталь гвоздя подплавляется, осу­ществляя спайку с окружающим материалом. Как прави­ло, это бетон, так как только он, благодаря своей прочности, позволяет достичь необходимых для спайки высоких тем­ператур. Данный способ позволяет существенно сокра­тить сроки монтажа;

г) анкеровка инъецированием жидко- желеобразной массы. Для этого используется раствор или искусственная смола, которая после ввода застывает, образуя про­чное соединение. Анкеровка инъецированием при уст­ройстве фасадов практически не применяется.

А) Б)

В) Г)

Рисунок 7.1- Фасадные дюбели:

А- Фирмы MUNGO; Б- Фирмы EJOT; В,Г-Применение дюбелей для крепления подоблицовочной конструкции при устройстве вентилируемых фасадов

Основными характеристиками любого крепежного элемента являются, максимально допустимая нагрузка, коррозионная стойкость, морозостойкость, пожарная стойкость. По материалам гильз современные дюбели делятся на металлические и полимерные. Анкеровка (закрепление) металлических дюбе­лей, как правило, происходит за счет измене­ния формы в специально подготовленном отверстии в стене. Существует несколько типов металлических дюбе­лей - анкерные болты, анкеры забивные, анкеры с внут­ренней резьбой и т. д. При устройстве фасада металличес­кие дюбели нашли основное применение для крепления подконструкций вентилируемых фасадов к бетонным ос­нованиям.

Рисунок 7.2 - Различные способы анкеровки (закрепления) дюбеля в материале стены (FISHER): А, Б - анкеровка силой трения; В, Г - анкеровка по форме;

Д, Е - анкеровка инъецированием

Металлические дюбели изготавливаются из нержа­веющей и оцинкованной стали. Очевидно, что нержаве­ющая сталь значительно превосходит оцинкованную по коррозионной стойкости.

Для изготовления гильз современных полимерных дюбелей применяют три основных полимера: полипро­пилен, полиэтилен и полиамид (нейлон). Эти полимеры обладают различной химической стойкостью, морозо­стойкостью, долговечностью, способностью воспринимать нагрузки. Так, полиамидные и полиэтиленовые дюбели обладают более высокой, по сравнению с полипропилено­выми, щелочестойкостью и морозостойкостью.

Важнейшей характеристикой полимерных дюбелей является степень временной релаксации, то есть измене­ние во времени максимально допустимой нагрузки из-за текучести материала. Для дюбелей из полиамида и полиэтилена релаксация минимальна (около 20%). Для дюбелей из полипропилена релаксация может дости­гать значительных величин. Максимально допустимая нагрузка для некачественных дюбелей из полипропилена может уменьшаться со временем в 4-5 раз. Оче­видно, что степень релаксации является одним из клю­чевых моментов для определения количества дюбелей - чем больше потери со временем допустимой нагрузки, тем больше нужно дюбелей для обеспечения того же срока службы фасадной конструкции.

Самая большая ошибка при устройстве фасадов - это механическая замена в системе одних дюбелей дру­гими, имеющими более высокую степень релаксации.

Дюбели с гильзами из полимерных материалов име­ют одно немаловажное преимущество - они не явля­ются "мостиками холода". Для выполнения этого условия шляпки распорных металлических элементов (из оцинкованной или нержавеющей стали) также должны быть выполнены из полимеров. Конструкция полимер­ной шляпки должна герметично закрывать гильзу дю­беля, препятствуя проникновению внутрь влаги и грязи. В ряде случаев (когда не требуется высокая механи­ческая прочность) весь распорный элемент может быть выполнен из полиамида, усиленного стекловолокном.

Кроме дюбелей для различных строительных кон­струкций (в том числе и для фасадного крепления), при­меняются также самосверлящие шурупы или саморезы.

В процессе эксплуатации элементы крепежа фасад­ных систем подвергаются различным нагрузкам. Нагрузки могут различаться по величине (вес, кото­рый выдерживает крепление), быть статическими или ди­намическими (изменяемыми или не изменяемыми во времени). По направлению нагрузки делят на продоль­ные (вырывающие) и поперечные (срезающию). Из них складывается суммарная нагрузка.

Главная задача крепления на­дежно закрепить различные элементы фасадных конст­рукций на несущем основании, то есть воспринять все пос­тоянно присутствующие или периодически возникающие нагрузки и передать их на несущее основание. Основными нагрузками, которым подвергаются фасадные системы, являются собственный вес конструкции, вет­ровая нагрузка на отрыв (отсос) и гидротермические воз­действия (температурные и влажностные).

Рассмотрим особенности крепления теплоизоляционных плит в системах наружного утепления "мокрого" типа, крепления элементов навесных (вентилируемых) фасадов, а также крепления при монтаже быстровозводимых конструкций с применением "сэндвич-панелей".

7.2 Крепеж плитных утеплителей в системах наружного утепления "мокрого" типа

В системе наружного утепления "мокрого" типа крепежные элементы применяются для креп­ления теплоизоляционных плит к ограждающей конст­рукции.

Для этой цели подходят так называемые тарель­чатые дюбели, то есть специальные дюбели со шляп­ками (фланцами) большого диаметра, напоминающи­ми тарелку (рисунки 7.3; 7.4; 7.5).

Установка этих дюбелей производится после приклеивания плит теплоизоляции и высыхания клея. Остановимся на особенностях работы дюбелей с точки зрения восприятия нагрузок, которым подвер­гается система теплоизоляции в целом: собственный вес, ветровая нагрузка, гидро-термические воздействия.

Основное назначение тарельчатых дюбелей в сис­теме наружной теплоизоляции - противостояние ветро­вой нагрузке (ветровому отсосу). По своему характеру эта нагрузка является динами-ческой. Ветровой отсос воз­действует на все стороны здания (кроме подветренной) Именно ветровая нагрузка определяет необходимые тип и количество дюбелей на 1 м² системы для каждого кон­кретного объекта, с учетом специфики его расположе­ния, формы и высоты.

Рисунок 7.3 - Тарельчатые дюбели: А- общий вид; Б- установка

В восприятии собственного веса системы главную роль играют не дюбели, а клеевой слой как связующее звено между системой и поверхностью несущего осно­вания. Дюбелям в этом случае отводится вспомогатель­ная роль - предохранять систему от обваливания или сползания, если клеевой слой, по тем или иным при­чинам, не выполняет возложенных на него функций. Когда основная роль в удержании фасадной системы переходит к дюбелям, на фасаде становятся заметны ха­рактерные трещины, сигнализирующие о необходимос­ти проведения планового ремонта. Как и все элементы ограждающей конструкции, сис­тема наружного утепления подвержена природным гид­ротермическим воздействиям (перепадам темпера­тур, намоканию, и т.д.). Внешние слои системы реаги­руют на изменение температуры и влажности сжатием или растяжением. Эти изменения геометри-ческих раз­меров внешнего слоя компенсируются слоем теплои­золяции, благодаря чему в клеевом слое системы напря­жение становится меньше, чем на поверхности.

Рисунок 7.4 - Дюбели для крепления теплоизоляционных плит фирмы KOELNE

Рисунок 7.5 - Тарельчатый дюбель для крепления теплоизоляционных плит в

системе с традиционным оштукатуриванием: А - общий вид; Б – крепление

штукатурного слоя

Дюбель является единственным элементом системы, проходя­щим через все слои. Поэтому тарельчатый держатель дюбеля должен быть прочно зафиксирован во внешнем слое, а сопротивление дюбеля на изгиб должно быть меньше изгибающего момента, возникающего вследст­вие гидротермических воздействий. В этом плане идеа­льным является дюбель с нулевым сопротивлением на изгиб. Необходимо также учитывать, что смещение тарель­чатого держателя относительно первичной оси дюбеля частично осуществляется благодаря определенной элас­тичности стенки гильзы дюбеля. И только после неко­торой деформации полимера происходит изгибание распорного элемента дюбеля.

Повышенная жесткость дюбеля, то есть его неспособ­ность реагировать на процессы сжатия и растяжения по­верхности фасада, ведет к образованию трещин и раз­рушению внешнего слоя системы. Это одна из причин, по которой ведущие фирмы переходят к производству дюбелей с уменьшенным (с 10 мм до 8 мм) диаметром.

Наружное утепление "мок­рого" типа представляет собой систему, все элементы которой должны работать согласованно. Не являются исключением и крепежные элементы. Рассмотрим требо­вания к ним с позиции совместимости с другими эле­ментами системы.

Низкая теплопроводность дюбелей.Доказано, что применение дюбелей с коэффици­ентом теплопроводности выше 0,004 Вт/мК негативно отражается на работе системы и приводит, в частности, к снижению ее морозостойкости (количество циклов замораживания-оттаивания до ее разрушения). Это объяс­няется тем, что места установки дюбеля оттаивают быст­рее, чем остальной фасад, что приводит к возникнове­нию напряжений и, как следствие, трещинам на поверх­ности.

Кроме того, летом, после выпадения росы, эти мес­та высыхают быстрее и становятся видимыми. Этот же эффект объясняет появление со временем (в местах ус­тановки дюбелей) пятен, так как процесс загрязнения фасада протекает неравномерно из-за постоянно сущест­вующей разницы во влажности его поверхности.

Коррозионная стойкость, или защищенность металлического распорного элемента.Одним из важнейших преимуществ наружной теп­лоизоляции является перенос "точки росы" из несущей стены здания в слой теплоизоляции, на который образу­ющийся конденсат практически не оказывает вредного влияния. В то же время, конденсат весьма опасен для крепления теплоизоляции, если отсутствует необходи­мая антикоррозионная защита. В первую очередь, конден­сация влаги (в результате процесса парообмена) проис­ходит на гильзе дюбеля, а особенно на металлическом распорном элементе. Распорный элемент, осо­бенно в системах с минеральными утеплителями, посто­янно находится в агрессивной среде. Поэтому он должен быть изготовлен из нержавею­щей или оцинкованной стали, а входное отверстие гиль­зы дюбеля должно быть герметично закрыто, чтобы ис­ключить воздухообмен и не допустить проникновения влаги снаружи.

Химическая стойкость гильзы дюбеля.Как уже отмечалось, материал гильзы дюбеля дол­жен быть устойчив по отношению к щелочной среде.

Высокая адгезия поверхности фланца (шляпки) тарельчатого дюбеля с армирующим слоем.Поверхность фланца должна быть сконструирована таким образом, чтобы обеспечивать высокую адгезию с армирующим слоем. Эта цель достигается специальной формой и рельефом шляпки распорного элемента дю­беля. Так, например, рельефная поверхность позволяет армирующей массе прочно "зацепиться" на поверхности шляпки дюбеля. Отверстия в шляпке способствуют про­хождению армирующей массы через нее, вхождению в непосредственный контакт и сцеплению с подшляпковым слоем. Специальные полости с обратной стороны шляпки еще больше усиливают сцепление, армирующая масса, проникая через отверстия в шляпке, заполняет более широкие, чем диаметр отверстия, полости. Таким образом, после высыхания армирующий слой образует со шляпкой единое монолитное целое.

Остаточная жесткость фланца тарельчатого дю­беля.Фланец должен обладать достаточной жесткостью как сам по себе, так и по отношению к гильзе дюбеля. Это необходимо для того, чтобы в процессе установки, а также при дальнейшей работе дюбеля, передача наг­рузки происходила по всей площади фланца. При его недостаточной жесткости происходит эффект "выверну­того зонта", что при неблагоприятных обстоятельствах приводит к разрушению системы наружной теплоизоля­ции.

Требования к конструктивным особенностям дю­беля.Дюбель как элемент системы наружной теплоизо­ляции не должен явиться причиной повреждения поверхности уже установленных плит теплоизоляции и образо­ванию щелей между ними. В случае применения дюбеля со значительным заглублением распорного элемента, необходимо предусмотреть конструктивное решение о закрытии образовавшихся углублений. Иначе в них бу­дет скапливаться материал верхних слоев, что может привести к нежелательному эффекту нарушения одно­родности системы теплоизоляции.

7.3 Крепеж элементов навесных (вентилируе­мых) фасадов

В навесных фасадах крепежные элементы используются для фиксации плит утеплителя, крепления подоблицовочной конструкции к ограждающей стене, соединения отдельных элементов подконструкции и крепления облицовок.

Для крепления теплоизоляционных плит в венти­лируемых фасадах могут применяться тарельчатые дю­бели или просто грибообразные крепежные элементы без распорных составляющих (рис. 7.8).

Рисунок 7.8 - Элементы крепления теплоизоляционных плит в вентилируемых фасадах: А, Б-KOELNER

Требования, предъявляемые к тарельчатым дюбе­лям, во многом аналогичны тем, которые предъявля­ются к ним же, но уже в системах "мокрого" типа. Однако есть весьма существенные отличия. Так, в вентилиру­емых фасадах нет необходимости обеспечения адгезии со штукатурными слоями (по причине их отсутствия в данной конструкции).

В вентилируемых фасадах фиксаторы теплоизоля­ционных плит не должны противостоять высоким вет­ровым нагрузкам (отсосу), так как утеплитель надежно защищен от ветра внешним лицевым слоем. Основная роль фиксаторов - препятствовать сползанию теплоизо­ляционных плит. Прижимая их к несущей стене, фикса­торы способствуют образованию сил трения, которые удерживают плиты от сползания. Роль фиксаторов в вос­приятии собственного веса плит может оказаться боль­ше, чем в системах "мокрого" типа, так как в данном случае теплоизоляционные плиты не приклеиваются к основанию (хотя частично поддерживаются элементами подконструкции). Отметим, что собственный вес тепло­изоляции в вентилируемых фасадах не столь велик, как в системах "мокрого" типа, так как в данном случае используется теплоизоляция меньшей плотности. Поэтому в качестве фиксаторов теплоизоляционных плит часто применяют дюбели без распорного элемента, которые представляют собой полиэтиленовый "грибок" с жесткой "ножкой".

Форма и размер фланца (шляпки) дюбеля играют второстепенную роль и зависят лишь от плотности ис­пользуемого утеплителя.

Для крепления подоблицовочной конструкции в основном используются полимерные дюбели Металли­ческие дюбели применяются для крепления подконст­рукции к несущим основаниям из бетона и естественно­го камня.

Для крепления облицовочных материалов приме­няются самые разные шурупы, (в т.ч. самосверлящие), заклепки, клипсы, и т.д. (рис.7.9). Их выбор обусловлен облицовочными материалами.

Рисунок 7.9 - Примеры крепления различных облицовок к подконструкции (SFS)

7.4 Крепежные элементы для "сэндвич-пане­лей"

"Сэндвич-панели" применяются для строительства быстровозводимых даний, в которых важное значение имеют сроки монтажа и технологичность крепления. Для "сэндвич-панелей" разработаны самосверлящие шурупы особой конструк­ции (рис. 7.10).

Сверло-наконечник выполняется из закаленной стали, так как на него ложится основная "работа" по просвер­ливанию отверстия как в "сэндвич-панели", так и в эле­менте несущей конструкций (например, в стальном кар­касе). Основная, рабочая часть шурупа выполняется из нержавеющей или оцинкованной стали.

Необходимо заметить, что шурупы из нержавеющей стали гораздо более долговечны, чем шурупы из оцин­кованной. Действительно, шуруп в "сэндвич-панели" представляет собой "мостик холода", на котором неиз­бежно конденсируется влага. В агрессивной среде утеп­лителя влага негативно воздействует на оцинкованный шуруп, тем более что слой цинка, как правило, значи­тельно повреждается в процессе установки шурупа Как показывает практика, такое крепление теряет свои функ­ции уже через 2-5 лет, в зависимости от ряда дополни­тельных факторов. Соединение же с помощью шурупов из нержавеющей стали является несравнимо более надежным, а их срок службы можно сравнить со сроком службы самих "сэндвич-панелей".

Рисунок 7.10- Для крепления «сэндвич-панелей» разработаны самосверлящие шурупы особой конструкции (SFS)

Кроме того, шурупы, предназначенные для крепле­ния "сэндвич-панелей", имеют еще одну особенность. Диаметр части шурупа, закрепляемой в несущем элементе (например, в стальной балке или швеллере), должен быть меньше диаметра подшайбовой части. Это необходимо для того, чтобы осуществить надежную фик­сацию в тонком листовом металле "сэндвич-панелей". Для герметизации соединения необходимо использовать уплотнительную шайбу из вулканизированного эласто­мера ЕРОМ, являющегося наиболее стойким и долго­вечным материалом для наружного применения. Диаметры резьбы также отличаются друг от друга - срединная резьба должна быть меньше по диаметру, чем подшляпковая. Этим обеспечивается дополнитель­ная герметизация соединения.