| Диаметр анкера | Нагрузка на вырыв (кН) | Нагрузка на срез (кН) | Глубина заделки (мм) | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| М8 | 2,0 | 1,5 | 64-96 | Бетон В25, распорные анкеры |
| М10 | 4,0 | 3,0 | 80-120 | Бетон В25, распорные анкеры |
| М12 | 6,0 | 4,5 | 96-144 | Бетон В25, распорные анкеры |
| М16 | 12,0 | 9,0 | 128-192 | Бетон В25, распорные анкеры |
| М20 | 18,0 | 14,0 | 160-240 | Бетон В25, распорные анкеры |
| Тип анкера | Глубина анкеровки (в диаметрах d) | Пример для М12 | Пример для М16 | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| Механические распорные | 8-12d | 96-144 мм | 128-192 мм | Фиксация распором за счет расширения гильзы |
| Механические клиновые | 7-10d | 84-120 мм | 112-160 мм | Высокая несущая способность на вырыв |
| Химические ампульные | 6-10d | 72-120 мм | 96-160 мм | Оптимальны для плотных материалов |
| Химические инъекционные | 6-10d | 72-120 мм | 96-160 мм | Универсальны, подходят для трещиноватого бетона |
| Химические для пустотелых материалов | 8-12d | 96-144 мм | 128-192 мм | Требуют применения сетчатых гильз |
| Тип нагрузки | Коэффициент запаса | Условия применения | Примеры конструкций |
|---|---|---|---|
| Постоянные статические | 3,0 | Крепление оборудования без вибрации, стационарные конструкции | Консоли, балюстрады, несущие элементы каркаса |
| Временные переменные | 5,0 | Крепления с периодическими нагрузками, технологическое оборудование | Подъемные механизмы, временные конструкции |
| Динамические с вибрацией | 6,0-8,0 | Оборудование с вибрационными нагрузками | Компрессоры, вентиляционное оборудование |
| Ударные нагрузки | 8,0-10,0 | Крепления, подверженные ударным воздействиям | Буферные устройства, защитные ограждения |
| Сейсмические районы | 4,0-6,0 | Районы с сейсмичностью 7-9 баллов по шкале МСК | Фасадные системы, несущие конструкции |
| Класс бетона | Прочность на сжатие (МПа) | Коэффициент к базовой нагрузке | Применимость | Рекомендации |
|---|---|---|---|---|
| В15 | 15 | 0,70 | Минимально допустимый для большинства анкеров | Требуется увеличение глубины анкеровки на 20-30% |
| В20 | 20 | 0,85 | Стандартный для ненесущих конструкций | Применим для креплений средней ответственности |
| В25 | 25 | 1,00 | Базовый класс для расчета анкеров | Оптимальное соотношение прочности и стоимости |
| В30 | 30 | 1,12 | Рекомендуется для ответственных конструкций | Позволяет уменьшить размеры анкеров или увеличить нагрузку |
| В35 | 35 | 1,22 | Высокопрочные конструкции, промышленные объекты | Применяется в специальных сооружениях |
| В40 | 40 | 1,30 | Особо ответственные конструкции | Гидротехнические сооружения, мостовые опоры |
Содержание статьи
- Классификация анкерных креплений
- Механические распорные и клиновые анкеры
- Химические анкерные системы
- Предельная нагрузка на вырыв из бетона
- Эффективная глубина анкеровки
- Коэффициенты запаса прочности
- Влияние класса бетона на несущую способность
- Методика испытаний на вырыв
- Нормативная база испытаний анкеров
Классификация анкерных креплений
Анкерные крепления представляют собой специализированные крепежные элементы, обеспечивающие надежную фиксацию оборудования и конструкций к бетонным, каменным и другим твердым основаниям. Согласно ГОСТ Р 57787-2017, анкерные крепления классифицируются по принципу передачи усилий на основание.
Механические анкеры работают за счет прямого механического взаимодействия с материалом основания через распор, зацепление, упор или трение. Химические анкеры передают нагрузки через слой затвердевшего клеевого состава, который формирует прочное соединение между стальным элементом анкера и материалом основания. Каждый тип анкерного крепления имеет специфические области применения и требования к установке.
Основные типы механических анкеров
Распорные анкеры функционируют за счет расширения специальной гильзы при затягивании болта. Этот принцип обеспечивает равномерное распределение нагрузки по стенкам отверстия и позволяет использовать анкеры не только в плотном бетоне, но и в кирпичной кладке. Втулочные анкеры комплектуются стержнем класса прочности 5.8 и рекомендуются для установки в бетон марки не ниже М200.
Клиновые анкеры характеризуются высокой несущей способностью благодаря особой конструкции распорного клина. При установке клин перемещается вдоль конического участка анкерного болта, создавая значительное распорное усилие. Клиновые анкеры применяются для крепления стальных конструкций, несущих рам и консолей с повышенными требованиями к прочности соединения.
Механические распорные и клиновые анкеры
Механические анкеры обеспечивают быструю установку без необходимости ожидания схватывания клеевого состава. Процесс монтажа включает подготовку отверстия требуемого диаметра и глубины, очистку от буровой пыли, установку анкера и затягивание до требуемого момента. Несущая способность достигается сразу после установки, что критично для объектов с ограниченными сроками монтажа.
Распорные усилия, создаваемые механическими анкерами, могут привести к растрескиванию бетона при недостаточных краевых расстояниях или малой толщине основания. Минимальное расстояние от оси анкера до края основания должно составлять не менее 10 диаметров анкера. При групповом креплении минимальное межосевое расстояние составляет 5-7 диаметров в зависимости от типа анкера и характера нагрузки.
Несущая способность механических анкеров определяется наименьшим из трех значений: прочностью стального элемента анкера, прочностью соединения анкера с основанием за счет распора или зацепления, прочностью материала основания в зоне установки анкера. Разрушение может произойти по любому из этих механизмов в зависимости от конкретных условий нагружения.
Факторы, влияющие на несущую способность
Класс прочности бетона основания напрямую влияет на несущую способность анкера при вырыве. В бетоне В25 формируется конус разрушения с углом примерно 35 градусов от оси анкера. При уменьшении класса бетона размеры конуса увеличиваются, а прочность материала в зоне разрушения снижается, что приводит к уменьшению предельной нагрузки.
Глубина заделки анкера является определяющим параметром для несущей способности на вырыв. Увеличение глубины анкеровки повышает объем бетона, вовлеченного в работу при вырыве, и соответственно увеличивает предельную нагрузку. Однако чрезмерное увеличение глубины экономически нецелесообразно, так как прирост несущей способности замедляется при превышении оптимальных значений.
Химические анкерные системы
Химические анкеры работают по принципу адгезионного соединения между стальным стержнем и материалом основания через слой полимерного клеевого состава. Инъекционные массы заполняют все неровности и микротрещины в отверстии, создавая равномерное распределение напряжений по всей глубине анкеровки. Это обеспечивает несущую способность в два-три раза выше по сравнению с механическими анкерами аналогичного диаметра.
Ампульные химические анкеры
Ампульные системы поставляются в виде стеклянных капсул с точно дозированным количеством двухкомпонентного клеевого состава. При установке анкерная шпилька разбивает капсулу, смешивая компоненты и одновременно распределяя клеевую массу по отверстию. Осколки стекла дополнительно армируют соединение. Ампульные анкеры оптимальны для монтажа в полнотелый кирпич и плотный бетон, где требуется быстрое достижение несущей способности.
Инъекционные химические системы
Инъекционные анкеры представляют собой картриджи с двухкомпонентным составом, который выдавливается в отверстие через статический смеситель с помощью специального пистолета. Эта технология обеспечивает максимальную универсальность: один картридж может использоваться для установки анкеров различных диаметров и глубин. Инъекционные системы незаменимы при работе с трещиноватым бетоном, пустотелыми материалами и установке анкеров близко к краю конструкции.
При работе с химическими анкерами критически важна тщательная очистка отверстия от буровой пыли. Продукты бурения снижают адгезию клеевого состава к бетону и могут привести к значительному уменьшению несущей способности. Очистка выполняется сжатым воздухом с использованием ручного насоса или компрессора, с последующей продувкой и щеткой. Для пустотелых оснований обязательно применение сетчатых гильз, предотвращающих вытекание клеевой массы.
Температурные условия существенно влияют на время полимеризации химических анкеров. При температуре основания плюс 20 градусов Цельсия типичное время отверждения эпоксидных составов составляет 24 часа, винилэстеровых 4-6 часов, полиэстеровых 2-3 часа. При понижении температуры время полимеризации увеличивается пропорционально. Некоторые специализированные составы сохраняют работоспособность при температуре основания до минус 60 градусов Цельсия.
Предельная нагрузка на вырыв из бетона
Предельная нагрузка на вырыв представляет собой осевое растягивающее усилие, при котором происходит разрушение анкерного соединения. Механизмы разрушения различаются в зависимости от типа анкера и характеристик основания. Для механических анкеров типичны следующие формы разрушения: вырыв анкера с конусом бетона, разрушение стального стержня по резьбе, выдергивание анкера из отверстия при недостаточном распоре.
Расчет несущей способности на вырыв для механических анкеров выполняется как минимум из трех составляющих. Прочность стального элемента определяется классом прочности стали и площадью поперечного сечения в опасном сечении. Прочность соединения с основанием зависит от типа анкера, глубины заделки и качества установки. Прочность материала основания в зоне анкеровки определяется объемом вовлеченного в работу бетона и его классом.
Конус разрушения при вырыве
При вырыве анкера из бетонного основания формируется конус разрушения, геометрия которого зависит от глубины анкеровки и характеристик бетона. Угол раскрытия конуса в нетрещиноватом бетоне составляет примерно 35 градусов от оси анкера. Диаметр конуса у поверхности основания приблизительно равен трем глубинам эффективной анкеровки. Объем бетона в конусе разрушения прямо пропорционален предельной нагрузке на вырыв.
При установке анкеров близко к краю основания или при групповом креплении конусы разрушения отдельных анкеров перекрываются, что приводит к снижению несущей способности каждого анкера. Для учета этого эффекта в расчетах применяются понижающие коэффициенты, зависящие от фактических краевых и межосевых расстояний. При расстоянии до края менее 10 диаметров анкера коэффициент может достигать 0,5-0,7.
Эффективная глубина анкеровки
Эффективная глубина анкеровки определяется как расстояние от поверхности основания до части анкера, посредством которой он передает усилия на основание. Для механических распорных анкеров это расстояние до начала распорной зоны, для клиновых анкеров до клинового элемента, для химических анкеров эффективная глубина соответствует полной глубине заполнения отверстия клеевым составом.
Минимальная глубина анкеровки механических распорных анкеров составляет 8-12 диаметров болта в зависимости от конструкции анкера и класса бетона. Для анкера М16 в бетоне В25 минимальная глубина составляет 128 мм при рекомендуемой 160-192 мм. Химические анкеры требуют меньшей глубины за счет равномерного распределения напряжений по всей длине. Типичная глубина для химических систем составляет 6-10 диаметров стержня.
При уменьшении толщины основания ниже минимально допустимой значения несущей способности требуют корректировки. Минимальная толщина бетонного элемента должна превышать эффективную глубину анкеровки минимум на 100 мм для предотвращения обрушения тыльной стороны основания. В тонких плитах применяются специальные сквозные анкеры с фиксацией на противоположной стороне.
Влияние глубины на нагрузочную способность
Несущая способность анкера на вырыв пропорциональна квадрату эффективной глубины анкеровки для механических систем. Увеличение глубины с 80 до 120 мм для анкера М10 повышает предельную нагрузку примерно в 2,25 раза при прочих равных условиях. Для химических анкеров зависимость близка к линейной благодаря равномерному распределению напряжений по всей длине склеивания.
Химические анкеры не имеют строгих ограничений по максимальной глубине анкеровки, что позволяет варьировать этот параметр для достижения требуемой несущей способности. В плотном бетоне класса В30 и выше химический анкер М16 при глубине 200 мм может выдержать нагрузку на вырыв до 50 кН, что в четыре раза превышает показатели механического анкера аналогичного диаметра.
Коэффициенты запаса прочности
Коэффициент запаса прочности определяет соотношение между разрушающей нагрузкой анкера и допустимой рабочей нагрузкой. Величина коэффициента устанавливается с учетом характера нагружения, ответственности конструкции, точности определения действующих нагрузок и однородности свойств материалов. Согласно общепринятой практике проектирования анкерных креплений, минимальный коэффициент запаса составляет 2,5-3,0 для постоянных статических нагрузок.
Для постоянных нагрузок, действующих на анкерное крепление без изменения во времени, применяется коэффициент запаса 3,0. Это обеспечивает надежность крепления при возможных отклонениях прочности материалов, неточностях монтажа и незначительных превышениях расчетной нагрузки. Примерами постоянных нагрузок являются собственный вес закрепляемых конструкций, давление грунта на подпорные стены, постоянное технологическое оборудование.
Коэффициенты для различных условий нагружения
Временные переменные нагрузки характеризуются периодическим изменением величины и направления. Для таких условий коэффициент запаса увеличивается до 5,0 с целью компенсации усталостных явлений в материале анкера и основания. К временным нагрузкам относятся ветровые воздействия на фасадные системы, снеговая нагрузка на кровельные крепления, периодические технологические нагрузки от оборудования.
При динамических нагрузках с вибрацией коэффициент запаса прочности повышается до 6-8 в зависимости от частоты и амплитуды колебаний. Вибрация может привести к ослаблению крепления механических анкеров за счет микроперемещений и постепенного разрушения зоны контакта. Химические анкеры более устойчивы к вибрационным нагрузкам благодаря отсутствию жестких точек контакта и равномерному распределению напряжений.
В сейсмических районах применяются специальные требования к анкерным креплениям согласно ГОСТ Р 58430-2019. Коэффициент запаса для креплений в зонах с сейсмичностью 7-9 баллов составляет 4-6 в зависимости от категории ответственности здания. Анкеры должны пройти испытания на циклические нагрузки с имитацией сейсмических воздействий. Предпочтение отдается химическим анкерам и механическим системам с подрезкой, обеспечивающим работу в трещиноватом бетоне.
Влияние класса бетона на несущую способность
Класс бетона основания является определяющим фактором несущей способности анкерного крепления при вырыве и выкалывании бетона. Прочность бетона на сжатие напрямую коррелирует с его прочностью на растяжение и сдвиг, которые критичны для работы анкеров. Большинство производителей анкерных систем приводят нагрузочные характеристики для базового класса бетона В25, соответствующего прочности на сжатие 25 МПа.
При использовании бетона класса В15 несущая способность анкера на вырыв составляет примерно 70 процентов от значения для бетона В25. Это объясняется уменьшением прочности материала в зоне конуса разрушения и увеличением размеров конуса при той же глубине анкеровки. Для компенсации снижения несущей способности в бетоне низкого класса требуется увеличение глубины анкеровки на 20-30 процентов или применение анкеров большего диаметра.
Расчетные коэффициенты для разных классов
Класс бетона В20 обеспечивает 85 процентов несущей способности относительно базового В25. Этот класс применяется для стандартных конструкций средней ответственности, таких как фундаменты малоэтажных зданий, перекрытия жилых домов, подпорные стены. Анкерные крепления в бетоне В20 требуют незначительной корректировки расчетных нагрузок и могут использоваться для большинства типов оборудования.
Бетон класса В30 позволяет увеличить несущую способность анкера на 12 процентов по сравнению с В25. Применение высокопрочного бетона экономически оправдано в ответственных конструкциях, где требуется максимальная надежность креплений при ограниченных размерах элементов. Класс В30 используется в монолитном каркасном строительстве, для устройства ростверков и фундаментов под тяжелое оборудование.
Бетоны классов В35 и В40 применяются в специальных сооружениях с повышенными требованиями к несущей способности. Коэффициенты увеличения нагрузки составляют 1,22 и 1,30 соответственно. Такие классы используются в гидротехническом строительстве, мостовых опорах, емкостных сооружениях, башенных конструкциях. Высокая прочность бетона позволяет уменьшить размеры анкеров или сократить их количество при сохранении требуемой несущей способности.
При проектировании анкерных креплений необходимо учитывать фактический класс бетона основания, подтвержденный результатами испытаний контрольных образцов или неразрушающими методами контроля. Использование в расчетах завышенного класса бетона может привести к недостаточной несущей способности крепления и аварийным ситуациям. Консервативный подход предполагает принятие минимального класса бетона из возможного диапазона для данного типа конструкций.
Методика испытаний на вырыв
Испытания анкерных креплений на вырыв проводятся для определения фактической несущей способности в конкретных условиях основания. Методика испытаний регламентируется стандартами ГОСТ Р 56731-2015 для механических анкеров и ГОСТ Р 58387-2019 для химических анкеров. Испытания выполняются на строительном объекте после набора бетоном проектной прочности, но до начала массового монтажа анкерных креплений.
Подготовка к испытаниям включает выбор участков с наименьшей прочностью основания, определенных визуально или методами неразрушающего контроля. Количество испытываемых анкеров составляет минимум 10 для стальных и химических анкеров в тяжелом бетоне, минимум 15 для других типов оснований. Анкеры устанавливаются в соответствии с технологией производителя с соблюдением всех требований к диаметру отверстия, глубине, очистке и времени отверждения для химических систем.
Оборудование для испытаний
Основным испытательным оборудованием является гидравлический домкрат на опорной раме, обеспечивающий плавное приложение нагрузки с постоянной скоростью. Широко применяются приборы производства Hilti, Hydrajaws модели 2000 с максимальной нагрузкой до 25 кН, и аналогичные системы других производителей. Тяговый элемент домкрата снабжен захватом для головки анкера, усилие контролируется встроенным гидравлическим манометром с погрешностью не более 2 процентов от измеряемого значения.
Испытательное устройство располагается над анкером с обеспечением строгой соосности направления приложения нагрузки и оси анкера. Опорная рама должна иметь достаточную площадь для предотвращения влияния на бетонное основание в точке установки испытываемого анкера. Перед испытанием проводится визуальный контроль качества установки анкера, проверка глубины заделки и отсутствия видимых повреждений основания.
Процедура проведения испытаний
Каждый образец анкерного крепления нагружается до разрушения с построением графика зависимости деформации от нагрузки. Скорость приложения нагрузки составляет от 0,05 до 0,1 кН в секунду для обеспечения квазистатических условий нагружения. Фиксируются максимальная достигнутая нагрузка и характер разрушения: вырыв с конусом бетона, разрушение стального стержня, выдергивание анкера из отверстия, выкалывание края основания.
При проведении испытаний должны соблюдаться требования техники безопасности согласно ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.005. Зона испытаний ограждается для предотвращения доступа посторонних лиц. Испытатель использует средства индивидуальной защиты, включая защитные очки и каску. При разрушении анкера возможен резкий выброс энергии и разлет фрагментов бетона, что требует соблюдения безопасного расстояния.
Полученные значения разрушающей нагрузки обрабатываются в соответствии с методикой СП 513.1325800.2022. Определяется среднее значение и стандартное отклонение по серии испытаний. Характерная несущая способность вычисляется как минимальное значение из двух: среднее минус стандартное отклонение, либо минимальное значение в серии умноженное на коэффициент 1,1. Допустимая нагрузка на анкер получается делением характерной несущей способности на коэффициент запаса.
Нормативная база испытаний анкеров
Методы испытаний анкерных креплений в России регламентируются комплексом национальных стандартов, введенных в действие в период с 2015 по 2022 год. Базовым документом для механических анкеров является ГОСТ Р 56731-2015, устанавливающий методы испытания на вырыв и сдвиг в тяжелом бетоне. Стандарт определяет требования к условиям испытаний, оборудованию, образцам и обработке результатов.
Для химических анкерных систем применяется ГОСТ Р 58387-2019, учитывающий специфику работы клеевых соединений. Документ устанавливает дополнительные требования к времени отверждения клеевого состава перед испытаниями, контролю качества очистки отверстий, условиям температуры и влажности при установке и испытании. Стандарт не распространяется на клеевые анкеры с ручным дозированием компонентов на объекте.
Специальные условия испытаний
ГОСТ Р 58430-2019 регламентирует испытания анкеров для сейсмических районов. Документ вводит требования к динамическим испытаниям с циклическим нагружением, имитирующим сейсмические воздействия. Испытания проводятся на специальном оборудовании, обеспечивающем циклическое приложение знакопеременной нагрузки с заданной частотой и амплитудой. Анкеры должны выдержать не менее 10 циклов нагружения до 50 процентов разрушающей нагрузки без остаточных деформаций.
Испытания в трещиноватом бетоне проводятся на специально подготовленных образцах с трещиной шириной раскрытия 0,3 мм. Это моделирует реальные условия работы анкеров в железобетонных конструкциях, где могут образовываться технологические и усадочные трещины. Несущая способность в трещиноватом бетоне может составлять от 30 до 70 процентов от значения в нетрещиноватом бетоне в зависимости от типа анкера.
Многие производители анкерных систем имеют европейские технические одобрения ETA, выданные на основании испытаний по методикам EOTA. Эти документы признаются в России и могут использоваться для подтверждения характеристик анкеров. ETA содержат подробные таблицы нагрузочной способности для различных условий установки, классов бетона, краевых расстояний и характера нагружения.
Протокол испытаний анкеров должен содержать полную информацию об условиях проведения: описание основания с указанием класса бетона, характеристики испытанных анкеров, параметры установки, результаты измерений нагрузки и деформаций, характер разрушения каждого образца. На основании протокола выполняется расчет допустимой нагрузки с применением установленных коэффициентов запаса. Заключение по результатам испытаний содержит рекомендации по применению конкретного типа анкеров на данном объекте.
