Срез, вырывание, изгиб: к каким нагрузкам перфорированный крепеж менее устойчив

Перфорированные крепежные элементы стали стандартом в строительстве. Но не все понимают, что одна и та же пластина может эффективно работать при одном типе нагрузки и разрушиться при другом. И причина кроется не в браке материала, а в физике процессов, которые происходят в металле под воздействием разных сил.

Три главных типа нагрузок на металлический крепеж

Любой элемент в строительной конструкции подвергается механическим воздействиям. Для перфорированного крепежа актуальны 3 вида нагрузки:

1. Срез. 
2. Вырывание.
3. Изгиб.

Каждый из них создает уникальные напряжения в металле.

Нагрузка на срез возникает, когда сила действует параллельно плоскости крепления. Классический пример – балка, которая опирается на стальной уголок. Ее вес пытается «срезать» крепеж в месте контакта с опорой.

Вырывание появляется при усилии, направленном перпендикулярно плоскости. Ветровая нагрузка на стропильную систему создает именно такое воздействие. Она буквально пытается выдернуть крепеж из основания.

Нагрузка на изгиб проявляется при боковых воздействиях. Например, когда элемент закреплен в одной точке, а сила приложена на расстоянии от нее, то возникает момент, который изгибает металл.

Почему перфорация ослабляет конструкцию

Отверстия в металле – это не просто технологическая особенность. Перфорация становится концентратором напряжений. Нужно представить лист бумаги с линией отрыва. Он рвется именно по ней, потому что там меньше материала.

С металлом происходит то же самое. В зоне отверстия эффективное сечение уменьшается. Если на пластине толщиной 2 мм есть ряд отверстий диаметром 5 мм с шагом 20 мм, то в критическом сечении остается всего 75% металла. Остальные 25% – пустоты.

При выборе крепежа во Владимире для ответственных узлов нужно обращать внимание на расположение перфорации относительно направления нагрузки. Если отверстия располагаются поперек направлению усилия, то запас прочности снижается на 30-40% по сравнению с цельным листом той же толщины.

Работа перфорированного крепежа при нагрузке на срез

Срезающая нагрузка – самая коварная для перфорированных элементов. Металл работает как мост между отверстиями. Чем меньше расстояние между ними, тем он слабее.

Исследования показывают, что разрушение при срезе происходит не по линии приложения силы, а по самому слабому сечению. Перфорация создает именно такие участки. В момент воздействия критической нагрузки металл между отверстиями деформируется, затем начинается разрыв.

При этом важную роль играет толщина материала. Пластина 1,5 мм при том же шаге перфорации выдержит в 2 раза меньшую нагрузку на срез, чем элемент толщиной 3 мм. Это не линейная зависимость. Прочность растет быстрее, чем толщина.

Для крепления тяжелых балок лучше использовать элементы с минимальной перфорацией в зоне среза. Например, уголок с отверстиями только в монтажной полке, а не в несущей. Это повышает надежность соединения на 40-50%.

Вырывание: когда крепеж покидает основание

Сопротивление вырыванию зависит не столько от самого крепежа, сколько от способа его фиксации. Перфорированная пластина держится за счет саморезов, анкеров или гвоздей, которые проходят через отверстия.

Проблема заключается в том, что каждое отверстие – потенциальная точка разрушения. Когда сила пытается вырвать крепеж, металл или другой материал вокруг него подвергается концентрированному давлению. Если толщины недостаточно, то начинается деформация отверстия. Оно вытягивается, становится овальным.

Критический момент наступает при нагрузке 60-70% от расчетной прочности самого крепежного элемента. Саморез может выдержать нагрузку на вырывание в 300 кг. Но, если толщина пластины всего 1 мм, то отверстие разрушится раньше, при нагрузке 180-200 кг.

Для повышения устойчивости к вырыванию строители используют шайбы увеличенного диаметра. Они распределяют нагрузку на большую площадь, снижают локальное давление на металл. Это особенно важно при креплении кровельных элементов, где ветровые нагрузки создают мощное усилие на отрыв.

Если планируется купить крепеж оптом для масштабного проекта, то стоит запросить данные об устойчивости к разным типам нагрузки. Многие производители указывают только общую несущую способность, умалчивают о слабых местах.

Изгибающий момент и перфорация

Изгиб – нагрузка, которую сложно анализировать. Здесь одновременно работают растяжение с одной стороны элемента и сжатие с другой. Нейтральная ось проходит примерно посередине толщины.

Перфорация нарушает баланс, так как отверстия создают асимметрию. Если они расположены ближе к растянутой зоне, то запас прочности снижается до 50%. При этом металл не любит, когда его тянут в месте, где его меньше всего.

Практика показывает, что уголки и пластины толщиной до 2 мм менее устойчивы к нагрузке на изгиб при наличии перфорации в зоне максимальных напряжений. Такие элементы начинают «складываться» уже под воздействием 40-50% расчетной нагрузки.

Для узлов, на которые будет воздействовать нагрузка на изгиб, лучше выбирать крепеж во Владимире с усиленными зонами. Некоторые производители делают локальное утолщение металла в критических точках или используют рифление для повышения жесткости.

Как материал влияет на устойчивость к нагрузкам

Сталь марки St37 (аналог российской Ст3) – стандарт для массового производства крепежа. Она обеспечивает предел текучести около 235 МПа. Это значит, что металл начинает необратимо деформироваться при напряжении выше этого значения.

Оцинкованная сталь не становится прочнее. Цинковое покрытие защищает от коррозии, но не улучшает механические характеристики. Толщина цинка 7-12 мкм никак не влияет на сопротивление срезу или изгибу.

Высокопрочные марки стали (с пределом текучести 355 МПа и выше) позволяют уменьшить толщину элемента на 15-20% без снижения несущей способности. Но такой металл стоит на 30-40% дороже, поэтому его используют только для ответственных узлов.

Если нужно купить крепеж оптом, то нельзя ориентироваться только на цену за тонну, важно учитывать его реальную прочность. Дешевый крепеж из стали неизвестного происхождения может иметь предел текучести всего 180-200 МПа. Такая экономия оборачивается риском разрушения конструкций.

Ошибки монтажа, которые убивают прочность

Самая распространенная ошибка – недостаточное количество точек крепления. Если на пластине 8 отверстий, а строитель использует только 4 самореза, то нагрузка на каждое отверстие удваивается. Металл начинает деформироваться локально.

Вторая распространенная проблема – перетяжка крепежа. Если саморез затянут с избыточным усилием, то металл вокруг отверстия деформируется еще до приложения эксплуатационной нагрузки. Это снижает запас прочности на 20-30%.

Проблемой также является использование несоответствующих крепежных элементов. Саморез диаметром 4,8 мм в отверстии 5,5 мм создает люфт. При динамических нагрузках (ветер, вибрация) начинается выработка металла, отверстие разбивается, крепление ослабляется.

Как подобрать перфорированный крепеж

Сначала нужно определить тип нагрузки. Если узел работает преимущественно на срез (опирание балок, полок), то лучше использовать элементы с минимальной перфорацией в рабочей зоне или с большим шагом отверстий.

При высокой нагрузке на вырывание (крепление стропил, анкерные узлы) важную роль играет толщина металла. Она должна быть не менее 2 мм для ответственных конструкций. Обязательно нужно использовать всех предусмотренные отверстия и шайбы.

Для узлов, которые подвергаются нагрузке на изгиб, лучше использовать профильные элементы (уголки, Z-профили). Они отличаются большей жесткостью благодаря форме сечения. Плоские пластины в таких случаях работают плохо.

Когда строительная компания планирует купить крепеж оптом для крупного объекта, то есть смысл провести выборочные испытания. Простой тест на разрыв в зоне перфорации покажет реальный запас прочности. Это спасет от дорогих переделок.

Цифры, которые важно знать

Перфорированный уголок 40×40×2 мм с шагом отверстий 50 мм выдерживает на срез около 450 кг (при использовании 4 саморезов). Тот же уголок толщиной 2,5 мм выдержит уже 700 кг. Прирост прочности составляет 55% при увеличении металла всего на 25%.

При вырывании важную роль играет не толщина пластины, а диаметр крепежа. Саморез 4,8×35 мм держит до 200 кг в древесине и до 350 кг в газобетоне через перфорированную пластину 2 мм. Увеличение толщины до 3 мм даст прирост всего 10-15%.

Изгибающий момент для пластины 50×2 мм с центральным рядом отверстий диаметром 5 мм составляет примерно 180 Н·м. Без перфорации тот же элемент выдержит 280 Н·м. Потери прочности достигают 36%.

В каких случаях перфорированный крепеж не подходит

Есть узлы, где использование перфорированных элементов недопустимо. К ним относятся: 

• крепления несущих колонн; 
• анкерные узлы подвесных конструкций; 
• соединения, которые подвергаются высоким динамическим нагрузкам (тут нужен цельный металл).

В таких случаях используют наборные системы из усиленных элементов или специальные анкерные пластины без отверстий (их сверлят по месту). Это дороже, но надежнее.

Для решения стандартных задач перфорированный крепеж во Владимире остается оптимальным решением. Главное понимать физику работы металла и не экономить на толщине там, где это влияет на безопасность эксплуатации.