Остроконечные саморезы FBS: расчёт несущей способности
Как рассчитать несущую способность остроконечного самореза FBS?
Несущая способность остроконечного самореза FBS (Flat Head Self-Tapping Screw) определяется расчётом на вырыв и срез согласно методике СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции». В отличие от сверлоконечных FBD, саморезы FBS формируют резьбовое соединение методом пластической деформации материала основания (накатки резьбы), что определяет иной характер работы соединения и требует отдельного расчёта для каждого типа основания. Расчёт несущей способности является обязательным этапом проектирования узла крепления кровельного ковра.
Отличия FBS от FBD
| Параметр | FBS (остроконечный) | FBD (сверлоконечный) |
|---|---|---|
| Принцип формирования отверстия | Пластическая деформация (расклинивание) | Резание (сверление) |
| Форма наконечника | Коническое остриё (угол 30–45°) | Сверло (угол 120–130°) |
| Предварительное засверливание | Требуется при tст > 0,5 мм | Не требуется |
| Макс. толщина стали | 0,5 мм (без засверливания) | 2,5–5,0 мм |
| Оптимальное основание | Дерево, OSB, тонкая сталь | Стальной профлист, балки |
| Характер разрушения при вырыве | Смятие резьбы в основании | Срез резьбы в основании |
| Несущая способность в дереве | Выше на 20–30% | Ниже |
| Несущая способность в стали | Ниже на 20–30% | Выше |
Расчёт на вырыв по СП 16.13330
Расчётное усилие вырыва Nвыр для самореза FBS определяется по формуле, учитывающей сопротивление смятию материала основания под витками резьбы:
Nвыр = Rp × d × tосн × kα × kt / γm
где:
- Rp — расчётное сопротивление смятию материала основания, МПа:
- Сталь С245 (профлист): Rp = 350 МПа;
- Сталь С345: Rp = 470 МПа;
- Дерево (сосна, 2-й сорт): Rp = 15 МПа (вдоль волокон);
- OSB-3: Rp = 10 МПа;
- Фанера ФСФ: Rp = 12 МПа.
- d — номинальный диаметр резьбы самореза, мм;
- tосн — толщина несущего основания, мм;
- kα — коэффициент угла наклона резьбы (для стандартной резьбы саморезов kα = 0,85);
- kt — коэффициент, учитывающий отношение толщины основания к шагу резьбы:
kt = tосн / P, но не более 1,0
где P — шаг резьбы, мм;
- γm — коэффициент надёжности по материалу: γm = 1,05 для стали, γm = 1,3 для дерева и плитных материалов.
Расчёт на срез по СП 16.13330
Расчётное усилие среза Nср определяется по формуле:
Nср = Rbs × Ab × ns / γb
где:
- Rbs — расчётное сопротивление срезу материала самореза: Rbs = 0,38 × Run для класса прочности 4.8 (Run = 400 МПа → Rbs = 152 МПа);
- Ab — площадь сечения самореза нетто (по внутреннему диаметру резьбы), мм²:
Ab = π × d1² / 4
где d1 — внутренний диаметр резьбы: для FBS 4,8 d1 ≈ 3,8 мм; для FBS 5,5 d1 ≈ 4,4 мм; для FBS 6,3 d1 ≈ 5,0 мм;
- ns — количество плоскостей среза (для односрезного соединения ns = 1);
- γb — коэффициент условий работы: γb = 1,0 для статической нагрузки, γb = 0,8 для ветровой.
Примеры расчёта
Пример 1: FBS 4,8 в стальном профлисте 0,7 мм (сталь С245)
Расчёт на вырыв:
- Rp = 350 МПа; d = 4,8 мм; tосн = 0,7 мм; kα = 0,85.
- kt = 0,7 / 1,6 = 0,44.
- Nвыр = 350 × 4,8 × 0,7 × 0,85 × 0,44 / 1,05 = 420 Н = 0,42 кН.
Расчёт на срез:
- Rbs = 152 МПа; Ab = 3,14 × 3,8² / 4 = 11,34 мм².
- Nср = 152 × 11,34 × 1 / 0,8 = 2155 Н = 2,16 кН.
Вывод: лимитирующим является вырыв (0,42 кН). Расчётная несущая способность одного самореза FBS 4,8 в профлисте 0,7 мм составляет 0,42 кН.
Пример 2: FBS 5,5 в деревянном основании (сосна, t = 25 мм)
Расчёт на вырыв:
- Rp = 15 МПа; d = 5,5 мм; tосн = 25 мм; kα = 0,85.
- kt = 25 / 1,8 = 13,9 → принимаем kt = 1,0.
- Nвыр = 15 × 5,5 × 25 × 0,85 × 1,0 / 1,3 = 1349 Н = 1,35 кН.
Расчёт на срез:
- Rbs = 152 МПа; Ab = 3,14 × 4,4² / 4 = 15,2 мм².
- Nср = 152 × 15,2 × 1 / 0,8 = 2888 Н = 2,89 кН.
Вывод: лимитирующим является вырыв (1,35 кН). Расчётная несущая способность одного самореза FBS 5,5 в деревянном основании 25 мм составляет 1,35 кН.
Сводная таблица несущей способности FBS
| Типоразмер | Основание | tосн, мм | Nвыр, кН | Nср, кН | Nрасч, кН |
|---|---|---|---|---|---|
| FBS 4,8 | Профлист С245 | 0,5 | 0,30 | 2,16 | 0,30 |
| FBS 4,8 | Профлист С245 | 0,7 | 0,42 | 2,16 | 0,42 |
| FBS 4,8 | Дерево (сосна) | 20 | 0,98 | 2,16 | 0,98 |
| FBS 4,8 | OSB-3 | 18 | 0,52 | 2,16 | 0,52 |
| FBS 5,5 | Профлист С245 | 0,7 | 0,55 | 2,89 | 0,55 |
| FBS 5,5 | Дерево (сосна) | 25 | 1,35 | 2,89 | 1,35 |
| FBS 5,5 | Фанера ФСФ | 21 | 0,91 | 2,89 | 0,91 |
| FBS 6,3 | Профлист С245 | 0,8 | 0,80 | 3,73 | 0,80 |
| FBS 6,3 | Дерево (сосна) | 30 | 1,85 | 3,73 | 1,85 |
Рекомендации по шагу установки FBS
Шаг установки саморезов FBS определяется расчётной ветровой нагрузкой и несущей способностью одного самореза:
a = √(Nрасч / Wрасч)
где:
- a — шаг установки саморезов (квадратная сетка), м;
- Nрасч — расчётная несущая способность одного самореза, кН;
- Wрасч — расчётная ветровая нагрузка, кПа.
Конструктивные ограничения шага установки:
- Минимальный шаг: 200 мм (во избежание раскалывания деревянного основания).
- Максимальный шаг: 600 мм (для обеспечения равномерного прижатия кровельного ковра).
- В угловых зонах кровли шаг уменьшается в 2–3 раза относительно рядовой зоны.
- По периметру кровли и вокруг выступающих конструкций (парапеты, вентшахты) шаг не должен превышать 300 мм.
Особенности монтажа FBS в различные основания
Монтаж в деревянное основание
- Предварительное засверливание не требуется.
- Рекомендуемый угол вкручивания: 90° к поверхности.
- Минимальное расстояние от оси самореза до кромки доски: 7 × d (34 мм для FBS 4,8).
- Минимальное расстояние до торца доски: 10 × d (48 мм для FBS 4,8).
- Влажность древесины не должна превышать 20%.
Монтаж в стальной профлист
- При толщине стали более 0,5 мм — обязательное предварительное засверливание отверстия диаметром 0,8 × d.
- Сверление выполняется в верхнюю полку гофра профлиста.
- Заусенцы после сверления удаляются.
- Запрещается установка в зону перегиба гофра.
Заключение
Остроконечные саморезы FBS являются оптимальным решением для крепления кровельных систем к деревянным и плитным основаниям, а также к тонколистовому металлу. Их несущая способность определяется расчётом на вырыв и срез по методике СП 16.13330.2017, при этом лимитирующим фактором в большинстве случаев является вырыв из основания. Корректный расчёт шага установки с учётом зонирования кровли по ветровой нагрузке позволяет обеспечить надёжность крепления при оптимальном расходе крепежа.
Нормативные документы
- СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-23-81*).
- СП 17.13330.2017 «Кровли» (актуализированная редакция СНиП II-26-76).
- СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».
- СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-25-80).
- ГОСТ 1147-80 «Винты самонарезающие с потайной головкой. Конструкция и размеры».
- ГОСТ 11652-80 «Винты самонарезающие с полупотайной головкой. Конструкция и размеры».
- ГОСТ 24045-2016 «Профили стальные листовые гнутые с трапециевидными гофрами для строительства».
- ГОСТ 27772-2015 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия».
