Удивительным в технике крепежа является наша фантастическая склонность не замечать физическую сущность крепления, подменяя её особенностями конкретного применения. Действительно, резьбовые соединения в машиностроении и анкерные в строительстве имеют общую физическую основу, что связано с необходимостью обеспечить условия, при которых сила трения покоя может обеспечить относительную неподвижность двух (и более) сопряженных тел. И, как правило, это достигается силами трения, упругой реакцией опоры и тому подобными факторами, определяемыми энергией межмолекулярного взаимодействия ("хорошая" адгезия - "хорошее" межмолекулярное взимодействие). Сила трения прямопропорциональна силе, прижимающей поверхности тел друг к другу, она перпендикулярна поверхности и поэтому называется нормальной реакцией опоры. Но коэффициент пропорциональности, коэффицент трения есть ни что иное, как мощность фрикционных потерь. Отсюда становится ясным, что изучение работы сил трения (энергетический подход) дает адекватное представление о нагрузочных характеристиках тех видов крепления, где используются силы трения.
Попробуем выявить единство принципов, лежащих в основе конструкции различных видов креплений, для чего сначала разберемся с терминологией. В прикладной механике принято употреблять термин "соединение", выделяя разъемные соединения, которые допускают "разъединение" без измения формы и качества деталей, инеразъемные, соответсвенно. В разъемных соединениях применяются КРЕПЕЖНЫЕ ДЕТАЛИ, устанавливаемые специальным образом для соединения деталей. Соединение деталей препятствует относительному их смещению при действии сил, направленных по касательной к поверхности или параллельно поверхности сопряжения деталей (шпонки, штифты, шплинты), а для винтовых и болтовых соединений - сил, направленных по нормали к поверхности контакта. При этом одни крепежные детали предварительно требуют собственной фиксации в теле как минимумодной из деталей (шплинт, штифт, винт), другие - только подготовленных установочных отверстий (болтовые и шплинтовые соединения). В строительной механике принято употреблять термин КРЕПЛЕНИЕ, при этом часть строительной конструкции, к которой необходимо прикрепить деталь, называется ОСНОВАНИЕМ. Для металлических оснований (строительные металлоконструкции), как и в машиностроении, применяются все виды разъёмных и неразъёмных соединений. Для строительных оснований, таких как бетон, кирпич, природный камень и т.п., требуются крепежные детали - анкеры и их "лёгкая" разновидность - дюбели, которые также необходимо предварительно зафиксировать в основаниях. При установке конического или пружинного штифтов, формирующих соответствующее соединение, нормальная реакция опоры создаёт прижимную силу, препятствующую внешним силам смещать штифт из подготовленного отверстия, и чем больше эта сила, тем надежнее соединение. Установка крепежной детали в строительное основание также призвана обеспечить надежность закрепления дюбеля в основании за счет силы трения, определяемой силой реакции опоры. Самое интересное, что механизм образования закрепления крепёжной детали в обоих случаях совершенно идентичен.
Именно эта особенность - способность конструкции крепежной детали ЗАКРЕПЛЯТЬСЯ в базовом материале - вызывает определенные трудности в употреблении понятий "анкер" и "дюбель". Например, пластиковый (фасадный) дюбель в каталоге HILTI называют анкером, а MUNGO выпускает под названием "дюбель" MSS - популярный голландский анкер PFG. Именно общность физических принципов закрепления этих крепежных деталей, обеспечиваемых их конструкцией, объясняет необходимость разделять эти два вида по нагрузочной способности, и как следствие в большинстве случаев - по материалу, из которого изготовлена каждая деталь. Примем следующие определения анкера. Анкер - это металлическая деталь, закладываемая, забиваемая или заворачиваемая в подготовленные в твердых основаниях (бетон, кирпич, камень...) отверстия для крепления с помощью её резьбового элемента деталей конструкции. Дюбель - пластиковая деталь с элементами закрепления в строительных материалах, предназначенная для монтажа деталей конструкций с помощью металлических универсальных крепежных изделий (винт, шуруп, гвоздь...).
Применяются несколько способов закрепления или АНКЕРОВКИ крепежной детали в материале основания, выбор которых определяет конструкцию и материал крепежной детали, а в конечном итоге - величину и характер полезных нагрузок для конкретного материала основания. Анкеровка трением - самый распространненй способ крепления. Он заключается в том, что внешняя поверхность распорной части крепежной детали прижимается к стенке отверстия, выполненного в основном материале, создавая силу трения, удерживающую анкер (дюбель) от выдергивания.
Это наиболее простой и дешевый способ крепления, но он применим только для сплошных и достаточно прочных материалов. Достаточная сила трения создается обычно за счет реакции опоры при расклинивания анкера (дюбеля) или его части, причем чем выше степень расклинивания, тем больше сила трения и тем, соответственно, выше качество крепления. Однако при слишком больших давлениях на основной материал возможно разрушение его и последующий отказ системы крепления. Это ограничивает применение анкеров на слабых основаниях, снижает значения выдерживаемых крепежной системой нагрузок.
Можно привести большое количество примеров крепежных изделий с анкеровкой трением: универсальный дюбель в сплошном основании, дюбель-гвоздь, клиновой анкер, ударный и разжимной анкер, втулочный анкер, рамный (фасадный) дюбель, дюбель для теплоизоляции, анкер-клин, анкер-гвоздь и др. Некоторые из них приведены на рис.4.
Для тонкостенных материалов обычно применяется анкеровка формой - внешний упор (рис.5). Для такого крепления основной тонкостенный материал просверливается насквозь, в полученное отверстие вставляется крепежный элемент, часть которого при затягивании (закручивании) деформируется и упирается в поверхность базовой основы.
Другая разновидность анкеровки формой - внутренний упор. При этом крепежная деталь, имеет или образует при установке конструктивные элементы, воспринимающие реакцию опоры при приложении выдергивающих сил и создаваемого в объеме основного материала. Примеры использования такого рода упоров приведены на рис.6. Внутренние упоры образуются "подрезкой бетона" при затяжке клиновых анкеров (рис.6 а), при установке дюбелей КВТ и DRIVA фирмы SORMAT (рис.6 б).
Прогрессивный пособ анкеровки так называемым соединением, представлен двумя разновидностями: при одном фиксация крепежного элемента в основании достигается при изменении физического состояния связующего, при другом - спайкой, изменением физического состояния части крепежного элемента. Свойства некоторых полимерных смол изменять своё состояние (затвердевать) и смачивать поверхности материалов (другими словами - высокая адгезия) используются в инжекционных (еще называемых химическими) анкерах. При установке этих анкеров в подготовленное отверстие в основании, их закрепление не вызывает внутренних напряжений в материале основания, что допускает установку с минимальными осевыми и краевыми расстояниями. При монтаже конструкций к бетонным основаниям часто применяют дюбель-гвозди, забиваемые с помощью пороховых зарядов. Способ фиксации гвоздеобразного окончания дюбеля в бетонном основании обусловлен диссоциацией энергии при работе сил трения, возникающих при забивании гвоздя в бетон. При этом происходит преобразование этой энергии в тепловую, достаточную для подплавления анкерной части гвоздя и спайку этой части гвоздя с окружающим его материалом (бетоном).
