Одним из наиболее важных моментов при строительстве деревянной наружной конструкции является ее эффективность как структурной системы. В отличие от каркаса обычного деревянного дома, многие открытые конструкции строятся без обшивки, сайдинга и крыши, которые обеспечивают стабильность сооружения и защиту от воздействия окружающей среды.
Полностью подверженные разрушающему воздействию погоды, элементы конструкции должны быть быть правильно спроектированы и соединены для обеспечения долгосрочной безопасной работы. Структурная поддержка обеспечивается не только правильным определением размеров и размещения стоек, балок и других элементов, используемых в конструкции, но и правильным соединением этих элементов.
Ниже рассматриваются крепежные изделия, рекомендуемые для использования в наружных деревянных конструкциях.
Виды крепежа
Общая целостность любой деревянной конструкции зависит от того, как ее компоненты держатся вместе. Наиболее распространенными крепежными элементами для деревянных конструкций являются гвозди, винты, шурупы и болты. Имеются также металлические ленты и подвесы различных типов.
Крепеж, используемый для деревянных конструкций, обычно изготавливается из низкоуглеродистой стали, хотя многие типы и размеры могут быть изготовлены из нержавеющей стали, латуни и бронзы.
Гвозди и саморезы являются наиболее распространенным типом крепежа для крепления элементов в легких каркасных конструкциях. Для крепления тяжелых элементов наружной конструкции, например, балок к столбам, используются винты, шпильки или болты.
Удерживающая способность и защита от коррозии — вот два наиболее важных аспекта при выборе крепежа. Неправильно подобранный крепеж может ослабнуть, когда древесина сжимается и разбухает в результате циклического воздействия влаги на открытые пиломатериалы. Ржавление стального крепежа не только ослабляет крепеж. Химические реакции, связанные с коррозией могут также ослабить древесину, окружающую крепеж.
Гвозди
Гвозди с гладким стержнем могут потерять часть своего сопротивления извлечению при воздействии увлажнения и высыхания что приводит к выталкиванию гвоздей и ослаблению соединений. Благодаря использованию коэффициента снижения прочности при влажной эксплуатации, международные проекты нормы рекомендуют учитывать усадку древесины вокруг гвоздей с гладким стержнем при перепадах влажности от влажной до сухой.
Можно ожидать лучших показателей фиксации, если использовать гвозди с измененным стержнем — гвозди со спиральным рифлением (винтовые) и гвозди с кольцевой насечкой (ершеные).
Шурупы и саморезы
Обычные шурупы по дереву используются для крепления древесины на протяжении десятилетий; однако разработанный в конце 20 века универсальный саморез нашел широкое применение в строительстве деревянных настилов.
В основном этот крепеж используется для крепления террасных досок к балкам. Эти крепежные элементы имеют такую резьбу, которая позволяет быстро закручивать их, они обладают хорошей удерживающей силой. В отличие от обычных шурупов для дерева у них прямой наконечник. Обычная длина подобных саморезов (50-75 мм) с крестообразным шлицем или ТОRХ. Они специально “заточены” для монтажа с помощью шуруповерта.
Однако эти саморезы не предназначены для крепления кровельной системы к балкам и не будут соответствовать проектной мощности кровли. Для крепления системы рекомендуется использовать только гвозди, указанные производителем.
Саморезы имеют преимущество перед гвоздями в том, что легко извлекаются для удаления дефектных или поврежденных элементов. Они также эффективны для вытягивания выгнутых или скрученных досок настила в плоское положение, и они будут сопротивляться выкручиванию со временем.
Винты, шпильки и болты
Шпильки и анкерные болты обычно используются для крепления одного элемента к более толстому элементу, когда сквозной болт не может быть использован. Для крепления шпилек необходимо просверлить отверстия и винт должен быть полностью вставлен, чтобы быть эффективным. Рекомендации архитектурных бюро для хвойных пород древесины предполагают, что пилотные отверстия, обычно используемые в наружных деревянных конструкциях, должны составлять от 60% до 70% от диаметра болта для резьбовой части, и полный диаметр для нерезьбового стержня.
Убедитесь, что длина болта достаточна, чтобы по крайней мере половина его длины проникала в толстый элемент. Болты обеспечивают большую жесткость и, как правило, большую несущую способность, чем винты; однако их использование, очевидно, ограничено ограничено ситуациями, когда отверстие может быть просверлено полностью через соединяемые элементы. Отверстия, просверленные для болтов должны быть не более чем на 2 мм больше в диаметре, чем размер используемого болта.
Как и в случае с болтами, шайбы следует использовать как под головкой болта, так и под гайкой, чтобы распределить усилие болта на большую площадь и ограничить раздавливание дерева. Машинные болты являются лучшим выбором, чем каретные (болты с подголовником), потому что каретные болты производятся для использования без шайб. Болты с куполообразной головкой, обычно используемые в тяжелых деревянных конструкциях, также являются хорошим выбором. После сверления отверстий под крепеж, важно сразу же пропитать отверстия консервантом, например, нафтенатом меди.
Примерно через год болты следует подтянуть, а затем проверять их на герметичность каждый год или около того.
Подвесы для стоек и металлические скобы
Подвесы для балок, металлические и другие скобы часто используются в наружном деревянном строительстве. Однако большинство из них предназначены для использования внутри помещений. Хотя они обычно покрываются цинком, их долговременная коррозионная стойкость в открытых средах неизвестна. Некоторые производители изготавливают эти изделия из нержавеющей стали или наносят толстый слой оцинковки для повышения долговечности.
Долговечность крепежа
Взаимодействие дерева и металла
Дерево и металл совместимы в большинстве конструкций; однако при наличии достаточного количества влаги на границе дерево-металл можно ожидать некоторой коррозии. Коррозия металла в контакте с влажной древесиной является электрохимическим процессом. Скорость и количество коррозии зависит от металла, проводимости древесины, а также от продолжительности и температуры окружающей среды. Риск коррозии в некоторой степени зависит от породы древесины, наличия внешних коррозионных загрязняющих веществ, а также состояния древесины (необработанная или обработанная определенными химикатами).
Не только влажная древесина в контакте с металлом вызывает некоторую коррозию, но и химические побочные продукты коррозии могут привести к медленному разрушению древесины, прилегающей к металлу. В результате крепеж потеряет поперечное сечение и произойдет некоторое расширение отверстие вокруг крепежа. Кроме того, большинство пород дерева слегка кислотные, что может ускорить коррозию стали (или оцинкованного покрытия). Если содержание влаги в древесине не превышает 18%,скорость коррозии металла будет минимальной. Помните, однако, что важна только влажность древесины в контакте с металлом. Это означает, например, что крепежный элемент, охлажденный условиями окружающей среды, может коррозировать, когда он становится влажным из-за конденсата, например, в теплый, влажный день после прохладной ночи ранней весной.
Сконденсировавшаяся влага смачивает древесину на границе раздела дерево-металл. В конструкции сначала это приводит только к появлению пятна ржавчины снаружи, но со временем железо химически повреждает структуру древесины и ослабляет соединение изнутри.
Этот тип коррозии является причиной разрушения многих неотапливаемых деревянных конструкций, таких как амбары и сараи, в районах с влажными днями и прохладными ночами. Некоторые крепежные детали устойчивы к коррозии благодаря защитному покрытию, а некоторые — из-за свойств металла или сплава. Крепеж может быть устойчив к коррозии в одной среде, но коррозировать в другой. Хорошим примером является алюминий, который будет хорошо работать в необработанной древесине, подверженной воздействию окружающей среды, но быстро коррозирует в древесине, обработанной консервантами, содержащими медь.
Стальной крепеж с покрытием
Целый ряд крепежей не имеют покрытия, поскольку они предназначены для использования в защищенной среде (в помещении). Очевидно, что если эти крепежи подвергаются воздействию погодных условий, они они могут быстро коррозировать. В самых легких случаях эта коррозия может привести к некрасивому окрашиванию древесины. В более тяжелых случаях она может привести к полному разрушению крепежа и полной потере прочности конструкции.
Для защиты стальных крепежей используется несколько типов покрытий. К ним относятся хроматная краска, пластиковые, керамические и металлические покрытия (оцинковка). Покрытия адгезивного типа (например, краска и пластик) могут отслаиваться при движении крепежа, что снижает защиту, которую оно должно было обеспечить.
Общие рекомендации по использованию крепежа
- Как минимум, используйте горячеоцинкованный металл в наружных деревянных конструкциях.
- Используйте крепеж из нержавеющей стали для повышения долговечности в суровых условиях эксплуатации.
- Всегда крепите более тонкий элемент к более толстому.
- Гвоздь должен быть достаточно длинным, чтобы пробиться на расстояние, вдвое превышающее толщину более тонкого элемента.
- Анкерный болт должен проникать в толстое основание на расстояние не менее половины длины винта.
- Уменьшение раскалывания досок при забивании гвоздей путем:
- предварительного сверления отверстий для гвоздей
- Притупления острия гвоздя
- использовать большее расстояние между гвоздями
- располагать гвозди в каждом ряду в шахматном порядке, чтобы предотвратить расщепление вдоль текстуры.
- По возможности избегайте забивания гвоздей с торцевой стороны.
- При сверлении отверстий для шурупов или болтов, пропитайте отверстие консервантом, таким как нафтенат меди, чтобы предотвратить образование грибков в необработанной части элемента.
- Используйте шайбы с болтами и крепежными винтами, чтобы уменьшить эффект дробления.
В то время как пластиковое покрытие защищает, обеспечивая барьер между сталью и окружающей средой, оцинкованные покрытия жертвуют собой, чтобы защитить сталь. Когда покрытие исчезнет, сталь начнет корродировать. Оцинковка может наноситься гальваническим методом, механическим покрытием, однократным или двойного погружения крепежа в расплавленный цинк (горячее погружение).
Толщина покрытия
Толщина покрытия очень важна; более толстое покрытие обеспечивает дополнительную защиту.
Золотым стандартом производителей раньше считалось минимальное покрытие цинком в 259 г/м2. Это, вероятно, достаточно толстое покрытие, которого хватает для большинства наружных конструкций в районах с сухой погодой.
Хотя процесс коррозии обычно протекает в течение долгих лет, можно утверждать, что имеющиеся в продаже крепежные детали с цинковым покрытием просто не имеют достаточно толстого покрытия для долгосрочной защиты (20 лет) в суровых условиях (подземных или среда с высокой влажностью).
В настоящее время доступы более толстые покрытия 305 г/м2, и их следует использовать в более влажных условиях. Технические характеристики покрытия можно получить у производителя крепежа.
К сожалению, многие строительные подрядчики используют только гальванические гвозди для наружного строительства, потому что они легко доступны для использования в пневматических гвоздезабивных пистолетах.
Горячее цинкование
Оцинкованный крепеж производится для пневматических гвоздезабивных пистолетов,
но их доступность ограничена.
Крепеж из нержавеющей стали, меди и алюминия
Химические свойства нержавеющей стали делают ее устойчивой к коррозии. Хотя нержавеющая сталь дороже, чем оцинкованный крепеж, нержавеющая сталь является более долговечным вариантом, особенно для наружных конструкций, расположенных в местах с высокой влажностью или остающихся влажными большую часть времени.
Исследования показали, что долгосрочная деградация крепежа из нержавеющей стали невелика даже в самых суровых условиях.
Кроме того, использование крепежа из нержавеющей стали снижает вероятность появления пятен вокруг крепежа.
Хотя цена крепежа из нержавеющей стали может быть в несколько раз выше, чем цена низкоуглеродистой стали, нержавейка и её использование оправдано. Относительно небольшое увеличение стоимости конструкции в целом значительно повышает ее запас надежности и долговременной работы в тяжелых условиях.
Медь, обычно довольно высокой чистоты, и ее сплав, кремниевая бронза, часто используются для крепления древесины (деревянных досок, черепицы и в строительстве лодок), хотя обычных конструкциях.
Алюминий подходит для использования с необработанной древесиной и
древесиной, обработанной консервантом масляного типа. Однако алюминий никогда не следует использовать в контакте с древесиной, которая обработанной водорастворимым консервантом, содержащим медь, например, хромированным арсенатом меди (CCA).
Коррозия в необработанной древесине
Для изолированного крепежа во влажной древесине может возникнуть щелевая коррозия. Этот тип коррозии наблюдается в щелях вдоль клепаных и сварных швов в
металлических резервуаров и труб. Головка стального крепежа во влажной древесине обычно выступает в качестве катода, а наконечник в «щели» служит анодом. На аноде железо переходит в раствор в форме ионов железа. По мере коррозии гидроксиды железа выпадают в осадок. Это приводит к избытку ионов водорода в окружающей воде, и pH снижается. Кроме того, древесное волокно подвергается химической деградации.
Разнородные металлы, находящиеся в физическом контакте друг с другом могут привести к гальванической коррозии, при которой коррозия наименее коррозионностойкого металла увеличивается, а коррозия наиболее коррозионностойкого металла уменьшается. В связи с этим шайба, гайка и болт или стяжной винт должны быть изготовлены из одного и того же металла.
Коррозия в древесине, обработанной консервантами
Консерванты масляного типа
Коррозия металлов в древесине обработанной консервантами масляного типа, обычно не является проблемой. Поскольку присутствие тяжелых масел препятствует коррозии.
Это особенно верно в строительных ситуациях, когда отверстия для крепежа сверлятся перед обработкой.
Если консервант не проник в центр древесины, например, в больших балках или столбах, крепежные детали вбиваются во влажную, необработанную древесину, и может возникнуть коррозия крепежа.
Водорастворимые консерванты
Водорастворимые консерванты которые содержат медь, вызывают коррозию некоторых металлов. Коррозия во влажной древесине, обработанной медью, напрямую связана с присутствием ионов меди, так как они «откладываются» на крепежном элементе, который является более электроотрицательным, чем медь. Когда это происходит, образуется гальваническая коррозионная ячейка, состоящая из крепежа и осажденной меди.
