Оцинкованная стальная конструкция для жилых зданий
Исследовательский отчет RP06-1
2006
Американский Институт Железа и Стали
Материал, содержащийся в данном документе, был разработан исследователями на основе собственных полученных данных и представлен только в качестве общей информации. Информация не должна использоваться без профессиональной помощи касательно годности представленных приложений. Публикация информации не нацелена на изложение фактов и не является гарантией на детали Американского Института Железа и Стали, Альянса Стальных конструкций или любого другого человека, названного в этом документе, данная информация не нарушает законодательных норм, свободна от нежелательного давления и подходит для использования в общих или специальных целях. Любой, кто использует информацию, представленную здесь, берет все риски и ответственность на себя.
ВВЕДЕНИЕ
Данный отчет был разработан Исследовательским центром NAHB для Альянса стальных конструкций и других акционеров в исследовательской программе ILZRO SC-4, Оцинкованная стальная конструкция для жилых зданий. Данный отчет заменяет предыдущий, выпущенный в сентябре 2003.
Главной целью проекта является исследование поведения коррозии на оцинкованных стальных компонентах жилой конструкции путем измерения существующего уровня коррозии элементов стальной конструкции за 3-х летний период и соотнесения его с условиями окружающей среды. После завершения первой фазы работы, период контроля был увеличен до 5 лет, а позднее до 7 лет. Полученные данные исследования подтверждают полноту требований по антикоррозионной защите и предоставляют дополнительное основание для поддерживания длительного срока службы конструкций из стали холодной штамповки.
Научно-Исследовательская Группа Альянс Стальных Конструкций
Исследовательская программа ILZRO ZC-4
Оцинкованная стальная конструкция для жилых зданий
7-летний отчет
Март 2006
Подготовлено кем:
Исследовательский центр NAHB
400 Prince George’s Blvd. Upper Marlboro, MD, 20774
USA
Содержание
- КРАТКИЙ ОБЗОР
- ВВЕДЕНИЕ
- ОБРАЗЦЫ КОРРОЗИИ
- ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТЕНДЫ И УСТАНОВКИ
- РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
- ВЫВОДЫ
- ПРИЛОЖНИЕ A – ДАННЫЕ СЪЕМА ОБРАЗЦОВ
КРАТКИЙ ОБЗОР
Исследовательская программа ILZRO ZC-4, Оцинкованная стальная конструкция для жилых зданий, это исследование, созданное для измерения существующего уровня коррозии на образцах стальных каркасов, и для соотнесения его с условиями окружающей среды. Исследовательский центр NAHB проводит работу на четырех жилых зданиях в Северной Америке за семилетний период времени.
Исследовательский центр NAHB начал работу над проектом в феврале 1997 и установил тестовые площадки в Майями, Флорида; Леонардтаун, Мэрилэнд; Хэмильтон, Онтарио; и Лонг-Бич, Нью-Джерси. На данных площадках были установлены многочисленные тестовые образцы в строительных впадинах, где могли бы быть использованы типичные стальные конструкции (например, мансарды, системы пола, стены). Тестовые образцы коррозии состоят из оцинкованных, алюмоцинкованных и гальванически-покрытых плоских пластин и 1-дюймового (номинального) элемента сваи С-образной формы. Две площадки также были оснащены электронными системами слежения, которые измеряли и записывали температуры поверхности, относительную влажность и время влажности за однолетний период. Эти данные были проанализированы для определения существования термальных и влажностных условий, которые позволили бы конденсации образоваться на строительных компонентах.
Программа была разделена на две фазы: Фаза I программы включала подготовку и установку всех образцов и площадок. Фаза II включала обработку данных об окружающей среде, возврат и анализ образцов, и обслуживание площадок. Фаза I была завершена в 1998. Фаза II первоначально была завершена в 2003 на 5-летний срок (1-, 3-, и 5-летний срок действия), но позднее срок увеличился до конца 2005 года для получения данных для 7-летнего срока действия.
Все образцы одного, трех, пяти и семи лет срока годности были возвращены с тестовых площадок. Измерения коррозии с четырех площадок показали несущественную коррозию для всех типов образцов (например, сваи, пластины), всех образцов покрытий (например, оцинкованное, алюмоцинкованное и гальванически-покрытое), и всех групп образцов (например, подвалы, стены, мансарды, балки). Все возвращенные образцы имели потерю в массе менее 0.05 грамм и предполагаемую продолжительность жизни в среднем 377 лет. Самая высокая скорость коррозии, наблюдаемая на любом из четырех участков, была 0,548 микрон/год — для плиты с алюмоцинкованным покрытием, установленной в подвале на участке Leonardtown, Maryland, после семилетнего периода экспозиции.
Данные об окружающей среде за один год с площадок из Хэмильтона и Нью-Джерси показывают, что температура поверхности металлических образцов и существующих строительных компонентов остается над местной температурой конденсации с небольшим исключением. На одной внутренней стене в Хэмильтоне было много примеров того, что температуры поверхности стены падали ниже температуры конденсации. Однако, образцы пластин, возвращенных из впадины стены после семилетнего срока, показали среднюю потерю массы в 0.02 грамма.
ВВЕДЕНИЕ
Международная Ведущая Исследовательская Организации Цинка (ILZRO) является спонсором исследования, озаглавленного как Оцинкованная стальная конструкция для жилых зданий. Главным объектом исследования является изучение поведения коррозии оцинкованных стальных элементов в жилых конструкциях. Исследовательский центр NAHB выполняет исследование в Северной Америке, в то время как такие же усилия в промышленности проводятся в Европе.
Данный отчет – это отчет за 7 лет, который суммирует временные данные предыдущих отчетов, представленные ILZRO (1-, 3-, и 5-летние возвраты), также как результаты возвращенных 7-летних образцов.
Исследовательский центр NAHB начал работу над проектом в феврале 1997 года, где были установлены четыре тестовые площадки и образцы. Две из этих площадки были оснащены электронными системами слежения на один годовой цикл. В течение этого времени такие условия окружающей среды, как температура поверхности и относительная влажность были измерены и записаны для определения конденсации.
Тестовые образцы готовились к возврату с каждой площадки с интервалом в 1, 3 года и 5, 7 лет после установки. Все партии одно, трех, пяти и семилетних образцов были возвращены. Результаты анализа коррозии на примерах представлены в данном отчете. Дополнительно представлены анализ данных об окружающей среде для площадок в Хэмильтоне и Нью Джерси.
ОБРАЗЦЫ КОРРОЗИИ
Образцы коррозии состоят из оцинкованного, алюмоцинкованного и гальванических покрытий на плоских пластинах размером 10 cm x 10 cm (3.94 дюйм x 3.94 дюйм) и 1-дюймового (25.4 mm) (номинальный) элемента С-образной сваи. Плоские плиты позволяют более точно определить область образца, и поэтому лучше измерить толщину покрытия и уменьшение массы после подвергания внешнему воздействию (Рис. 1). С-образные образцы были установлены для исследования поведения коррозии на концах и изгибах сваи. Стороны и все концы образцов плит и образцов свай подвержены воздействию окружающей среды, которые совместимы с методом, используемым в параллельном исследовании во Франции. Спецификации толщины покрытия образцов указаны в Таб. 1.
Рис. 1 – Образцы пластин
| МАТЕРИАЛ | СПЕЦИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЯ (метрический) |
СПЕЦИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЯ (Английский) |
НОМИНАЛЬНАЯ ТОЛЩИНА ПОКРЫТИЯ (микрон) | ИЗМЕРЕННАЯ ТОЛЩИНА ПОКРЫТИЯ (микрон) | ПЛОТНОСТЬ ПОКРЫТИЯ 3 (g/cm ) |
ВЕС ПОКРЫТИЯ ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА(g/m2) |
| Оцинкован. 1 | Z180 | G60 | 25 | 38 | 7.14 | 273 |
| Оцинкован 2 | Z180 | G60 | 25 | 29 | 7.14 | 206 |
| Гальванич. | ZGF275 | AZ90 | 41 | 47 | 6.7 | 315 |
| Алюмоцинк. 1 | AZ180 | AZ60 | 49 | 60 | 3.75 | 227 |
| Алюмоцинк. 2 | AZ180 | AZ50 | 41 | 45 | 3.75 | 168 |
Табл. 1 – Толщина покрытия материалов образцов
Были затребованы отдельные поставки оцинкованных и алюмоцинкованных материалов, поскольку после начала программы было решено включить плоские образцы (площадью в 100 cm2, 15.5 in2) в дополнении к образцам свай. Таким образом, оцинкованные 2 и алюмоцинкованные 2 материалы были затребованы для производства плит. Позднее алюмоцинкованные образцы 1 были забракованы, поскольку толщина покрытия была не соответствующей.
Были проведены испытания покрытия согласно ASTM A-901 для документирования реальной толщины покрытия материалов образцов. Эти значения указаны в четвертой колонке выше.
Знание точных размеров образцов предоставляет точный расчет снижения толщины покрытия при анализе и вовзрате образцов. Образцы типа свай – однодюймовый (25.4 mm) номинальный сегмент 3-5/8 дюйма (92.1 mm) (размер фермы) C-образных свай. Место данных образцов не может быть установлена точно; однако, их потеря веса вследствие коррозии может быть определена на съеме. Образцы типа свай также предоставляют визуальную оценку коррозии, которая может появиться на концах или изгибах прокатанных свай.
На всех установках, где было место, количество установленных образцов было предназначено для тройного анализа после одного, трих, пяти и семи лет экспозиции. Также были установлены дополнительные образцы, если возможно, в случае если желательны многолетние наблюдения.
ТЕСТОВЫЕ ПЛОЩАДКИ И УСТАНОВКИ
Четыре тестовых площадки описаны в Таблице 2. Они представляют различные виды климатов и типичные виды строений для каждого региона. Площадки были выбраны таким образом, что результаты были бы применимы к большому количеству домов и климатов.
Инженеры из Исследовательского центра NAHB установили образцы коррозии на всех четырех площадках. Две из четырех площадок, Хамильтон и Лонг-Бич, были также оснащены системой слежения за окружающей средой, которая записывает такие условия, как относительная влажность и температура на одинаковых территориях за один год.
Тестовая площадка в Майями, Флорида
Площадка в Майми (рис. 2) is in a Habitat for Humanity Development на юго-западе Майями, где 16 из 90 домов имеют системы стальных каркасов. Площадка – это одноэтажная конструкция из стального каркаса со сплошным фундаментом. Она имеет обивку фанерой с оштукатуренной внешней отделкой. Внутренняя стена – это 5/8” (16 mm) раскрашенная стены сухой кладки. Мансарда имеет крафт-целлюлозную отделку (облицовка стены сухой кладки), обрамляющую стекловолокнистую изоляцию с R-30, в то время как стены имеют изоляцию либо R-11, либо R-13. Ширина стен 6” (152 mm). Мансарда оснащена вентиляционными отверстиями под свесом крыши (всего 19 отверстий, каждое размером 22” x 4”). Нет ни одного конька крыши, и одно небольшое отверстие фронтона видно спереди дома.
Не представлены значительные источники внутренней влаги, с ванными комнатами, вентилируемыми прямо наружу, и нет ни саун, ни воронок. В доме нет ни стиральной машины, ни сушильного аппарата. Дом оснащен кондиционером. Тип окружающей среды может быть классифицирован как влажный/внутриконтинентальный. Несмотря на то, что площадка находится в южной Флориде, она удалена на несколько миль от крупного водоема. Нет затемнения дома, расположенного на западе, где находятся впадины стены.
Образцы были размещены на мансарде (см.Рис. 3) и внешней стене. Мансарда содержала образцы, подвешенные на каркасе крыши. Этот набор образцов включает оцинкованные, гальванические и алюмоцинкованные плиты и сваи. Также было установлено небольшое количество образцов без покрытия. Мансарда оснащена вентиляционными отверстиями под свесом крыши на восточной и западной сторонах дома.
Группа впадин стены имеет западную ориентацию и содержит образцы, которые были доступны для съема через доступ к панелям. Образцы состоят из оцинкованных, гальванических и алюмоцинкованных кусочков плит. Образцы были заделаны в стекловолокнистую изоляцию в полости стены.
Рис. 2 — Майями, Флорида, Площадка коррозии
Рис. 3 – образцы мансард на площадке в Майми, Флорида
Тестовая площадка в Леонардтаун, Мэрилэнд
Дом в Leonardtown, Maryland, (Рис.4) находится прямо в устье реки Potomac, до ее места впадения в залив Bay. Двухэтажный дом примерно в 75 футов (22.9 m) от реки Potomac, с сильными ветрами, дующими на дом с солоноватой воды реки. Стены имеют каркас из С-образных свай 18 калибра (43 mil), в то время, как стальные фермы использовались для обрамления крыши. Стальное балочное перекрытие пола было использовано на техническом этаже вдоль со стекловолокнистой изоляцией R-19 Слой полиэфира был наложен на техническом этаже. Мансарда была изолирована с 11дюймовой (27.9 cm) целлюлозой. Мансарда была оснащена коньком крыши и вентиляционными отверстиями под свесом крыши. Стены состоят из 5/8” (16 mm)стены сухой кладки, целлюлозы (R-13), обшивки ОСП, 1” (25.4 mm)необлицованная фольгой оболочка из пены (R-5), барьера инфильтрации воздуха Tyvek, и виниловой наружной обшивки. Единственным значительным внутренним источником влаги была большая ванная Jacuzzi в главной ванной комнате. Все ванные комнаты вентилируются прямо наружу. Фундамент вентилируется с помощью отверстий, расположенных по периметру торцовой стены.
Персонал Исследовательского центра NAHB установил образцы в мансарде, во внешней стене, в погребе и под открытым первым этажом.
Рис. 4 – Площадка в Leonardtown, Maryland, на реке Lower Potomac
Мансарда содержала три типа покрытия на плите и свае. Эти образцы были повдешены на мансарде с виниловой веревкой или шнурком. Второй набор образцов также был заделан в целлюлозную изоляцию мансарды. Назначением второго набора было изучение взаимодействия между оцинкованным покрытием и целлюлозной изоляцией.
Внешняя стена, которая располагалась на юге/юго-востоке, содержала оцинкованные, гальванические и алюмоцинкованные плиты. Эти образцы были заделаны в целлюлозную изоляцию стены.
Подвал содержал набор подвесных образцов и другой набор, который частично был вставлен в стекловолокнистую изоляцию между балками (см. Рис. 5 и 6). Набор подвесных образцов был полностью подвержен воздействию окружающей среды, и содержал плиты со всеми тремя типами покрытия. Оцинкованные, гальванические, алюмоцинкованные образцы и образцы свай без покрытия были также подвешены. Образцы без покрытия демонстрировали обширную коррозию после двух месяцев, указывая на агрессивную окружающую среду в подвале. (см. Рис.7). Набор, который был частично заделан в изоляцию пола, содержал оцинкованные и алюмоцинкованные образцы свай. Их установка была спроектирована для копирования условий окружающей среды в перекрытиях пола.
Рис 5 – Образцы подвала, заделанные в изоляцию пола
Рис 6 – образец сваи в подвале на площадке в Леонардтаун
Рис 7 – Вода (передний план) в подвале, в Леонардтаун
Образцы были установлены под открытым первым этажом, что показывает ужасные условия окружающей среды. Этаж несомненно подвергается брызгам реки и состоит из деревянного каркаса. Образец под этажом будет показывать технические данные в экстремально суровых условиях окружающей среды. Образец состоит из оцинкованных, гальванических, алюмоцинкованных и без покрытия образцов свай.
Тестовая площадка в Хамильтон, Онтарио (Канада)
Площадка в Хамильтон, Онтарио (Рис. 8 и 9) – это одноэтажный дом престарелых. It is the end unit, with a walk-out basement. Три из четырех стен цокольного этажа — бетонные блоки, а четвертая стена (восточная сторона) – стальная. Каркасные стены спроектированы следующим образом: покрытие внутренней стены – это 5/8” (15 mm)стена сухой кладки, позади которой установлен полипаровой барьер. Стены изолированы стекловолокном R-13. За каркасом находится пенопластовая обивка 1-1/4” (32 mm) (R-7). Снаружи этой обивки находится вентиляционная щель размером 1” (25.4 mm), с кирпичной облицовкой позади.
Торцовые стены в подвале (3 из 4) имеют толщину бетона 8” (203 mm), с частями над уровнем земли, изолированные внутри 6” (152 mm) стекловолокнистой изоляцией (R-19), которая покрыта полипаровым барьером. Стены фундамента ниже уровня земли также защищены с внешней части плотной пластиковой мембраной, которая спроектирована для защиты фундамента от влажности почвы. Изоляция края плиты – это пенопластовый продукт Isynene R-28. Гидроизоляционный слой лежит между торцовой стеной фундамента и нижней направляющей внешней стены фундамента. Фундамент отделан таким образом, что потолок подвала не изолирован. Каркас мансарды выполнен в виде деревянной стропильной конструкции. Слой R-32 задутого стекловолокна находится в мансарде. Мансарда оснащена коньком крыши и вентиляционными отверстиями под свесом крыши.
Двойная конструкция была оснащена образцами коррозии и аппаратурой контроля зимой 1997. Дом имеет кирпичную облицовку и расположен в промышленной зоне. Образцы и датчики слежения были установлены на мансарде и внешней стене фундамента.
Рис. 8 – Хамильтон, Онтарио, Тестовая площадка (вид спереди)
Рис. 9 – Хамильтон, Онтарио, Тестовая площадка (вид сзади)
Образцы мансарды были подвешены в воздухе и состояли из оцинкованного, гальванического и алюмоцинкованного покрытий. Терморезисторы были прикреплены к одной пластине каждого покрытия для записи температур поверхностей трех типов металла. Температура окружающей среды и относительная влажность также были измерены. Время датчика влаги, который был установлен на оцинкованный образец, записал процент времени наличия тонкого слоя жидкости.
Внешняя стена дома в Хамильтоне была расположена в каркасной стене подвала. (см.Рис.10). Оцинкованные, гальванические и алюмоцинкованные образцы были установлены на стене. Также как на мансарде, терморезисторы были установлены для отслеживания температуры поверхности трех типов образцов, и два дополнительных датчика следили за температурой опорной плиты стены и стальной сваи стены. Относительная влажность и температура также были записаны. Наконец, датчик влаги был вмонтирован на сваю стены для измерения частого появления конденсации на свае.
Рис. 10 – Образцы впадины стены и датчики на площадке в Хамильтоне, Онтарио
Тестовая площадка в Лонг-Бич, Нью-Джерси
Площадка в Лонг-Бич, Нью-Джерси (Рис. 11) была последним дополнением в исследовании. Площадка- пляжный домик на берегу Нью-Джерси, который отделен от океана низколежащей дюной шириной примерно 1/4 мили (400 m) (см. Рис.12). Изначально дом был одноэтажным строением, и был переделан с прибавлением второго этажа и крыши, которые имели каркас из стали холодной штамповки (рис. 13 и 14). В основном дом используется в летнее время, и пустует в течение зимы.
Площадка – отремонтированная одноэтажная деревянная конструкция, которая была добавлена вместе с расширенным первым этажом и абсолютно новым вторым. Все добавления имеют каркас из стали холодной штамповки. Площадка – это пляжный домик, несмотря на то, что пляж — это солидная дистанция от дома через травяную дюну. Фасад дома смотрит на запад, а задняя часть на океан (восток).
Основание дома на деревянных сваях. Они были изначально у дома, несмотря на то, что дополнительные строительные элементы были добавлены в ходе переделки. Подвал – просторная закрытая территория, используемая как склад и возможная парковка. Деревянная обивка вокруг подвала легкая и служит в качестве сдуваемой стены в случае затопления. Перекладины первого этажа монтированы на сваях. Нижняя часть свай, в большинстве случаев деревянная, покрыта стекловолокнистой изоляцией 1/2” (13 mm) Celotex Tuff R (R3.8) и 6” (152 mm), набитой между перекладинами (R30).
Внешние стены второго этажа имеют каркас в виде свай 43 милс (18-калибр, 1.09 mm) и заполнены высокоплотной стекловолокнистой изоляцией R-15. Внутренняя отделка – окрашенная стена сухой кладки. За сваями находится обивка фанерой 7/16” (11 mm), которая покрыта комнатной оберткой Tyvek. Снаружи данного уровня находится 1/2” (12 mm) Tuff R (R3.8) с кедровой кровельной обшивкой поверх него.
Три группы образцов были установлены на площадке в Нью-Джерси. Первая группа была расположена в системе перекрытия, которая поддерживала первый этаж. Полный набор свай и плит был размещен в пространстве между перекладинами. Такое местоположение должо иметь риск коррозионных условий из-за отсутствия защиты от проникновения воздуха и внешних факторов. Вторая группа была расположена на консольной опорной плите, которая навешивается на второй этаж дома и повернута лицом к пляжу. Перекладины, задерживающие воду под опорной плитой, вентилируются, что дает возможность ветрам океана распространять соль и/или влагу на образцы. Полный набор плит был установлен под этой плитой. Третья группа была во внешней стене стального каркаса на втором эатже. Группа содержала образцы плит.
Все три группы образцов на площадке в Нью-Джерси были оснащены датчиками, которые измеряли температуру поверхности образца для каждого типа покрытия (оцинкованный, гальванический и алюмоцинкованный), также как и относительную влажность и температуру окружающей среды. Такие компоненты строения, как сваи стены и перекрытия пола, отслеживались на предмет температуры покрытия, которые установили годичный рекорд влажности и температурных условий для данной площадки. Измерения параметров окружающей среды были проанализированы тем же методом, что и данные Хамельтона, Онтарио.
Рис. 11 – Площадка в Нью-Джерси
Рис. 12 – октрытая земля между площадкой в Нью-Джерси и Океаном
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Общее
Данный отчет включает предыдущие результаты плюс посещение семилетней площадки и последующий анализ коррозии на возвращенных образцах. Данный процесс проводился под руководством ASTM G1 – Стандартная практика подготовки, очистки и оценки коррозии тестовых образцов 3.
