Многие из достижений, которые мы наблюдаем в массовом деревянном строительстве в последние годы, в значительной степени связаны с наличием современных деревянных крепежных изделий. Два наиболее распространенных типа: саморезы (STS) и вклеенные стержни (GiRods) будут обсуждаться в этой серии из двух частей. Ни одно из этих креплений не рассматривается напрямую действующим законодательством США. Национальная спецификация проекта для деревянного строительства (NDS®) или Канадский стандарт инженерного проектирования в древесине (CSA O86). В этих статьях представлены общие сведения и соответствующие соображения по проектированию, которые помогут инженерам-строителям при проектировании этих новых продуктов.
В последние годы стали популярны многие крупноформатные конструкционные деревянные изделия. Дополнительную информацию о массовых изделиях из древесины можно найти в статье STRUCTURE за январь 2017 г. Массовая древесина: знание вариантов. Успех этих новых изделий из массивной древесины отчасти объясняется наличием новых современных креплений для дерева. Традиционные болты, шурупы, гвозди, шурупы, деревянные заклепки, разрезные кольца и срезные пластины были признанными инструментами инженеров по дереву за их надежную работу. Например, деревянные соединители Teco (разрезные кольца) были распространены в большепролетных тяжелых деревянных фермах и мостах во время Второй мировой войны, обеспечивая высокую грузоподъемность. К сожалению, эти самые разъемы часто требуют для установки высокой квалификации и ручного труда со специализированными инструментами. С другой стороны, современные крепления для массивных деревянных конструкций быстро и легко устанавливаются и снимаются, а также могут быть скрыты для эстетики и противопожарной защиты. Современные крепежные детали также могут обеспечивать пластичность и рассеивание энергии при землетрясении или взрывных нагрузках. Некоторые примеры современных креплений были рассмотрены ранее в статье STRUCTURE за август 2014 года. Современные деревянные соединения — с тех пор длинные саморезы стали доминировать в массовом лесоматериале.
Традиционные и современные резьбовые крепления
Шурупы для дерева и шурупы с запаздыванием существуют уже давно, и часто это то, что приходит на ум при упоминании резьбовых креплений. Критерии проектирования шурупов для дерева и шурупов с запаздыванием четко определены в NDS и CSA O86, а размеры и формы крепежных изделий подробно описаны в стандартах ANSI/ASME. Свойства материалов для традиционных шурупов не указаны; однако большинство стягивающих винтов, как указано в ASME B18.2.1, должны соответствовать ASTM A307, класс A для низкоуглеродистой стали.
Шурупы по дереву и шурупы с запаздыванием зарекомендовали себя. Однако есть некоторые недостатки. Например, стягивающие шурупы необходимо устанавливать в предварительно просверленные отверстия, обычно просверленные в два этапа для некоторых размеров шурупов с насадками разного диаметра для резьбовой и нерезьбовой частей стержня. Стяжные винты могут быть сложными и медленными в установке с помощью гаечного ключа, потому что стягивающие винты большего диаметра могут потребовать большого крутящего момента. Силовые приводы для стягивающих винтов склонны к перегрузке, что может поставить под угрозу способность извлечения и надежность. Для сравнения, традиционные шурупы для дерева обычно не требуют предварительного сверления, но имеют ограничения по размеру и мощности и могут выйти из строя при кручении во время установки.
Здесь на сцену выходят саморезы. Высокопроизводительные структурные винты были разработаны исследователями и производителями в Европе, начиная с конца 1990-х годов. Теперь эти винты доступны как у европейских, так и у североамериканских производителей, диаметр этих винтов варьируется от 5/32 дюймов (4 мм) до 9/16 дюймов (14 мм) при длине до 3 футов (1 м) и более. Хотя иногда его называют «самобурением», Саморезы является более часто используемым термином.
Ключевой особенностью саморезов является материал: специальная углеродистая сталь с пределом прочности на разрыв до 145 тысяч фунтов на квадратный дюйм (1000 МПа), что значительно выше, чем у стали, используемой для стягивающих шурупов и шурупов по дереву. Еще одной ключевой особенностью является геометрия шнека. Благодаря обширным программам проектирования и испытаний производители разработали такие характеристики, как формы резьбы (для прочности и простоты установки), размер резьбы (частичная или полная резьба), форма головки (для различных применений) и наконечники для сверления/нарезания резьбы.
Многие из функций, разработанных для простоты и скорости установки, также имеют дополнительные преимущества, заключающиеся в уменьшении расщепления древесины и устранении необходимости сверления направляющих отверстий во многих случаях. Высокопрочная сталь также позволяет закручивать длинные винты с высоким крутящим моментом, не ломая винт при кручении во время установки. Доступно множество различных форм головок для различных конфигураций соединения, например, для соединений «дерево-дерево» и «сталь-дерево». Некоторые головки имеют встроенные шайбы для значительного увеличения сопротивления протягиванию головки, что является важным свойством винтов с частичной резьбой, как описано ниже.
Производительность
Хотя шурупы по дереву, шурупы с запаздыванием и саморезы используются для сопротивления нагрузкам сдвига и/или нагрузкам на отрыв, саморезы также обладают способностью передавать нагрузку растяжения или сжатия с одного конца винта на другой, когда полностью резьбовой. Винты с полной резьбой, изготовленные из высокопрочной стали, изменяют тип механизма отказа, обычно связанного с винтами. В результате саморезы с полной резьбой можно использовать для новых применений, таких как армирование, как показано на рис. Рисунок 1.
Рис. 1. Винты с полной резьбой, используемые в качестве усиления. Предоставлено МТС Солюшнс.
Шурупы с полной резьбой передают нагрузку с одной части деревянного элемента на другую посредством резьбы шурупа, что позволяет предотвратить расщепление древесины, дробление перпендикулярно волокнам и сдвиг вдоль волокон. Расщепление и сдвиг — это режимы хрупкого разрушения, которые часто контролируют способность соединений в древесине. Когда предотвращается расщепление или сдвиг, общая пропускная способность соединения увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут другой вид отказа, но при гораздо более высоком уровне нагрузки. Рисунок 1 иллюстрирует множество случаев, включая группы пазов и болтов, которые имеют высокие концентрации напряжений при сдвиге и растяжении перпендикулярно волокнам соответственно. Отверстия в больших клееных брусах для воздуховодов или труб можно усилить с помощью саморезов. Еще одним преимуществом винтов с полной резьбой, помимо высокой способности извлечения, является устранение отказов при протягивании головки, поскольку нагрузка передается на резьбу, а не на подшипник вокруг головки. Другие примеры, показанные в Рисунок 1 представляют собой поперечную арматуру глубоких балок, радиальную растянутую арматуру арок и конических клееных балок, сжатую (несущую) арматуру на опорах.
Сопротивление
Шурупы по дереву и шурупы с затяжкой обычно устанавливаются перпендикулярно поверхности деревянных элементов для передачи усилий сдвига. Винты также могут быть нагружены при вытягивании (т. е. растяжении). Способность к извлечению традиционных крепежей ограничена сопротивлением выдергиванию древесины и сопротивлением растяжению стержня крепежа. Поскольку качество и прочность традиционных винтов обычно неизвестны разработчику, длина проникновения резьбовой части, превышающая диаметр винта более чем в 10 раз, не учитывается при проектировании, чтобы свести к минимуму риск разрушения винта при растяжении. Эта неопределенность учитывается в расчете допустимого напряжения (ASD) с использованием консервативных эталонных значений (1/5 и 1/6 средних значений для шурупов с запаздыванием и шурупов соответственно) и низких коэффициентов сопротивления в расчете коэффициента нагрузки и сопротивления (LRFD). и Расчет по предельному состоянию (LSD) (0.65 и 0.6 в NDS и CSA O86 соответственно). Это существенно ограничивает эффективность традиционных креплений в современных массивных деревянных конструкциях.
Рис. 2. Соотношения сила-прогиб аксиально и поперечно нагруженных винтов. Предоставлено Schmid Schrauben Hainfeld GmbH.
С другой стороны, самонарезающие винты обладают уникальным преимуществом: сопротивление вытягиванию примерно в три раза превышает их сопротивление сдвигу, как показано на рис. Рисунок 2. Лучше использовать способность винта к вытягиванию, а не его способность к сдвигу (поперечному сдвигу). Соединение по-прежнему может передавать усилие сдвига, но наклонный винт, как показано на рис. Рисунок 3, развивает гораздо большую мощность. Угол наклона от 30° до 60° к волокнам в нагруженном деревянном элементе приводит к сочетанию осевых и сдвигающих усилий в винте. Как показано в Рисунок 3, при сдвигающей нагрузке один саморез, установленный под углом 45° к волокнам, может быть эквивалентен нескольким винтам, установленным обычным образом перпендикулярно поверхности.
Рисунок 3. Производительность наклонных винтов по сравнению с винтами, перпендикулярными торцу. Предоставлено МТС Солюшнс.
Другое интересное поведение саморезов с осевой нагрузкой заключается в том, что жесткость соединения почти в десять раз выше, чем жесткость при поперечной нагрузке, как показано на рис. Рисунок 2. Это преимущество в жесткости имеет свою цену: хрупкое разрушение может произойти, если винты перегружены при простом извлечении без видимого предупреждения, в отличие от пластичного поведения. Однако наклоном саморезов, как показано на рис. Рисунок 3, конструктор может воспользоваться преимуществом сверхпрочности в осевом сопротивлении винта, а также может извлечь выгоду из пластической деформации при изгибе.
Приложения
Саморезы с полной резьбой в основном используются для соединения массивных деревянных панелей в стыках пола, стены и стены и пола со стальной фурнитурой и без нее. Различные конфигурации подключения показаны в последнем издании CLT Handbook (бесплатная загрузка на сайте clt.fpinnovations.ca). Точно так же эти винты можно использовать в соединениях клееного бруса с балкой и для местного усиления элементов, как отмечалось выше. Их также можно использовать для крепления подъемных анкеров к CLT-панелям, как показано на рис. Рисунок 4, для нагрузок в диапазоне 2.9 тысяч фунтов (13 кН).
Рисунок 4. Пример такелажа для подъема деревянных элементов. Предоставлено Ротоблаасом.
Саморезы с частичной резьбой также могут использоваться в самых разных приложениях со стальной фурнитурой и без нее для сопротивления сдвигу между двумя соседними элементами. Эти винты также можно использовать для создания комбинированного взаимодействия между массивными деревянными балками или панелями и бетоном, как показано на рис. Рисунок 5. Другие области применения саморезов с частичной резьбой включают крепление изоляции к массивным деревянным элементам.
Рис. 5. Деревянно-бетонные композитные перекрытия, выполненные с использованием деревянных креплений Rothoblaas CTC. Предоставлено Ротоблаасом.
Руководства по проектированию и действующие стандарты
NDS и CSA O86 в настоящее время не касаются конструкции соединений с помощью саморезов. В то время как коды и стандарты, как правило, отстают от разработки продуктов и рыночного спроса, вместо явного распознавания кода можно использовать конкретные одобрения продукта. В Европе проектировщики полагаются на поставщиков в своих отчетах о Национальной технической оценке (NTA) и Европейской технической оценке (ETA) для каждой модели винтов и соединителей — десятки были протестированы и одобрены. Некоторые из этих винтов доступны на рынке Северной Америки, а некоторые из них имеют производство, сервисные центры и руководства по проектированию для США и Канады. Некоторые из них имеют сертификаты ICC-ES или CCMC (канадский эквивалент ICC-ES). Лучше всего обратиться к производителям или поставщикам винтов за технической поддержкой и копиями их руководств по проектированию. Обратите внимание на следующие технические соображения:
- Контроль качества. Поставщик должен обеспечить надлежащий контроль качества изготовления (качество материала), поскольку способность соединения в значительной степени зависит от прочности на растяжение винта.
- Выбор крепежа. Саморезы имеют множество характеристик, таких как диаметр резьбы и стержня, полная или частичная резьба, тип головки и наконечника, материал и покрытие и многое другое. Проектировщик должен выбрать правильный винт для применения и учитывать общую стоимость проекта, а также доступность. Запросы подрядчиков на замену также требуют тщательного рассмотрения.
- Расчетные значения. Преобразование европейских расчетных значений требуется для определения расчетных значений ASD или LRFD (и LSD в Канаде), чтобы они были совместимы со строительными нормами и правилами, учитывающими продолжительность нагрузки и другие поправочные коэффициенты. Также необходимо учитывать групповые эффекты. Спросите у поставщика рекомендации.
- Расстояние. Определите требования к расстоянию параллельно и перпендикулярно волокнам, включая расстояние до края и края, длину шурупов для толщины элементов, угол наклона и плотность древесины. Плотное размещение может вызвать хрупкие режимы разрушения, такие как расщепление, сдвиг ряда, сдвиг блока или разрыв группы.
- Предварительное бурение. Хотя саморезы можно устанавливать без предварительного сверления, для шурупов большего диаметра (3⁄8 дюйма или 10 мм и более) могут потребоваться направляющие отверстия, особенно в более плотных породах древесины и склонных к расщеплению (дугласова пихта, хем- пихта и западный красный кедр). Изготовитель должен указать диаметр и длину направляющих отверстий. Направляющие отверстия рекомендуются для установки длинных винтов в компактные соединения и для усиления, чтобы обеспечить точную установку.
- Вставка торсионная. Поставщики ограничивают крутящий момент при установке, чтобы он не превышал крутящего момента винтов. Длинные винты с полной резьбой следует вставлять без перерывов.
- Коррозия. Саморезы, используемые для наружных работ, должны быть изготовлены из нержавеющей стали или иметь соответствующую обработку, такую как электро- или горячее цинкование.
Будущее саморезов
Будущие тенденции включают саморезы, используемые для продавливания арматуры на сдвиг в массивных деревянных панелях, и новые специальные соединители, которые объединяют сборные стальные компоненты с винтами. При анализе оценки жизненного цикла винты можно открутить, что позволит разобрать конструкции для повторного использования в будущем.
Саморезы прочно закрепились в массовом деревянном строительстве и, вероятно, скоро найдут свое место в строительных нормах и стандартах США и Канады.■
Сильнейший винт
При определении самого прочного типа шурупа вы должны сначала рассмотреть область применения и материалы, которые вы соединяете. Например, некоторые шурупы могут создавать более надежное соединение при креплении двух кусков дерева, но могут быть бесполезны в проекте, связанном с листовым металлом. В других случаях саморез окажется намного эффективнее, чем самосверлящий крепеж.
Есть несколько элементов, которые следует учитывать при выборе самого прочного винта для вашего проекта.
Какая самая прочная застежка?
Что касается крепежа, то несколько промышленных болтов для тяжелых условий эксплуатации превосходят остальные. Однако в мире шурупов саморез часто рассматривается как один из самых прочных и универсальных вариантов.
В All Points Fasteners мы поставляем широкий ассортимент шурупов ZIP, идеально подходящих для многих саморезов, особенно в промышленности по производству листового металла. Саморез нарезает свою резьбу, вбиваясь в сопрягаемый материал. Винт для нарезки резьбы делает небольшое отверстие при входе в материал, создавая плотную посадку между нитями.
Тем не менее, саморез может быть столь же прочным, в зависимости от проекта. Самосверлящие винты имеют крошечную точку на конце их кончика, как сверло, которое создает небольшое отверстие, постукивая перед тем, как ввинчиваться в материал.
All Points поставляет самонарезающие винты типа Tek®, которые идеально подходят для соединений металл-металл. Эти шурупы состоят из специально обработанной высококачественной стали и изготовлены методом холодной ковки, чтобы обеспечить однородность контуров сверла и размеров шурупов. Благодаря прочной конструкции наши шурупы являются популярным выбором для самых тяжелых работ.
Сильнейшие шурупы по дереву
Шуруп с задержкой является самым прочным в семействе шурупов. Это прочная и долговечная застежка, часто имеющая шестигранную или квадратную головку с внешним приводом. Шурупы с затяжкой имеют коническое острие и крупную резьбу и, как правило, прочнее и намного тяжелее, чем обычные шурупы для дерева.
Для крепления тяжелых пиломатериалов и других материалов, которые должны выдерживать интенсивные нагрузки, обычно используются шурупы. All Points предлагает несколько вариантов шурупов для ваших проектов.
Хотя они и не такие прочные, в нашем ассортименте есть несколько других линеек шурупов для использования на ДСП, гипсокартоне и металлических петлях. Мы поставляем шурупы различной длины и размеров, чтобы удовлетворить практически любые потребности.
Структурные винты
Строительные винты, также называемые строительными винтами, представляют собой тонкие, но чрезвычайно прочные крепежные детали, изготовленные из термообработанной высокопрочной оцинкованной стали. Это более новый структурный крепеж, который иногда заменяет шурупы, чтобы сократить время и усилия, затрачиваемые на сверление. Конструкционные винты бывают с головкой паука, звездочкой и шестигранной головкой.
Структурные шурупы обладают большей прочностью, чем большинство шурупов большего размера, и они устраняют необходимость сверлить лаги или направляющие отверстия в древесине. Тем не менее, диапазон цен намного выше, чем у обычных винтов, основанных на этих характеристиках.
Работа со всеми точками в качестве вашего надежного поставщика крепежа
Нужен ли вам шуруп ZIP, шуруп Tek®, прочный шуруп для дерева или что-то совершенно другое, у All Points есть идеальное крепление, чтобы выполнить работу правильно. Свяжитесь с нашей службой поддержки клиентов сегодня для любой помощи, которая вам нужна при размещении заказа.
МэриЛуиз Экман
Леди с головкой винта с 1986 года! Специализируется на преодолении языкового барьера между поставщиками и конечными пользователями. В течение 35 лет работы в индустрии крепежных изделий МэриЛуиз работала непосредственно с конечными пользователями, подрядчиками, OEM-производителями и производителями комплектного оборудования, а также работала в сфере импорта, работала с производителями и дистрибьюторами крепежных изделий. Это дало ей уникальную возможность иметь технические знания, необходимые для работы в мире крепежных изделий, а также быть знакомым с потребностями конечных пользователей, которые не обязательно знают жаргон крепежа или приложения, чтобы точно знать, что им нужно для их работы.
