Укосины в каркасном строительстве. В 2008 году Американская Национальная Ассоциация Домостроителей NAHB в своем исследовательском центре проводила испытания укосин с различными вариантами отделки и обычных распорных стен с целью понять как различные методы распора стен работают и сами по себе и в сочетании друг с другом. Основной целью в таких исследованиях является получение исходных данных для расчета распора стен при различных нагрузках.

Предлагаю вам ознакомиться с результатами этих исследований для того, что бы глубоко вникнуть в суть того, что является распорной стеной, какие взаимодействия материалов являются наиболее устойчивыми к нагрузкам и какие продольные усилия в килограммах способны выдерживать те или иные системы. Оригинал статьи можно скачать тут. Это пока часть статьи, т.к. перевод на русский и единиц измерения требуют много времени и я буду постепенно обновлять эту страницу.

И так…

ВВЕДЕНИЕ

Эта программа испытаний предназначена для измерения производительности обычных распорных систем, включая деревянную врезную укосину, гипсокартон и деревянные конструкционные панели. Исследование должно помочь лучше понять, как эти методы распора работают как сами по себе и также в сочетание друг с другом. 

Хотя эти методы устройства распорных стен были изучены в прошлом, недавняя переоценка процедур тестирования и аналитических подходов для установления нормативных требований к распору подняли новые вопросы, связанные с взаимодействием этих материалов друг с другом и с остальной конструкцией. Некоторые из новых концепций, внедренных недавно, подразумевают непрерывную обшивку стен, частично-ограниченную, также и взаимодействие разнородных материалов и вклад отделочных материалов в работоспособность конструкции. Это исследование представляет из себя информацию для согласования традиционных методов создания жестких диагональных связей, их историческое использование и производительность, а также новые подходы к анализу нормативных положений по жестким диагональным связям в каркасных стенах.

Конкретные цели программы тестирования включают в себя:

• Оценка эффективности впускной укосины с обшивкой гипсокартоном с внутренней стороны стены, также и без него, с разной степенью удержания от опрокидывания.

• Оценка применимости уравнений перфорированной распорной стены с обшивкой из гипсокартона, используемой в сочетании с врезными укосинами.

• Оценка влияния финишной отделки стен, таких как гипсокартон и окна, на производительность одного изолированного сегмента стены с деревянными конструкционными панелями.

Испытания укосин: история

В этом разделе обобщаются результаты двух исследований, в которых оценивалась эффективность врезных укосин..

Цель тестирования, проведенного исследовательским центром NAHB, состояла в том, чтобы рекомендовать критерии эффективности сопротивления смещению стены, основанные на оценке производительности 11 различных конфигураций наружных стен, обычно используемые в строительстве в то время. В четырех из них комплектация включала врезку укосин из различных сортов и пород дерева. Остальные конфигурации

стен были сбалансированы с использованием внешней древесноволокнистой плиты разной толщины. Размеры стоек и расстояние между ними варьировались в зависимости от конфигурации стены. Все стены были обшиты изнутри гипсокартоном, прибитым на расстоянии 200 мм по центру, с полностью заделанными стыками и зашпаклеванными швами. Испытания проводились в соответствии со стандартом ASTM E 72. Испытанная прочность конфигурации наружных стен с одной врезной укосиной варьировались от 1614 до 2230 килограмм.

Исследовательский центр также представил ряд рекомендаций/критериев для приемлемости конфигураций наружных стен, которые будут использоваться для сопротивления стеллажным нагрузкам. Для любой предложенной конфигурации наружной стены, образцы длиной 2,40 метра должны были быть испытаны с использованием ASTM E 72 для достижения максимальной нагрузки в 1630 кг или трехкратной ветровой нагрузке.

Критерии также ограничивали остаточную деформацию стены при двух уровнях нагрузки: более 544 кг или однократное расчетное значение ветровой нагрузки и более 1088 кг или двукратное расчетное значение ветровой нагрузки.

ТУОМИ И ГРОМАЛА (1977)

Тестирование, проведенное Туоми и Громалой, исследовало влияние изменений в процедурах испытаний, таких как уровень нагрузки на общую производительность распорных стен. Туоми и Громала также разработали различные, основанные на энергии  уравнения, для прогнозирования прочности как сплошной обшивки стен, так и стен с использованием врезных укосин.

Семь конфигураций использовали распорки в качестве метода сопротивления на сдвиг, шесть, где в верхнюю и нижнюю плиты и испытана на сжатие, и одна конфигурация где укосина была врезана в стойки торцевой стены и испытана на растяжение. Для стоек стены использовалась пихты Дугласа № 2 и располагались на расстоянии 16 дюймов по центру.  В качестве распорного материала использовались доски размером 38мм x 89 мм, из трех разных пород дерева: белая сосна, южная сосна и сахарная сосна. Укосины были закреплены на концах и к каждой шпильке двумя гвоздями 8d. (3мм х 63мм). Сплошная обшивка не использовалась в сочетании с врезной укосиной. Все испытания были выполнены в соответствии с ASTM E 72.

Результаты испытаний показали, что для конфигураций, в которых укосина подвергалась сжатию, прочность на сдвиг варьировалась от 1065 кг до 2018 кг, при средней прочности 1443 кг. Следует отметить, что эти диапазоны включали результаты каждого из трех различных видов пиломатериала. Для одиночного испытания на растяжение укосины прочность была на уровне 860 кг. 

Авторы также отметили результаты неопубликованного предыдущего тестирования стен с врезными укосинами и обшитыми горизонтально направленными досками. Где горизонтальная обшивка была установлена на той же стороне, что и укосина, и служила для удержания укосины от изгиба. В этом случае образец достиг пиковой нагрузки 2744 кг. Там, где горизонтальная обшивка досками был установлена на внутренней стороне, противоположной укосине, пиковая нагрузка составила 2472 кг.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Образцы стен были изготовлены и испытаны в лаборатории исследовательского центра NAHB, расположенной в г. Верхнее Мальборо, штат Мэриленд. Пиломатериалы, гипсокартон, OSB панели, крепеж и метизы были закуплены у местных поставщиков.

Таблицы 1, 2 и 3 обобщают матрицу тестов с деталями, характерными для каждого отдельного теста. Для каждой тестовой конфигурации прописана заявленная цель теста. Конфигурации 1-7 были предназначены для проверки реакции распорных стен с полностью закрепленными врезными укосинами. Конфигурации 8-12 были разработаны для оценки производительности частично закрепленных врезных укосин систем с использованием прижима/зацепа* и ремневания*. Конфигурации 13 и 14 использовались для оценки производительности внутренних распорных стен из обшивкой из гипсокартона с врезными укосинами. Конфигурации 15-18 были разработаны для оценки дополнительного вклада финишной отделки, такой как гипсовая обшивка и окна, на производительность изолированной конструкционной панели.

Все экземпляры были 2.40 метра высотой и длиной от 2,80  до 7,30 метров. Высота стоек 2,32 метра использовалась в сочетании с двойной верхней и одинарной нижней обвязкой получая общую высоту образца 2,40 метра. Гвоздение гипсокартонных листов было выбрано из таблицы IRC R702.3.5. Для Конфигурации 6 была предусмотрена блокировка под верхней обвязкой и всех сторон листа, чтобы обеспечить опорную поверхность для гипсокартона и имитировать условия, близкие к реальности . Нижний край всех образцов был приподнят над нижней частью стены, чтобы обеспечить вращение. В таблицах 4 и 5 приведены материалы и схемы крепления.

Врезные укосины были установлены заподлицо с нижней плитой. На двойной верхней обвязке каждая укосина врезана только в нижнюю доску. Гипсокартон в каждом случае был приподнят на 12 мм от нижнего края стены. Крепления, используемые для приложения нагрузки к образцу всегда устанавливались таким образом, чтобы они не мешали материалам обшивки во время испытаний.

Влажность пиломатериалов при изготовлении и испытаниях колебалась от 8 до 12 %. Все гвозди были установлены с помощью пневматического пистолета для гвоздей, за исключением гвоздей для укосин, которые были забиты ручным молотком. Гвозди для обшивки OSB устанавливались с помощью пневматического пистолета. Гипсокартонные гвозди также вбивались с помощью ручного молотка.

Различные условия ограничения опрокидывания были предусмотрены в соответствии с таблицей 6. Частичная степень фиксации обеспечивалась анкерным уголком HTT16 с количеством установленных гвоздей равных по производительности полному ограничению опрокидывания с поправкой на частичный эффект (20%,30% или 60%). Полная опрокидывающая сила оценивалась по результатам базового теста. Кроме того, для конфигураций 10, 11 и 12 с ограничением 60% и 30% были где стойки были привязаны к верхней и нижней обвязке стальной перфолентой 0.9 мм толщиной, прибитой в соответствии с таблицей 6, чтобы имитировать местную гравитационную нагрузку от элементов каркаса выше и жесткости диафрагмы. В условиях 30-процентного ограничения, использовалось два крепления стойки к обвязке были для измерения степени
чувствительности результатов к влиянию локальной гравитационной нагрузки и жесткости. Там где указано ограничение «полный E564», прижимной кронштейн (анкерный уголок) HTT16 был установлен со всеми гвоздями в соответствии со спецификацией производителя. Если для стен длиннее 2,40 метра использовалось полное крепление E 72, второе ограничитель опрокидывания был установлен на расстоянии 3.35 метра от угла образца (конфигурация. 2).
Нижняя обвязка крепилась к установке с помощью болтов диаметром 12 мм, расположенных на расстоянии не более 1,8 метра по центру и расположены в 30 см от углов и дверных проемов. На диаграммах образцов в таблицах 1, 2 и 3 показано примерное расположение болтов по отношению к торцам стен, проемам, и вставить брекеты.

Испытания проводились в соответствии с общими положениями стандарта ASTM E 72-05.
Методы проведения испытаний на прочность панелей для строительства зданий (ASTM
International, 2005), или ASTM E 564-06 Стандартная практика испытаний на сдвиг при статической нагрузке на прочность каркасных стен зданий (ASTM International, 2006 г.), в зависимости от
степени вертикального ограничения, требуемой в соответствии с тестовой матрицей.
На рис. 1 показана схема испытательной установки, используемой для конфигураций 3–7, чтобы проиллюстрировать расположение контрольно-измерительных приборов и нагрузочного устройства. На рис. 2 представлена фотография тестовой установки.

*ЛПДТ — Линейный переменный дифференциальный трансформатор

Тесты проводились с использованием стенда для испытания на сдвиг, управляемого компьютерной системой. Показания приборов, включая измерения нагрузки и прогиба, сбор данных производился с помощью компьютера.

Образцы были испытаны монотонно, с использованием гидравлического привода для приложения нагрузки к верхней части образца стены с постоянной скоростью 1,0 дюйм в минуту за один цикл. Эта скорость загрузки основана на рекомендации рабочей группы IRC по обшивке. Циклические испытания не проводились, т.к. оценка не предназначалась для применения в условиях сильной сейсмической активности.

Для конфигураций 1-7 и 12, нагрузка на сжатие была приложена с использованием стальной квадратной балки размером 100 на 100 мм, проходящей по всей длине стены и закреплена скваозными болтами диаметром 12 мм через двойную верхнюю обвязку примерно каждые 1,2 метра по центру. Для конфигураций 13 и 14 нагрузка на растяжение была приложена с инспользованием ту же балку квадратного сечения размером 100 на 100 мм, закрепленную таким же образом. Для конфигураций с 8 по 11 и с 15 по 18 нагрузка на растяжение прикладывалась с помощью стального нагрузочного кронштейна прикрепленному к обвязке стены в верхнем углу образца. Кронштейн состоял из стальной полосы толщиной 6 мм и длиной 500 мм, крепился к образцу с помощью шурупов для дерева. Тестирование производилось до разрушения образца, определяемого как падение возможности стены нести нагрузку, равное 20 процентам от пиковой нагрузки.

Нагрузку измеряли с помощью электронного тензодатчика производительностью в 9000 кг, расположенного между цилиндром и либо стальной распределительной балкой, либо нагрузочным кронштейном. Следующие деформации были измерены с помощью струнного потенциометра и дифференциальных трансформаторов с линейной переменной (ЛПДТ):

1) Смещение верхней обвязки относительно основания установки
2) Проскальзывание нижней обвязки относительно основания установки
3) Сжатие крайних стоек образца относительно основания
4) Отрыв крайних стоек образца относительно основания.

Сила натяжения анкерных болтов была измерена с помощью электронного тензодатчика мощностью 9 тонн. Анкерные болты были предварительно натянуты до 227 кг.
Проскальзывание нижней обвязки вычиталось из общей деформации стен.

Результаты

Системы поддержания целостности конструкций («укосина», гипсокартон)

Результаты испытаний приведены в таблице 7, в том числе пиковые нагрузки и смещение верхней части стены при пиковой нагрузке. Приложение А включает в себя диаграмму нагрузок и отклонений для всех образцов.

Были проведены тесты в конфигурациях 1 и 2, для установления критериев «укосины» при растяжении или сжатии без учета гипсокартона. В общей сложности четыре образца конфигурации 1 было протестировано в различных модификациях.

В первом тесте «укосина» была прикреплена к стойкам и обвязочному брусу обычными гвоздями размера 8D. (3,4мм х 75мм) Основным отказом системы являлось коробление «укосины» и её отделение от стоек (Изображение 3 и 4).

Следует отметить, что доска 1 х 4 дюйма (25х89мм) не является доступной в своем структурном классе. Для исследования производительности системы с усиленной укосиной была использована доска 2 х 4 дюйма (2х4 — номинальный размер, чистый — 38х89мм) 2 сорт — Ель-Сосна, она была механически обработана до фактического размера 0,75 дюйма, и использовалась в качестве укосины во втором тесте. Сила системы увеличилась с 2570 фунтов до 3,170 фунтов (с 1165 кг до 1437 кг) в результате использования более крепкого материала для «укосины»; вид отказа изменился на сдвиг запила в верхнем обвязочном брусе. (Изображение 5).

В следующем тесте, был использован пиломатериал не конструктивного сорта 1×4 дюйма (номинальный размер) с удельным весом 0,44 из другой партии. Кроме того, в попытке уменьшить вероятность разрушения другого запила, укосина была прибита к обвязочному брусу на 3 гвоздя вместо 2. Пиковая нагрузка для этой системы составила 2760 фунтов (1251 кг)  с основной причиной отказа — сдвиг запила верхнего обвязочного бруса. В следующем тесте, укосина была перенесена на 6 дюймов (150мм) от угла верхнего обвязочного бруса (по сравнению со стандартным запилом — 3,5 дюйма (89мм) от края стены), чтобы дополнительно уменьшить потенциальный сдвиг запила. Система отказала при воздействии  2415 фунтов из-за коробления плоскости укосины и выдергивания гвоздей из стоек (изображение 6).

В целом для конфигурации 1, систему с двумя гвоздями на каждом соединении укосины к раме стены при сжатии можно охарактеризовать как сбалансированное, с индивидуальным улучшением по сравнению с исходным состоянием вызывая новый вид отказа системы и лишь небольшое улучшение в несущей способности системы. Также следует отметить, что все образцы без обшивки показали некоторое скручивание стоек во время испытания (изображение 3). Такое поведение было менее очевидным в ходе последующих испытаний, где был прикреплен гипсокартон на противоположной от укосины стороне.

Тесты конфигурации 2 представляют ориентир для укосины при растяжении без обшивки гипсокартоном. В общей сложности было испытано три образца. В первых двух образцах использовалось по два 8d гвоздя на каждой стойке и обв.брусе. Основной причиной отказа системы являлась податливость соединений с гвоздями в верхнем и нижнем обв.брусе (7 и 8)

Пиковая нагрузка составила 1,170 ( 530кг)  и 1,400 фунтов (635кг). В третьем образце было забито по три гвоздя на нижних и верхних обв.брусах в попытке усилить это соединение. Та же причина отказа системы наблюдалась при пиковой нагрузке в 1400 фунтов (635кг), которая показала, что производительности системы существенно не улучшилась по сравнению с конфигурацией с двумя гвоздями.

Пиковая нагрузка составила 1,170 ( 530кг)  и 1,400 фунтов (635кг). В третьем образце было забито по три гвоздя на нижних и верхних обв.брусах в попытке усилить это соединение. Та же причина отказа системы наблюдалась при пиковой нагрузке в 1400 фунтов (635кг), которая показала, что производительности системы существенно не улучшилась по сравнению с конфигурацией с двумя гвоздями.

Конфигурация 3 был протестирована для оценки производительности системы с двумя укосинами расположенными напротив друг друга, включая их деформационную совместимость при работе на растяжение и сжатие в одной линии стены. В общей сложности было испытано 4 образца с некоторыми модификациями. В первом образце (базовый уровень) использовалось по два гвоздя для крепления к каждой стойке. Во втором образце использовалось по три гвоздя для крепления к нижнему и верхнему обвязочному брусу. Для третьего образца, укосина была сдвинута на 6 дюймов от угла стены. В последнем образце  использовалось три гвоздя на каждом соединении укосины к каркасу стены, достигая максимальной пиковой нагрузки в 4,486 фунтов (2034 кг). Этот пик нагрузки соответствует 280 фунт/фут (416 кг/м). Причина отказа и общие наблюдения были аналогичны тестам с одиночными укосинами. Основываясь на сравнении результатов конфигураций 1 и 2, можно сказать, что сопротивление укосины сжатию и растяжению является слагаемым при расчете сопротивления системы с двумя противодействующими укосинами.

Конфигурация 4 измеряла вклад гипсокартона в производительности системы с двумя противодействующими укосинами (изображение 9).

В общей сложности были испытаны два идентичных образца с укосинами, прикрепленными к стене 2 гвоздями на каждом соединении с каркасом. Гипсокартонная обшивка покоробилась, особенно по краям (изображение 10, 11).

 Стыки между листами гипсокартона также разрушились.  По сравнению с первым тестом конфигурации 3, вклад гипсокартона в сопротивление системы составил 4550 фунтов (2063 кг)  для всей стены или 227 фунт/фут (337 кг/м). Средняя единица сдвига при сочетании двух противодействующих укосин с гипсокартоном с обратной стороны каркаса был 470 фунт/фут (698 кг/м) (обратите внимание, что это значение основано для сегмента стены с укосиной номинальной ширины 8 футов (2,4м) и откорректировано от значений теста конфигурации 4, чтобы исключить вклад гипсокартона в сегмент стены с укосиной.

Конфигурация 5 позволила измерить производительность системы с укосинами установленных под углом 60 градусов и обшитой гипсокартоном на противоположной стороне. Пик нагрузки составил 6,275 фунтов; это снизило сопротивление системы на 35% по сравнению с укосиной, установленной под углом 45 градусов.

Конфигурация 6 измеряла эффект от незакрепленных краев обшивки. Гипсокартон не был закреплен по периметру, ни к верхнему, ни к нижнему обв.брусу, ни к угловым стойкам. На внутренних стойках первый гвоздь был расположен в  8 дюймах (200мм) от края внутрь листа. Гипсокартон был обрамлен вдоль верхнего обвязочного бруса и углах деревянной доской чтобы воспроизвести условия стыковки граничащих по перпендикуляру стен и потолка.

Гипсовые панели были приподняты над краем нижнего обвязочного бруса, так же как и в предыдущих тестах. Пиковая нагрузка составляла 6,745 фунтов (3059 кг); снижение устойчивости на 25% по сравнению с системой в которой гипсокартон прибит по всему периметру. Как и в предыдущих тестах, причина отказа укосины — коробление, потеря устойчивости (изображение 13) и  разрушение гипсокартонных стыков. При сжатии, сила также передалась через обрамляющие гипсокартон элементы каркаса (Рисунок 14).

В конфигурации 7 измерялась производительность системы с двумя противодействующими укосинами и гипсокартоном установленным с обеих сторон. Пик нагрузки составил 15,120 фунтов (6858кг) и оказалась на 16% выше той нагрузки, которую можно было предсказать основываясь на данных производительности систем с обшивкой на одной стороне, методом интерполяции от Конфигурации 4. Увеличение устойчивости двухсторонней системы может являться результатом установки гипсокартонных панелей на противоположной поверхности стены от укосины. Такая конфигурация обеспечивает дополнительную устойчивость укосины к короблению.

продолжение во сторой части статьи…