Особливості застосування сталі Кортен у будівництві

Сталі, стійкі до атмосферної корозії, являють собою звичайні конструкційні сталі, леговані міддю та фосфором. Така сталь створює захисний оксидний шар, що уповільнює процес корозії в умовах, коли сталь може вільно зволожуватись і висихати на відкритому повітрі. Раніше ці марки сталі використовувалися в основному в промислових конструкціях. Однак останнім часом їх популярність значно зросла в фасадних рішеннях і ландшафтному дизайні, архітектори вважають колір Кортен дуже привабливим. Крім того, сталь Кортен є екологічним матеріалом, тому що  вона не вимагає окремої антикорозійної обробки.

Загальна інформація про сталь Кортен

Історія створення сталі Кортен

Атмосферостійкі сталі були розроблені в США на початку ХХ століття, коли було помічено, що сталевий лист, легований міддю, набагато більш стійкий до атмосферної корозії, ніж звичайні лист з вуглецевої сталі. Компанія U.S. Steel провела великі дослідження, перевіряючи фізичні властивості та стійкість до атмосферної корозії безлічі листів з різними хімічними складами, в результаті яких була розроблена сталь Кортен і запатентована в 1933 році.

Спочатку сталь Кортен використовувалася в якості матеріалу для бункерних конструкцій в вугільних вагонах, оскільки є більш стійкою до механічних навантажень і корозії, ніж звичайна вуглецева сталь.

Пізніше сталь Кортен знайшла широке застосування в сталевих конструкціях, в яких нормальна вуглецева сталь піддавалася передчасній корозії через спільний вплив погоди, води і домішок, що з’являються при промисловому виробництві.

Міст Shanks Millennium, Великобританія

Сьогодні кортенівська сталь використовується в транспортних контейнерах, мостових конструкціях і різному технологічному обладнанні в хімічній і нафтохімічній промисловості. Сталь Кортен також часто використовуються в опорах ліній електропередач, стовпах освітлення або вантажно-розвантажувальному обладнанні, конструкціях шасі вантажівок, резервуарів для води, димоходів та будівельної промисловості.

Залежно від застосування, сталь Кортен може використовуватися сама по собі або фарбуватися. При правильному використанні необроблена сталь Кортен швидко утворює щільний і жорсткий шар оксиду, який запобігає прогресуючому іржавінню. З іншого боку, пофарбовані конструкції Кортен мають більш тривалі інтервали підфарбовування в процесі технічного обслуговування, так як шар жорсткого окісіду проявляється на будь-яких пошкоджених ділянках лакофарбового покриття, при цьому корозія не може прогресувати під фарбою, як це зазвичай відбувається з пофарбованою вуглецевою сталлю.

Властивості сталі Кортен

Вуглецева сталь являє собою високоактивний метал в порівнянні з, наприклад, нержавіючою сталлю і міддю. З цієї причини будь-яка волога або атмосферний кисень, який одержує доступ до поверхні непофарбованої вуглецевої сталі, швидко викликає окислення й утворення гідроксиду заліза. Цей процес зазвичай називають корозією. У міру того, як поверхня сталі багаторазово зволожується, відбувається іржавіння, що може істотно погіршити властивості сталевої конструкції. Кортен також окислюється в процесі контакту з повітрям і вологою. Однак механізм окислення в сталях Кортен відрізняється від іржавіння конструкційних сталей. Коли Кортен багаторазово зволожується і висихає, на його поверхні утворюється щільний і дуже жорсткий оксидний шар. Цей шар запобігає розвитку корозії в нормальних погодних умовах, тому сталі Кортен називаються атмосферостійкими.

Текстура сталі Кортен

З моменту патентування Cor-Ten було проведено понад 30 000 випробувань з метою оптимізації хімічного складу сталі та досягнення найкращих показників погодостійкості. Залежно від марки сталь Cor-Ten може містити до 10 легуючих елементів. Хром, нікель, мідь і фосфор поліпшують стійкість сталі до атмосферної корозії. Кремній, титан, молібден і ванадій ще більше збільшують щільність оксидного шару, взаємодіючи з міддю та хромом. Сьогодні існує ряд марок кортенівської сталі, об’єднаних загальною запантентованою назвою Cor-Ten.

Хімічний склад сталей Кортен, %

Процес корозії на поверхні сталі можна описати за допомогою електрохімічних реакцій. Коли сталь стає вологою, на поверхні утворюються невеликі локальні осередки. Окислення заліза відбувається в анодній точці (-), а відновлення – в катодного точці (+):

Fe -> Fe₂ + 2e (1)

½O₂ + H₂O + 2e  -> 2OH (2)

Загальна реакція окислення заліза є сумою підреакцій:

Fe + ½O₂ + H₂O -> Fe (OH)₂ (3)

Гідроксид заліза далі окислюється в оксігідроксід заліза, який вважається найбільш поширеним станом іржі:

2Fe (OH)₂ + ½O₂ -> 2FeO(OH) + H₂O (4)

На практиці волога фаза і суха фаза на поверхні сталі чергуються. Під час вологої фази іржа відновлюється в оксид заліза (II, III), магнетит (5), а під час сухої фази магнетит відновлюється в оксігідроксід заліза, гетит, липидо крос (6):

Fe₂ + 8FeO (OH) + 2e -> 3Fe₃O₄ + 4H₂O (5)

2Fe₃O₄ + 3H₂O + ½O₂ -> 6FeO(OH) (6)

Відновлювальні умови, що переважають на поверхні сталі, відбуваються коли пори іржі заповнюються водою. Окислення відбувається, коли зовнішня поверхня іржі висихає. Це означає, що іржа, що створюється атмосферними умовами, складається з декількох станів заліза, головним чином магнетиту Fe₃O₄ і оксігідроксіду заліза FeO (OH).

На атмосферну корозію сталі також впливають повітряні домішки, в тому числі двоокис сірки і триокис сірки. Коли температура повітря знаходиться нижче кислотної точки роси, оксиди розчиняються у воді, що конденсується, виробляючи сірчану кислоту, H₂SO₄:

SO₂ + H₂O + ½O₂ -> H₂SO₄ (7)

SO₃ + H₂O -> H₂SO₄ (8)

Оксид заліза (іржа) каталізує перетворення SO₂ в сірчану кислоту. Сірчана кислота реагує зі сталлю, утворюючи сульфат заліза (FeSO₄), який може бути додатково окислен до сульфату тривалентного заліза, Fe₂ (SO₄)₃ і оксогідроксіда заліза, FeO (OH):

H₂SO₄ + Fe + ½O₂ -> FeSO₄ + H₂O (9)

12 FeSO₄ + 2H₂O + 3O₂ -> 4Fe₂(SO₄)₃ + 4FeO(OH) (10)

Сульфат залізу може бути додатково гідролізований в оксігідроксід залізу та сірчану кислоту:

Fe₂(SO₄) + 4H₂O -> 2FeO(OH) + 3H₂SO₄ (11)

Теоретично сірчана кислота може знову з’явитися в реакціях окислення. Це також підтверджується тим, що в умовах присутності оксидів, що утворюють кислоту, корозія сталі відбувається відносно швидко. Такі умови найбільш вірогідні в промисловому і міському середовищах.

Багато випробуваннь на корозійну стійкість, проведених протягом більш ніж трьох десятиліть, показали, що стійкість сталі Кортен до атмосферної корозії значно вище, ніж опірність звичайних вуглецевих сталей. Кортен показує особливо високу корозійну стійкість в промисловому середовищі, де швидкість протікання корозії становить лише одну п’яту від швидкості корозії вуглецевої сталі або навіть менше. Значна різниця в швидкостях корозії найбільш помітна після 5-10 років експлуатації, коли на поверхні сталі утворився щільний і дуже жорсткий оксидний шар, що захищає її від корозії. Швидкість корозії сильно залежить від умов навколишнього середовища. В якості еталонних значень можна використовувати такі швидкості корозії, розраховані на основі зміни ваги зразків після десяти років експлуатації:

Колір оксидного шару варіюється від червоно-коричневого до темно-фіолетового в залежності від умов навколишнього середовища. Колір сталі Кортен змінюється від бархатистих бронзових тонів до насичено-коричневого.

Зміни кольору оксидного шару на сталі Кортен в часі в сільському середовищі

Зміни кольору оксидного шару на сталі Кортен в часі в промисловому середовищі

Фарбування сталі Кортен

Сталь Кортен може бути пофарбована будь-якою фарбою, призначеною для антикорозійної обробки сталі. Дослідження показали, що довговічність алкидного лакофарбового покриття на сталі Кортен в 1,5-2 рази більше ніж на вуглецевій сталі. На рисунку нижче (зліва) показано зовнішній вигляд пофарбованих зразків Кортен і вуглецевої сталі після пробного використання протягом 15 років в умовах морського клімату. У правій частині рисунку показані пофарбовані зразки, схильні до дії промислового середовища протягом декількох років. Сталь Кортен не вказує ознак іржі під лакофарбовим покриттям, що складається з цинк-хроматних грунтовки і вінілової фарби.

Більш тривалий термін служби лакофарбового покриття на сталі Кортен пояснюється тим, що при появі подряпини на поверхні покриття утворюється щільний оксидний шар, який не дає змогу проникати іржі під фарбу, як це відбувається зі звичайною вуглецевою сталлю.

Обробка та патинування сталі Кортен

З виробами зі сталі Кортен необхідно поводитись дуже уважно. Слід уникати пошкоджень поверхні, а бризки від зварювання, як і інші забруднення поверхні, повинні бути видалені. Сталі Кортен можуть зберігатися на відкритому повітрі за умови вільної циркуляції повітря між листами, так щоб поверхні, які можуть намокнути, змогли швидко висохнути. При довготривалому відкритому зберіганні виробів слід помістити їх під накриття, а листи та інші компоненти повинні бути відокремлені один від одного, щоб забезпечити рівномірну циркуляцію повітря між ними. Це гарантує рівномірне патинування і відсутність утворення корозійних плям.

Завдяки створенню однорідного захисного шару (патини) на поверхні, сталі Кортен можуть бути залишені непофарбованими. Для утворення рівномірної патини, коли зовнішній вигляд має вирішальне значення, необхідно провести ретельну попередню очистку поверхонь – травлення, піскоструминну обробку або шліфування. При цьому плями мастила і захисного масла, шлак і окалина попередньо повинні бути видалені. Після піскоструминної обробки поверхня вважається досить чистою, якщо її шорсткість рівномірна.

У разі необхідності скорочення терміну утворення патини сталь Кортен може бути піддана процесу прискореного окислення, який здійснюється в кілька етапів:

1. Знежирення.
2. Видалення оксидного шару.
3. Нанесення активатору окислення.
4. Нанесення фіксуючої змивки.

Процес прискореного патинування Кортен дає змогу отримати бажаний відтінок сталі протягом всього декількох днів.

За необхідності фіксації кольору і припинення природного процесу патинування сталь Кортен може бути покрита глянцевим або матовим захисним лаком. При цьому варто врахувати, що термін служби такого лакового покриття складає всього кілька років, що призводить до необхідності його подальшого періодичного оновлення.

Забруднення при зварюванні, такі як окалина та виплеск, уповільнюють процес патинування. Стандарт ISO 8501-1 визначає ступінь іржі для оцінки чистоти поверхні. Ступінь очищення поверхні звичайної вуглецевої сталі, яка підлягає фарбуванню, повинна становити не менше Sa 2 1/2, St 2, в той час як для патинування сталі Кортен достатнім ступенем очищення є Sa 2 / St 2.

Зварювання сталі Кортен

Для зварювання сталі Кортен можуть бути застосовані всі звичайні методи: дугове зварювання металевим електродом, що плавиться або флюсовим електродом, дугове зварювання під флюсом, зварювання MIG / MAG і контактне зварювання.

Зварювання сталі Кортен

Для забезпечення стійкості зварного шву до атмосферних впливів він повинен містити той же сплав металу, що й основний метал.

Найбільш часто використовувані сплави наплавленого металу містять нікель і мідь. Нелегований наплавлений метал може використовуватися в тому випадку, коли зварний шов має форму канавки або заокруглення і при використанні дугового зварювання під флюсом процес дифузії забезпечує високе легування зварювального матеріалу основним металом. Атмосферостійкий наплавлений метал повинен використовуватися при виготовленні багатопрохідних зварних швів на поверхневих ділянках атмосферостійких сталей.

Рекомендовані зварювальні матеріали для сталі COR-TEN A и COR-TEN B 

Зварювання в атмосфері активного газу (цільний дріт)

Дугове зварювання з флюсовим сердечником

Дугове зварювання покритими електродами

Дугове зварювання під флюсом із зануреною дугою

Болтові з’єднання

Болтові з’єднання атмосферостійких сталей повинні бути досить щільними, щоб запобігти щелевій корозії всередині стику і корозії матеріалів, що з’єднуються. Відстань між болтами вздовж краю стику не повинна бути більше 14-ти товщини самого тонкого з’єднуваного елемента і не перевищувати 20 см. Відстань між болтом і кромкою стику не повинна бути більше 8-ми товщини самого тонкого з’єднуваного елемента і не перевищувати 15 см.

Як матеріал болта рекомендується використовувати сталь Cor-Ten X, так як її корозійна стійкість дорівнює стійкості до корозії з’єднуваних сталей, а колір патинованих болтів буде ідентичний основному матеріалу. Також можуть бути використані болти з цинковим або кадмієвим покриттям, але зазвичай так робити не рекомендуються, оскільки покриття буде зношуватися відносно швидко в результаті електрохімічних реакцій між покриттям болта і сталлю Кортен. Малі кріпильні елементи, гвинти і т.д. можуть бути виготовлені зі сталі Cor-Ten A або металів, що не окислюються, таких як латунь або бронза. В цьому випадку електрохімічна корозія не проявиться, оскільки площа благородного металу буде набагато менше площі сталі Кортен.

Застосування сталі Кортен

Сталь Кортен, як унікальний матеріал, відмінно підходить для застосування в умовах, коли стійкість до атмосферної корозії або виразний зовнішній вигляд мають першорядне значення. Щільна, самовідновлювана оксидна патина на сталі Кортен забезпечує тривалий термін служби та унікальний дизайн конструкцій. Сталь Кортен відмінно підходить для облицювання фасадів або облаштування каркасів будівель, архітектурних композицій, огорож, спорудження мостів, контейнерів, резервуарів, димоходів і т.д.

Університет Leeds Beckett, Великобританія

Сталь Кортен відносно стійка до абразивного зносу, викликаного навантаженням і розвантаженням. Однак тривалий абразивний знос матеріалу може призвести до скорочення терміну служби.

Відмінна корозійна стійкість і міцність сталі Кортен також зберігаються в умовах підвищених робочих температур. При цьому Кортен забезпечує кращі властивості, наприклад, велику окалиностійкість, ніж звичайні конструкційні сталі. Сталь Кортен може використовуватися в менш критичних умовах для резервуарів високого тиску, коли не потрібно використання загартованих Cr-Mo сталей. Максимальна робоча температура сталі марки Cor-Ten A становить +540 °C. При більш високих температурах плинність і міцність на розрив, а також ударна в’язкість цієї марки сталі значно погіршуються. Сталь марки Cor-Ten B не рекомендується для використання в якості несних конструкцій, якщо робоча температура перевищує +425 °C.

Відкритий концертний майданчик з облицюванням Кортен, Crystal Palace Park, Великобританія

Відмінна стійкість лакофарбового покриття на сталі Кортен дає змогу істотно економити витрати на експлуатацію, оскільки інтервали між фарбуванням для технічного обслуговування сталі Кортен довше, ніж у вуглецевої сталі.

Це забезпечується здатністю сталі Кортен утворювати щільний і жорсткий шар оксиду над будь-якими осередками пошкодження лакофарбового покриття, який запобігає корозії сталі під фінішним лакофарбовим покриттям. Наприклад, за даними однієї з найбільших компаній з оренди контейнерів, витрати на технічне обслуговування і ремонт пофарбованих контейнерів з вуглецевої сталі в чотири рази вище, ніж у контейнерів зі сталі Кортен.

Скульптура LOVE, США

Застосування сталі Кортен в архітектурі

При виборі Кортен як облицювального матеріалу слід враховувати, що в результаті процесу патинування вода, що контактує зі сталлю Кортен, ставатиме іржавою протягом перших двох років. «Іржаву» воду необхідно збирати і відводити так, щоб вона не забруднювала інші матеріали, що використовуються. Матеріали, які при слабкому забрудненні «іржавою» водою, можуть бути легко очищені:

• Полуматове або глянсове емалеве покриття.
• Повітряно- або термічно отверджене органічне покриття, що миється.
• Анодований або простий алюміній.
• Нержавіюча сталь.
• Неопрен.
• Керамічна і глазурована плитка.
• Скло.

Деякі матеріали фарбуються легко, тому їх очищення важке або неможливе. З цієї причини важливо ретельно зважувати доцільність використання зі сталлю Кортен наступних матеріалів:

• Бетон і цементний розчин.
• Незабарвлена ​​гарячеоцинкована сталь.
• Неглазурована цегла.
• Матова емаль.
• Камінь.
• Дерево.

При використанні сталі Кортен з іншими матеріалами необхідно забезпечити, щоб у місці з’єднання металів не виникала щілинна корозія і не накопичувалася вода або бруд.

Сталеві листи з цинковим покриттям або інші матеріали з цинковим покриттям не повинні безпосередньо контактувати з неокрашенной сталлю Кортен, так як цинк, який є більш активним металом, буде піддаватися впливу електрохімічної корозії.

Стикувальні шви між різними матеріалами і сталлю Кортен повинні бути заповнені герметиком. Особливу увагу слід звернути на те, що багато герметиків, такі як поліуретанові піни та інші речовини, що містять антипірени, поглинають воду. Тому використання таких речовин разом зі сталлю Кортен може привести до серйозних корозійних пошкоджень.

Архітектурні елементи

Будівельні вироби зі сталі Кортен

Сталь Кортен – це натуральний матеріал, який отримує свій колір і захисний поверхневий шар в результаті процесу окислення. Зміни, зроблені на поверхні сталі впливом світла, вологості повітря і часу, роблять її ще більш цікавим матеріалом. Патина надає Кортен виразного бронзового відтінку, який ідеально доповнює цегляні поверхні.

Кортен характеризується матовою поверхнею, яка зменшує відображення, характерні для інших металів і приховує можливу нерівність поверхні.

Кортен економічний матеріал, який коштує всього на 20-25% більше, ніж звичайна вуглецева сталь. А оскільки Кортен не потребує фінішної обробки поверхні, то загальна вартість продуктів, що виробляються з Кортену, є надзвичайно привабливою.

Крім того, сталь Кортен є екологічним матеріалом, оскільки повністю придатна для повторного використання і не потребує покриття. Тому її загальний вплив на навколишнє середовище надзвичайно малий протягом всього життєвого циклу.

Котедж, Чехія

Колір і блиск поверхні

Сталь Кортен створює на поверхні шар жорсткого оксиду, який запобігає корозії. Локальні кліматичні умови, а також тривалість часу патинування впливають на колір поверхні. Колір змінюється від теплого оранжево-коричневого до червонувато-коричневого і, нарешті, темно-коричневого кольору.

Здатність змінювати колір з часом роблять сталь Кортен одним з найбільш унікальних матеріалів.

Перед доставкою на будівельний майданчик елементи зі сталі Кортен рекомендується витримати для утворення патини, коли поверхня стане однорідною за кольором без рожевих плям.

По досягненню бажаного відтінку зупинити зміни кольору сталі Кортен можна за допомогою хімічної обробки поверхні або нанесення лакового покриття. При цьому варто врахувати, що після нанесення лаку поверхня може втратити свій характерний вигляд і матовість.

Вентильовані фасади Кортен можуть бути змонтовані також і до початку процесу патинування. Стислі терміни будівництва часто роблять це єдиним можливим варіантом, оскільки вибір матеріалів відбувається на такий пізній стадії проєкту, що на попереднє патинування не залишається часу.

При використанні непатінованих фасадів Кортен потрібно бути готовим до первісної плямистості поверхні та іржавому зовнішньому вигляду будівлі.

Котедж, Словаччина

Особливості застосування сталі Кортен

Кортен – це активний матеріал за своєю природою. Варто враховувати, що процес патинування робить його тонше, тому слід уникати застосування матеріалу товщиною менше 0,5 мм. При цьому для забезпечення високої якості при виробництві профілів надзвичайно важлива висока точність розмірів.

Обов’язковою вимогою для процесу патинування є циклічне зволоження і висихання поверхні. Якщо поверхню довгий час залишається вологою, вона буде іржавіти. Найбільш уразливими частинами є горизонтальні поверхні конструкцій, а також поверхні, які розташовані дуже близько одина до одної. На початку процесу патинування вода, що стікає по конструкції, може накопичуватися на горизонтальних поверхнях. При цьому іржа, що міститься у воді, буде утримувати поверхню вологою і процес корозії не припиниться. Якщо дві поверхні розташовані дуже близько одина до одної, то волога залишиться між матеріалами, що може викликати щільову корозію.

Тому при проєктуванні фасадів зі сталі Кортен необхідно забезпечити контрольоване відведення води, а також достатню вентиляцію конструкцій. Вода ні за яких обставин не повинна затримуватися на поверхні. Вентиляційний зазор повинен бути досить широким, не менше 30 мм. Все примикання до цоколя, нерівностей, а також прилеглих до них конструкцій (балконів, козирків і т.д.) повинні бути виконані так, щоб вентиляційний зазор залишався відкритим. Похилі довгі нащільники в місцях примикання не повинні давати можливість воді, що стікає по конструкції фасаду, потрапляти на поверхні інших матеріалів. З карнизу і даху вода повинна відводитися максимально централізовано, переважно за допомогою прихованої системи водовідведення для запобігання забрудненню, що викликаються проточною водою.

В процесі патинування слід уникати улаштування великих нависаючих конструкцій, оскільки в тіні після установки фасаду створення патини відбувається повільніше.

Електрохімічна несумісність, а також особливості, пов’язані з проточною водою, є факторами, які обмежують вибір матеріалів, що використовуються разом зі сталлю Кортен. При цьому в якості матеріалу для кріплення рекомендується використання нержавіючої сталі. При комбінуванні різних матеріалів завжди повинна бути забезпечена ретельна ізоляція місць їх з’єднань. Найбезпечнішим вибором в якості прилеглих матеріалів є матеріали з гладкою і твердою поверхнею, а також хімічно сумісні матеріали і матеріали, які не забарвлюються кольором води, що стікає по конструкціях із сталі Кортен.

Попереднє патинування Кортен

У разі застосування фасаду зі сталі Кортен із зовнішнім склінням або в умовах відсутності можливості циклічного зволоження-висихання, рекомендується використовувати попереднє патинування.

Попереднє патинування дає змогу отримати матеріал з естетично закінченим зовнішнім виглядом, а також уникнути більшості складнощів, пов’язаних зі стіканням води з конструкції Кортен на сусідні матеріали.

Якщо попереднє патинування організувати неможливо, сталь Котен повинна бути ретельно очищена від окалини, масла та інших забруднень, а після установки Котен слід промити, щоб процес патинування почався рівномірно.

Baltic Square Office Building, Фінляндія

Екологічні аспекти

Екологічна цінність сталі Кортен буде ще більш підкреслена в майбутньому, оскільки критерії класифікації навколишнього середовища стануть жорсткішими. Деякі матеріали для покриття можуть бути повністю заборонені в якості будівельних матеріалів, що призведе до проблем, коли обробка поверхні вимагатимє поновлення або технічного обслуговування. Цей ризик не поширюється на Кортен. Оскільки тут покриття не потрібно, Кортен можна переплавити і використовувати повторно.

Проєктування зі сталі Кортен

Загальні вимоги

Особливі властивості сталі Кортен можуть бути використані в конструкціях, що мають тривалий термін служби і майже не вимагають технічного обслуговування. Проте, слід враховувати особливі вимоги цієї сталі при проєктуванні. Слід звернути увагу на конструкцію місць стиків і вузлів, щоб полегшити процес патинування сталі Кортен і уникнути появи електрохімічної і щілинної корозії. Також важливо правильно вибрати конкретну марку сталі Кортен, найбільш підходящу для даного застосування, оскільки між властивостями різних марок існують значні відмінності.

Особливості проєктування

Слід уникати утворення горизонтальних поверхонь при проєктуванні та монтажі, оскільки продукти окислення, що відшаровуються, особливо з тильної сторони листа, легко накопичуються в місцях згинів, де вони утримують вологу, що може привести до неконтрольованої корозії. Якщо ж уникнути появи горизонтальних поверхонь неможливо, то необхідно забезпечити ефективне відведення води, наприклад, за допомогою пристрою дренажних отворів. Також вузли з’єднання повинні бути спроєктовані таким чином, щоб вони не утворювали поверхонь, які можуть збирати воду.

Основною особливістю з’єднання елементів є ретельне запобігання щілинної і електрохімічної корозії. Облаштування зазору шириною не менше 1 мм між панелями, що з’єднуються запобігає щелевій корозії, викликаної капілярним ефектом води. При меншому зазорі капілярні сили можуть втягувати воду в зазор і викликати корозію. Найпростіший спосіб запобігти утворенню електрохімічних пар полягає в використанні дистанційних пластин між частинами, що з’єднуються.

У разі використання конструкцій зі сталі Кортен під фасадним облицюванням, необхідно забезпечити достатню вентиляцію для процесу патинування, який заснований на циклічному зволоженні та висиханні сталі. Вентильований зазор повинен бути влаштований по всій довжині фасаду і мати ширину не менше 30 мм.

Ударна в’язкість

Характер руйнування сталі є важливим фактором в несних конструкціях, особливо при їх зовнішньому застосуванні. Достатня ударна в’язкість матеріалу забезпечує пластичне руйнування замість крихкого.

Використання фосфору в якості легуючого елемента підвищує погодостійкість сталі, але висока ударна в’язкість не може бути досягнута, якщо вміст фосфору перевищує 0,025% або вміст сірки більш 0,020%.

Вміст фосфору в усіх марках сталі Кортен, за винятком Cor-Ten B-D, становить 0,07-0,15%. З цієї причини COR-TEN B-D відповідає мінімальним вимогам по ударній в’язкості відповідно до EN 10025.

Проєктувальник визначає ударну в’язкість (клас якості) сталі відповідно до Eurocode ENV 1993-1-1, додатком C. Сталь марки D (J2) зазвичай використовується в несних конструкціях зовнішнього застосування. Фактори, що сприяють крихкому руйнуванню, включають низькі температури і ударнє навантаження.

Зварювання

Ударна в’язкість зварних з’єднань в зовнішніх несних конструкціях повинна бути підтверджена.

Межа плинності сталей Кортен не перевищує 350 Н/мм², тому для забезпечення зварюваності спеціальні заходи не потрібні. Однак, якщо товщина зварюваного листа перевищує 25 мм, то необхідна перевірка.

Зварюваність сталей Кортен практично аналогічна зварюваності конструкційних сталей такого ж класу міцності. Для зварювання сталі Кортен (як Кортен з Кортен, так і Кортен з іншими конструкційними сталями) можуть використовуватися всі звичайні методи: дугове зварювання металу за допомогою покритого або флюсового електроду, дугове зварювання під флюсом, зварювання MIG/MAG і контактне зварювання.

Рекомендовані зварювальний дріт і електроди (ESAB)

* не містить мідь

Перед зварюванням необхідно видалити з поверхні листа оксидну плівку шириною 10-20 мм. При використанні безперервного і точкового зварювання шов повинен бути заповнений лаковою шпаклівкою.

Корозійна стійкість забезпечується за рахунок використання атмосферостійкої основи наплавленого металу, склад якого аналогічний складу основного металу, наприклад, дроту і електродів, які містять мідно-нікелевий сплав. Межа плинності наплавленого металу зазвичай повинна бути на 5% вище межі плинності основного металу. У кутових зварних з’єднаннях з катетом шву до 4 мм, а також при стикових зварних швах шириною менше 4 мм, метал шва зазвичай стає досить легованим за допомогою основного металу і легуючі присадки не потрібні. Багатопрохідні зварні шви можуть бути частково виконані з вуглецевих сталевих зварювальних матеріалів і завершені за допомогою електродів з низьколегованої сталі, які володіють атмосферостійкими характеристиками.

Обмежено атмосферостійкі сталі містять легуючі елементи, такі як хром, мідь і нікель, що підвищує міцність сталі. З цієї причини, при великій товщині листа потрібно трохи більший попередній нагрів в порівнянні зі звичайними конструкційними сталями. Робоча температура і потреба в попередньому нагріванні встановлюється на основі загальної товщини листа, яка визначається як загальна товщина складеного листа. Зварні з’єднання повинні бути перевірені відповідно до стандарту EN 3834 із дотриманням вимог, зазначених у кресленнях.

Потреба в попередньому нагріванні / робоча температура сталей Cor-Ten B і B-D

Формованість

Сталь Кортен піддається різянню та згину аналогічно звичайним конструкційним сталям. Атмосферостійка сталь з найкращою здатністю до згину – Cor-Ten AF. Радіус згину відкритих профілів становить (2-3) х товщина листа, в залежності від товщини. Мінімальна ширина заготовки, яка може бути зігнута, становить 50 мм. Радіус згину трубчастих профілів становить 2,5 х товщина стінки. Однак, слід зазначити, що можуть з’являтися складності при виробництві труб, якщо відношення діаметру до товщини стінки мале (D / t <10).

Мінімально допустимий внутрішній радіус згину сталей Кортен в залежності від товщини листа, мм

Пішохідний міст, США

Характеристики міцності

Механічні властивості сталей Кортен

Нижня межа плинності сталей Кортен дорівнює R_el = 345 Н/мм², а межа міцності становить R_m = 485 Н/мм². При цьому корозія може значно впливати на листи малої товщини. У промисловому середовищі корозія зменшує товщину листа Cor-Ten B приблизно на 0,16 мм за десять років, а Cor-Ten A – на 0,12 мм. Це означає, що міцність тонких листів значно зменшується, особливо якщо корозії піддаються обидві сторони листа.

З цієї причини рекомендується враховувати припуск на корозію номінальної товщини матеріалу. Гарна атмосферна стійкість сталі Cor-Ten забезпечується самим матеріалом за умови його поперемінного зволоження і висихання. Якщо це неможливо, то конструкція потребує антикорозійного оброблення, наприклад забарвленням.

Прогнозований допуск на корозію сталі Кортен при зовнішньому застосуванні

Сертифікати на матеріали атмосферостійких сталей складаються відповідно до вимог стандарту EN 10204.

Термічна обробка

Сталь Cor-Ten, як правило, не вимагає додаткової термічної обробки після зварювання. У разі виготовлення особливо відповідальних несних конструкцій з товстих листів, коли проведення термічної обробки ініційовано замовником, рекомендується проводити:

• Відпал для зняття залишкових напружень при температурі +550…+ 600 °С (мета + 580 °С) з витримкою 2 хвилини на 1 мм товщини, але не менше 30 хвилин, і повільним охолодженням у печі.
• Нормалізацію при температурі +860…+940 °С (мета + 910 °С) з витримкою 1 хвилина на 1 мм товщини, але не менше 15 хвилин, і охолодженням на повітрі.

Кріпильні матеріали для Кортен

Як правило, кислотостійка сталь є найнадійнішим матеріалом для кріплення сталі Кортен. Нержавіюча сталь марки AISI 304 також може використовуватися для самонарізних шурупів за умови використання гумового ущільнювача. Можна використовувати кріплення з покриттям, що зменшує тертя і корозію, наприклад, Ruspert. Для болтових з’єднань також розроблена сталь марки Cor-Ten X.

У болтових з’єднаннях слід уникати зазорів між болтом і з’єднуваним елементом. Герметичність з’єднання може бути забезпечена за допомогою використання відповідного ущільнювача. В якості такого матеріалу рекомендується використовувати неопрен з твердістю не менше 65 одиниць за шкалою Шора А і межею міцності на розрив не менше 6 Н/мм². Неопрен має високу стійкість до озону, ультрафіолетового випромінювання, хімікатів і зносу. Неопренові листи зазвичай доступні в товщині 0,5 – 30 мм, а також з можливістю різання в розмір та з самоклеючим покриттям. В разі необхідності забезпечення газонепроникності, в якості ущільнювача слід використовувати бутилкаучук. У місцях з’єднань з осьовим зазором слід використовувати тефлонову стрічку (політетрафторід, ПТФЕ).

Для дрібного кріплення, такого як самонарізні шурупи, між головкою і шайбою, використовуються гумові прокладки з EPDM. Як дистанціюючи елементи для заповнення простору між листом і кріпильним елементом можуть використовуватися втулки. Такі втулки стискаються з обох сторін попередньо просвердленого отвору, а також запобігають прокручуванню кріплення.

Дистанціюючи елементи слід використовувати також і з іншими матеріалами, оскільки всі метали однаково схильні до щілинної корозії. Крім того, при з’єднанні різних металів виникає ймовірність появи електрохімічної корозії. При цьому рекомендована товщина ущільнювача повинна становити не менше 1,0 мм.

Види матеріалів, які можуть бути використані між сталями Кортен

Кріплення конструкцій каркасу зі сталі Кортен

Вогнестійкість Кортен

При пожежі сталь Кортен поводиться так само, як звичайна конструкційна сталь. Вогнезахист Кортен звичай не потрібен, оскільки атмосферостійка сталь в основному використовується в конструкціях зовнішнього застосування.

У разі застосування Кортен в несних колонах, найбільш доцільним способом вогнезахисту є використання композитної конструкції зі сталевої труби із заповненням залізобетоном. Розміри конструкції повинні бути підібрані таким чином, щоб виключити необхідність застосування будь-якого виду вогнезахисту. Колони і балки можуть використовуватися без будь-якої вогнезахисту, якщо вони розташовані на достатній відстані від вікон або будь-яким іншим чином захищені від нагрівання. Однак в цих випадках часто потрібна окрема перевірка.

Фарбування Кортен

Фарбування сталі Кортен рекомендується, якщо умови експлуатації конструкції будь-яким чином можуть перешкоджати розвитку природного створення шару патини або вона залишається вологою протягом тривалого часу. Термін служби забарвлених сталей Кортен приблизно в два рази перевищує термін служби звичайних вуглецевих сталей.

Конструктивні рішення

В цьому розділі показаний приклад використання тонколистової сталі Кортен при облаштуванні фасадних конструкцій в Baltic Square Office Building в Фінляндії. Основним принципом проєктування є забезпечення вільного процесу послідовного зволоження і висихання.

Якщо поверхня протягом тривалого часу залишатиметься вологою, то процес корозії почне прогресувати і матеріал, в кінцевому підсумку, може проржавіти наскрізь. Вода, яка потрапляє в стик між поверхнями що з’єднуються, може призвести до появи щілинної корозії.

Висихання поверхонь Кортен і мінімізація фарбування, викликаного стіканням іржавої води із зовнішнього облицювання, були забезпечені завдяки застосуванню таких принципів при проєктуванні:

• Всі горизонтальні поверхні розташовані з ухилом для виключення можливості накопичення на них води.
• Всі елементи зі сталі Кортен відокремлені один від одного і від інших металевих частин за допомогою неопренових або подібних ізолюючих матеріалів. Це забезпечує приплив повітря з кожного боку.
• Всі елементи кріплення виконані з кислотостійкої сталі. Використовуються ізолюючі втулки між кріпленням і виробами зі сталі Кортен.
• Зведено до мінімуму використання сталі Кортен в безпосередній близькості від пішохідних маршрутів через можливість стікання іржавої води зі сталевих поверхонь.
  Облаштовано організоване відведення іржавої води з поверхонь.
• Забезпечено технічний супровід на будівельному майданчику для реалізації передбачених проєктних рішень.

На рисунках 1-3 показані рішення, що використовуються при зовнішньому касетному облицюванню стіни для забезпечення висихання металевих поверхонь. На рисунку 4 показані рішення із застосування дизайнерського профілю на вентильованому фасаді. Скління подвійного фасаду будівлі Baltic Square Office Building не проводилося до тих пір, поки не було досягнуто часткове патинування сталі Кортен. На рисунку 5 показані невірні рішення, які не даєють змогу сталі висихати, в результаті чого в тонкому сталевому листі може з’явитися наскрізна корозія.

Рис. 1 Горизонтальний стик фасадних касет Кортен, вертикальний розріз (зліва). Вертикальний стик фасадних касет Кортен, горизонтальний розріз (праворуч).

Рис. 2 Нижня кромка фасадної конструкції з касетою Кортен, примикання до цоколя та відведення води (зліва). Примикання фасадної конструкції з касетою Кортен до вікна, вертикальний розріз по низу вікна (праворуч).

Рис. 3 Примикання фасадної конструкції з касетою Кортен до вікна, вертикальний розріз по верху вікна (ліворуч). Парапетна планка фасаду з касет Кортен, вертикальний розріз (праворуч).

Рис. 4 Фасадне облицювання дизайнерським профілем зі сталі Кортен, не піддається атмосферному впливу (наприклад, позаду подвійного фасаду), вертикальний розріз по примиканню до вікна (ліворуч) і вертикальний розріз по стіні (праворуч)

Рис. 5 Неправильна подконструкция та горизонтальний стик касет зі сталі Кортен.

1. Касета зі сталі марки Cor-Ten A товщиною 1,5 мм. Згини виключають появу горизонтальних поверхонь.

2. Підконструкція зі сталі марки Cor-Ten A товщиною 1,0 мм. Несна підконструкція відкритого шву формує ринва. Місця з’єднання жолобів герметизуються, наприклад, бутиловою сумушшю і вода вільно відводитися в нижній частині стінової конструкції.

3А. Кріпильний шуруп AISI 316 (наприклад Spedec Sx 3/10 – S16 – 5.5×28) + хлоропренова каучукова шайба.

3B. Кріпильний шуруп AISI 316 (наприклад Spedec Sx 3/15 – S16 – 5.5×38) + хлоропренова каучукова шайба.

4. Втулка під шурупом (наприклад Teknikum 738 720, чорна). У разі її відсутності вільна вентиляція припиняється.

5. За необхідності, бутилова стрічка використовується між направляючою і несної підконструкцією в якості дистанціюючого шару.

6. Підконструкція (наприклад вітрозахисний гіпсокартонний лист).

7. Зовнішній відлив зі сталі Кортен товщиною 1,0 мм.

8. У місцях стику під зовнішнім підвіконним відливом встановлюються опорні елементи зі сталевого листа із покриттям Hiarc і бутиловою стрічкою (колір RR 32, темно-коричневий).

9. Темний колір цоколя приховує плями від стікання іржавої води. Водовідведення повинно здійснюватися організовано.

10. Парапетна планка зі сталі Кортен товщиною 1,0 мм, мінімальний ухил 1:20. Кріплення здійснюється до вологостійкої фанери за допомогою самонарезаючих шурупів в вертикальну площину. Карнизні планки ізолюються бутиловой стрічкою.

11. Капельник зі сталі з покриттям Hiarc.

12. Вентиляційна решітка зі сталі Кортен.

13. Дизайнерський профіль зі сталі марки Cor-Ten A товщиною 1,0 мм. Дизайнерські профілі стикуються внапуск з ізоляцією.

14. Підконструкция зі сталі марки Cor-Ten A товщиною 1,0 мм.

15. Кріпильний шуруп AISI 316 (наприклад Spedec Sx 3/10 – S16 – 5.5×28) + хлоропренова каучукова шайба.

16. У разі потреби між підконструкцією і несною стіною використовується дистанціююча бутилова стрічка.

17. Підконструкція (наприклад вітрозахисний гіпсокартонний лист).

18. Хлоропренова каучукова стрічка між дизайнерським профілем і підконструкцією.