Steel Stud Bearing Walls

Multi-Unit Residential Construction

Præfabrikerede, strukturelle koldformede metalrammer (CFMF) er et populært konstruktionssystem og et økonomisk alternativ til konstruktionsstål eller armerede betonsystemer til byggeri i mellemste etage. CFMF-vægsystemer er særligt ønskværdige til 6-12 etagers flerfamilieboliger eller ejerlejligheder, studieboliger, ældreboliger og hoteller. Lodret justerede boligvægge og skillevægge gør det muligt for CFMF at stable CFMF-vægge på samme måde som bærende vægkonstruktioner med trærammer eller betonmurværk (CMU). CFMF-vægge er dog mindre højdebegrænsende end trævægge på grund af stålets højere styrke og er ikke så arbejdskrævende som CMU-vægge på grund af præfabrikation. Desuden integrerer CFMF-systemer vægpaneler som det strukturelle system i det, der typisk ville være ikke-strukturelle, stavbyggede skillevægge.

Den fremherskende anvendelse af CFMF-vægpanelsystemer er forbundet med design- og konstruktionsudfordringer. Delegeret designintegration, fagkoordinering i et traditionelt ikke-strukturelt element og brandhæmmende detaljer er blandt udfordringerne for dette system. Denne artikel opsummerer CFMF-systemets layoutproces, design- og specifikationsmuligheder og overvejelser, der kan overses i den indledende planlægning og prissætning.

Systemoversigt

CFMF-systemer er mest effektive, når vægpanelerne flugter, eller “stabler”, fra fundament til tag. Boligbyggeri med flere enheder integrerer ofte programmeringsrum til detailhandel, kontor, faciliteter eller parkering typisk på de laveste niveauer i bygningen. I disse tilfælde er de bærende CFMF-vægge konstrueret på et podiumniveau, typisk af konstruktionsstål eller støbt på stedet armeret beton. Begge systemer kan konstrueres til at understøtte diskontinuerlige bærende vægge og til at give en øget brandklassificeret adskillelse, som kan være påkrævet mellem forskellige anvendelsesområder. Fra starten af et projekt bør der være en dialog mellem designteamet og ejeren om at stable væggene, og ideelt set vægåbningerne, for at minimere overførsler inden for CFMF-systemet.

Præfabrikerede, strukturelle CFMF-vægpaneler. Med venlig hilsen fra Bear Construction Co.

CFMF-bærende vægge kan placeres med en afstand på mellem 10 og 32 fod, afhængigt af gulvkonstruktionens spændvidde. For at spænde mellem de bærende vægge omfatter gulvsystemets muligheder pladsstøbt beton på et ubeskyttet kompositståldæk, pladsstøbt beton på et afstivet ståldæk med lang spændvidde eller præfabrikerede, forspændte hulkerneplanker. Alternativt kan gulvkonstruktionen bestå af betonpaneler eller ståldæk, der understøttes af CFMF-gulvbjælker, som spænder mellem de bærende vægge.

Hvert gulvsystem har fordele og ulemper. F.eks. kræver beton på et ubeskyttet kompositståldæk mindre arbejdskraft i forbindelse med afstivning end et afstivet ståldæk med lang spændvidde; ubeskyttet ståldæk er dog typisk begrænset til en spændvidde på ca. 15 fod, hvor et dæk med lang spændvidde kan opnå op til 32 fod mellem strukturelle vægge. Præfabrikerede, forspændte, hullede kerneplanker kan opnå lignende spændvidder som ståldæk med lang spændvidde; planker kan dog kræve en strukturel top for gulvniveau og er et tungere system, hvilket resulterer i øget belastning på vægpanelerne, podiet og fundamenterne.

Usolgte sammensatte ståldækskonstruktion.

Sammenlignet med ståldækkemuligheder kan CFMF-gulvbjælker være tiltalende på grund af deres spændvidde uden brug af afstivning; et CFMF-gulvbjælkesystem er dog generelt 6 til 12 tommer dybere end et ståldækkesystem, hvilket giver mindre plads til MEP-distribution, hvilket kræver lavere lofter eller nødvendiggør større gulv-til-gulv-højder. Desuden kan CFMF-gulvbjælkesystemer kræve en brandklassificeret loftskonstruktion, hvor ståldækkesystemer typisk kan opnå en ubeskyttet brandklassificering i betonen. Ståldæksystemer (med eller uden afstivning) er tiltalende på grund af deres enkelhed i detaljerne og tynde profil. Hvis spændvidden er parallelt med en central korridor, kræves der for både dæk- og CFMF-bjælkesystemer en overligger til at spænde fra CFMF-vægpanelets ende over korridoren, hvis spændvidden er parallel med en central korridor. Forhænget er en del af den strukturelle belastningsbane og kan kræve en 1- eller 2-timers brandklassificering.

Det sidelastmodstandsdygtige system (LLRS) til en CFMF-bygning kan bestå af en række forskellige strukturelle systemer. Det kan være fordelagtigt at anvende CFMF-væggene som det laterale system, idet man benytter sig af enten plader eller CFMF-stålbånd. I dette tilfælde er overførsel af væltningsmomenter i vægsystemerne og overførsel af belastningerne fra CFMF-væggene til podiekonstruktionen vigtige overvejelser; i førstnævnte tilfælde kan de yderligere detaljer forringe systemets effektivitet. Alternativt er vægge omkring trapper og elevatorer et velegnet sted at indføre armerede betonskervægge, CMU-skervægge eller stålforstærkede rammer til LLRS. Uanset hvilket system der vælges, er rækkefølgen af fagene en kritisk diskussion, der skal føres med potentielle entreprenører, uanset om de er involveret tidligt i projektet i en rolle som designassistenter eller byder på projektet.

Design og specifikation

Traditionelt har CFMF-vægpanelkonstruktion været styret af systemer, der blev udviklet af fabrikanter og deres specialiserede bygningsingeniør (SSE). SSE’en designer disse systemer, som er afstemt efter entreprenørens foretrukne fremstillings- og installationsteknikker. En alternativ fremgangsmåde er, at den ansvarlige konstruktør (Structural Engineer of Record (SER)) i designteamet udformer et skræddersyet system til indramning af stolper eller uddelegerer udformningen af et skræddersyet system til entreprenøren. SER’en, der designer systemet, er den mindst almindelige fremgangsmåde og behandles ikke her.

En passende delegeret konstruktion, uanset om der er tale om et brugerdefineret eller proprietært system, kræver, at designteamet identificerer placeringen og omfanget af de bærende CFMF-vægge på tegningerne. Den delegerede konstruktion af et byggesystem beskriver et scenarie, hvor SER giver et sæt konstruktionskriterier, som en entreprenørs SSE skal følge for at konstruere, fremstille og installere det identificerede byggesystem. Ud over at identificere CFMF-væggenes placering og omfang er det vigtigt, at designteamet angiver andre faggrupper, både strukturelle og ikke-konstruktionsmæssige, der indgår i grænsefladen eller er integreret i CFMF-væggene.

En afgørende del af de delegerede designkriterier er formidlingen af oplysninger om væg- og gulvbelastning til entreprenørens SSE. Gulvlastplaner bør anvendes til at vise størrelsen og omfanget af overlejrede døde og levende belastninger, især store eller uensartede belastninger og udvendige vægbelastninger. Der kan også være behov for specifikke detaljer for at angive placering og størrelse af udvendige vægbelastninger eller punktbelastninger, såsom overførsler, korridoroverføringsbjælker og udstyr på taget.

Udvendige vægbeklædninger er ofte en delvis eller fuldstændig delegeret konstruktion. Krydsningen af flere delegerede designkomponenter kan resultere i dårlig koordinering under opførelsen. Designteamet skal klart dokumentere basis-of-design detaljer for integrationen af de forskellige systemer som grundlag for entreprenørens budgivning. Desuden er en ansvarsmatrix et nyttigt redskab til at dokumentere de roller, som arkitekten (Architect of Record (AoR)), SER, hovedentreprenøren (GC), de specialiserede underleverandører, CFMF-fabrikanten/installatøren og dennes SSE samt udendørsvægfabrikanten/installatøren og dennes SSE spiller under gennemgangen af de indleverede forslag og den efterfølgende konstruktion. Matrixen kan offentliggøres sammen med konstruktionsdokumenterne for at definere designafgrænsningen for hver enkelt konstruktør. Designteamet kan basere sig på matricen under gennemgangen af de indsendte dokumenter for at angive den nødvendige koordinering med andre faggrupper.

Uanset hvilket system der er tale om – proprietært eller specialfremstillet – bør SER udarbejde en foreløbig analyse af de typiske CFMF-vægkomponenter, både for at fastslå acceptabiliteten for det påtænkte layout og for at tilvejebringe et designgrundlag for budgettering og budgivning forud for byggeriet. Denne indsats validerer fremgangsmåden, fastlægger konstruktionsbelastninger for podiet og fundamenterne, hjælper SER med at identificere vigtige layoutmuligheder eller begrænsninger og angiver over for SER, hvor der er behov for særlige detaljer, minimumsstørrelser eller materialeprofiler. Dette vil hjælpe SER med at udvikle en mere pålidelig delegeret konstruktion.

Design- og konstruktionsovervejelser

Podiumskonstruktion

Konstruktionen på podieplan bør konstrueres efter forhøjede nedbøjningskriterier for at tage højde for følsomheden af de gipsplader (GWB) beklædte CFMF-bærende vægge. Akkumuleret forskydning kan resultere i ikke-strukturelle revner i overfladen, hvis et podiumniveau ikke er tilstrækkeligt stiv. Tidlig programmering bør tage hensyn til den øgede dybde af konstruktionen under første etage af CFMF-bærende vægge.

Brandklassificering

Som de primære strukturelle lastbærende elementer kan CFMF kræves at opnå op til en 2-timers brandklassificering. En 2-timers klassificering opnås med et andet lag GWB på hver side af væggen. Dette er en ekstra vægt, som skal tages i betragtning ved konstruktionen af stolperne og klart angives i delegeringssproget til SSE. En yderligere overvejelse for arkitekter og entreprenører er kontinuiteten i klassificeringen – den skal fortsætte omkring dørkarme, elbokse og lignende elementer, der er integreret i den strukturelle CFMF-væg. I det omfang det er muligt, bør designteamet koordinere alle gennemføringer i en CFMF-væg, så de sker inden for en ikke-strukturel del af en CFMF-konstruktionsvæg for at forenkle brandklassifikationsdetaljerne under opførelsen.

Fremtidig fleksibilitet

Selv om CFMF gør det muligt for en typisk ikke-strukturel skillevæg at fungere som et primært strukturelt element, giver det typisk ikke mulighed for fremtidig fleksibilitet. Mens dette kan være acceptabelt for hoteller og kollegier, kan det være mindre ønskeligt i lejligheder og især i ejerlejligheder, hvor ejerne måske ønsker mulighed for at ændre deres enhed eller kombinere enheder i fremtiden. En beskyttelse mod begrænsning af fremtidig fleksibilitet er at anvende et langspændt gulvsystem, hvor enten ydervægge og korridorvægge er de primære bærende vægge, eller kun enhedens partivægge er de primære bærende vægge, eller en kombination heraf.

Stored long-span steel deck construction.

Non-Stacked Walls

CFMF bærende vægge er et effektivt system til programmer med gentagen brug som f.eks. boligbyggeri. Men når atypiske programmer flytter ind i, under eller over CFMF-bærende vægge, belaster ineffektiviteter systemet. Dette sker typisk i form af varmvalset konstruktionsstål inden for stålstolpevæggene, en uafhængig strukturel stålramme eller lignende programmer. Dette resulterer i ineffektivitet i CFMF-væggenes design og fremstilling og øger kompleksiteten af byggesektorens sekvensering.

Topspor detaljer

Topspor i en CFMF-bærende væg fungerer som et lastfordelingselement, hvor gulvsystemet (f.eks. den lave fløjte på ståldækket eller flangen på en CFMF-bjælke) ikke nødvendigvis flugter med en lodret studs. Vægpaneler monteres typisk oven på hvert gulvniveau, så det øverste spor skal konstrueres/detaljeres til at overføre belastningen fra gulvsystemet og gulvene på det øverste niveau til den tilstødende lodrette studs. Det er forfatternes erfaring, at det er en falsk økonomi for entreprenøren at tage en omkostningsbesparelse ved at antage, at installatørerne vil tilpasse gulvsystemet til de enkelte stolper.

Construction Sequencing

Tænkning i koordineringen af fagene under den vertikale monteringssekvens vil fremme byggeriets effektivitet. Traditionelle fag som f.eks. murere, tømrere, jernhåndværkere, betonleverandører og betonarbejdere vil skulle inddeles efterhånden som hver etage bygges, og de vil skulle uddannes om integrationen af deres systemer med CFMF-konstruktionen.

Strukturelle vs. skillevægsstolper

Historisk set er CFMF ikke en del af den primære strukturelle bygningsramme, men tjener typisk som en udvendig reservevæg eller en skillevæg. Selv om dette er en del af systemets intriger og effektivitet, kan det skabe forvirring på byggepladsen. Det er vigtigt at dokumentere det strukturelle CFMF tydeligt på både strukturelle og arkitektoniske tegninger. Det er dog endnu vigtigere at oplyse entreprenøren og dennes underleverandør tidligt og ofte om, at den strukturelle CFMF ikke kan ændres uden gennemgang og analyse af den sikkerhedsorienterede sikkerhedsvurdering af CFMF. Almindelige ændringer i marken omfatter gennemtrængninger gennem stolper til VVS- og elsystemer og midlertidig fjernelse af stolper for at sikre udstigning fra byggeriet.

Udvendig beklædning og pladekanter

Den udvendige kant af en CFMF-bærende vægbygning kan ofte kun være den tynde kant af en betonplade på et ståldæk. Dette skaber en strukturel effektivitet, men kan skabe hjertesorger i facaden afhængigt af materialet og fastgørelsessystemet. Det er afgørende at fastlægge facadematerialer og fastgørelsessystemer tidligt, når man overvejer et CFMF-strukturelt system – de særlige detaljer, der kræves for visse facadesystemer, kan hurtigt udhule enhver effektivitet i den strukturelle CFMF. AoR og SER bør fastlægge grundlaget for konstruktionsdetaljerne for facadebefæstigelserne og kravene til både den strukturelle og ikke-strukturelle CFMF ved facadebefæstigelserne.

Summary

CFMF-bærende vægbygninger er i stigende grad en omkostningseffektiv løsning på markedet for lav- og midterhuse med flere boligenheder. Da der er tale om en ny tilgang til design og konstruktion, er der en indlæringskurve for både designere og entreprenører. Forståelse af mulighederne og udfordringerne ved systemet er nøglen til et vellykket projekt.■