Steel Stud Bearing Walls

Multi-Unit Residential Construction

Vorgefertigte, strukturelle kaltgeformte Metallrahmenwände (CFMF) sind ein trendiges Konstruktionssystem und eine wirtschaftliche Alternative zu Baustahl- oder Stahlbetonsystemen für den Bau mittlerer Stockwerke. CFMF-Wandsysteme sind besonders für 6- bis 12-stöckige Mehrfamilienhäuser oder Eigentumswohnungen, Studentenwohnungen, Seniorenwohnungen und Hotels geeignet. Durch vertikal ausgerichtete Trenn- und Zwischenwände lassen sich CFMF-Wände wie Holzrahmen- oder Betonmauerwerkswände stapeln. Aufgrund der höheren Festigkeit von Stahl sind CFMF-Wandgebäude jedoch weniger höhenbeschränkt als Holzbauten und aufgrund der Vorfertigung nicht so arbeitsintensiv wie CMU. Darüber hinaus werden bei CFMF-Systemen Wandpaneele als strukturelles System in nicht-strukturelle, in Ständerbauweise errichtete Trennwände integriert.

Die weite Verbreitung von CFMF-Wandpaneelsystemen bringt Herausforderungen bei Planung und Bau mit sich. Zu den Herausforderungen bei diesem System gehören die Integration der Planung, die Koordinierung der Gewerke in einem traditionell nicht tragenden Element und die feuerbeständigen Details. Dieser Artikel fasst den Prozess der Auslegung von CFMF-Systemen, Design- und Spezifikationsoptionen sowie Überlegungen zusammen, die bei der anfänglichen Planung und Preisgestaltung übersehen werden können.

Systemüberblick

CFMF-Systeme sind am effizientesten, wenn die Wandpaneele vom Fundament bis zum Dach ausgerichtet oder „gestapelt“ werden. Beim Bau von Mehrfamilienhäusern werden in der Regel in den untersten Etagen des Gebäudes Flächen für Einzelhandel, Büros, Freizeiteinrichtungen oder Parkplätze untergebracht. In diesen Fällen werden die tragenden CFMF-Wände auf einer Podiumsebene konstruiert, in der Regel aus Baustahl oder Ortbeton. Beide Systeme können so konstruiert werden, dass sie diskontinuierliche tragende Wände unterstützen und eine erhöhte Brandabschnittsbildung ermöglichen, die zwischen verschiedenen Nutzungen erforderlich sein kann. Von Beginn eines Projekts an sollte ein Dialog zwischen dem Planungsteam und dem Bauherrn stattfinden, um die Wände und idealerweise die Wandöffnungen so zu stapeln, dass Übertragungen innerhalb des CFMF-Systems minimiert werden.

Vorgefertigte, strukturelle CFMF-Wandpaneele. Mit freundlicher Genehmigung von Bear Construction Co.

Die tragenden CFMF-Wände können in Abständen zwischen 10 und 32 Fuß aufgestellt werden, je nach Spannweite der Bodenkonstruktion. Für die Überbrückung zwischen den tragenden Wänden kann die Deckenkonstruktion aus Ortbeton auf einem nicht abgestützten Stahlverbunddeck, aus Ortbeton auf einem abgestützten weitgespannten Stahldeck oder aus vorgefertigten, vorgespannten Hohlkernbohlen bestehen. Alternativ kann die Deckenkonstruktion aus Betonplatten oder einer Stahldecke bestehen, die auf CFMF-Bodenbalken ruht, die sich zwischen den tragenden Wänden erstrecken.

Jedes Deckensystem hat Vor- und Nachteile. Zum Beispiel erfordert Beton auf einem nicht verankerten Stahlverbunddeck weniger Arbeit als ein verankertes weitgespanntes Stahldeck; allerdings ist ein nicht verankertes Stahldeck typischerweise auf eine Spannweite von etwa 15 Fuß begrenzt, während ein weitgespanntes Deck bis zu 32 Fuß zwischen den tragenden Wänden erreichen kann. Vorgefertigte, vorgespannte Hohlkernbohlen können ähnliche Spannweiten wie weitgespannte Stahldecks erreichen; allerdings können die Bohlen eine strukturelle Unterlage für den Bodenausgleich erfordern und sind ein schwereres System, was zu einer höheren Belastung der Wandpaneele, des Podiums und der Fundamente führt.

Unshored composite steel deck construction.

Im Vergleich zu Stahldeckoptionen können CFMF-Bodenbalken aufgrund ihrer Spannweite ohne den Einsatz von Stützen attraktiv sein; ein CFMF-Bodenbalken-System ist jedoch im Allgemeinen 6 bis 12 Zoll tiefer als ein Stahldecksystem und lässt weniger Platz für die MEP-Verteilung, erfordert niedrigere Decken oder größere Bodenhöhen. Außerdem erfordern CFMF-Bodenbalken-Systeme möglicherweise eine feuerbeständige Deckenmontage, während Stahldeckensysteme in der Regel eine ungeschützte Feuerbeständigkeit innerhalb des Betons erreichen können. Stahldeckensysteme (verankert oder unverankert) sind aufgrund ihrer einfachen Detaillierung und ihres dünnen Profils sehr attraktiv. Sowohl für Deckensysteme als auch für CFMF-Trägersysteme gilt: Verläuft die Spannweite parallel zu einem zentralen Korridor, ist ein Kopfstück erforderlich, das vom Ende der CFMF-Wandplatte über den Korridor reicht. Der Kopf ist Teil des strukturellen Lastpfades und kann eine 1- oder 2-stündige Feuerwiderstandsfähigkeit erfordern.

Das seitliche Lastwiderstandssystem (LLRS) für ein CFMF-Gebäude kann aus einer Vielzahl von strukturellen Systemen bestehen. Es kann von Vorteil sein, die CFMF-Wände als seitliches System zu verwenden und sich dabei entweder auf Folien oder CFMF-Stahlbänder zu stützen. In diesem Fall sind die Übertragung von Kippmomenten in den Wandsystemen und die Übertragung der Lasten von den CFMF-Wänden auf die Podiumsstruktur wichtige Überlegungen; im ersten Fall können die zusätzlichen Details die Effizienz des Systems beeinträchtigen. Alternativ bieten sich die Wände um die Treppen und Aufzüge herum an, um Stahlbeton-Scherwände, CMU-Scherwände oder Stahlverstrebungen für das LLRS einzubauen. Unabhängig von der Wahl des Systems ist die Reihenfolge der Gewerke ein wichtiges Thema, das mit potenziellen Auftragnehmern besprochen werden sollte, unabhängig davon, ob sie in einer frühen Phase des Projekts als Planungshelfer beteiligt sind oder ein Angebot für das Projekt abgeben.

Planung und Spezifikation

Traditionell wurde die Konstruktion von CFMF-Wandpaneelen durch Systeme geregelt, die von den Herstellern und ihren Spezialbauingenieuren (SSE) entwickelt wurden. Der SSE entwirft diese Systeme, die auf die bevorzugten Herstellungs- und Montagetechniken des Auftragnehmers abgestimmt sind. Ein alternativer Ansatz besteht darin, dass der Tragwerksplaner (Structural Engineer of Record, SER) des Planungsteams ein kundenspezifisches Ständerwerkssystem entwirft oder die Planung eines kundenspezifischen Systems an den Bauunternehmer delegiert. Der SER, der das System entwirft, ist der am wenigsten verbreitete Ansatz und wird hier nicht erörtert.

Ein angemessener delegierter Entwurf, ob für ein kundenspezifisches oder ein firmeneigenes System, erfordert, dass das Entwurfsteam die Lage und den Umfang der tragenden CFMF-Wände auf den Zeichnungen identifiziert. Der delegierte Entwurf eines Gebäudesystems beschreibt ein Szenario, in dem die SER eine Reihe von Entwurfskriterien für die SSE eines Bauunternehmers bereitstellt, die bei Entwurf, Herstellung und Installation des identifizierten Gebäudesystems zu befolgen sind. Zusätzlich zur Bestimmung der Lage und Ausdehnung der CFMF-Wände ist es wichtig, dass das Planungsteam andere Gewerke, sowohl strukturelle als auch nicht-strukturelle, angibt, die Schnittstellen zu den CFMF-Wänden bilden oder integraler Bestandteil der CFMF-Wände sind.

Ein entscheidender Teil der delegierten Planungskriterien ist die Übermittlung von Informationen zur Wand- und Bodenbelastung an die SSE des Bauunternehmers. Bodenbelastungspläne sollten verwendet werden, um die Größe und das Ausmaß der überlagernden Eigen- und Nutzlasten, insbesondere große oder ungleichmäßige Lasten und Außenwandlasten, darzustellen. Spezifische Details können auch erforderlich sein, um den Ort und die Größe von Außenwandlasten oder Punktlasten anzugeben, wie z. B. Transfers, Korridorträger und Dachausrüstungen.

Außenwandverkleidungen sind häufig ein teilweise oder vollständig delegierter Entwurf. Das Zusammentreffen mehrerer delegierter Planungskomponenten kann zu einer schlechten Koordination während des Baus führen. Das Planungsteam muss die Planungsgrundlagen für die Integration der verschiedenen Systeme klar dokumentieren, um eine Grundlage für die Auftragsvergabe zu schaffen. Darüber hinaus ist eine Verantwortungsmatrix ein nützliches Hilfsmittel, um die Rollen des Architekten, des Generalunternehmers, der Spezial-Subunternehmer, des CFMF-Herstellers/Installateurs und seiner SSE sowie des Außenwandherstellers/Installateurs und seiner SSE während des Überprüfungsprozesses der eingereichten Unterlagen und der anschließenden Bauarbeiten zu dokumentieren. Die Matrix kann zusammen mit den Bauunterlagen veröffentlicht werden, um die Abgrenzung zwischen den einzelnen Statikern zu definieren. Das Planungsteam kann sich bei der Prüfung der eingereichten Unterlagen auf die Matrix stützen, um die erforderliche Koordinierung mit anderen Gewerken anzuzeigen.

Ungeachtet des Systems – proprietär oder kundenspezifisch – sollte das SER eine vorläufige Analyse der typischen CFMF-Wandkomponenten erstellen, um die Akzeptanz für die geplante Auslegung zu ermitteln und eine Planungsgrundlage für die Budgetierung vor dem Bau und die Angebotsabgabe zu schaffen. Dies dient der Validierung des Ansatzes, der Ermittlung der Bemessungslasten für das Podium und die Fundamente, der Identifizierung der wichtigsten Auslegungsoptionen oder Einschränkungen und der Angabe, wo besondere Details, Mindestgrößen oder Materialstärken erforderlich sind. Dies hilft dem SER bei der Entwicklung eines zuverlässigeren delegierten Entwurfs.

Überlegungen zu Entwurf und Konstruktion

Podiumsbau

Die Konstruktion der Podiumsebene sollte nach erhöhten Durchbiegungskriterien entworfen werden, um die Empfindlichkeit der mit Gipskartonplatten (GWB) verkleideten CFMF-Tragwände zu berücksichtigen. Kumulierte Verschiebungen können zu Rissen in der nichttragenden Oberfläche führen, wenn die Podiumsebene nicht ausreichend steif ist. Bei einer frühzeitigen Planung sollte die größere Tiefe der Struktur unterhalb des ersten Stockwerks von CFMF-tragenden Wänden berücksichtigt werden.

Feuerwiderstandsfähigkeit

Als primäre tragende Konstruktionselemente kann von CFMF eine Feuerwiderstandsfähigkeit von bis zu 2 Stunden verlangt werden. Eine 2-stündige Feuerwiderstandsdauer wird mit einer zweiten Lage GWB auf jeder Seite der Wand erreicht. Dies ist ein zusätzliches Gewicht, das bei der Konstruktion der Ständer berücksichtigt werden muss und in der Delegation an die SSE deutlich angegeben werden muss. Eine weitere Überlegung für Architekten und Bauunternehmer ist die Kontinuität der Bemessung – sie muss um Türpfosten, Elektrokästen und ähnliche, in die CFMF-Strukturwand integrierte Elemente herum fortgesetzt werden. Soweit möglich, sollte das Planungsteam alle Durchdringungen in eine CFMF-Wand so koordinieren, dass sie innerhalb eines nicht-strukturellen Teils einer CFMF-Strukturwand erfolgen, um die Details der Brandschutzeinstufung während des Baus zu vereinfachen.

Zukünftige Flexibilität

Während CFMF es ermöglicht, dass eine typischerweise nicht-strukturelle Trennwand als primäres Strukturelement dient, erlaubt es normalerweise keine zukünftige Flexibilität. Während dies für Hotels und Wohnheime akzeptabel sein mag, ist es bei Wohnungen und insbesondere bei Eigentumswohnungen weniger wünschenswert, da die Eigentümer die Möglichkeit haben möchten, ihre Einheit zu verändern oder Einheiten in Zukunft zusammenzulegen. Eine Absicherung gegen die Einschränkung der zukünftigen Flexibilität ist die Verwendung eines weitgespannten Bodensystems, bei dem entweder die Außen- und Flurwände die primär tragenden Wände sind, oder nur die Wände der Einheitsparteien die primär tragenden Wände sind, oder eine Kombination davon.

Geplante weitgespannte Stahldeckenkonstruktion.

Nicht gestapelte Wände

CFMF tragende Wände sind ein effizientes System für sich wiederholende Nutzungsprogramme wie Wohngebäude. Wenn jedoch atypische Programme in, unter oder über CFMF-tragende Wände wandern, wird das System durch Ineffizienzen belastet. Dies geschieht typischerweise in Form von warmgewalztem Baustahl innerhalb der Stahlständerwände, einem unabhängigen Stahlrahmen oder ähnlichen Programmen. Dies führt zu Ineffizienzen bei der Konstruktion und Herstellung von CFMF-Wänden und erhöht die Komplexität der Abfolge der Baugewerke.

Details der Deckenkonstruktion

Die Deckenkonstruktion innerhalb einer CFMF-Tragwand dient als Lastverteilungselement, wenn das Bodensystem (z. B. die untere Kehle der Stahldecke oder der Flansch eines CFMF-Trägers) nicht unbedingt mit einem vertikalen Ständer fluchtet. Wandpaneele werden in der Regel auf jeder Geschossebene installiert, so dass die oberste Schiene so konstruiert werden sollte, dass sie die Last des Bodensystems und der oberen Geschossebenen auf den angrenzenden vertikalen Ständer überträgt. Nach den Erfahrungen der Autoren ist es für den Bauunternehmer eine falsche Einsparung, wenn er davon ausgeht, dass die Monteure das Fußbodensystem an den einzelnen Ständern ausrichten werden.

Bauablauf

Die Koordination der Gewerke während der vertikalen Montagereihenfolge trägt zur Effizienz des Baus bei. Traditionelle Gewerke wie Maurer, Zimmerleute, Eisenflechter, Betonlieferanten und Betonverleger müssen bei der Errichtung jeder Etage eingesetzt werden, und sie müssen über die Integration ihrer Systeme in die CFMF-Konstruktion unterrichtet werden.

Strukturständer vs. Trennwandständer

Historisch gesehen ist CFMF nicht Teil des primären strukturellen Gebäuderahmens, sondern dient in der Regel als Außenstützwand oder Trennwand. Dies ist zwar Teil der Faszination und Effizienz des Systems, kann aber auf der Baustelle für Verwirrung sorgen. Es ist wichtig, die CFMF-Struktur sowohl in den Konstruktions- als auch in den Bauplänen klar zu dokumentieren. Noch wichtiger ist es jedoch, den Bauunternehmer und seine Subunternehmer frühzeitig und häufig darüber aufzuklären, dass die CFMF-Struktur nicht ohne Überprüfung und Analyse durch das SSE für die CFMF geändert werden kann. Zu den üblichen Modifikationen vor Ort gehören Durchdringungen durch Ständer für Sanitär- und Elektroinstallationen und die vorübergehende Entfernung von Ständern für den Austritt aus dem Gebäude.

Außenverkleidungen und Deckenränder

Die Außenkante eines CFMF-tragenden Wandgebäudes kann häufig nur der dünne Rand einer Betonplatte auf einem Stahldeck sein. Dies ist zwar bautechnisch effizient, kann aber je nach Material und Befestigungssystem zu Problemen an der Fassade führen. Die frühzeitige Festlegung der Fassadenmaterialien und Befestigungssysteme bei der Planung eines CFMF-Struktursystems ist von entscheidender Bedeutung – die für bestimmte Fassadensysteme erforderlichen speziellen Details können die Effizienz der CFMF-Struktur schnell aufzehren. Die AoR und SER sollten die Grundlage der Konstruktionsdetails für die Fassadenbefestigungen und die Anforderungen sowohl an die strukturelle als auch an die nicht-strukturelle CFMF an den Fassadenbefestigungen festlegen.

Zusammenfassung

CFMF-Gebäude mit tragenden Wänden sind zunehmend eine kosteneffiziente Option auf dem Markt für Mehrfamilienhäuser mit niedrigen und mittleren Stockwerken. Da es sich um ein neues Konzept für Planung und Bau handelt, müssen sowohl Planer als auch Bauunternehmer erst einmal lernen. Das Verständnis der Möglichkeiten und Herausforderungen des Systems ist der Schlüssel zu einem erfolgreichen Projekt.■