Teräspulttien kantavat seinät

Monikerroksinen asuinrakentaminen

Esivalmistetut, rakenteelliset, kylmämuotoiset metallirunkoiset kantavat seinät (CFMF-kantavat seinät) ovat trenditietoinen rakentamisjärjestelmä ja taloudellinen vaihtoehto rakenteelliselle teräkselle rakenteelle tai teräsbetonirakenteisille järjestelmille keskisuurten kerrosten rakentamisessa. CFMF-seinäjärjestelmät ovat erityisen suositeltavia 6-12-kerroksisissa kerrostaloasunnoissa tai osakehuoneistoissa, opiskelija-asunnoissa, vanhusten asunnoissa ja hotelleissa. Pystysuorassa olevat asuinhuoneistojen väliseinät ja väliseinät mahdollistavat sen, että CFMF-rakenteet voidaan pinota kuten puurunkoiset tai betonimuuratut (CMU) kantavat seinärakenteet. CFMF-seinärakennukset eivät kuitenkaan ole yhtä korkeusrajoittavia kuin puurakenteiset rakennukset, koska teräs on lujempaa, eivätkä ne ole yhtä työläitä kuin CMU-rakenteet, koska ne valmistetaan valmiiksi. Lisäksi CFMF-järjestelmissä seinäpaneelit integroidaan rakenteelliseksi järjestelmäksi sellaisiin seiniin, jotka tyypillisesti eivät ole rakenteellisia, pylväsrakenteisia väliseiniä.

CFMF-seinäpaneelijärjestelmien yleistyminen tuo mukanaan suunnitteluun ja rakentamiseen liittyviä haasteita. Tämän järjestelmän haasteisiin kuuluvat muun muassa suunnittelun delegoitu integrointi, kaupan koordinointi perinteisesti ei-rakenteellisessa elementissä ja palonkestävät yksityiskohdat. Tässä artikkelissa esitetään yhteenveto CFMF-järjestelmän asetteluprosessista, suunnittelu- ja määrittelyvaihtoehdoista sekä näkökohdista, jotka saattavat jäädä huomiotta alkuperäisessä suunnittelussa ja hinnoittelussa.

Järjestelmän yleiskatsaus

CFMF-järjestelmät ovat tehokkaimmillaan, kun seinäpaneelit ovat samassa linjassa eli ”pinossa” perustuksesta kattoon. Monikerroksisessa asuinrakentamisessa on usein integroitu ohjelmointitilaa vähittäismyyntiä, toimistoa, mukavuuksia tai pysäköintiä varten tyypillisesti rakennuksen alimpiin kerroksiin. Näissä tapauksissa CFMF-kantavat seinät rakennetaan koroketasolle, tyypillisesti rakenneteräksestä tai paikalla valetusta teräsbetonista. Molemmat järjestelmät voidaan suunnitella siten, että ne tukevat epäjatkuvia kantavia seiniä ja mahdollistavat korkeamman paloluokan erottelun, jota voidaan vaatia eri käyttötilojen välillä. Projektin alusta alkaen suunnitteluryhmän ja omistajan tulisi käydä vuoropuhelua seinien ja mieluiten seinäaukkojen pinoamisesta CFMF-järjestelmän sisäisten siirtymien minimoimiseksi.

Esivalmisteiset, rakenteelliset CFMF-seinäpaneelit. Courtesy of Bear Construction Co.

CFMF-kantavat seinät voidaan sijoittaa 10-32 jalan välein lattiarakenteen jännevälistä riippuen. Kantavien seinien välistä jänneväliä varten lattiajärjestelmävaihtoehtoja ovat paikalla valettu betoni tukemattoman komposiittiteräskannen päällä, paikalla valettu betoni pilaroidun pitkien jännevälien teräskannen päällä tai betonielementtirakenteiset, esijännitetyt onttoydinlankut. Vaihtoehtoisesti lattiarakenne voi koostua betonipaneeleista tai teräskannesta, jotka on tuettu CFMF-lattiapalkkeihin, jotka ulottuvat kantavien seinien väliin.

Kullakin lattiajärjestelmällä on etuja ja haittoja. Esimerkiksi betoni tukemattoman komposiittiteräskannen päällä vaatii vähemmän tukemiseen liittyvää työvoimaa kuin tuettu pitkien jännevälien teräskansi; tukemattoman teräskannen jänneväli on kuitenkin tyypillisesti rajoitettu noin 15 jalan pituiseksi, kun taas pitkien jännevälien kannella voidaan saavuttaa jopa 32 jalkaa rakenneseinien välissä. Esivalmistetuilla, esijännitetyillä onttokantaisilla lankuilla voidaan saavuttaa samankaltaiset jännevälien pituudet kuin pitkien jännevälien teräskannella; lankut saattavat kuitenkin vaatia rakenteellisen yläpohjan lattiapinnan tasaisuutta varten, ja ne ovat raskaampi järjestelmä, mikä lisää seinäpaneeleihin, korokkeisiin ja perustuksiin kohdistuvaa kuormitusta.

>

Rakenteet, joihin ei ole tukeuduttu, ontelolaatoitettu teräsrakenteinen kansi.

Teräskantivaihtoehtoihin verrattuna CFMF-lattiapalkit voivat olla houkuttelevia niiden jänneväliominaisuuksien vuoksi ilman tuennan käyttöä; CFMF-lattiapalkkijärjestelmä on kuitenkin yleensä 6-12 tuumaa syvempi kuin teräskanttijärjestelmä, jolloin jää vähemmän tilaa MEP-jakelulle, mikä edellyttää matalampia kattoja tai korkeampia lattian ja lattian välisiä korkeuksia. Lisäksi CFMF-lattiapalkkijärjestelmät saattavat vaatia paloluokiteltua kattokokoonpanoa, kun taas teräskannella varustetuissa järjestelmissä voidaan yleensä saavuttaa suojaamaton paloluokitus betonin sisällä. Teräskantivaihtoehdot (pilaroidut tai pilaroimattomat) ovat houkuttelevia niiden yksinkertaisten yksityiskohtien ja ohuen profiilin vuoksi. Jos jänneväli on samansuuntainen keskikäytävän kanssa, sekä kannen että CFMF-palkkijärjestelmien osalta tarvitaan päätyelementti, joka ulottuu CFMF-seinäpaneelin päädystä käytävän yli. Pääty on osa rakenteellista kuormitusreittiä, ja se voi vaatia 1- tai 2-tunnin paloluokituksen.

CFMF-rakennuksen sivuttaiskuormitusta kestävään järjestelmään (LLRS) voi kuulua useita erilaisia rakenteellisia järjestelmiä. Saattaa olla hyödyllistä käyttää CFMF-seiniä sivuttaisjärjestelmänä joko levytyksen tai CFMF-teräshihnojen varassa. Tässä tapauksessa kaatumismomenttien siirtäminen seinäjärjestelmissä ja kuormien siirtäminen CFMF-seinistä korokerakenteeseen ovat tärkeitä näkökohtia; edellisessä tapauksessa ylimääräiset yksityiskohdat voivat heikentää järjestelmän tehokkuutta. Vaihtoehtoisesti portaita ja hissejä ympäröivät seinät ovat sopiva paikka ottaa käyttöön teräsbetonisia leikkausseiniä, CMU-ristikkoseiniä tai teräksisiä tukikehyksiä LLRS-järjestelmää varten. Riippumatta valitusta järjestelmästä, ammattiryhmien järjestys on kriittinen keskustelu, joka on käytävä mahdollisten urakoitsijoiden kanssa riippumatta siitä, ovatko urakoitsijat mukana projektin alkuvaiheessa suunnittelua tukevassa roolissa vai tekemässä tarjouspyyntöä.

Suunnittelu ja erittely

Traditionaalisesti CFMF-seinäpaneelirakentamiseen on sovellettu järjestelmiä, jotka on kehitetty valmistajien ja heidän erikoisrakenneinsinöörinsä (SSE, Specialty Structural Engineer) toimesta. SSE suunnittelee nämä järjestelmät, jotka on sovitettu urakoitsijan suosimiin valmistus- ja asennustekniikoihin. Vaihtoehtoisena lähestymistapana on, että suunnitteluryhmään kuuluva pääsuunnittelija (Structural Engineer of Record, SER) suunnittelee räätälöidyn pylväsrunkojärjestelmän tai antaa räätälöidyn järjestelmän suunnittelun urakoitsijan tehtäväksi. Järjestelmän suunnitteleva SER on harvinaisin lähestymistapa, eikä sitä käsitellä tässä.

Tarkoituksenmukainen delegoitu suunnittelu, olipa kyseessä räätälöity tai oma järjestelmä, edellyttää, että suunnitteluryhmä yksilöi kantavien CFMF-seinien sijainnin ja laajuuden piirustuksissa. Rakennusjärjestelmän delegoitu suunnittelu kuvaa skenaariota, jossa SER antaa urakoitsijan SSE:lle joukon suunnitteluperusteita, joita urakoitsijan SSE:n on noudatettava yksilöidyn rakennusjärjestelmän suunnittelussa, valmistuksessa ja asennuksessa. CFMF-seinän sijainnin ja laajuuden määrittämisen lisäksi on olennaista, että suunnitteluryhmä ilmoittaa muut, sekä rakenteelliset että muut kuin rakenteet, jotka ovat CFMF-seinien rajapinnassa tai jotka ovat olennainen osa CFMF-seiniä.

Tärkeä osa delegoituja suunnitteluperusteita on seinä- ja lattiakuormitustietojen välittäminen urakoitsijan SSE:lle. Lattiakuormitussuunnitelmia olisi käytettävä osoittamaan päällekkäisten kuolleiden ja elävien kuormien, erityisesti suurten tai epäyhtenäisten kuormien ja ulkoseinäkuormien suuruus ja laajuus. Erityisiä yksityiskohtia voidaan myös vaatia osoittamaan ulkoseinäkuormien tai pistekuormien, kuten siirtokuormausten, käytävien siirtopalkkien ja kattolaitteiden, sijainti ja suuruus.

Ulkoseinien verhous on usein osittain tai kokonaan delegoitu suunnittelu. Useiden delegoitujen suunnittelukomponenttien risteäminen voi johtaa huonoon koordinointiin rakentamisen aikana. Suunnitteluryhmän on dokumentoitava selkeästi suunnitteluperusteiden yksityiskohdat eri järjestelmien integroimiseksi urakoitsijan tarjouspyynnön pohjaksi. Lisäksi vastuumatriisi on hyödyllinen väline, jolla voidaan dokumentoida arkkitehdin, SER:n, pääurakoitsijan, erikoisalihankkijoiden, CFMF:n valmistajan/asentajan ja heidän SSE:nsä sekä ulkoseinän valmistajan/asentajan ja heidän SSE:nsä roolit asiakirjojen tarkastusprosessin ja myöhemmän rakentamisen aikana. Matriisi voidaan julkaista rakennusasiakirjojen yhteydessä kunkin rakennesuunnittelijan suunnittelurajojen määrittelemiseksi. Suunnitteluryhmä voi tukeutua matriisiin toimituskatselmusten aikana osoittaakseen tarvittavan koordinoinnin muiden ammattiryhmien kanssa.

Riippumatta siitä, onko kyseessä oma vai räätälöity järjestelmä, SER:n tulisi laatia alustava analyysi tyypillisistä CFMF-seinän komponenteista sekä suunnitellun ulkoasun hyväksyttävyyden selvittämiseksi että suunnittelun perustan luomiseksi rakentamista edeltävälle budjetoinnille ja tarjouspyynnölle. Tämä työ validoi lähestymistavan, määrittää korokkeen ja perustusten suunnittelukuormat, auttaa SER:ää tunnistamaan keskeiset asetteluvaihtoehdot tai rajoitukset ja osoittaa SER:lle, missä tarvitaan erityisiä yksityiskohtia, vähimmäiskokoa tai materiaalimittaa. Tämä auttaa SER:ää kehittämään luotettavamman delegoidun suunnittelun.

Suunnitteluun ja rakentamiseen liittyviä näkökohtia

Podiumin rakentaminen

Podiumin tasorakenteet olisi suunniteltava korotettujen taipumakriteerien mukaisesti, jotta voidaan ottaa huomioon kipsiseinälevyillä verhottujen CFMF-kantavien seinien herkkyys. Kertynyt siirtymä voi johtaa muuhun kuin rakenteelliseen pintarakenteen halkeiluun, jos podiumtaso ei ole riittävän jäykkä. Varhaisessa ohjelmoinnissa olisi otettava huomioon rakenteen kasvanut syvyys CFMF-kantavien seinien ensimmäisen kerroksen alapuolella.

Paloluokitukset

Päällimmäisinä rakenteellisina kuormia kantavina osina CFMF:ltä voidaan vaatia jopa 2 tunnin paloluokitusta. 2 tunnin luokitus saavutetaan toisella GWB-kerroksella seinän kummallakin puolella. Tämä on lisäpaino, joka on otettava huomioon pilarien suunnittelussa ja ilmoitettava selvästi SSE:n delegointikielessä. Arkkitehtien ja urakoitsijoiden on lisäksi otettava huomioon luokituksen jatkuvuus – sen on jatkuttava ovipielien, sähkörasioiden ja vastaavien rakenteelliseen CFMF-seinään kiinteästi liittyvien kohteiden ympärillä. Suunnitteluryhmän tulisi mahdollisuuksien mukaan koordinoida kaikki CFMF-seinän läpiviennit siten, että ne sijaitsevat CFMF-rakenteisen seinän muussa kuin rakenteellisessa osassa, jotta paloluokitusta koskevat yksityiskohdat olisivat yksinkertaisempia rakentamisen aikana.

Tulevaisuuden joustavuus

Vaikka CFMF mahdollistaa sen, että tyypillisesti ei-rakenteellinen väliseinä voi toimia ensisijaisena rakenteellisena elementtinä, CFMF-rakenteessa ei tyypillisesti ole joustavuutta tulevaisuudessa. Vaikka tämä voi olla hyväksyttävää hotelleissa ja asuntoloissa, se voi olla vähemmän toivottavaa asunnoissa ja erityisesti osakehuoneistoissa, joissa omistajat saattavat haluta mahdollisuuden muuttaa yksikköään tai yhdistää yksiköitä tulevaisuudessa. Tulevaisuuden joustavuuden rajoittamista vastaan voidaan suojautua käyttämällä pitkien jännevälien lattiajärjestelmää, jossa joko ulko- ja käytäväseinät ovat ensisijaisia kantavia seiniä tai vain yksikön puolen seinät ovat ensisijaisia kantavia seiniä, tai näiden yhdistelmää. Kun epätyypilliset ohjelmat kuitenkin siirtyvät CFMF-kantavien seinien sisään, alle tai yläpuolelle, tehottomuus kuormittaa järjestelmää. Tämä tapahtuu tyypillisesti kuumavalssatun rakenneteräksen muodossa teräsrunkoisten seinien sisällä, itsenäisenä rakenneteräsrunkona tai vastaavina ohjelmina. Tämä johtaa tehottomuuteen CFMF-seinän suunnittelussa ja valmistuksessa ja lisää rakentamisen monimutkaisuutta.

Top track details

Top trackit CFMF-kantavassa seinässä toimivat kuormanjakoelementtinä, jossa lattiajärjestelmä (esim. teräskannen matala uurre tai CFMF-palkin laippa) ei välttämättä ole linjassa pystysuoran pilarin kanssa. Seinäelementit asennetaan tyypillisesti kunkin lattiatason päälle, joten ylin kisko on suunniteltava/detaljoitava siten, että se siirtää lattiajärjestelmän ja ylemmän tason lattioiden kuormituksen viereiseen pystytolppaan. Kirjoittajien kokemuksen mukaan urakoitsijan on väärässä taloudellisessa mielessä otettava kustannussäästöjä olettamalla, että asentajat kohdistavat lattiajärjestelmän yksittäisiin pultteihin.

Rakentamisjärjestys

Rakentamisen tehokkuus paranee, jos ammattiryhmien yhteensovittaminen pystysuuntaisen pystytysjärjestyksen aikana on tarkkaan harkittua. Perinteiset ammattikunnat, kuten muurarit, kirvesmiehet, raudoittajat, betonitoimittajat ja betonointityöntekijät, on porrastettava kunkin kerroksen rakentamisen yhteydessä, ja heidät on koulutettava heidän järjestelmiensä integroinnista CFMF-rakentamiseen.

Rakennepultit vs. väliseinäpultit

Historiallisesti CFMF-elementti ei ole osa rakennuksen ensisijaista rakennerunkoa, vaan se toimii tyypillisesti ulkoseinän tukiseinänä tai väliseinänä. Vaikka tämä on osa järjestelmän kiehtovuutta ja tehokkuutta, se voi aiheuttaa hämmennystä rakennustyömaalla. Rakenteellisen CFMF:n selkeä dokumentointi sekä rakenne- että arkkitehtipiirustuksissa on tärkeää. Vielä tärkeämpää on kuitenkin kertoa urakoitsijalle ja aliurakoitsijoille varhaisessa vaiheessa ja usein, että rakenteellista CFMF-järjestelmää ei voida muuttaa ilman CFMF:n SSE:n tarkastusta ja analyysia. Yleisiä kenttämuutoksia ovat esimerkiksi putki- ja sähköjärjestelmien läpiviennit pulttien läpi ja pulttien tilapäinen poistaminen rakennuksen poistumista varten.

ulkoverhous ja laatan reunat

Kannattavan CFMF-seinärakennuksen ulkoreuna voi usein olla vain teräskannella olevan betonilaatan ohut reuna. Tämä luo rakenteellista tehokkuutta, mutta voi materiaalista ja kiinnitysjärjestelmästä riippuen aiheuttaa sydänsuruja julkisivussa. Julkisivumateriaalien ja kiinnitysjärjestelmien määrittäminen varhaisessa vaiheessa CFMF-rakennejärjestelmää harkittaessa on ratkaisevan tärkeää – tiettyjen julkisivujärjestelmien vaatimat erityiset yksityiskohdat voivat nopeasti heikentää rakenteellisen CFMF-rakenteen tehokkuutta. AoR:ssä ja SER:ssä olisi määriteltävä julkisivukiinnitysten suunnittelun yksityiskohtien perusta ja vaatimukset sekä rakenteelliselle että muulle kuin rakenteelliselle CFMF:lle julkisivukiinnityksissä.

Yhteenveto

CFMF-kantavat seinärakennukset ovat yhä useammin kustannustehokas vaihtoehto matalien ja keskikorkuisten monikerroksisten asuntojen markkinoilla. Koska kyseessä on uusi lähestymistapa suunnitteluun ja rakentamiseen, sekä suunnittelijoilla että urakoitsijoilla on oppimiskäyrä. Järjestelmän mahdollisuuksien ja haasteiden ymmärtäminen on avain onnistuneeseen hankkeeseen.■