Pareti portanti in acciaio

Costruzioni residenziali in più unità

Le pareti portanti prefabbricate in metallo strutturale formato a freddo (CFMF) sono un sistema di costruzione di tendenza e un’alternativa economica all’acciaio strutturale o ai sistemi in cemento armato per le costruzioni di media altezza. I sistemi di pareti CFMF sono particolarmente desiderabili per appartamenti o condomini multifamiliari da 6 a 12 piani, alloggi per studenti, abitazioni per anziani e hotel. Le pareti divisorie e divisorie residenziali allineate verticalmente permettono al CFMF di impilare come le costruzioni con telaio in legno o con unità in muratura di cemento (CMU). Tuttavia, le costruzioni a parete CFMF sono meno restrittive in termini di altezza rispetto al legname, grazie alla maggiore resistenza dell’acciaio, e non richiedono tanta manodopera quanto CMU, grazie alla prefabbricazione. Inoltre, i sistemi CFMF integrano i pannelli a parete come sistema strutturale in quelle che in genere sarebbero pareti divisorie non strutturali, costruite con bastoni.

La prevalenza dei sistemi di pannelli a parete CFMF comporta sfide di progettazione e costruzione. L’integrazione della progettazione delegata, il coordinamento commerciale in un elemento tradizionalmente non strutturale e i dettagli di resistenza al fuoco sono tra le sfide di questo sistema. Questo articolo riassume il processo di disposizione del sistema CFMF, le opzioni di progettazione e specificazione e le considerazioni che possono essere trascurate nella pianificazione iniziale e nella determinazione dei prezzi.

Panoramica del sistema

I sistemi CFMF sono più efficienti quando i pannelli a parete si allineano, o “impilano”, dalle fondamenta al tetto. L’edilizia residenziale a più unità spesso integra spazi di programmazione per la vendita al dettaglio, l’ufficio, i servizi o il parcheggio, in genere ai livelli più bassi dell’edificio. In questi casi, i muri portanti CFMF sono costruiti su un livello del podio, tipicamente in acciaio strutturale o in cemento armato gettato in opera. Entrambi i sistemi possono essere progettati per supportare pareti portanti discontinue e per fornire una maggiore separazione antincendio che può essere richiesta tra diverse occupazioni. Fin dall’inizio di un progetto, ci dovrebbe essere un dialogo tra il team di progettazione e il proprietario per impilare le pareti, e idealmente le aperture delle pareti, per minimizzare i trasferimenti all’interno del sistema CFMF.

Pannelli prefabbricati strutturali per pareti CFMF. Per gentile concessione di Bear Construction Co.

I muri portanti CFMF possono essere distanziati tra 10 e 32 piedi a seconda delle capacità di portata della costruzione del pavimento. Per la campata tra i muri portanti, le opzioni del sistema di pavimento includono calcestruzzo gettato in opera su un ponte d’acciaio composito non rivestito, calcestruzzo gettato in opera su un ponte d’acciaio puntellato a lunga campata, o tavole prefabbricate e precompresse a nucleo cavo. In alternativa, la costruzione del pavimento può consistere in pannelli di calcestruzzo o ponte d’acciaio supportato su travetti del pavimento CFMF che si estendono tra i muri portanti.

Ogni sistema di pavimento ha vantaggi e svantaggi. Per esempio, il calcestruzzo sull’impalcato d’acciaio composito non rivestito richiede meno lavoro associato al puntellamento rispetto all’impalcato d’acciaio a lunga campata puntellato; tuttavia, l’impalcato d’acciaio non rivestito è tipicamente limitato a una lunghezza della campata di circa 15 piedi, dove l’impalcato a lunga campata può raggiungere fino a 32 piedi tra le pareti strutturali. Le tavole prefabbricate e precompresse a nucleo cavo possono raggiungere campate simili a quelle dell’impalcato in acciaio a lunga campata; tuttavia, le tavole possono richiedere una copertura strutturale per il livellamento del pavimento e sono un sistema più pesante con conseguente aumento del carico sui pannelli delle pareti, sul podio e sulle fondazioni.

Costruzione di impalcato in acciaio composito non rivestito.

Rispetto alle opzioni di ponte in acciaio, i travetti del pavimento CFMF possono essere interessanti per le loro capacità di portata senza l’uso di puntelli; tuttavia, un sistema di travetti del pavimento CFMF è generalmente da 6 a 12 pollici più profondo di un sistema di ponte in acciaio, lasciando meno spazio per la distribuzione MEP, richiedendo soffitti più bassi o altezze da pavimento a pavimento più elevate. Inoltre, i sistemi di travi a pavimento CFMF possono richiedere un assemblaggio del soffitto ignifugo, mentre i sistemi di impalcati in acciaio possono in genere raggiungere una classificazione antincendio non protetta all’interno del calcestruzzo. Le opzioni di impalcato in acciaio (puntellato o non puntellato) sono interessanti, data la loro semplicità nei dettagli e il profilo sottile. Per entrambi i sistemi di impalcati e di travetti CFMF, se la campata è parallela a un corridoio centrale, è necessaria una testata per passare dall’estremità del pannello della parete CFMF al corridoio. La testata fa parte del percorso di carico strutturale e può richiedere una valutazione del fuoco di 1 o 2 ore.

Il sistema di resistenza al carico laterale (LLRS) per un edificio CFMF può essere costituito da una varietà di sistemi strutturali. Può essere vantaggioso utilizzare le pareti CFMF come sistema laterale, affidandosi a teli o a cinghie d’acciaio CFMF. In questo caso, il trasferimento dei momenti ribaltanti nei sistemi di pareti e il trasferimento dei carichi dalle pareti CFMF alla struttura del podio sono considerazioni importanti; nel caso del primo, i dettagli aggiuntivi possono diminuire l’efficienza del sistema. In alternativa, le pareti intorno alle scale e agli ascensori sono una posizione opportuna per introdurre pareti a taglio in cemento armato, pareti a taglio in CMU o telai controventati in acciaio per gli LLRS. Indipendentemente dal sistema scelto, la sequenza dei lavori è una discussione critica da avere con i potenziali appaltatori, sia che siano coinvolti all’inizio del progetto in un ruolo di assistenza alla progettazione, sia che presentino un’offerta per il progetto.

Progettazione e specifiche

Tradizionalmente, la costruzione di pannelli a parete CFMF è stata regolata da sistemi sviluppati dai fabbricanti e dal loro ingegnere strutturale specializzato (SSE). Il SSE progetta questi sistemi, che sono adattati alle tecniche di fabbricazione e installazione preferite dall’appaltatore. Un approccio alternativo è per lo Structural Engineer of Record (SER) nel team di progettazione di progettare un sistema di intelaiatura di montanti personalizzato o di delegare la progettazione di un sistema personalizzato all’appaltatore. Il SER che progetta il sistema è l’approccio meno comune e non viene discusso qui.

Una progettazione delegata appropriata, sia per un sistema personalizzato che proprietario, richiede che il team di progettazione identifichi la posizione e l’estensione delle pareti portanti CFMF sui disegni. La progettazione delegata di un sistema di costruzione descrive uno scenario in cui il SER fornisce una serie di criteri di progettazione per un SSE dell’appaltatore da seguire per progettare, fabbricare e installare il sistema di costruzione identificato. Oltre a identificare la posizione e l’estensione delle pareti CFMF, è essenziale che il team di progettazione indichi gli altri mestieri, sia strutturali che non strutturali, che si interfacciano o sono parte integrante delle pareti CFMF.

Una parte cruciale dei criteri di progettazione delegata è la comunicazione delle informazioni sul carico delle pareti e del pavimento al SSE dell’appaltatore. I piani di carico del pavimento dovrebbero essere impiegati per mostrare la grandezza e l’estensione dei carichi morti e vivi sovrapposti, in particolare i carichi grandi o non uniformi e i carichi sulle pareti esterne. Dettagli specifici possono anche essere richiesti per indicare la posizione e la grandezza dei carichi sulle pareti esterne o dei carichi puntuali, come i trasferimenti, le travi di trasferimento del corridoio e le attrezzature sul tetto.

Il rivestimento delle pareti esterne è spesso un progetto delegato parziale o completo. L’intersezione di più componenti di progettazione delegata può risultare in una scarsa coordinazione durante la costruzione. Il team di progettazione deve documentare chiaramente i dettagli di base della progettazione per l’integrazione dei vari sistemi come base per l’offerta dell’appaltatore. Inoltre, una matrice di responsabilità è uno strumento utile per documentare i ruoli dell’Architect of Record (AoR), del SER, del General Contractor (GC), dei subappaltatori speciali, del fabbricante/installatore CFMF e del loro SSE, e del fabbricante/installatore di pareti esterne e del loro SSE durante il processo di revisione della presentazione e la successiva costruzione. La matrice può essere pubblicata con i documenti di costruzione per definire la demarcazione del progetto per ogni ingegnere strutturale. Il team di progettazione può fare affidamento sulla matrice durante le revisioni della presentazione per indicare il coordinamento necessario con altri mestieri.

A prescindere dal sistema – proprietario o personalizzato – il SER dovrebbe sviluppare un’analisi preliminare dei componenti tipici delle pareti CFMF sia per stabilire l’accettabilità per il layout previsto sia per fornire una base di progettazione per il budget e l’offerta pre-costruzione. Questo sforzo convalida l’approccio, stabilisce i carichi di progetto per il podio e le fondazioni, aiuta il SER a identificare le opzioni chiave del layout o le costrizioni, e indica al SER dove sono richiesti dettagli speciali, dimensioni minime o calibro del materiale. Questo aiuterà il SER a sviluppare una progettazione delegata più affidabile.

Considerazioni sulla progettazione e la costruzione

Costruzione del podio

La costruzione del livello del podio dovrebbe essere progettata con criteri di deflessione più elevati per tenere conto della sensibilità dei muri portanti CFMF rivestiti di cartongesso (GWB). Lo spostamento accumulato può portare a fessurazioni non strutturali della finitura se il livello del podio non è sufficientemente rigido. La programmazione iniziale dovrebbe considerare la maggiore profondità della struttura al di sotto del primo piano delle pareti portanti CFMF.

Categorie d’incendio

Come membri portanti strutturali primari, alla CFMF può essere richiesto di raggiungere una classificazione del fuoco di 2 ore. Una valutazione di 2 ore si ottiene con un secondo strato di GWB su ogni lato del muro. Questo è un peso aggiuntivo che deve essere considerato nella progettazione delle borchie e chiaramente indicato nel linguaggio di delega al SSE. Un’ulteriore considerazione per architetti e appaltatori è la continuità della classificazione – deve continuare intorno agli stipiti delle porte, alle scatole elettriche e a elementi simili integranti della parete strutturale CFMF. Per quanto possibile, il team di progettazione dovrebbe coordinare tutte le penetrazioni in una parete CFMF per verificarsi all’interno di una porzione non strutturale di una parete strutturale CFMF per semplificare i dettagli della classificazione antincendio durante la costruzione.

Flessibilità futura

Mentre la CFMF permette a una parete divisoria tipicamente non strutturale di servire come elemento strutturale primario, in genere non permette una flessibilità futura. Mentre questo può essere accettabile per gli hotel e i dormitori, può essere meno desiderabile negli appartamenti e in particolare nei condomini dove i proprietari possono volere l’opportunità di modificare la loro unità o combinare le unità in futuro. Una copertura contro la limitazione della flessibilità futura è l’uso di un sistema di pavimento a lunga campata in cui o i muri esterni e del corridoio sono i muri portanti primari, o solo i muri delle parti dell’unità sono i muri portanti primari, o una combinazione di questi.

Costruzione di ponti in acciaio a lunga campata.

Muri non impilati

I muri portanti CFMF sono un sistema efficiente per programmi di uso ripetitivo come il residenziale. Tuttavia, quando i programmi atipici migrano dentro, sotto o sopra i muri portanti CFMF, le inefficienze ingombrano il sistema. Questo tipicamente prende la forma di acciaio strutturale laminato a caldo all’interno delle pareti in acciaio, un telaio strutturale indipendente in acciaio, o programmi simili. Questo si traduce in inefficienze nella progettazione e nella fabbricazione delle pareti CFMF e aumenta la complessità della sequenza dei lavori di costruzione.

Dettagli del binario superiore

I binari superiori all’interno di una parete portante CFMF fungono da elemento di distribuzione del carico dove il sistema del pavimento (ad esempio, la flangia bassa della copertura in acciaio o la flangia di un travetto CFMF) non è necessariamente allineato con un perno verticale. I pannelli di parete sono tipicamente installati in cima ad ogni livello di pavimento, quindi il binario superiore dovrebbe essere progettato/dettagliato per trasferire il carico del sistema di pavimento e dei piani di livello superiore al montante verticale adiacente. Nell’esperienza degli autori, è una falsa economia per l’appaltatore prendere un risparmio sui costi presumendo che gli installatori allineeranno il sistema di pavimento con le singole borchie.

Sequenza di costruzione

Pensare bene al coordinamento dei mestieri durante la sequenza di montaggio verticale porterà all’efficienza della costruzione. I mestieri tradizionali come muratori, carpentieri, ferraioli, fornitori di calcestruzzo e operai addetti alla collocazione del calcestruzzo dovranno essere messi in sequenza durante la costruzione di ogni piano e dovranno essere istruiti sull’integrazione dei loro sistemi con la costruzione della CFMF.

Puntoni strutturali contro puntoni divisori

Storicamente, la CFMF non fa parte del telaio strutturale primario dell’edificio, in genere serve come muro di sostegno esterno o come muro divisorio. Mentre questo fa parte del fascino e dell’efficienza del sistema, può creare confusione in cantiere. È importante documentare chiaramente il CFMF strutturale in entrambi i disegni strutturali e architettonici. È ancora più importante, tuttavia, educare l’appaltatore e il suo subappaltatore, presto e spesso, che il CFMF strutturale non può essere modificato senza la revisione e l’analisi del SSE per il CFMF. Le modifiche comuni sul campo includono le penetrazioni attraverso le borchie per gli impianti idraulici ed elettrici e la rimozione temporanea delle borchie per l’uscita della costruzione.

Rivestimento esterno e bordi delle lastre

Il bordo esterno di un edificio con pareti portanti CFMF può spesso essere solo il bordo sottile di una lastra di cemento su un ponte di acciaio. Questo crea un’efficienza strutturale, ma può creare problemi alla facciata a seconda del materiale e del sistema di fissaggio. Determinare i materiali della facciata e i sistemi di fissaggio all’inizio quando si considera un sistema strutturale CFMF è fondamentale – i dettagli speciali richiesti da certi sistemi di facciata possono rapidamente erodere qualsiasi efficienza nel CFMF strutturale. L’AoR e la SER dovrebbero stabilire la base dei dettagli di progettazione per gli attacchi di facciata e i requisiti del CFMF strutturale e non strutturale agli attacchi di facciata.

Sommario

Gli edifici con pareti portanti CFMF sono sempre più un’opzione efficace in termini di costi nel mercato residenziale multi-unità di basso e medio livello. Essendo un nuovo approccio alla progettazione e alla costruzione, c’è una curva di apprendimento sia per i progettisti che per gli appaltatori. Comprendere le opportunità e le sfide del sistema è la chiave per un progetto di successo.■