Ściany nośne z prętów stalowych

Budownictwo mieszkaniowe wielomieszkaniowe

Prefabrykowane, konstrukcyjne ściany nośne z metalu formowanego na zimno (CFMF) są modnym systemem konstrukcyjnym i ekonomiczną alternatywą dla stali konstrukcyjnej lub systemów żelbetowych dla budownictwa średniego. Systemy ścian CFMF są szczególnie pożądane w 6- do 12-piętrowych wielorodzinnych apartamentach lub kondominiach, domach studenckich, domach seniora i hotelach. Pionowo ustawione mieszkalne ściany działowe pozwalają CFMF układać się jak konstrukcje szkieletowe z drewna lub konstrukcje ścian nośnych z betonowych elementów murowanych (CMU). Jednakże, budynki ścienne CFMF są mniej ograniczone wysokościowo niż drewniane ze względu na większą wytrzymałość stali i nie są tak pracochłonne jak CMU ze względu na prefabrykację. Dodatkowo, systemy CFMF integrują panele ścienne jako system strukturalny w tym, co zazwyczaj byłoby niestrukturalne, zbudowane na palach ściany działowe.

Powszechność systemów paneli ściennych CFMF wiąże się z wyzwaniami projektowymi i budowlanymi. Delegowana integracja projektu, koordynacja handlowa w tradycyjnie niekonstrukcyjnym elemencie oraz detale ognioodporne to jedne z wyzwań dla tego systemu. Ten artykuł podsumowuje proces rozmieszczania systemu CFMF, opcje projektowe i specyfikacyjne oraz względy, które mogą być pominięte w początkowym planowaniu i wycenie.

Przegląd systemu

Systemy CFMF są najbardziej wydajne, gdy panele ścienne wyrównują się, lub „układają”, od fundamentu do dachu. Wielomieszkaniowe budownictwo mieszkaniowe często integruje przestrzeń programową dla handlu detalicznego, biura, udogodnień lub parkingu, zazwyczaj na najniższych poziomach budynku. W takich przypadkach, ściany nośne CFMF są konstruowane na poziomie podium, zazwyczaj ze stali konstrukcyjnej lub wylewanego na miejscu betonu zbrojonego. Oba systemy mogą być zaprojektowane tak, aby wspierać nieciągłe ściany nośne i zapewnić zwiększoną separację ogniową, która może być wymagana pomiędzy różnymi pomieszczeniami. Od początku projektu, powinien być prowadzony dialog pomiędzy zespołem projektowym i właścicielem w celu ułożenia ścian, a najlepiej otworów w ścianach, aby zminimalizować transfery w systemie CFMF.

Prefabrykowane, strukturalne panele ścienne CFMF. Dzięki uprzejmości Bear Construction Co.

Ściany nośne CFMF mogą być rozmieszczone w odległości od 10 do 32 stóp od siebie w zależności od możliwości rozpiętości konstrukcji podłogi. W celu uzyskania rozpiętości pomiędzy ścianami nośnymi, opcje systemu stropowego obejmują beton wylewany na niezabudowanym zespolonym pokładzie stalowym, beton wylewany na wybetonowanym pokładzie stalowym o dużej rozpiętości lub prefabrykowane, sprężone deski z rdzeniem drążonym. Alternatywnie, konstrukcja podłogi może składać się z paneli betonowych lub pokładu stalowego wspartego na belkach stropowych CFMF, które rozpięte są pomiędzy ścianami nośnymi.

Każdy system podłogowy ma zalety i wady. Na przykład, beton na niezabudowanym zespolonym pokładzie stalowym wymaga mniej pracy związanej z podparciem niż podparty długoramienny pokład stalowy; jednakże niezabudowany pokład stalowy jest zwykle ograniczony do długości przęsła około 15 stóp, podczas gdy długoramienny pokład może osiągnąć do 32 stóp pomiędzy ścianami konstrukcyjnymi. Prefabrykowane, sprężone, puste w środku deski mogą osiągnąć podobną rozpiętość do stalowego pomostu o dużej rozpiętości; jednakże deski mogą wymagać konstrukcyjnej podsypki dla wyrównania poziomu podłogi i są cięższym systemem, co skutkuje zwiększonym obciążeniem paneli ściennych, podium i fundamentów.

Kompozytowa konstrukcja stalowego pomostu bez otworów.

W porównaniu do opcji pomostów stalowych, belki stropowe CFMF mogą być atrakcyjne ze względu na ich możliwości rozpiętości bez użycia podpór; jednakże, system belek stropowych CFMF jest zazwyczaj o 6 do 12 cali głębszy niż system pomostów stalowych, pozostawiając mniej miejsca na rozmieszczenie MEP, wymagając niższych sufitów lub wymuszając wyższe wysokości między podłogami. Dodatkowo, systemy belek stropowych CFMF mogą wymagać ognioodpornego zespołu sufitowego, gdzie systemy z blachy stalowej mogą zazwyczaj osiągnąć niezabezpieczoną ognioodporność w betonie. Opcje pomostów stalowych (podpartych lub nie podpartych) są atrakcyjne, biorąc pod uwagę ich prostotę w detalach i cienki profil. Zarówno w przypadku blachy jak i systemów belek CFMF, jeśli rozpiętość jest równoległa do centralnego korytarza, wymagany jest nadproże od końca panelu ściennego CFMF nad korytarzem. Nadproże jest częścią konstrukcyjnej ścieżki obciążenia i może wymagać 1- lub 2-godzinnej klasy ogniowej.

System przenoszenia obciążeń bocznych (LLRS) dla budynku CFMF może składać się z różnych systemów konstrukcyjnych. Korzystne może być wykorzystanie ścian CFMF jako systemu bocznego, opierając się na blachach lub taśmach stalowych CFMF. W tym przypadku, przeniesienie momentów wywracających w systemach ściennych i przeniesienie obciążeń ze ścian CFMF na konstrukcję podium są ważnymi rozważaniami; w przypadku pierwszego, dodatkowe szczegóły mogą zmniejszyć efektywność systemu. Alternatywnie, ściany wokół schodów i wind są odpowiednim miejscem do wprowadzenia żelbetowych ścian ścinanych, ścian ścinanych CMU lub stalowych ram stężonych dla LLRS. Niezależnie od wybranego systemu, kolejność prac jest krytycznym tematem do dyskusji z potencjalnymi wykonawcami, niezależnie od tego, czy są oni zaangażowani we wczesnej fazie projektu w roli asystentów projektowych, czy też składają oferty na projekt.

Projektowanie i specyfikacja

Tradycyjnie, konstrukcja paneli ściennych CFMF była regulowana przez systemy, które zostały opracowane przez producentów i ich Specjalistycznego Inżyniera Konstrukcyjnego (SSE). SSE projektuje te systemy, które są dostosowane do preferowanych technik produkcji i instalacji wykonawcy. Alternatywnym podejściem jest zaprojektowanie przez inżyniera budowlanego (Structural Engineer of Record – SER) w zespole projektowym niestandardowego systemu szkieletowego lub powierzenie zaprojektowania niestandardowego systemu wykonawcy. SER projektujący system jest najmniej powszechnym podejściem i nie jest tutaj omawiany.

Właściwy delegowany projekt, czy to dla niestandardowego czy własnego systemu, wymaga od zespołu projektowego zidentyfikowania lokalizacji i zakresu nośnych ścian CFMF na rysunkach. Delegowany projekt systemu budowlanego opisuje scenariusz, w którym SER dostarcza zestaw kryteriów projektowych dla SSE wykonawcy, aby zastosować się do projektu, produkcji i instalacji zidentyfikowanego systemu budowlanego. Oprócz zidentyfikowania lokalizacji i zakresu ściany CFMF, istotne jest, aby zespół projektowy wskazał inne branże, zarówno konstrukcyjne jak i niekonstrukcyjne, które łączą się lub są integralne ze ścianami CFMF.

Kluczową częścią oddelegowanych kryteriów projektowych jest przekazanie informacji o obciążeniu ścian i podłóg do SSE wykonawcy. Plany obciążeń stropów powinny być wykorzystywane do pokazania wielkości i zakresu nałożonych obciążeń martwych i żywych, szczególnie dużych lub niejednorodnych obciążeń i obciążeń ścian zewnętrznych. Specyficzne szczegóły mogą być również wymagane do wskazania lokalizacji i wielkości obciążeń ścian zewnętrznych lub obciążeń punktowych, takich jak przeniesienia, belki transferowe korytarzy i urządzenia dachowe.

Okładziny ścian zewnętrznych są często częściowo lub całkowicie delegowane. Krzyżowanie się wielu oddelegowanych elementów projektu może skutkować słabą koordynacją podczas budowy. Zespół projektowy musi jasno udokumentować szczegóły podstawy projektowej dla integracji różnych systemów jako podstawę do składania ofert przez wykonawców. Dodatkowo, matryca odpowiedzialności jest użytecznym narzędziem do udokumentowania ról Architekta Rekordu (AoR), SER, Generalnego Wykonawcy (GC), specjalnych podwykonawców, producenta/instalatora CFMF i ich SSE, oraz producenta/instalatora ścian zewnętrznych i ich SSE podczas procesu przeglądu zgłoszeń i późniejszej budowy. Matryca może zostać opublikowana wraz z dokumentacją budowlaną w celu określenia granic projektowych dla każdego inżyniera budowlanego. Zespół projektowy może polegać na matrycy podczas przeglądów przedkładanych dokumentów, aby wskazać konieczną koordynację z innymi branżami.

Bez względu na system – własny lub niestandardowy – SER powinien opracować wstępną analizę typowych komponentów ścian CFMF zarówno w celu ustalenia akceptowalności dla zamierzonego układu, jak i zapewnienia podstawy projektu dla budżetowania przed budową i składania ofert. Ten wysiłek waliduje podejście, ustala obciążenia projektowe dla podium i fundamentów, pomaga SER zidentyfikować kluczowe opcje układu lub zwężenia, i wskazuje SER, gdzie wymagane są specjalne szczegóły, minimalne rozmiary lub wskaźniki materiałowe. Pomoże to SER opracować bardziej wiarygodny projekt delegowany.

Uwagi dotyczące projektowania i konstrukcji

Konstrukcja podium

Konstrukcja na poziomie podium powinna być zaprojektowana według podwyższonych kryteriów ugięcia, aby uwzględnić wrażliwość ścian nośnych CFMF pokrytych płytami gipsowo-kartonowymi (GWB). Skumulowane przemieszczenie może spowodować niestrukturalne pęknięcia wykończeniowe, jeśli poziom podium nie jest wystarczająco sztywny. Wczesne programowanie powinno uwzględniać zwiększoną głębokość konstrukcji poniżej pierwszego piętra ścian nośnych CFMF.

Oceny przeciwpożarowe

Jako podstawowe konstrukcyjne elementy nośne, CFMF mogą być wymagane do osiągnięcia 2-godzinnej oceny ogniowej. Ocena 2-godzinna jest osiągana z drugą warstwą GWB po każdej stronie ściany. Jest to dodatkowy ciężar, który musi być uwzględniony w projekcie słupków i wyraźnie wskazany w delegacji do GSS. Dodatkową uwagą dla architektów i wykonawców jest ciągłość klasyfikacji – musi ona być kontynuowana wokół ościeży drzwi, skrzynek elektrycznych i podobnych elementów integralnych ze strukturalną ścianą CFMF. W możliwym zakresie, zespół projektowy powinien skoordynować wszystkie penetracje do ściany CFMF, aby wystąpiły w niekonstrukcyjnej części ściany konstrukcyjnej CFMF w celu uproszczenia szczegółów klasyfikacji ogniowej podczas budowy.

Przyszła elastyczność

Choć CFMF pozwala typowo niekonstrukcyjnej ścianie działowej służyć jako główny element konstrukcyjny, nie pozwala na przyszłą elastyczność. Chociaż może to być akceptowalne w hotelach i akademikach, może być mniej pożądane w mieszkaniach, a w szczególności w kondominiach, gdzie właściciele mogą chcieć mieć możliwość modyfikacji swoich jednostek lub łączenia ich w przyszłości. Zabezpieczeniem przed ograniczeniem przyszłej elastyczności jest zastosowanie systemu stropowego o dużej rozpiętości, w którym albo ściany zewnętrzne i ściany korytarza są podstawowymi ścianami nośnymi, albo tylko ściany strony jednostki są podstawowymi ścianami nośnymi, albo kombinacja tych rozwiązań.

Skonstruowana stalowa konstrukcja pokładu o dużej rozpiętości.

Ściany bez stosu

Ściany nośne CFMF są wydajnym systemem dla powtarzalnych programów użytkowych, takich jak mieszkalne. Jednakże, gdy nietypowe programy migrują do, pod, lub nad ścianami nośnymi CFMF, nieefektywności obciążają system. Zazwyczaj przybiera to formę walcowanej na gorąco stali konstrukcyjnej w ścianach z trzpieniami stalowymi, niezależnej stalowej ramy konstrukcyjnej lub podobnych programów. Powoduje to nieefektywność w projektowaniu i produkcji ścian CFMF i zwiększa złożoność sekwencjonowania handlu budowlanego.

Detale górnego toru

Torowiska górne w ścianie nośnej CFMF funkcjonują jako element rozkładający obciążenie, gdzie system podłogowy (np. niski płat stalowego pokładu lub pas belki CFMF) niekoniecznie jest wyrównany z pionowym sworzniem. Panele ścienne są zwykle instalowane na górze każdego poziomu podłogi, więc górna szyna powinna być zaprojektowana/wykonana tak, aby przenieść obciążenie systemu podłogowego i podłóg górnego poziomu na sąsiedni pionowy słupek. Z doświadczenia autorów wynika, że dla wykonawcy fałszywą oszczędnością jest zakładanie, że instalatorzy wyrównają system podłogowy z poszczególnymi słupkami.

Sekwencjonowanie budowy

Przemyślenie koordynacji branż podczas sekwencji montażu pionowego zwiększy wydajność budowy. Tradycyjne branże, takie jak murarze, cieśle, ślusarze, dostawcy betonu i pracownicy zajmujący się układaniem betonu będą musieli być rozmieszczeni na etapie budowy każdego piętra i będą musieli być przeszkoleni w zakresie integracji ich systemów z konstrukcją CFMF.

Strukturalne słupy vs. słupy działowe

Historycznie, CFMF nie jest częścią głównego szkieletu konstrukcyjnego budynku, zazwyczaj służy jako zewnętrzna ściana pomocnicza lub ściana działowa. Chociaż jest to część intrygi i wydajności systemu, może to powodować zamieszanie na placu budowy. Wyraźne udokumentowanie strukturalnego CFMF zarówno na rysunkach konstrukcyjnych jak i architektonicznych jest ważne. Ważniejsze jest jednak uświadomienie wykonawcy i jego podwykonawcy, wcześnie i często, że strukturalna CFMF nie może być modyfikowana bez przeglądu i analizy przez SSE dla CFMF. Typowe modyfikacje terenowe obejmują penetracje przez słupy dla instalacji wodno-kanalizacyjnych i elektrycznych oraz tymczasowe usunięcie słupów dla wyjścia z budynku.

Okładziny zewnętrzne i krawędzie płyt

Zewnętrzna krawędź budynku ze ścianą nośną CFMF może być często tylko cienką krawędzią płyty betonowej na stalowym pokładzie. Zapewnia to wydajność konstrukcyjną, ale może powodować ból serca na elewacji w zależności od materiału i systemu mocowania. Określenie materiałów elewacyjnych i systemów mocowania na wczesnym etapie rozważań nad systemem konstrukcyjnym CFMF jest krytyczne – specjalne szczegóły wymagane przez niektóre systemy elewacyjne mogą szybko zniwelować wszelkie korzyści wynikające z konstrukcyjnego CFMF. AoR i SER powinny ustalić podstawę szczegółów projektowych dla mocowań elewacji oraz wymagania zarówno konstrukcyjnych jak i niekonstrukcyjnych CFMF w mocowaniach elewacji.

Podsumowanie

Budynki ze ścianami nośnymi CFMF są coraz bardziej opłacalną opcją na rynku niskich i średnich wielorodzinnych budynków mieszkalnych. Ponieważ jest to nowe podejście do projektowania i budowy, zarówno projektanci jak i wykonawcy muszą się wiele nauczyć. Zrozumienie możliwości i wyzwań związanych z tym systemem jest kluczem do udanego projektu.■