Pereți portanți cu stâlpi de oțel

Construcții rezidențiale cu mai multe unități de locuit

Pereții portanți prefabricați, structurali cu structură metalică formată la rece (CFMF) sunt un sistem de construcție în tendințe și o alternativă economică la oțelul structural sau la sistemele din beton armat pentru construcțiile de înălțime medie. Sistemele de pereți CFMF sunt deosebit de dorite pentru apartamentele multifamiliale cu 6 până la 12 etaje sau condominii, locuințe studențești, locuințe pentru persoane în vârstă și hoteluri. Pereții de demisol și pereții despărțitori rezidențiali aliniați vertical permit CFMF să se suprapună la fel ca în cazul construcțiilor de pereți portanți cu structură din lemn sau din zidărie de beton (CMU). Cu toate acestea, clădirile cu pereți CFMF sunt mai puțin restrictive din punct de vedere al înălțimii decât cele din lemn, datorită rezistenței mai mari a oțelului, și nu sunt la fel de laborioase ca cele din CMU, datorită prefabricării. În plus, sistemele CFMF integrează panouri de pereți ca sistem structural în ceea ce ar fi de obicei pereți despărțitori nestructurali, construiți cu betoane.

Prevalența sistemelor de panouri de pereți CFMF vine cu provocări de proiectare și construcție. Integrarea delegată a proiectării, coordonarea comercială într-un element în mod tradițional nestructural și detaliile de rezistență la foc se numără printre provocările pentru acest sistem. Acest articol rezumă procesul de amenajare a sistemului CFMF, opțiunile de proiectare și specificații, precum și considerațiile care pot fi trecute cu vederea în planificarea inițială și stabilirea prețului.

Vizualizare generală a sistemului

Sistemele CFMF sunt cele mai eficiente atunci când panourile de perete sunt aliniate, sau „stivuite”, de la fundație la acoperiș. Construcțiile rezidențiale cu mai multe unități de locuit integrează adesea spații de programare pentru vânzare cu amănuntul, birouri, facilități sau parcări, de obicei la cele mai joase niveluri ale clădirii. În aceste cazuri, pereții portanți CFMF sunt construiți la un nivel de podium, de obicei din oțel structural sau beton armat turnat la fața locului. Ambele sisteme pot fi proiectate pentru a susține pereții portanți discontinui și pentru a asigura o separare mai mare a gradului de rezistență la foc, care poate fi necesară între diferitele spații de locuit. Încă de la începutul unui proiect, ar trebui să existe un dialog între echipa de proiectare și proprietar pentru a suprapune pereții și, în mod ideal, deschiderile pereților, pentru a minimiza transferurile în cadrul sistemului CFMF.

Panouri de perete CFMF structurale, prefabricate. Courtesy of Bear Construction Co.

Pereții portanți CFMF pot fi distanțați între 10 și 32 de picioare, în funcție de capacitățile de deschidere ale construcției podelei. Pentru a se întrepătrunde între pereții portanți, opțiunile sistemului de planșeu includ beton turnat la fața locului pe o punte de oțel compozit neasfaltată, beton turnat la fața locului pe o punte de oțel cu deschidere lungă susținută sau planșe tubulare prefabricate și pretensionate. Alternativ, construcția planșeului poate consta din panouri de beton sau planșeu din oțel sprijinite pe grinzi de planșeu CFMF care se întind între pereții portanți.

Care sistem de planșeu are avantaje și dezavantaje. De exemplu, betonul pe planșeu din oțel compozit fără suport necesită mai puțină manoperă asociată cu acostamentul decât planșeul din oțel cu deschidere lungă susținut; cu toate acestea, planșeul din oțel fără suport este de obicei limitat la o lungime a deschiderii de aproximativ 15 picioare, în timp ce planșeul cu deschidere lungă poate atinge până la 32 de picioare între pereții structurali. Planșele tubulare prefabricate și precomprimate pot atinge deschideri similare cu cele ale unei punți din oțel cu deschidere lungă; cu toate acestea, planșele pot necesita o acoperire structurală pentru nivelarea planșeului și sunt un sistem mai greu, ceea ce duce la o sarcină mai mare asupra panourilor de perete, a podiumului și a fundațiilor.

Construcția de punți din oțel compozit fără structură de rezistență.

În comparație cu opțiunile de punți din oțel, grinzile de planșeu CFMF pot fi atrăgătoare datorită capacităților lor de deschidere fără utilizarea de scânduri; cu toate acestea, un sistem de grinzi de planșeu CFMF este, în general, cu 6 până la 12 inci mai adânc decât un sistem de punți din oțel, lăsând mai puțin spațiu pentru distribuția MEP, necesitând plafoane mai joase sau necesitând înălțimi mai mari de la etaj la etaj. În plus, sistemele de grinzi de pardoseală CFMF pot necesita un ansamblu de tavan cu rezistență la foc, în timp ce sistemele cu planșeu din oțel pot obține de obicei o rezistență la foc neprotejată în beton. Opțiunile de planșeu din oțel (cu sau fără suport) sunt atractive, având în vedere simplitatea detaliilor și profilul lor subțire. Atât pentru sistemele de planșeu cât și pentru sistemele de grinzi CFMF, în cazul în care intervalul de trecere este paralel cu un coridor central, este necesar un capitel care să se întindă de la capătul panoului de perete CFMF peste coridor. Traversa face parte din traseul de sarcină structurală și poate necesita un grad de rezistență la foc de 1 sau 2 ore.

Sistemul de rezistență la sarcini laterale (LLRS) pentru o clădire CFMF poate fi format dintr-o varietate de sisteme structurale. Poate fi benefică utilizarea pereților CFMF ca sistem lateral, bazându-se fie pe tablă, fie pe chingile de oțel CFMF. În acest caz, transferul momentelor de răsturnare în sistemele de pereți și transferul sarcinilor de la pereții CFMF la structura podiumului sunt considerații importante; în cazul primului caz, detaliile suplimentare pot diminua eficiența sistemului. Alternativ, pereții din jurul scărilor și ascensoarelor reprezintă o locație oportună pentru a introduce pereți de forfecare din beton armat, pereți de forfecare CMU sau cadre cu contravântuiri din oțel pentru LLRS. Indiferent de sistemul ales, succesiunea meseriilor este o discuție critică ce trebuie purtată cu potențialii antreprenori, fie că aceștia sunt implicați la începutul proiectului într-un rol de asistență la proiectare, fie că licitează proiectul.

Proiectare și specificații

În mod tradițional, construcția panourilor de pereți CFMF a fost guvernată de sisteme care au fost dezvoltate de fabricanți și de inginerul structural specializat (SSE) al acestora. SSE proiectează aceste sisteme, care sunt adaptate la tehnicile de fabricare și instalare preferate de antreprenor. O abordare alternativă este ca inginerul structural de înregistrare (Structural Engineer of Record – SER) din echipa de proiectare să proiecteze un sistem personalizat de încadrarea cu stâlpi sau să delege antreprenorului proiectarea unui sistem personalizat. SER care proiectează sistemul este cea mai puțin obișnuită abordare și nu este discutată aici.

O proiectare delegată adecvată, fie că este vorba de un sistem personalizat sau brevetat, necesită ca echipa de proiectare să identifice locația și extinderea pereților CFMF portanți pe desene. Proiectarea delegată a unui sistem de construcție descrie un scenariu în care SER furnizează un set de criterii de proiectare pe care SSE al unui antreprenor trebuie să le urmeze pentru a proiecta, fabrica și instala sistemul de construcție identificat. În plus față de identificarea locației și a amplorii pereților CFMF, este esențial ca echipa de proiectare să indice alte meserii, atât structurale, cât și nestructurale, care fac interfață sau sunt parte integrantă a pereților CFMF.

O parte esențială a criteriilor de proiectare delegată este comunicarea informațiilor privind încărcarea pereților și a podelei către SSE al antreprenorului. Planșele de încărcare a planșeelor ar trebui să fie utilizate pentru a arăta amploarea și amploarea sarcinilor moarte și vii suprapuse, în special sarcinile mari sau neuniforme și sarcinile pereților exteriori. De asemenea, pot fi necesare detalii specifice pentru a indica locația și amploarea sarcinilor pereților exteriori sau a sarcinilor punctuale, cum ar fi transferurile, grinzile de transfer de pe coridoare și echipamentele de pe acoperiș.

Învelișul pereților exteriori este frecvent un proiect delegat parțial sau complet. Intersectarea mai multor componente de proiectare delegată poate duce la o coordonare deficitară în timpul construcției. Echipa de proiectare trebuie să documenteze în mod clar detaliile bazei de proiectare pentru integrarea diverselor sisteme ca bază pentru licitația antreprenorului. În plus, o matrice de responsabilități este un instrument util pentru a documenta rolurile arhitectului de înregistrare (AoR), ale SER, ale antreprenorului general (GC), ale subcontractanților specializați, ale fabricantului/instalatorului de CFMF și ale SSE al acestuia, precum și ale fabricantului/instalatorului de pereți exteriori și ale SSE al acestuia în timpul procesului de revizuire a documentelor depuse și al construcției ulterioare. Matricea poate fi publicată împreună cu documentele de construcție pentru a defini demarcația de proiectare pentru fiecare inginer structural. Echipa de proiectare se poate baza pe matrice în timpul revizuirii documentelor de prezentare pentru a indica coordonarea necesară cu alte meserii.

Indiferent de sistem – brevetat sau personalizat – SER ar trebui să elaboreze o analiză preliminară a componentelor tipice ale pereților CFMF atât pentru a stabili acceptabilitatea pentru amenajarea preconizată, cât și pentru a oferi o bază de proiectare pentru bugetarea și ofertarea înainte de construcție. Acest efort validează abordarea, stabilește sarcinile de proiectare pentru podium și fundații, ajută SER să identifice principalele opțiuni de dispunere sau constrângeri și îi indică SER unde sunt necesare detalii speciale, dimensiuni minime sau gabaritul materialelor. Acest lucru va ajuta SER să elaboreze un proiect delegat mai fiabil.

Considerații privind proiectarea și construcția

Construcția podiumului

Construcția la nivel de podium trebuie proiectată conform unor criterii de deformare sporite pentru a ține cont de sensibilitatea pereților portanți CFMF placați cu plăci de gips-carton (GWB). Deplasarea acumulată poate duce la fisurarea nestructurală a finisajului dacă un nivel de podium nu este suficient de rigid. Programarea timpurie ar trebui să ia în considerare adâncimea crescută a structurii sub primul etaj al pereților portanți CFMF.

Calificări la foc

În calitate de elemente structurale primare de susținere a încărcăturii, se poate cere ca CFMF să atingă o rezistență la foc de până la 2 ore. Un rating de 2 ore se obține cu un al doilea strat de GWB pe fiecare parte a peretelui. Aceasta este o greutate suplimentară care trebuie să fie luată în considerare în proiectarea stâlpilor și indicată în mod clar în limbajul de delegare a SSE. O considerație suplimentară pentru arhitecți și antreprenori este continuitatea clasificării – aceasta trebuie să continue în jurul jambajelor ușilor, al cutiilor electrice și al altor elemente similare care fac parte integrantă din peretele structural CFMF. În măsura în care este posibil, echipa de proiectare ar trebui să coordoneze toate penetrațiile într-un perete CFMF pentru a avea loc în cadrul unei porțiuni nestructurale a unui perete structural CFMF pentru a simplifica detaliile de clasificare la foc în timpul construcției.

Flexibilitate viitoare

În timp ce CFMF permite ca un perete despărțitor de obicei nestructural să servească drept element structural principal, acesta nu permite de obicei o flexibilitate viitoare. În timp ce acest lucru poate fi acceptabil pentru hoteluri și dormitoare, poate fi mai puțin de dorit în cazul apartamentelor și, în special, al condominiilor, unde proprietarii ar putea dori să aibă posibilitatea de a-și modifica unitatea sau de a combina unități în viitor. O soluție pentru a evita limitarea flexibilității viitoare este utilizarea unui sistem de planșeu cu deschidere lungă, în care fie pereții exteriori și pereții coridorului sunt principalii pereți portanți, fie numai pereții laterali ai unității sunt principalii pereți portanți, fie o combinație a acestora.

Construcția cu planșeu din oțel cu deschidere lungă.

Pereți neasamblați

Pereții portanți CFMF sunt un sistem eficient pentru programele de utilizare repetitivă, cum ar fi cele rezidențiale. Cu toate acestea, atunci când programele atipice migrează în, sub sau deasupra pereților portanți CFMF, ineficiențele îngreunează sistemul. Acest lucru ia de obicei forma oțelului structural laminat la cald în interiorul pereților din stâlpi de oțel, a unui cadru structural independent din oțel sau a unor programe similare. Acest lucru duce la ineficiențe în proiectarea și fabricarea pereților CFMF și sporește complexitatea secvențierii meseriei de construcții.

Detalii ale căii de rulare superioare

Căile de rulare superioare din cadrul unui perete portant CFMF funcționează ca un element de distribuire a sarcinii în cazul în care sistemul de planșeu (de exemplu, canelura inferioară a punții de oțel sau flanșa unei grinzi CFMF) nu se aliniază neapărat cu un stâlp vertical. Panourile de perete sunt instalate, de obicei, deasupra fiecărui nivel de podea, astfel încât calea de rulare superioară trebuie proiectată/detaliată pentru a transfera sarcina sistemului de pardoseală și a planșeelor de la nivelul superior la stâlpul vertical adiacent. Din experiența autorilor, este o falsă economie pentru antreprenor să facă economii de costuri presupunând că instalatorii vor alinia sistemul de pardoseală cu stâlpii individuali.

Corectarea secvenței de construcție

Gândirea temeinică a coordonării meseriilor în timpul secvenței de montaj vertical va conduce la eficiența construcției. Meseriile tradiționale, cum ar fi zidarii, tâmplarii, fierarii, furnizorii de beton și lucrătorii de plasare a betonului vor trebui să fie etapizate pe măsură ce se construiește fiecare etaj, iar aceștia vor trebui să fie instruiți cu privire la integrarea sistemelor lor în construcția CFMF.

Petrele structurale vs. pereții despărțitori

În mod istoric, CFMF nu face parte din cadrul structural primar al clădirii, servind de obicei ca un perete exterior de rezervă sau ca perete despărțitor. Deși acest lucru face parte din intriga și eficiența sistemului, poate crea confuzie pe șantier. Este importantă documentarea clară a CFMF structurală atât în desenele structurale, cât și în cele arhitecturale. Cu toate acestea, este și mai important să se informeze antreprenorul și subcontractantul acestuia, din timp și de multe ori, cu privire la faptul că CFMF structurală nu poate fi modificată fără a fi revizuită și analizată de către SSE pentru CFMF. Modificările obișnuite pe teren includ penetrări prin stâlpi pentru instalații sanitare și electrice și îndepărtarea temporară a stâlpilor pentru evacuarea construcției.

Bordurile exterioare ale placării și ale dalei

Bordul exterior al unei clădiri cu pereți portanți CFMF poate fi frecvent doar marginea subțire a unei plăci de beton pe o punte de oțel. Acest lucru creează o eficiență structurală, dar poate crea dureri de inimă în fațadă, în funcție de material și de sistemul de fixare. Determinarea materialelor de fațadă și a sistemelor de fixare din timp atunci când se ia în considerare un sistem structural CFMF este critică – detaliile speciale cerute de anumite sisteme de fațadă pot eroda rapid orice eficiență în CFMF structurală. AoR și SER ar trebui să stabilească baza detaliilor de proiectare pentru atașamentele de fațadă și cerințele atât ale CFMF structurale, cât și nestructurale la atașamentele de fațadă.

Rezumat

Clădirile cu pereți portanți CFMF reprezintă din ce în ce mai mult o opțiune eficientă din punct de vedere al costurilor pe piața rezidențială cu mai multe unități de locuit de înălțime mică și medie. Fiind o nouă abordare a proiectării și construcției, există o curbă de învățare atât pentru proiectanți, cât și pentru antreprenori. Înțelegerea oportunităților și provocărilor sistemului este esențială pentru un proiect de succes.■