Steel Stud Bearing Walls

Multi-Unit Residential Construction

Voorgefabriceerde, structurele cold-formed metal framing (CFMF) dragende wanden zijn een trending constructiesysteem en een economisch alternatief voor constructiestaal of gewapend betonsystemen voor middelhoogbouw. CFMF-wandsystemen zijn vooral gewenst voor appartementen of flatgebouwen met 6 tot 12 verdiepingen, studentenwoningen, seniorenwoningen en hotels. Dankzij verticaal uitgelijnde scheidingswanden kan CFMF worden gestapeld zoals houtskeletbouw of betonmetselwerk (CMU) draagmuren. Door de hogere sterkte van staal zijn CFMF-wanden echter minder hoog dan hout en door de prefabricage niet zo arbeidsintensief als CMU. Bovendien integreren CFMF-systemen wandpanelen als het structurele systeem in wat gewoonlijk niet-structurele, op stok gebouwde scheidingswanden zouden zijn.

De prevalentie van CFMF-wandpaneelsystemen gaat gepaard met ontwerp- en bouwuitdagingen. Gedelegeerde ontwerpintegratie, handelscoördinatie in een traditioneel niet-structureel element, en brandwerende detaillering behoren tot de uitdagingen voor dit systeem. Dit artikel geeft een overzicht van de lay-out van het CFMF-systeem, de ontwerp- en specificatieopties en de overwegingen die over het hoofd kunnen worden gezien bij de eerste planning en prijsstelling.

Systeemoverzicht

CFMF-systemen zijn het efficiëntst als de wandpanelen van fundering tot dak op elkaar zijn afgestemd, of “stapelen”. Woningbouw met meerdere wooneenheden integreert vaak programmeerruimte voor winkels, kantoren, voorzieningen of parkeerplaatsen, meestal op de laagste niveaus van het gebouw. In deze gevallen worden de CFMF dragende wanden op een podiumniveau gebouwd, meestal van constructiestaal of gestort gewapend beton. Beide systemen kunnen worden ontworpen om discontinue dragende wanden te ondersteunen en om te zorgen voor een hogere brandklasse scheiding die nodig kan zijn tussen de verschillende gebouwen. Vanaf het begin van een project moet er een dialoog zijn tussen het ontwerpteam en de eigenaar om de wanden, en idealiter de wandopeningen, te stapelen om de overdracht binnen het CFMF-systeem te minimaliseren.

Voorgefabriceerde, structurele CFMF-wandpanelen. Met dank aan Bear Construction Co.

CFMF-draagmuren kunnen tussen 10 en 32 voet uit elkaar worden geplaatst, afhankelijk van de overspanningsmogelijkheden van de vloerconstructie. Voor de overspanning tussen de dragende wanden kan worden gekozen uit gietbeton op een staalplaat-betonvloer, gietbeton op een geschoorde stalen vloer met grote overspanning of voorgespannen kanaalplaatvloeren. Als alternatief kan de vloerconstructie bestaan uit betonnen panelen of stalen dek ondersteund op CFMF vloerbalken die tussen de dragende wanden overspannen.

Elk vloersysteem heeft voor- en nadelen. Beton op een samengestelde staalplaat vereist bijvoorbeeld minder werk in verband met beschoeiing dan geschoorde staalplaat over grote overspanningen; maar staalplaat over grote overspanningen is meestal beperkt tot een overspanning van ongeveer 15 voet, terwijl staalplaat over grote overspanningen tot 32 voet tussen constructieve wanden kan overspannen. De voorgespannen planken met holle kern kunnen gelijkaardige spanwijdtes bereiken als staaldek met grote overspanning; echter, de planken kunnen een structurele aanvulling voor vloerniveau vereisen en zijn een zwaarder systeem resulterend in hogere lading op de muurpanelen, het podium, en de funderingen.

Gebouwde samengestelde staaldekconstructie.

Vergeleken met een stalen vloer kan CFMF aantrekkelijk zijn vanwege de overspanningsmogelijkheden zonder gebruik van beschoeiing; een CFMF-vloerbalksysteem is echter over het algemeen 6 tot 12 inch dieper dan een stalen vloerbedekkingsysteem, waardoor er minder ruimte overblijft voor de distributie van elektrotechnische apparatuur, lagere plafonds nodig zijn of een grotere verdiepingshoogte nodig is. Bovendien kan voor CFMF-vloerliggersystemen een brandwerend plafond vereist zijn, terwijl voor stalen dekvloeren een onbeschermde brandwerendheid in het beton mogelijk is. De stalen staalplaatvloeren (geschoord of niet geschoord) zijn aantrekkelijk vanwege hun eenvoudige detaillering en dunne profiel. Voor zowel staalplaat-betonvloeren als CFMF-balken is, als de overspanning evenwijdig is aan een centrale gang, een kopregel nodig om vanaf het uiteinde van het CFMF-wandpaneel over de gang te overspannen. De kopregel maakt deel uit van het structurele belastingtraject en kan een brandklasse van 1 of 2 uur vereisen.

Het zijdelingse belastingverdedigingssysteem (LLRS) voor een CFMF-gebouw kan uit verschillende constructiesystemen bestaan. Het kan voordelig zijn om de CFMF-wanden als het laterale systeem te gebruiken, met gebruikmaking van ofwel beplating ofwel CFMF-staalbanden. In dit geval zijn de overdracht van kantelmomenten in de wandsystemen en de overdracht van de belastingen van de CFMF-wanden naar de podiumconstructie belangrijke overwegingen; in het eerste geval kunnen de extra details afbreuk doen aan de efficiëntie van het systeem. Als alternatief zijn de wanden rond de trappen en liften een geschikte plaats voor de invoering van gewapend betonnen schuifwanden, CMU-schuifwanden, of stalen geschoorde frames voor de LLRS. Ongeacht het gekozen systeem is de volgorde van de werkzaamheden een kritische discussie die met potentiële aannemers moet worden gevoerd, of zij nu in een vroeg stadium bij het project zijn betrokken in een ontwerpondersteunende rol of bij de aanbesteding van het project.

Ontwerp en specificatie

Traditioneel wordt de constructie van CFMF-wandpanelen beheerst door systemen die zijn ontwikkeld door fabrikanten en hun speciale constructeur (SSE). De SSE ontwerpt deze systemen, die worden afgestemd op de geprefereerde fabricage- en installatietechnieken van de aannemer. Een andere benadering is dat de Structural Engineer of Record (SER) in het ontwerpteam een op maat gemaakt stud framing systeem ontwerpt of het ontwerp van een op maat gemaakt systeem aan de aannemer delegeert. De SER die het systeem ontwerpt is de minst gebruikelijke aanpak en wordt hier niet besproken.

Een geschikt gedelegeerd ontwerp, of het nu voor een op maat gemaakt of een eigen systeem is, vereist dat het ontwerpteam de plaats en de omvang van de dragende CFMF-wanden op de tekeningen vaststelt. Het gedelegeerd ontwerp van een bouwsysteem beschrijft een scenario waarin de SER een reeks ontwerpcriteria verschaft die de SSE van een aannemer moet volgen om het geïdentificeerde bouwsysteem te ontwerpen, te fabriceren en te installeren. Het is essentieel dat het ontwerpteam niet alleen de locatie en de omvang van de CFMF-wand vaststelt, maar ook aangeeft welke andere vakmensen, zowel constructief als niet-constructief, met de CFMF-wanden verbonden zijn of er deel van uitmaken.

Een cruciaal onderdeel van gedelegeerde ontwerpcriteria is het doorgeven van informatie over wand- en vloerbelasting aan de SSE van de aannemer. Vloerbelastingsplannen moeten worden gebruikt om de omvang en de grootte van de opeenvolgende dode en levende belastingen aan te geven, met name grote of niet-uniforme belastingen en belastingen op buitenmuren. Specifieke details kunnen ook nodig zijn om de plaats en de omvang van belastingen op buitenmuren of puntbelastingen aan te geven, zoals overdrachten, overdrachtsbalken in gangen en dakapparatuur.

Buitengevelbekleding is vaak een gedeeltelijk of volledig gedelegeerd ontwerp. De kruising van meerdere gedelegeerde ontwerpcomponenten kan leiden tot slechte coördinatie tijdens de bouw. Het ontwerpteam moet de details van het basisontwerp voor de integratie van de verschillende systemen duidelijk documenteren als basis voor het bieden aan de aannemer. Daarnaast is een verantwoordelijkheidsmatrix een nuttig hulpmiddel om de rollen van de Architect of Record (AoR), SER, de General Contractor (GC), de speciale onderaannemers, de CFMF-fabrikant/installateur en hun SSE, en de buitenmuurfabrikant/installateur en hun SSE tijdens het beoordelingsproces van de ingediende stukken en de daaropvolgende bouw te documenteren. De matrix kan samen met de constructiedocumenten worden gepubliceerd om de ontwerpafbakening voor elke constructeur vast te leggen. Het ontwerpteam kan op de matrix vertrouwen tijdens de beoordeling van de ingediende stukken om de noodzakelijke coördinatie met andere ambachten aan te geven.

Of het systeem – eigen of op maat – de SER moet een voorlopige analyse van de typische CFMF-wandcomponenten ontwikkelen, zowel om de aanvaardbaarheid voor de beoogde lay-out vast te stellen als om een basis voor het ontwerp te bieden voor pre-constructieve budgettering en biedingen. Deze inspanning valideert de aanpak, stelt de ontwerpbelastingen voor het podium en de funderingen vast, helpt de SER bij het identificeren van belangrijke lay-outopties of -beperkingen, en geeft aan de SER aan waar speciale detaillering, minimumafmetingen of materiaalafmetingen vereist zijn. Dit zal de SER helpen een betrouwbaarder gedelegeerd ontwerp te ontwikkelen.

Overwegingen bij ontwerp en constructie

Podiumconstructie

Podiumniveauconstructie moet worden ontworpen volgens verhoogde doorbuigingscriteria om rekening te houden met de gevoeligheid van de met gipsplaten (GWB) beklede CFMF-dragende wanden. Geaccumuleerde verplaatsing kan leiden tot niet-structurele scheurvorming in de afwerking als een podiumniveau niet stijf genoeg is. Bij de programmering moet rekening worden gehouden met de grotere diepte van de constructie onder de eerste verdieping van CFMF-dragende wanden.

Fire Ratings

Als de primair dragende constructiedelen kan CFMF worden verplicht tot een brandklasse van 2 uur. Een brandklasse van 2 uur wordt bereikt met een tweede laag GWB aan elke kant van de muur. Dit is een extra gewicht waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van de stijlen en dat duidelijk moet worden aangegeven in de delegatietekst aan de SSE. Een bijkomende overweging voor architecten en aannemers is de continuïteit van de rating – deze moet doorlopen rond deurstijlen, elektriciteitskasten en gelijkaardige elementen die integraal deel uitmaken van de structurele CFMF-wand. Voor zover mogelijk moet het ontwerpteam alle doorvoeren in een CFMF-wand coördineren binnen een niet-structureel deel van een CFMF-structuurwand om de brandwerendheidsdetails tijdens de bouw te vereenvoudigen.

Toekomstige flexibiliteit

Met CFMF kan een gewoonlijk niet-structurele scheidingswand dienen als primair structureel element, maar het biedt doorgaans geen ruimte voor flexibiliteit in de toekomst. Hoewel dit aanvaardbaar kan zijn voor hotels en slaapzalen, kan het minder wenselijk zijn in appartementen en met name flatgebouwen waar de eigenaars de mogelijkheid willen hebben om hun eenheid in de toekomst te wijzigen of eenheden te combineren. Een bescherming tegen het beperken van toekomstige flexibiliteit is het gebruik van een vloersysteem met lange overspanningen waarbij ofwel de buiten- en gangmuren de primaire dragende muren zijn, ofwel alleen de partijmuren van de eenheid de primaire dragende muren zijn, of een combinatie daarvan.

Geschikte stalen dekconstructie met grote overspanning.

Non-Stacked Walls

CFMF dragende wanden zijn een efficiënt systeem voor repetitieve gebruiksprogramma’s zoals residentieel. Echter, wanneer atypische programma’s migreren in, onder of boven CFMF dragende muren, belasten inefficiënties het systeem. Dit gebeurt meestal in de vorm van warmgewalst constructiestaal in de staalskeletwanden, een onafhankelijk constructiestaalframe of soortgelijke programma’s. Dit leidt tot inefficiënties in het ontwerp en de fabricage van CFMF-wanden en verhoogt de complexiteit van de bouwvolgorde.

Top Track Details

Top Track Details in een CFMF-dragende wand fungeren als een element voor de verdeling van de belasting wanneer het vloersysteem (bijvoorbeeld de lage flens van een stalen dek of de flens van een CFMF-balk) niet noodzakelijkerwijs is uitgelijnd met een verticale draadeind. Wandpanelen worden meestal boven op elk vloerniveau geïnstalleerd, dus de topspoor moet worden ontworpen/gedetailleerd om de belasting van het vloersysteem en de bovenliggende vloeren over te brengen op de aangrenzende verticale balk. De ervaring van de auteurs is dat het voor de aannemer een valse bezuiniging is om kosten te besparen door aan te nemen dat de installateurs het vloersysteem zullen uitlijnen met de individuele stijlen.

Constructievolgorde

Doordacht over de coördinatie van de ambachten tijdens de verticale montagevolgorde zal de efficiëntie van de bouw bevorderen. Traditionele vaklui zoals metselaars, timmerlieden, ijzerwerkers, betonleveranciers en betonplaatsers zullen moeten worden opgevoerd naarmate elke verdieping wordt gebouwd, en zij zullen moeten worden voorgelicht over de integratie van hun systemen in de CFMF-bouw.

Structurele stijlen vs. scheidingsstijlen

Historisch gezien maakt CFMF geen deel uit van het primaire structurele bouwframe, maar dient het meestal als buitenste steunmuur of scheidingswand. Hoewel dit deel uitmaakt van de intrige en efficiëntie van het systeem, kan het verwarring scheppen op de bouwplaats. Het is belangrijk om de structurele CFMF duidelijk te documenteren in zowel de structurele als de bouwkundige tekeningen. Het is echter nog belangrijker om de aannemer en zijn onderaannemer er vroeg en vaak op te wijzen dat de structurele CFMF niet kan worden gewijzigd zonder beoordeling en analyse door de SSE voor de CFMF. Veel voorkomende wijzigingen in het veld zijn onder meer doorvoeringen door spanten voor loodgieters- en elektrische installaties en tijdelijke verwijdering van spanten voor het ontruimen van de constructie.

Buitenbekleding en plaatranden

De buitenrand van een CFMF dragend muurgebouw kan vaak alleen de dunne rand van een betonnen plaat op een stalen dek zijn. Dit schept een structurele efficiëntie, maar kan afhankelijk van het materiaal en het bevestigingssysteem hartzeer in de gevel veroorzaken. Het is van cruciaal belang om in een vroeg stadium de gevelmaterialen en bevestigingssystemen te bepalen wanneer een CFMF constructiesysteem wordt overwogen – de speciale details die voor bepaalde gevelsystemen vereist zijn, kunnen snel de efficiëntie van de CFMF constructie uithollen. De AoR en SER moeten de basis van ontwerpdetails voor de gevelbevestigingen en de eisen van zowel de structurele als niet-structurele CFMF bij gevelbevestigingen vaststellen.

Samenvatting

CFMF-dragende gevelgebouwen zijn in toenemende mate een kosteneffectieve optie in de lage en middelhoge woonmarkt voor meerdere wooneenheden. Het is een nieuwe benadering van ontwerp en bouw, en er is een leercurve voor zowel ontwerpers als aannemers. Inzicht in de mogelijkheden en de uitdagingen van het systeem is de sleutel tot een succesvol project.■