Steel Stud Bearing Walls

Multi-Unit Residential Construction

Prefabricerade, strukturella kallformade metallramar (CFMF) är ett trendigt konstruktionssystem och ett ekonomiskt alternativ till konstruktionsstål eller armerade betongsystem för medelhöga byggnader. CFMF-väggsystem är särskilt önskvärda för 6-12 våningars flerfamiljslägenheter eller bostadsrätter, studentbostäder, äldreboenden och hotell. Vertikalt inriktade bostads- och skiljeväggar gör det möjligt för CFMF att stapla sig på samma sätt som bärande väggar av timmerstomme eller betongmurade element (CMU). CFMF-väggar är dock mindre höjdbegränsande än träbyggnader på grund av stålets högre hållfasthet och inte lika arbetskrävande som CMU-väggar på grund av prefabricering. Dessutom integrerar CFMF-system väggpaneler som det strukturella systemet i vad som vanligtvis skulle vara icke-strukturella, stick-byggda skiljeväggar.

Den utbredda användningen av CFMF-väggpanelsystem kommer med utmaningar i fråga om utformning och konstruktion. Delegerad integration av konstruktionen, samordning av handeln i ett traditionellt icke-strukturellt element och brandskyddande detaljer är några av utmaningarna för detta system. Den här artikeln sammanfattar CFMF-systemets layoutprocess, konstruktions- och specifikationsalternativ samt överväganden som kan förbises i den inledande planeringen och prissättningen.

Systemöversikt

CFMF-system är mest effektiva när väggpanelerna är i linje, eller ”staplade”, från grunden till taket. I flerbostadshusbyggandet integreras ofta programutrymmen för detaljhandel, kontor, bekvämligheter eller parkering vanligtvis på de lägsta nivåerna i byggnaden. I dessa fall byggs de bärande CFMF-väggarna på en podiumnivå, vanligtvis av konstruktionsstål eller platsgjuten armerad betong. Båda systemen kan konstrueras för att stödja diskontinuerliga bärande väggar och för att ge en högre brandteknisk separation som kan krävas mellan olika användningsområden. Från början av ett projekt bör det finnas en dialog mellan konstruktionsgruppen och ägaren för att stapla väggarna, och helst väggöppningarna, för att minimera överföringar inom CFMF-systemet.

Prefabricerade, strukturella CFMF-väggpaneler. Med tillstånd av Bear Construction Co.

CFMF-bärande väggar kan placeras med ett avstånd på mellan 10 och 32 fot beroende på golvkonstruktionens spännvidd. För spännvidden mellan de bärande väggarna kan golvsystemet bestå av platsgjuten betong på ett oskött ståldäck av kompositmaterial, platsgjuten betong på ett skött ståldäck med lång spännvidd eller prefabricerade, förspända hålkärniga plankor. Alternativt kan golvkonstruktionen bestå av betongpaneler eller ståldäck som stöds av CFMF-golvbjälkar som sträcker sig mellan de bärande väggarna.

Varje golvsystem har för- och nackdelar. Exempelvis kräver betong på ett oskött kompositståldäck mindre arbete i samband med stöttning än ett skött ståldäck med lång spännvidd, men oskött ståldäck är vanligtvis begränsat till en spännvidd på cirka 15 fot, medan ett ståldäck med lång spännvidd kan nå upp till 32 fot mellan konstruktionsväggarna. Prefabricerade, förspända hålkärniga plankor kan uppnå liknande spännvidder som ståldäck med lång spännvidd, men plankor kan kräva en strukturell toppning för golvnivå och är ett tyngre system, vilket resulterar i ökad belastning på väggpanelerna, podiet och fundamenten.

Oförstärkt konstruktion av kompositståldäck.

Jämfört med ståldäcksalternativ kan CFMF-golvbjälklag vara tilltalande på grund av deras spännvidd utan användning av stöttning. CFMF-golvbjälklagssystem är dock i allmänhet 6 till 12 tum djupare än ett ståldäckssystem, vilket ger mindre utrymme för distribution av MEP, vilket kräver lägre tak eller större golvhöjder. Dessutom kan CFMF-golvbjälklagssystem kräva en brandklassad takkonstruktion, medan ståldäckssystem vanligtvis kan uppnå en oskyddad brandklass i betongen. Alternativ för ståldäck (med eller utan stöd) är tilltalande med tanke på deras enkla detaljutformning och tunna profil. Om spännvidden är parallell med en central korridor krävs det för både däck- och CFMF-balksystem en huvuddel som sträcker sig från CFMF-väggpanelens ände över korridoren. Huvudet är en del av den strukturella belastningsbanan och kan kräva en 1- eller 2-timmars brandklassning.

Det laterala belastningsresistenta systemet (LLRS) för en CFMF-byggnad kan bestå av en mängd olika strukturella system. Det kan vara fördelaktigt att använda CFMF-väggarna som det laterala systemet och förlita sig på antingen plåt eller CFMF-stålband. I detta fall är överföringen av vältningsmoment i väggsystemen och överföringen av lasterna från CFMF-väggarna till podiumkonstruktionen viktiga överväganden; i det förstnämnda fallet kan de ytterligare detaljerna minska systemets effektivitet. Alternativt är väggar runt trappor och hissar en lämplig plats för att införa skjuvväggar av armerad betong, CMU-skjuvväggar eller stålförstärkta ramar för LLRS. Oavsett vilket system som väljs är sekvensen av hantverk en viktig diskussion att föra med potentiella entreprenörer, oavsett om de är involverade tidigt i projektet i en roll som konstruktionsstödjare eller om de bjuder på projektet.

Design och specifikation

Traditionellt sett har konstruktion av CFMF-väggpaneler styrts av system som har utvecklats av tillverkare och deras specialiserade byggnadsingenjörer (SSE). SSE:n utformar dessa system, som är anpassade till entreprenörens föredragna tillverknings- och installationstekniker. Ett alternativt tillvägagångssätt är att konstruktionsingenjören i konstruktionsgruppen utformar ett specialanpassat system för stommeinramning eller delegerar utformningen av ett specialanpassat system till entreprenören. Att SER utformar systemet är det minst vanliga tillvägagångssättet och diskuteras inte här.

En lämplig delegerad konstruktion, oavsett om det rör sig om ett anpassat eller egenutvecklat system, kräver att konstruktionsgruppen identifierar de bärande CFMF-väggarnas placering och omfattning på ritningarna. Den delegerade konstruktionen av ett byggsystem beskriver ett scenario där SER tillhandahåller en uppsättning konstruktionskriterier som en entreprenörs SSE ska följa för att konstruera, tillverka och installera det identifierade byggsystemet. Förutom att identifiera CFMF-väggarnas placering och omfattning är det viktigt att konstruktionsgruppen anger andra yrkesgrupper, både konstruktionsmässiga och icke-konstruktionsmässiga, som har ett gränssnitt mot CFMF-väggarna eller är integrerade med dem.

En viktig del av kriterierna för delegerad konstruktion är kommunikationen av information om vägg- och golvbelastning till entreprenörens SSE. Golvbelastningsplaner bör användas för att visa storleken och omfattningen av överlagrade döda och levande laster, särskilt stora eller ojämna laster och yttre vägglaster. Särskilda detaljer kan också krävas för att ange placering och omfattning av ytterväggsbelastningar eller punktbelastningar, t.ex. förflyttningar, korridoröverföringsbalkar och utrustning på taket.

Utomhusväggsbeklädnad är ofta en delvis eller helt delegerad konstruktion. Korsningen av flera delegerade konstruktionskomponenter kan leda till dålig samordning under byggnationen. Konstruktionsgruppen måste tydligt dokumentera detaljerna i basen för konstruktionen för integrationen av de olika systemen som en grund för entreprenörens budgivning. Dessutom är en ansvarsmatris ett användbart verktyg för att dokumentera rollerna för arkitekten, den ansvariga arkitekten, den allmänna entreprenören, de specialiserade underentreprenörerna, CFMF-tillverkaren/installatören och dennes SSE samt tillverkaren/installatören av ytterväggar och dennes SSE under granskningen av inlämningshandlingar och den efterföljande byggnationen. Matrisen kan publiceras tillsammans med bygghandlingarna för att definiera konstruktionsavgränsningen för varje konstruktör. Konstruktionsgruppen kan förlita sig på matrisen under granskning av underlag för att ange nödvändig samordning med andra hantverkare.

Oavsett system – egenutvecklat eller specialanpassat – bör SER utveckla en preliminär analys av de typiska CFMF-väggkomponenterna, både för att fastställa om de är acceptabla för den avsedda layouten och för att tillhandahålla en konstruktionsgrund för budgetering och budgivning före byggnationen. Detta arbete validerar tillvägagångssättet, fastställer konstruktionslaster för podiet och fundamenten, hjälper SER att identifiera viktiga layoutalternativ eller begränsningar och anger för SER var särskild detaljutformning, minimistorlek eller materialmått krävs. Detta kommer att hjälpa SER att utveckla en mer tillförlitlig delegerad konstruktion.

Design- och konstruktionsöverväganden

Podiumkonstruktion

Konstruktionen på podiumnivå bör utformas enligt förhöjda nedböjningskriterier för att ta hänsyn till känsligheten hos de bärande väggarna i CFMF som är beklädda med gipsskivor (GWB). Ackumulerad förskjutning kan resultera i icke-konstruktiva sprickor i ytskiktet om en podiumnivå inte är tillräckligt styv. Tidig programmering bör ta hänsyn till strukturens ökade djup under första våningen med CFMF-bärande väggar.

Brandklassning

Som primära strukturella lastbärande element kan CFMF krävas för att uppnå en brandklassning på upp till 2 timmar. En 2-timmars klassning uppnås med ett andra lager GWB på varje sida av väggen. Detta är en extra vikt som måste beaktas vid konstruktionen av stommarna och tydligt anges i delegeringsspråket till SSE. Ett ytterligare övervägande för arkitekter och entreprenörer är kontinuiteten i klassificeringen – den måste fortsätta runt dörrkarmar, elskåp och liknande föremål som är integrerade med den strukturella CFMF-väggen. I möjligaste mån bör konstruktionsgruppen samordna alla genomföringar i en CFMF-vägg så att de sker i en icke-strukturell del av en CFMF-strukturell vägg för att förenkla detaljerna för brandklassning under byggnationen.

Framtida flexibilitet

Samtidigt som CFMF gör det möjligt för en typiskt sett icke-strukturell skiljevägg att fungera som ett primärt strukturellt element, ger den vanligtvis inte möjlighet till framtida flexibilitet. Detta kan vara acceptabelt för hotell och sovsalar, men det kan vara mindre önskvärt i lägenheter och särskilt i bostadsrätter där ägarna vill ha möjlighet att ändra sin enhet eller kombinera enheter i framtiden. Ett skydd mot att begränsa den framtida flexibiliteten är att använda ett golvsystem med lång spännvidd där antingen ytter- och korridorsväggarna är de primära bärande väggarna, eller endast enhetens partiväggar är de primära bärande väggarna, eller en kombination av dessa.

Skickat ståldäck med lång spännvidd.

Non-Stacked Walls

CFMF bärande väggar är ett effektivt system för program med upprepad användning, t.ex. bostäder. Men när atypiska program flyttar in i, under eller ovanför CFMF bärande väggar, blir systemet ineffektivt. Detta sker vanligtvis i form av varmvalsat konstruktionsstål i stålstommeväggarna, en oberoende konstruktionsstålsram eller liknande program. Detta resulterar i ineffektivitet i CFMF-väggens konstruktion och tillverkning och ökar komplexiteten i byggnadsarbetets sekvensering.

Detaljer om toppskenor

Toppskenor i en CFMF-lagervägg fungerar som ett lastfördelningselement där golvsystemet (t.ex. den låga flanken på ståldäcket eller flänsen på en CFMF-balken) inte nödvändigtvis ligger i linje med en vertikal stav. Väggpaneler installeras vanligtvis ovanpå varje våningsplan, så det översta spåret bör utformas/detaljeras för att överföra belastningen från golvsystemet och de övre våningsplanen till den intilliggande vertikala stöttan. Enligt författarnas erfarenhet är det en falsk ekonomi för entreprenören att ta en kostnadsbesparing genom att anta att installatörerna kommer att anpassa golvsystemet till enskilda dubbar.

Konstruktionssekvensering

Tanken på samordningen av yrkena under den vertikala monteringssekvensen kommer att driva på konstruktionseffektiviteten. Traditionella yrkesgrupper som murare, snickare, järnarbetare, betongleverantörer och arbetare som arbetar med betongplacering kommer att behöva placeras i etapper när varje våningsplan byggs, och de kommer att behöva utbildas om integrationen av deras system med CFMF-konstruktionen.

Strukturellast mot skiljeväggar

Historiskt sett är CFMF inte en del av den primära strukturella byggnadsramen, utan tjänar vanligen som en yttre reservvägg eller en skiljevägg. Även om detta är en del av systemets intriger och effektivitet kan det skapa förvirring på byggarbetsplatsen. Det är viktigt att tydligt dokumentera den strukturella CFMF-strukturen i både konstruktions- och arkitektritningar. Det är dock ännu viktigare att tidigt och ofta informera entreprenören och dennes underleverantör om att den strukturella CFMF inte kan ändras utan granskning och analys av SSE för CFMF. Vanliga ändringar på fältet omfattar genomföringar genom stolpar för VVS- och elsystem och tillfälligt avlägsnande av stolpar för utrymning av byggnaden.

Uttre beklädnad och plattkanter

Den yttre kanten på en CFMF-bärande väggbyggnad kan ofta bara vara den tunna kanten av en betongplatta på ett ståldäck. Detta skapar en strukturell effektivitet, men kan ge upphov till hjärtskärpa i fasaden beroende på material och fästsystem. Det är viktigt att bestämma fasadmaterial och fästsystem tidigt när man överväger ett strukturellt CFMF-system – de speciella detaljer som krävs för vissa fasadsystem kan snabbt urholka alla effektivitetsvinster i det strukturella CFMF-systemet. AoR och SER bör fastställa grunden för konstruktionsdetaljerna för fasadinfästningarna och kraven på både den strukturella och icke-strukturella CFMF vid fasadinfästningar.

Sammanfattning

CFMF bärande väggbyggnader är i allt högre grad ett kostnadseffektivt alternativ på marknaden för låga och medelstora flerbostadshus. Som ett nytt tillvägagångssätt för design och konstruktion finns det en inlärningskurva för både konstruktörer och entreprenörer. Att förstå möjligheterna och utmaningarna med systemet är nyckeln till ett lyckat projekt.■