Połączenia w prefabrykowanych drewnianych budynkach szkieletowych

Przy realizacji budynków mieszkalnych w Polsce, coraz częściej sięga się po technologie realizacji budynków opartych na drewnianych konstrukcjach szkieletowych. Stale rosnące zainteresowanie tymi technologiami wynika z szeregu właściwości jakimi się charakteryzują, a które obecnie są przez inwestorów pożądane.

Przede wszystkim przegrody budynków szkieletowych są przegrodami lekkimi. Fakt ten umożliwił rozwinięcie się technologii prefabrykowania elementów budynku, a tym samym skrócenia czasu ich realizacji, umożliwienie realizacji również w porach zimowych, poprawę jakości ze względu na większą kontrolę nad przebiegiem procesu oraz lepsze przygotowanie projektowe. Ponadto, na rynku można znaleźć firmy zajmujące się realizacją budynków szkieletowych kompleksowo, nawet pod klucz, co jest niezwykle wygodne z punktu widzenia inwestora.

Metody prefabrykacji

Prefabrykacja budynków szkieletowych może przebiegać różnie i mieć różne formy (patrz rysunek 2). Wszystko zależy od zaplecza firmy produkującej prefabrykaty, skali realizowanych obiektów i ich lokalizacji, rynku zbytu oraz doświadczenia producenta i projektantów. W zależności od stopnia prefabrykacji można wyróżnić cztery sposoby realizacji drewnianych budynków szkieletowych:

1. Brak prefabrykacji – budynek realizowany jest w całości na placu budowy;
2. Prefabrykacja panelowa otwarta – na plac budowy dostarczane są poszczególne przegrody składające się z elementów konstrukcyjnych, tj. ram z poszyciem, gdzie dostęp do elementów konstrukcyjnych jest swobodny;
3. Prefabrykacja panelowa zamknięta – przegrody na etapie produkcji uzupełniane są o elementy niekonstrukcyjne, takie jak izolacje, stolarka okienna lub drzwiowa, warstwy wykończeniowe, instalacje, gdzie dostęp do elementów konstrukcyjnych jest ograniczony;
4. Prefabrykacja modułowa – prefabrykatem jest element przestrzenny będącym fragmentem budynku, zawierającym gotowe lub niemal gotowe pomieszczenia lub jego części.

Wraz ze wzrostem stopnia prefabrykacji rośnie ilość prac realizowanych w zakładzie produkcyjnym a zakres niezbędny do wykonania na placu budowy się ogranicza. Zwiększanie stopnia prefabrykacji daje zatem pewne możliwości oraz korzyści, ale stwarza też ograniczenia. Utrudnieniem jest m.in. realizowanie połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami konstrukcji, które są niezbędne dla właściwej, bezpiecznej pracy budynku.

Modele zniszczenia budynku szkieletowego

Na budynek oddziaływają różnego typu obciążenia, takie jak wiatr, śnieg, obciążenia użytkowe, stałe oraz inne, zależnie od charakteru budynku i jego lokalizacji. Niezwykle istotny przy analizie elementów konstrukcji jest dobór połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami. Obciążenia pionowe skierowane w dół w dużej mierze są transferowane poprzez wzajemny docisk dwóch elementów drewnianych, chodź nierzadko się zdarza stosowanie złącz w postaci wieszaków belek czy też podstaw słupów. Szczególną uwagę w budynkach szkieletowych należy zwrócić na połączenia zapewniające stateczność i integralność elementów poddanych oddziaływaniom wiatrem. Dla tych obciążeń wyszczególnia się cztery mechanizmy zniszczenia budynku (rysunek 3), tj.:

• przesunięcie – wynikające z niewystarczającej nośności połączenia ścinanego pomiędzy ścianami a konstrukcją położoną poniżej;
• obrót – wynikający z niewystarczającej nośności złącz kotwiących ścian;
• nadmierne odkształcenie postaciowe – wynikające z niewystarczającej nośności tarczowej ścian;
• poderwanie – wynikające z niewystarczającej nośności połączeń poddanym siłom pionowym, skierowanym w górę.

Rozwiązania stosowane w celu ograniczenia ryzyka wystąpienia poszczególnych modeli zniszczenia w budynku, przedstawiono w poniższych rozdziałach.

Sposoby zabezpieczenia przed przesunięciem

W przypadku braku prefabrykacji oraz prefabrykacji panelowej otwartej, dostęp do elementów konstrukcji jest swobodny. Wtedy panele ścienne mogą być połączone z fundamentem poprzez elementy trzpieniowe, najczęściej w postaci kotew chemicznych lub mechanicznych (rysunek 4). Powyższymi metodami możliwe jest zabezpieczenie ściany szkieletowej budynku przed przesunięciem po fundamencie.

W przypadku ścian prefabrykowanych zamkniętych, dostęp do pasa dolnego ściany jest ograniczony elementami warstw izolacyjnych, osłonowych i wykończeniowych, takimi jak izolacja termiczna ułożona pomiędzy elementami ram ściennych, warstwy elewacji na zewnątrz oraz chociażby płyty suchego tynku wewnątrz. Stosowanie rozwiązań wyżej wskazanych wymuszałoby stosowanie otworów rewizyjnych w prefabrykatach, umożliwiających dostęp do elementów konstrukcji, a po wykonaniu prac montażowych ich zamykanie. Niweczy to zamysł prefabrykacji, wymaga wykonania dodatkowych prac w zakładzie produkcyjnym oraz na placu budowy, co nie jest rozwiązaniem efektywnym. W takim przypadku wykorzystuje się stalowe złącza kątowe. Złącza kątowe bywają stosowane również w przypadku braku prefabrykacji oraz prefabrykatów otwartych, gdy istnieje potrzeba odsunięcia się kotwą od krawędzi fundamentu. Takie sytuacje często mają miejsce przy wysunięciu krawędzi ściany poza lico fundamentu.

Nawet w przypadku budynków o wysokim stopniu prefabrykacji strefy krawędzi górnej i dolnej ścian są pozbawione warstw wykończeniowych, podobnie jak krawędzie paneli stropowych. Dzięki temu stosowane są tam rozwiązania podobne do tych jak przy niskim stopniu prefabrykacji, bądź jej braku. Możliwe jest też stosowanie złącz SC2P (patrz rysunek 5), które w tej sytuacji mocuje się do belek stropowych, zamiast do fundamentu.

Sposoby zabezpieczenia przed obrotem

Ze względu na działanie siły obciążającej ścianę w jej płaszczyźnie na poziomie jej górnej krawędzi oraz niewielką masę własną budynku szkieletowego, może wystąpić model zniszczenia polegający na obrocie tarczy ściennej. Model ten wystąpi w sytuacji, gdy moment destabilizujący generowany przez siłę poziomą, powiększony o ewentualną siłę pionową skierowaną w górę pochodząca od sił podrywających połać dachu, jest większy od momentu stabilizującego pochodzącego od ciężaru własnego konstrukcji oraz nośności zakotwienia. Zakotwienie ściany realizuje się złączem kotwiącym, łączącym skrajny słupek ściany usztywniającej bezpośrednio z konstrukcją położoną poniżej.

Sposoby zabezpieczenia przed nadmiernymi odkształceniami postaciowymi

Uzyskanie nośności tarczowej ścian najczęściej osiąga się poprzez stosowanie płyt poszycia, mocowanych bezpośrednio do ramy ściany szkieletowej. Jako płyty poszycia najczęściej wykorzystuje się płyty drewnopochodne, takie jak płyty OSB, wiórowe, rzadziej sklejkę, bądź płyty mineralne gipsowo-włóknowe lub cementowo- włóknowe. Kluczowym jest w tym przypadku sposób połączenia płyty z ramą drewnianą, ponieważ od nośności połączenia bezpośrednio zależy nośność tarczowa ścian. Elementami złącznymi są tu zszywki, gwoździe lub wkręty. Nośność tarczową ścian można określić wykorzystując procedurę ujętą w normie Eurokod 5. Dla płyt mineralnych jeśli płyta jest do zastosowań konstrukcyjnych jako płyta poszycia, producent płyty przedstawia procedurę określenia nośności tarczowej płyty w aprobacie technicznej.

Sposoby zabezpieczenia przed poderwaniem

Model zniszczenia polegający na poderwaniu jest efektem wypadkowej pionowej oddziaływania wiatru. Na połaci dachu często występują ciśnienia wywołane wiatrem w postaci ssania. Jest to szczególnie dostrzegalne w dachach płaskich bądź zbliżonych do płaskich, gdzie siły podrywające mogą osiągnąć dość duże wartości. Zastosowanie połączeń poszczególnych elementów konstrukcji budynku, transferujących siłę z konstrukcji dachu do fundamentu, określa się zachowaniem „Ciągłej Ścieżki Obciążenia”, z ang. „Continuous Load Path”.
Sposób połączenia pomiędzy konstrukcją dachu i ściany zależy od geometrii konstrukcji obu elementów. Na rysunku 8 przedstawiono przykład rozwiązania połączenia krokwi lub pasa dolnego wiązara dachowego z pasem górnym ściany.

Kolejnym krokiem w celu zachowania ciągłej ścieżki obciążenia jest odpowiednie połączenie pasa górnego ściany ze słupkami. Połączenia pomiędzy słupkami ścian poszczególnych kondygnacji oraz słupkiem ścian parteru z fundamentem są analogiczne jak dla rozwiązań zabezpieczających ścianę przed obrotem.

W razie pytań dotyczących koncepcji Ciągłej Ścieżki Obciążenia lub doboru połączeń w domach szkieletowych zachęcamy do kontaktu z inżynierami z działu wsparcia technicznego Simpson Strong-Tie. Z chęcią podzielimy się z Państwem wiedzą i doświadczeniami naszymi i naszej firmy. Tel: 22 865 22 00, e-mail: poland@strongtie.com

mgr inż. Rafał Roszczyc
mgr inż. Tomasz Szczesiak
Simpson Strong-Tie