Specyfika projektowania domów szkieletowych

Domy o konstrukcji szkieletowej często jeszcze postrzegane są, jako nietrwałe, do użytku sezonowego nadające się jedynie na domek nad jeziorem lub altankę na działce. Taki pogląd jest jak najbardziej nieprawdziwy. Pomimo starań i wieloletniej pracy osób znających i promujących tę technologię, ciężko jest zmienić sposób postrzegania w dość tradycyjnym podejściu Polaków do budowania. Niemniej jednak domy drewniane, o konstrukcji szkieletowej dzięki swoim zaletom, stają się coraz bardziej popularne.

Z roku na rok ludzie związani z budownictwem szkieletowym informują o wzroście zainteresowania technologią szkieletową na polskim rynku. Jako projektant budynków szkieletowych i osoba związana z budownictwem drewnianym, sam mam podobne odczucia. Jednakże zawsze były to tylko odczucia, nie poparte twardymi statystykami. Ostatnio dość przypadkowo natrafiłem na wyniki analizy ponad 16 tysięcy zapytań ofertowych zamieszczonych w serwisie Oferteo.pl z 2015 roku przez osoby zamierzające zlecić budowę domu. Najciekawszą dla mnie informacją była ta, dotycząca preferencji typu konstrukcji budowanego domu. Technologią szkieletową czy kanadyjską było zainteresowanych 11 proc. badanych. Jest to pierwsza statystyka, na którą natrafiłem, pokazująca znaczące zainteresowanie domami wznoszonymi w tej technologii. Dowodem na to, że technologia domów szkieletowych na polskim rynku rozwija się, są realizacje obok których nie można przejść obojętnie. Przykładem są kilkukondygnacyjne budynki mieszkalne budowane przez firmę Trak-Bud (fot. 2).

O zaletach budownictwa szkieletowego napisano i powiedziano już wiele. Ja zawsze wymieniam główne zalety: szybkość montażu, izolacyjność termiczna, cena. Pisząc „cena” mam na myśli nie tylko koszt budowy, ale także eksploatacji i oszczędności wynikające z szybkiej budowy. Wady? Najczęściej wymienia się krótką trwałość czy palność budynków szkieletowych. Są to oczywiście mity wynikające głównie z nieznajomości podstawowych zagadnień technologii. Budynki szkieletowe projektowane są na taki sam okres użytkowania jak murowe. Oczywiście ważne jest, aby projektant i wykonawca znali kluczowe detale, które mają krytyczny wpływ na trwałość konstrukcji. Złe doświadczenia z trwałością wynikają głównie ze współpracy z firmami, które takiej wiedzy nie posiadają. Dotyczy to nie tylko wykonawcy, ale także projektanta. Niestety nie jest tak, że projektując przez lata budynki murowe możemy w jeden dzień „przesiąść” się na technologię szkieletową. Projektowanie budynków o konstrukcji drewnianej jest dość specyficzne. Uwzględnia obliczenia i zjawiska, których nie rozpatrujemy przy projektowaniu budynków tradycyjnych.
Czterema specyficznymi mechanizmami zniszczenia budynku szkieletowego, które musi przeanalizować projektant są: utrata sztywności ścian, obrócenie budynku lub jego części, przesunięcie po fundamencie, poderwanie dachu lub całego budynku (rys. 1).

Poderwanie dachu

Poderwanie jest to mechanizm polegający na zniszczeniu połączenia między elementami dachu a resztą konstrukcji drewnianej. Poderwanie więźby dachowej wynika z sił ssania wiatru. Takie zniszczenie może nastąpić zwłaszcza, gdy nachylenie połaci dachowych jest nieduże – wtedy siły podrywające są największe. Dodatkowo ryzyko rośnie, gdy dach jest wykonany z lekkiego pokrycia – blachodachówka lub pokrycie bitumiczne. W takiej sytuacji niski ciężar własny konstrukcji dachowej stanowi niewielką siłę przeciwdziałającą poderwaniu. W budynku tradycyjnym więźba opiera się na murłacie, wieńcu i ścianie murowanej. Jeżeli zapewnimy odpowiednie połączenie krokiew-murłata (temat omówiony
w FD&C 5/2013 – „Krokiew-murłata najważniejszym połączeniem więźby”) i połączenie murłata-wieniec mamy pewność, że ciężar wieńca i ściany murowej zniweluje siły podrywające. Konstrukcja ściany szkieletowej jest nieporównywalnie lżejsza niż ściany tradycyjnej. Z reguły jest to duża zaleta, jednakże w tym przypadku powoduje konieczność dodatkowego zabezpieczenia przed poderwaniem. Czasami zdarza się – choć bardzo rzadko, że siły podrywające są na tyle duże, że mogą podnieść cały budynek (np. mały dom parterowy). Wymaga to od projektanta zaprojektowania i przeliczenia dodatkowych połączeń w konstrukcji.

Przesunięcie

Z podobnych powodów jak powyżej – niski ciężar konstrukcji, pojawia sie kolejny mechanizm zniszczenia – przesunięcie po fundamencie. Zjawisko dość oczywiste. Jeżeli całość obciążenia wiatrem działająca na budynek jako bryłę jest większa niż nośność połączeń z fundamentem, następuję przesunięcie. Tarcie nie jest brane pod uwagę, z uwagi na trudność oszacowania faktycznej wartości współczynnika tarcia między podwaliną i fundamentem, za pośrednictwem warstwy hydroizolacji. Zabezpieczenie przed tym zjawiskiem jest dość proste i można je wykonać na kilka sposobów. Najczęściej stosowanym połączeniem jest kotwienie podwaliny do fundamentu przez użycie kotew mechanicznych lub chemicznych lub zastosowanie szpilek zatapianych w świeżej mieszance betonowej. Jeżeli połączenia nie możemy wykonać, montując kotwy od góry podwaliny, np. z powodu prefabrykacji ściany, możemy zastosować kątowniki montowane wzdłuż boku podwaliny (rys. 2).

Sztywność

Sztywność konstrukcji ścian budynku szkieletowego to zdecydowanie najbardziej złożone zjawisko. Łatwo wyobrazić sobie ścieżkę obciążeń pionowych działających zgodnie z siłą ciążenia. Trudniej jest zrozumieć jak budynek przenosi obciążenia poziome, wynikające głównie z parcia wiatru na ściany zewnętrzne. Sprawdzenie sztywności ścian szkieletowych to kluczowa kwestia w trakcie projektowania, choć zauważyłem, że często ignorowana. Wynika to prawdopodobnie z faktu, że w tradycyjnych budynkach murowych problem ten praktycznie nie istnieje. Żeby dobrze zrozumieć, na czym polega problem warto wyjaśnić podstawy tego zjawiska. Na rys. 3 symbolicznie przedstawiłem model najprostszego budynku szkieletowego. Jest to budynek prostokątny, parterowy o dwuspadowym dachu. Na schemacie dla większej przejrzystości rozsunąłem elementy budynku. Jeśli zabezpieczyliśmy konstrukcję przed poderwaniem i przesunięciem, musimy sprawdzić czy budynek ma odpowiednią sztywność.

Wiatr wiejący na powierzchnię ściany A powoduje jej zginanie. Słupki ściany opierają się na dole na fundamencie, a na górze na oczepie. Kotwiąc podwalinę do fundamentu zapewnimy właściwe podparcie ściany w dolnej części. W części górnej ściana opiera się na poprawnie stężonej bryle więźby dachowej. Aby działające obciążenia nie powodowały przesunięcia więźby, musi ona być podparta w innym miejscu. Podparciem dla więźby przy takim kierunku obciążenia wiatrem są ściany B (narysowana tylko jedna dla przejrzystości). W związku z tym ściana B przyjmuje schemat wspornika zakotwionego do fundamentu i obciążonego poziomą siłą działającą wzdłuż długości ściany. Jeśli tylko ściany B uzyskają odpowiednią sztywność pozostałe elementy konstrukcji szkieletowej będą miały odpowiednie podparcie, a cała bryła domu zachowa niezmienność geometryczną.
Jest kilka sposobów żeby zapewnić sztywność konstrukcji szkieletowej. Najczęściej stosuje się poszycie ściany płytą OSB jednostronnie lub dwustronnie. Jak skutecznie usztywnia konstrukcję płyta drewnopochodna wie każdy, kto kiedykolwiek montował szafę, komodę czy inny mebel drewniany. Dopiero gdy przybijemy płytę pilśniową jako „plecy” mebla uzyskuje on odpowiednią sztywność. Identyczną rolę spełnia płyta OSB (w układzie pionowym!) w budynku szkieletowym. Jak każdy element konstrukcyjny tak samo i szkieletowa ściana drewniana poszyta płytą OSB ma określoną wytrzymałość. Siłę jaką poszyta ściana jest w stanie przenieść należy określać zgodnie z obowiązującą normą PN-EN 1995-1-1 (Eurokod 5) roz. 9.2.4 Przepony ścienne.
Stosowanie płyty OSB jako poszycie ma jeszcze jedną ogromną zaletę, odpowiednio przymocowana do słupków działa jak sztywna tarcza zabezpieczająca ściskane słupki przed wyboczeniem w słabszej ich płaszczyźnie.

Obrócenie

Kiedy już mamy pewność, że konstrukcja ma wystarczającą sztywność, należy zabezpieczyć ją przed obrotem. Mechanizm obrotu jest bardzo prosty, przedstawiłem go na rys. 4.
Poziome siły działające na wysokości oczepu (te same które mogą powodować utratę sztywności) mają tendencję do obrócenia ściany względem punktu obrotu zaznaczonego na czerwono. Aby przeciwdziałać temu zjawisku należy stosować odpowiednie złącza zwane złączami kotwiącymi, mające bardzo dużą nośność na wyrwanie. Takie połączenie pozwala wytworzyć dużą siłę utrzymującą ścianę w oryginalnej pozycji i przeciwdziałać obrotowi (fot. 3).

Warto przy tej okazji zaznaczyć, że tej funkcji nie pełni połączenie podwaliny z fundamentem bezpośrednio kotwami czy też z użyciem kątowników, jak to opisałem powyżej omawiając zniszczenie przez przesunięcie (rys. 2). Kotwiąc jedynie podwalinę tworzymy bardzo mocne połączenie, ale pamiętajmy, że ściana szkieletowa nie jest monolitem. Należy zapewnić mocowanie głównych elementów nośnych czyli słupków. Tylko odpowiednio zaprojektowane złącza kotwiące mocowane bezpośrednio do słupków (!) ściany szkieletowej są w stanie utrzymać całą ścianę a nie tylko podwalinę.
W razie pytań i wątpliwości związanych z projektowaniem budynków szkieletowych zachęcam do kontaktu z inżynierami z działu wsparcia technicznego Simpson Strong-Tie – telefon: 22 865 22 00, e-mail: poland@strongtie.com

mgr inż. Tomasz Szczesiak
Inżynier Wsparcia Technicznego
Simpson Strong-Tie