Stropy w budynkach szkieletowych – podstawy konstruowania

Stropy w budynkach szkieletowych mogą być konstruowane na budowie, dostarczane w formie kaset stropowych lub być częścią większego modułu. Do podstawowych zadań stropu należy przeniesienie obciążenia użytkowego i stanowienie podparcia dla wyższych kondygnacji. Niniejszy artykuł opisuje typowe rozwiązania stosowane w drewnianych stropach domów szkieletowych. Omówienie poszczególnych elementów składowych stropu pozwoli świadomie je dobierać lub eliminować jeśli jest taka możliwość.

Typowe rozwiązania omawiane w niniejszym artykule są zbiorem dobrych praktyk technologii szkieletu drewnianego. Nie należy rozumieć ich jako jedynie słusznego rozwiązania. Każdy strop należy traktować indywidualnie, a większość problemów inżynierskich można rozwiązać na wiele dobrych sposobów. Z drugiej strony należy pamiętać, że wykonanie stropu w oparciu o opisane rozwiązania nie gwarantuje jeszcze bezpieczeństwa konstrukcji. W każdym przypadku to projektant konstrukcji powinien ustalić i wyspecyfikować w dokumentacji projektowej konkretne rozwiązania.

Z czego składa się strop? Odpowiedź – z belek stropowych narzuca się sama. Jednakże nie jest ona pełna. Takie elementy jak belki krawędziowe, przewiązki, wymiany często stanowią elementy niezbędne do poprawnej pracy tego układu konstrukcyjnego. W przypadku drewnianych konstrukcji szkieletowych, także poszycie (podobnie jak dla ścian) odgrywa bardzo ważną rolę w kształtowaniu stropu.

Główne belki stropowe

Drewniane lub drewnopochodne belki stropowe są głównymi elementami konstrukcyjnymi stropu. Stosuje się belki lite lub wszelkie odmiany klejonych elementów drewnopochodnych, jak belki klejone na długości, klejone warstwowo lub klejone forniry (LVL). W ostatnich latach dużą popularnością cieszą się drewnopochodne belki dwuteowe. W szczególności te ostanie mają swoją specyfikę i często wymagają odmiennych rozwiązań. Stosując takie materiały zawsze warto skontaktować się z producentem, aby poznać szczegóły konstruowania i montażu.

Rozstaw belek stropowych jest dostosowywany do modułu długości płyt poszycia. W przypadku najpopularniejszego poszycia, czyli płyty OSB o długości 2500 mm, typowe rozstawy to 626 mm lub 417 mm (zdj. 2). Jeśli zastosujemy takie rozstawy, płyta skończy się na belce bez konieczności jej docinania. Takie rozstawy zapewniają także uzyskanie 2-4 mm szczeliny dylatacyjnej, wymaganej na łączeniu sąsiadujących płyt o prostych krawędziach.

Określając kierunek rozpiętości belek stropowych z reguły wybiera się taki, aby ich rozpiętość, czyli odległość między podporami była najmniejsza. Jeżeli jest taka możliwość, warto orientować belki stropowe w taki sposób, aby ich układ był co najmniej dwuprzęsłowy. Dotyczy to oczywiście sytuacji, gdy dysponujemy wewnętrznymi podporami w postaci ścian nośnych. Jest to bardzo korzystny układ z uwagi na ugięcia czyli Stan Graniczny Użytkowalności. Jeżeli przenalizujemy pracę dwóch układów belek o tym samym przekroju – jednoprzęsłowej i dwuprzęsłowej symetrycznej, możemy dojść do wniosku, że belka jednoprzęsłowa rozpiętości przykładowo 4 m, znajdzie się na granicy SGU, czyli osiągnie maksymalne dopuszczalne ugięcie, przy tym samym obciążeniu co belka dwuprzęsłowa o rozpiętości obu przęseł 5,35 m. Na bazie powyższego można stwierdzić zatem, że układy dwuprzęsłowe pozwalają często na znaczne zwiększenie rozpiętości, w tym przypadku o ok. 1/3. Warto mieć to na uwadze określając kierunki poszczególnych belek stropowych.

Przy okazji uwzględniania ścian wewnętrznych jako podpór dla belek stropowych, warto omówić jeszcze jedno zagadnienie. Zdarza się, że belka stropowa przechodzi nad kilkoma ścianami, z których nie wszystkie są nośne. Aby nie obciążać ścian działowych (nienośnych) często stosuje się kilkumilimetrową dylatacje pomiędzy spodem belki, a wierzchem ściany działowej. Jednakże z drugiej strony ściany działowe muszą być zabezpieczone przed wychyleniem z pionu. Oznacza to zastosowanie takiego połączenia, które zapewni swobodny przesuw na kierunku pionowym i jednocześnie nośność na kierunku poziomym. Rozwiązaniem tego problemu jest złącze PWR stworzone właśnie z myślą o tym zastosowaniu (zdj. 3). Wykorzystano w nim pionowy otwór podłużny. Gwóźdź w wbity w taki otwór zabezpiecza ścianę przed wychyleniem, przy jednoczesnej swobodzie pionowej.

Wymiany – belki zwielokrotnione

Niemalże w każdym stropie zachodzi konieczność zastosowania wymianów, czyli belek podpierających inne belki stropowe. Stosowanie wymianów bardzo często związane jest z koniecznością tworzenia otworów w powierzchni stropu. Z reguły są to otwory z przeznaczeniem na schody, kominy czy inne instalacje. Wymian „zbiera” więcej obciążenia niż typowa belka stropowa, z tego powodu jego przekrój często jest większy. Jeżeli zachodzi potrzeba zwiększenia przekroju belki, najłatwiej to zrobić łącząc wzajemnie dwie belki ze sobą.

Z logistycznego punktu widzenia lepiej na budowie operować jednym przekrojem, a w razie konieczności go zwielokrotniać. Sprawa odpowiedniego połączenia nabiera szczególnej wagi w przypadku belek obciążonych niesymetrycznie. Typowym przykładem jest belka wyznaczająca krawędź otworu schodowego (zdj. 4 – z lewej strony). Od strony otworu schodowego belka składowa wchodząca w skład belki zwielokrotnionej nie jest obciążona. Belka składowa po przeciwległej stronie jest mocno obciążona typowymi belkami stropowymi. Kwestia sposobu i gęstości połączenia składowych belek jest zagadnieniem projektowym. To od jakości tego połączenia zależy, czy belka będzie pracowała jako jeden element, czy jako niepowiązane elementy sąsiadujące.

Belki krawędziowe

Elementami ograniczającymi powierzchnie stropu są belki krawędziowe (zdj. 5). Poza wydzieleniem przestrzeni stropu, tworzą z zewnętrznymi krawędziami ścian płaską powierzchnię. Dzięki temu umożliwiają montaż warstw elewacyjnych. Poza tymi oczywistymi funkcjami, belki krawędziowe pełnią jeszcze inne istotne role w całym układzie konstrukcyjnym stropu. Przede wszystkim pełnią rolę elementów dociskowych pomiędzy ścianami piętra i parteru. To przez przekrój między innymi belek krawędziowych są przekazywane obciążenia wyższych kondygnacji na kondygnacje niższe. Kolejną niezwykle istotną funkcją belki krawędziowej jest współtworzenie z poszyciem stropu przepony stropowej. Kwestia przepon stropowych w budynkach szkieletowych to temat na oddzielny artykuł, tutaj jedynie sygnalizuję tę funkcję belek stropowych.

Belki dociskowe i przewiązki dociskowe

Elementami, które stosuje się na podporach (ścianach) są belki dociskowe i przewiązki dociskowe (blokowe). W sytuacji gdy belki stropowe są równoległe do ściany zewnętrznej, przekrój poprzeczny w tym miejscu wyglądałby jak na zdjęciu 6.

Takie rozwiązanie bardzo ogranicza pole docisku i dodatkowo tworzy duży mimośród przekazywania obciążeń z wyższych kondygnacji za pośrednictwem stropu. W celu zwiększenia pola docisku i ograniczenia mimośrodu w tych miejscach stosuje się dodatkowe belki nazywane dociskowymi (zdj. 7 – czerwone). Podobnie rzecz się ma na ścianach prostopadłych do belek stropowych. W celu zwiększenia pola docisku stosuje się przewiązki nazywane dociskowymi (zdj. 7 – niebieskie). W tym miejscu pełnią one także dodatkową funkcję, stabilizującą dla belek stopowych. Przewiązki blokowe zabezpieczają belki stopowe przed obrotem na podporze.

W przypadku wewnętrznych ścian nośnych prostopadłych do belek stropowych stosuje się analogiczne przewiązki, pełniące te same funkcje. Zwiększenie masy drewna nad przegrodami (dodatkowe przewiązki, belki dociskowe) poza aspektami konstrukcyjnymi, korzystnie wpływa na bezpieczeństwo pożarowe. Większa ilość drewna będzie barierą dla ognia i uniemożliwi swobodne przedostanie się płomieni ponad ścianą, w przestrzeni stropu.

Belki naścienne i przewiązki pośrednie

Ściany równoległe do układu belek znajdujące się pod stropem i nad stropem muszą być z nim odpowiednio połączone. W przypadku ścian poprzecznych do belek stropowych sprawa jest dość prosta, bo każde skrzyżowanie ściany z kolejną belką stanowi naturalny punkt połączenia. W przypadku ścian nośnych połączenie wykonuje się bezpośrednio, w przypadku ścian działowych z dylatacją i użyciem odpowiedniego złącza (zdj. 3), o czym pisałem wcześniej. Aby zabezpieczyć ścianę równoległą do belek, można stosować jedno z dwóch rozwiązań. Pierwsze polega na wstawieniu dodatkowej (nie wynikającej ze standardowego rozstawu) belki stropowej w osi ściany (zdj. 8). Innym rozwiązaniem jest stosowanie przewiązek pośrednich, które będą prostopadłe do kierunku ściany i będą tworzyły skrzyżowania umożliwiające połączenie (zdj. 9.).

Przewiązki stosowane w tym celu mogą być pełne (blokowe), lub niepełne. Mogą to być wręcz poziome listwy/łaty. W przypadku ścian nośnych równoległych, wymagane jest stosowanie dodatkowej belki, rozwiązanie z przewiązkami jest niewystarczające. Problem połączenia ze ścianami dotyczy także belek równoległych ponad stropem. Stosuje się analogiczne zabiegi (dodatkowa belka, przewiązki pośrednie). W przypadku długich nienośnych ścian równoległych, gdy konieczna jest przewiązka górą i dołem (ściana pod i nad stropem), można stosować przewiązki na pełną wysokość (blokowe). Jednakże z uwagi na pracochłonność zaleca się wstawienie dodatkowej belki.

Poszycie stropu

Warto sobie uświadomić, że poszycie stropu nie stanowi jedynie powierzchni nośnej do przenoszenia obciążeń w czasie użytkowania stropu. Poszycie zabezpiecza belki stropowe przez zwichrzeniem. Obecność poszycia jest także warunkiem koniecznym do rozpatrywania stropu jako przepony poziomej w analizie sztywności przestrzennej budynki szkieletowego. W tym artykule nie zagłębie się w ten temat, jednakże należy pamiętać o odpowiednim połączeniu płyty poszycia do wszystkich belek stropowych i krawędziowych. Norma Eurokod 5 w punkcie 10.8.1 wskazuje konkretne wymagania co do montażu: „Gwoździe inne niż gładkie (…) lub wkręty powinny być używane z zachowaniem maksymalnego rozstawu wzdłuż krawędzi płyt poszycia wynoszącego 150 mm. W innych miejscach maksymalny rozstaw powinien wynosić 300 mm.” Dodatkowo stosuje się także przewiązki (niepełne) na swobodnych krawędziach podłużnych płyt poszycia. Jest to wymóg normowy, jeżeli strop z płytą poszycia mamy traktować jako przeponę stropową, dystrybuującą obciążenia na ściany usztywniające.

Prefabrykowane kasety stropowe

Firmy stosujące zaawansowaną prefabrykację, bardzo często stropy na budowę dostarczają w postaci prefabrykowanych kaset (paneli) stropowych. Są to po prostu fragmenty stropu składające się z belek, poszycia, czasami izolacji i innych warstw wykończenia. Stosując stropy w formie prefabrykowanej znacznie przyśpieszamy montaż na placu budowy, ale staniemy przed problemem wzajemnego połączenia kaset ze sobą. Dwa najprostsze sposoby przedstawione są na zdjęciu 10.

Pierwszy sposób jest bardzo prosty i wygodny, przewiduje połączenie kaset za pośrednictwem płyt poszycia. Wymaga to przygotowania odpowiedniego wysięgu poszycia na krawędziach kaset. Ze względów optymalizacji, często skrajne belki sąsiadujących kaset różnią się przekrojem (zdj. 10a). Wadą tego rozwiązania jest pośrednie połączenie kaset. Sąsiadujące belki stropowe faktycznie są niepowiązane.

Drugi typ tego połączenia nie ma tej wady, i wydaje się banalnie prosty. Przewiduje połączenie belek stropowych przez skręcenie poprzeczne od wnętrza kasety (zdj. 10b). Ograniczeniem tej metody jest konieczność dostępu do przestrzeni wewnętrznej kasety, co ogranicza stopień prefabrykacji. Dodatkowym utrudnieniem może być gęsty rozstaw belek stropowych, uniemożliwiający zmieszczenie wkrętarki z wkrętem.

W przypadku kaset stropowych o znacznym stopniu prefabrykacji (zamkniętych) preferuje się inne sposoby ich łączenia przedstawione na zdjęciu 11.
Rozwiązania te bazują na wkrętach dwugwintowych SWD. Są to wkręty, które umożliwiają dowolnie zagłębienie w materiale, dzięki temu mogą penetrować warstwę poszycia górnego (zdj. 11a). Mogą być stosowane także, przy montażu od dołu kaset stropowych. Ich zaletą jest duża nośność bazująca na dwóch gwintach znajdujących się w obu łączonych elementach. Dodatkowo poprzez różnych skok gwintów, właściwie zamontowane, wykazują tendencję do dociśnięcia łączonych elementów.
Jak widać strop w budynku szkieletowych to nie tylko główne belki stropowe. Ważnymi elementami są także elementy dodatkowe, jak belki krawędziowe, przewiązki i oczywiście poszycie stropu. Zasady konstruowania można wykorzystać do wstępnych założeń i dalej analizować obliczeniowo. Nie należy ich rozumieć jako gotowe rozwiązania. Podobnie, jeżeli projekt odbiega od przedstawionych powyżej typowych sposobów konstruowania, nie oznacza to automatycznie jego niepoprawności.

W razie pytań dotyczących projektowania lub wznoszenia budynków 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. Tomasz Szczesiak
mgr inż. Rafał Roszczyc
Simpson Strong-Tie