Sztywność i kotwienie ścian prefabrykowanych, szkieletowych

Słysząc hasło „prefabrykowane domy”, obecnie można je w większości przypadków utożsamiać z budynkami szkieletowymi. Domy o konstrukcji drewnianej zyskały znacznie na popularności dzięki zastosowaniu technologii prefabrykacji. Dzięki przeniesieniu większości robót budowlanych do zakładu prefabrykacji znacznie skrócił się czas wznoszenia budynku na placu budowy. Co więcej, prace związane z prefabrykacją mogą być wykonywane równocześnie z robotami ziemnymi i fundamentowaniem. Skraca to w ogromnym stopniu czas budowy i to właśnie jest główną zaletą budynków szkieletowych opartych o system prefabrykacji.

Prefabrykacja budynku szkieletowego niesie za sobą wiele korzyści jak dokładność wykonania, brak ryzyka wpływów atmosferycznych na proces budowania i wiele innych. Jednakże najważniejszą korzyścią zarówno dla wykonawcy, jak i inwestora jest znaczne skrócenie ogólnego czasu budowy. Decydując się na budowę budynku tradycyjnego, murowanego inwestor liczy się z tym, że od momentu wbicia pierwszej łopaty do wprowadzenia się minie ok. 1 rok. Oczywiście bywają przypadki rozpoczęcia budowy wiosną i wprowadzenia się przed zimą, ale raczej należą do rzadkości i wynikają z grubości portfela inwestora. Częściej słyszy się historie o przedłużających się budowach w skutek trudności ze znalezieniem wykonawców do kolejnych etapów budowy. Sam fakt zaangażowania kilku wykonawców na poszczególnych etapach może rodzić pewne problemy. Dodatkowo dochodzi kwestia niepewności finansowej całej inwestycji. O tym ile będzie kosztowała dany etap budowy, dowiadujemy się angażując wykonawcę do danej roboty, a czasami nawet po zakończeniu danego etapu.

Decydując się na wybudowanie szkieletowego budynku prefabrykowanego zyskujemy podwójnie. Po pierwsze, za każdy etap budowy odpowiada jedna firma i ta sama firma, z którą podpisaliśmy umowę na dostarczenie domu. Umowa zawiera koszt całej inwestycji w danym standardzie, co wyklucza negocjacje i niespodzianki finansowe między poszczególnymi etapami budowy. Po drugie, jak już wspomniałem, znacząco skraca się czas budowy. O jakim przyśpieszeniu właściwie tu mówimy? Na każdym inwestorze na pewno zrobi wrażenie tempo budowania domu szkieletowego. Czas montażu typowego domu prefabrykowanego na gotowym fundamencie wynosi 1-2 dni. Czas wykończenia domu „pod klucz” czyli w pełni wykończonego zajmuje ok 5-6 tygodni. Jeśli roboty ziemne, instalacyjne i fundamentowe zajmą nam także ok. 6 tygodni, to w tym czasie w zakładzie prefabrykacji może być równolegle budowany nasz dom. Co oznacza, że możliwe jest wprowadzenie się do w pełni wykończonego domy trzy miesiące od rozpoczęcia budowy. Ta oszczędność czasu może być łatwo przeliczona na złotówki.

Wznosząc budynek szkieletowy należy zwrócić szczególną uwagę na jego kotwienie do fundamentu. Kwestie tą opisywałem w FD&C 2016-4 „Kotwienie ścian szkieletowych”. Niniejszy artykuł jest rozwinięciem tego tematu i uzupełnieniem tematu o zagadnienie kotwienia ścian prefabrykowanych. Kotwienie budynku szkieletowego poza funkcją zabezpieczenia ścian przed poderwaniem przy ekstremalnym obciążeniu wiatrem, ma też za zadanie zapewnić efektywne działanie ścian usztywniających.

W krajach Europy zachodniej stosowanie złączy kotwiących przy ścianach usztywniających jest czymś oczywistym i wynikającym z zapisów normowych. W Polsce niestety, pomimo projektowania zgodnie z tą samą normą – Eurokod 5 – nie. Złącza kotwiące nie są stosowane przez wszystkie firmy specjalizujące się w budowie tego typu domów. Z czego to wynika? Trzeba przyznać uczciwie, że z nieprecyzyjnego tłumaczenia zapisów normowych. Zapis, o którym mowa, rozpoczyna rozdział dotyczący ścian usztywniających w domach szkieletowych: Eurokod 5 – 9.2.4.2 Uproszczona analiza przepon ściennych – Metoda A. (1) „Podaną w tym punkcie metodę uproszczoną należy stosować tylko do przepon ściennych, których dolny koniec jest bezpośrednio połączony z konstrukcją położoną niżej.”

Niestety tłumaczenie na język polski całkowicie wypaczyło sens tego zapisu. Oryginalnie w języku angielski brzmi on: (1) “The simplified method given in this subclause should only be applied to wall diaphragms with a tie-down at their end, that is the vertical member at the end is directly connected to the construction below.” Co w praktyce oznacza, że jeśli dana ściana ma być rozpatrywana jako usztywniająca to jej elementy pionowe (słupki) muszą być bezpośrednio połączone z konstrukcją poniżej (fundamentem) przy użyciu złączy kotwiących (tie-down).
Stosowanie tego zapisu jest o tyle ważne, że wpływa na sztywność konstrukcji, czyli na integralność całego budynku. Przykładowe rozmieszczenie złączy kotwiących w dwupiętrowym budynku szkieletowym przedstawiono na zdj. 2.

Analizując sztywność budynku szkieletowego należy rozpatrywać dwa prostopadłe kierunki oddziaływania wiatru. W przykładowym budynku na kierunku wiatru północ-południe, za ściany usztywniające uznaje się ściany zaznaczone na niebiesko. W przypadku wiatru na kierunku wschód-zachód role ścian usztywniających pełnią ściany zaznaczone na czerwono. Układ złączy kotwiących na rzucie budynku wynika z konieczności ich zastosowania na początku i końcu każdej ściany usztywniającej. Każdy otwór okienny lub drzwiowy jest przerwaniem ściany usztywniającej.

Dodatkowo przerwanie ciągłej ściany na przykład dla celów transportowych także dzieli ścianę na dwa elementy konstrukcyjne. W takim przypadku przerwaną ścianę należy rozpatrywać jako dwie oddzielne ściany usztywniające oddzielnie kotwione. Przedstawiony na schemacie wybór ścian usztywniających nie jest jedynym poprawnym rozwiązaniem. Od obliczeń i decyzji projektanta zależy, które ściany należy uwzględniać jako usztywniające. Należy pamiętać, że każda kolejna ściana wymaga dodatkowego użycia złączy kotwiących. Na parterze uwzględniono dwie ściany wewnętrzne w każdym kierunku jako ściany usztywniające. Może to wynikać z niedostatecznej sztywności ścian zewnętrznych względem pojawiających się obciążeń. Analizując sztywność piętra uwzględniono tylko ściany zewnętrze, ponieważ obciążenia na piętrze, którym przeciwdziałają ściany usztywniające są znacznie mniejsze.

Kotwienie ścian prefabrykowanych

Montaż złączy kotwiących w przypadku ścian prefabrykowanych, które w całości są zamkniętymi elementami znacznie się komplikuje. Złącza kotwiące z założenia są montowane bezpośrednio do słupka ściany szkieletowej. Aby to zrealizować na budowie należałoby pozostawiać w prefabrykatach otwory montażowe, umożliwiające dostęp do warstwy nośnej, czyli do drewna. Późniejsza konieczność zamykania i wykańczania tych otworów znacznie wydłużałaby czas budowy. Z tego powodu złączami kotwiącymi przeznaczonymi to montażu zamkniętych ścian szkieletowych są złącza kotwiące dwuczęściowe (zdj. 3).
Dwuczęściowe złącza kotwiące to unikalne produkty. Składają się z części dolnej, która jest montowana do fundamentu na budowie i części górnej, która jest montowana do słupków szkieletu ściany w zakładzie prefabrykacji. Część górna jest montowana w momencie, gdy montażysta ma pełny i niczym nieograniczony dostęp do drewna (zdj. 4). Dzięki zastosowaniu dwuczęściowych złączy kotwiących montaż jest przyśpieszony, bo wszystkie gwoździe zostały przybite w czasie prefabrykacji, ale co ważniejsze eliminuje się całkowicie konieczność pozostawiania w ścianie otworów montażowych.

Procedura montażu na budowie jest następująca: części dolne kotwi się do fundamentu. Następnie dostawia się do nich prefabrykowane ściany z ukrytymi wewnątrz częściami górnymi. Obie części spotykają się i teraz wystarczy jedynie połączyć obie części samowiercącymi wkrętami do stali. Dzięki temu uzyskujemy mocne połączenie i poprawne zakotwienie ściany do fundamentu (zdj. 5).
Aby móc zastosować dwuczęściowe złącza kotwiące należy mieć możliwość ukrycia dolnej części. Jest na to kilka sposobów. Po pierwsze jeśli na płycie fundamentowej wykonujemy dodatkowe warstwy posadzki, w łatwy sposób możemy w tych warstwach ukryć złącze. Większy problem stanowią płyty bez dodatkowych warstw posadzki. W takiej sytuacji pozostają dwie opcje.

Pierwsza może być stosowana, gdy w przekroju ściany znajduje się dodatkowa ścianka instalacyjna. Wtedy można zastosować na tyle krótką część dolna, aby nie wystawała poza obrys ścianki instalacyjnej, które będzie ją przykrywała od góry (zdj. 3b). Ostatnią opcją jest możliwość obrócenia o 180 stopni części dolnej i wycięcie w podwalinie odpowiednich przestrzeni, w których schowają się części dolne (zdj. 3c). Opcji jest kilka, dlatego najlepiej do tego problemu podejść indywidualnie i skonsultować rozwiązanie z doradcami technicznymi.

Kotwienie ścian piętra

Kotwienie ścian piętra jest kwestią trochę bardziej problematyczną. Ściany piętra jeśli są uwzględniane w analizie sztywności budynku także wymagają kotwienia do konstrukcji poniżej. Generalnie chodzi o sprowadzenie sił obracających ścianę na kondygnację poniżej. W praktyce stosuje się dwie metody łączenia ścian sąsiadujących kondygnacji. Pierwsza polega na zastosowaniu stalowych pasków lub taśm perforowanych łączących pokrywające się słupki obu kondygnacji (zdj. 6).
Drugą metodą jest zastosowanie pary złączy kotwiących. Pierwsze złącze montowane jest w dolnej części ściany piętra, drugie w górnej części ściany parteru. Oba złącza następnie łączy się prętem gwintowanym przechodzącym przez strop między kondygnacjami (zdj. 7).

Podsumowując kotwienie ścian szkieletowych przy użyciu złączy kotwiących jest warunkiem koniecznym, wynikającym wprost z zapisów normowych. Poprawne zaprojektowanie i zamontowanie złączy kotwiących zapewnia konstrukcyjną integralność w sytuacjach ekstremalnego obciążenia wiatrem.

mgr inż. Tomasz Szczesiak
Inżynier wsparcia technicznego
Simpson Strong-Tie