Ciągła Ścieżka Obciążenia i jej znaczenie dla konstrukcji budynków szkieletowych

Na jakość projektowanego lub budowanego domu o konstrukcji szkieletowej wpływa bardzo wiele elementów. Mnogość rozwiązań jaką mamy do dyspozycji przy każdym zagadnieniu jest ogromna. Dodatkowo przez swoją złożoną budowę, w przypadku budynku szkieletowego, na jego trwałość składa się każdy z zastosowanych materiałów budowlanych. Od drewna, membrany, folii, izolacji, przez złącza i kotwy, po zwykły gwóźdź, każdy z tych elementów składa się na jakość budowanego domu szkieletowego. Po wielu latach doświadczeń i badań wiadomo z całą pewnością, że za ogólną nośność tego typu konstrukcji odpowiada w szczególności jeden czynnik – jakość wykonywanych połączeń. Poniższy artykuł opisuje, jak zastosowanie złączy ciesielskich wzmacnia budynek szkieletowy i co to jest koncepcja Ciągłej Ścieżki Obciążenia.

Zdj. 1. Przykład zastosowania Ciągłej Ścieżki Obciążenia

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. Projektowanie budynków o konstrukcji drewnianej jest dość specyficzne. Uwzględnia obliczenia i zjawiska, których nie uwzględniamy przy projektowaniu budynków tradycyjnych.

Zdj. 2. Modele zniszczenia uwzględniane w budynkach szkieletowych.

Czterema specyficznymi mechanizmami zniszczenia budynku szkieletowego, które musi rozpatrzyć projektant są: utrata sztywności ścian, obrócenie budynku lub jego części, przesunięcie po fundamencie, fragmentacja bryły budynku (zdj. 2).

Sztywność

Sprawdzenie sztywności ścian szkieletowych to kluczowa kwestia w trakcie projektowania, choć niestety często ignorowana. Wynika to prawdopodobnie z faktu, że w tradycyjnych budynkach murowych problem ten praktycznie nie istnieje. Aby zapewnić sztywność konstrukcji szkieletowej, najczęściej stosuje się poszycie ściany płytą OSB jednostronnie lub dwustronnie. 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. Więcej na temat tego zagadnień projektowych związanych ze sztywnością ścian można przeczytać w „Poradniku projektowania i wykonawstwa domów szkieletowych” – do pobrania ze strony https://www.strongtie.pl/resources/catalogues

Przesunięcie

Jeżeli całość obciążenia wiatrem działająca na lekki budynek jako bryłę jest większa niż nośność połączeń z fundamentem, następuję przesunięcie. Tarcie nie jest brane pod uwagę, z powodu trudności 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 zastosowanie kątowników montowany wzdłuż boku podwaliny (Zdj. 3).

Zdj. 3. Złącze BNV33 zastosowane przeciw przesuwowi ściany szkieletowej.

Obrócenie

Kiedy już mamy pewność, że konstrukcja ma wystarczającą sztywność i jest zabezpieczona przed przesuwem, należy zabezpieczyć ją także przed obrotem. Obrót może nastąpić w skutek poziomych sił działających na wysokości oczepu (te same, które mogą powodować utratę sztywności) mają tendencję do obrócenia ściany. Aby przeciwdziałać temu zjawisku należy stosować odpowiednie złącza zwane złączami kotwiącymi, które mają bardzo dużą nośność na wyrwanie. Takie połączenie pozwala wytworzyć dużą siłę utrzymującą ścianę w oryginalnej pozycji i przeciwdziałać obrotowi (zdj. 4).

Zdj. 4. Przykład złącze kotwiącego do zabezpieczenia budynku przed obrotem.

Fragmentacja

Fragmentacja budynku szkieletowego jest to mechanizm polegający na zniszczeniu połączenia między poszczególnymi kondygnacjami. To zjawisko w zasadzie dotyczy głównie budynków piętrowych. W budynku murowanym więźba opiera się na murłacie, wieńcu i ścianie murowanej. Jeżeli zapewnimy odpowiednie połączenie krokiew-murłata i połączenie murłata-wieniec mamy pewność, że w większości przypadków ciężar wieńca i ściany murowej uniemożliwi dalsze zniszczenia w przypadku ekstremalnych obciążeń wiatrem. Konstrukcja ściany szkieletowej jest nieporównywalnie lżejsza niż ściany murowanej. Wymaga to od projektanta zaprojektowania i przeliczenia dodatkowych połączeń w konstrukcji od dachu po fundament.

Polecamy też:

• Wymiarowanie połączenia krokiew-murłata w przypadku dachów rozporowych
• Problematyka współczesnych złączy w konstrukcjach drewnianych

Ciągła Ścieżka Obciążenia

Ogólnie rzecz ujmując zastosowanie Ciągłej Ścieżki Obciążenia przeciwdziała zjawisku fragmentacji budynku szkieletowego. Należy zabezpieczyć kondygnacje wyższe przed tymi samymi zjawiskami, przed którymi zabezpieczyliśmy ściany parteru (zdj. 5)

Zdj. 5. Mechanizmy zniszczenia wyższych kondygnacji szkieletowych.

Początkowo wydaje się to banalnie proste, bo wystarczy skopiować rozwiązania z parteru, jednakże pojawia się pewna komplikacja. Nie mamy już możliwości kotwienia się do betonowego fundamentu. Z tego powodu należy stosować inne rozwiązania przewidziane do połączeń drewno-drewno.

Przesuw ścian piętra

Aby odpowiednio połączyć ściany z konstrukcją poniżej – czyli z drewnianym stropem, należy odpowiednio przykręcić pas dolny do belek stropowych. Alternatywnym rozwiązaniem, w szczególności w przypadku ścian szkieletowych, jest zastosowanie złączy kątowych łączących bok pasa dolnego z belkami stropowymi (zdj. 6).

Zdj. 6. Zastosowanie kątowników AB36125 przeciw przesuwowi ścian piętra.

Zabezpieczenie piętra przeciw obrotowi

W tym przypadku sprawa również się komplikuje z uwagi na brak fundamentu, do którego można zastosować złącza kotwiące. Jednym z najprostszych sposobów jest użycie pasków perforowanych uciąglających słupki obu kondygnacji (zdj. 7).

Zdj. 7. Pasek perforowany łączący słupki ścian kolejnych kondygnacji.

Zestawienie wszystkich tych elementów w konstrukcji piętrowego domu szkieletowego zapewnia stworzenie Ciągłej Ścieżki Obciążenia. Jest to amerykańska koncepcja (Continuous Load Path) nowoczesnego projektowania domów szkieletowych. Budynki szkieletowe w koncepcji Ciągłej Ścieżki Obciążenia muszą być projektowane i wznoszone zgodnie z zasadą, że każde obciążenie pojawiające się w dowolnym miejscu konstrukcji musi być sprowadzone do fundamentu, za pośrednictwem nieprzerwanego zestawu odpowiednio połączonych ze sobą elementów nośnych konstrukcji (zdj. 8).

Zdj. 8. Ciągła Ścieżka Obciążenia. Przykład realizacji tej koncepcji w budynku szkieletowym.

Oznacza to także, że każde z tych połączeń musi mieć odpowiednią nośność, sprawdzoną przez projektanta. Tylko zachowanie nieprzerwanego zestawu połączeń na ścieżce pozwala maksymalnie zabezpieczyć konstrukcję przez ekstremalnymi obciążeniami. Dość obrazowo można to porównać do zasady najsłabszego ogniwa w łańcuchu (zdj. 9).

Zdj. 9. Potencjalne skutki pominięcia jednego z połączeń na Ciągłej Ścieżce Obciążenia.

Jak dużą rolę dla nośności całego budynku odgrywa Ciągła Ścieżka Obciążenia udowadnia wiele badań laboratoryjnych. Jednym z czołowych ośrodków badawczych tego typu za oceanem jest The Insurance Institute for Business & Home Safety (IBHS). Instytut posiada centrum badawcze, a w nim możliwość obciążania budynków w realnej skali wiatrem o prędkości do 200 km/h. W jednym z badań IBHS zestawił ze sobą dwa budynki szkieletowe. Pierwszy to typowy budynek spełniający amerykańskie normy – zmontowany głównie na gwoździe i wkręty. Drugi z zastosowaniem koncepcji Ciągłej Ścieżki Obciążenia. Budynki pod względem konstrukcyjnym różniły się jedynie zastosowanie dodatkowych złączy ciesielskich. Koszt dodatkowego zakupu, w przypadku badanej konstrukcji, nie przekroczył 1000 dolarów. Oba budynki poddano huraganowemu obciążeniu wiatrem, aby sprawdzić wpływ Ciągłej Ścieżki Obciążenia na nośność całej bryły konstrukcyjnej. Efekt badania pokazuje kadr z filmu kręconego w czasie testu (zdj. 10). Zainteresowanych tematem odsyłam na stronę disastersafety.org

Zdj. 10. Porównanie wpływu Ciągłej Ścieżki Obciążenia na nośność całego budynku szkieletowego. (Fot. The Insurance Institute for Business & Home Safety)

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 wiedzą i doświadczeniami naszymi i naszej firmy. Tel: 22 865 22 00 e-mail: poland@strongtie.com

mgr inż. Tomasz Szczesiak

Kierownik techniczny oddziału Simpson Strong-Tie