Matla G._Referat_SYSTEM LEKKIEGO SZKIELETU STALOWEGO

Grzegorz Matla – I rok (II stopień)
Koło Naukowe „KONKRET” przy Katedrze Konstrukcji Betonowych
Politechnika Wrocławska
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Tomasz Trapko
SYSTEM LEKKIEGO SZKIELETU STALOWEGO W BUDOWNICTWIE MIESZKANIOWYM
SYSTEM OF LIGHT STEEL FRAMING IN RESIDENTIAL BUILDINGS
1. Wprowadzenie
W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój technologii opartej na kształtownikach
zimnogiętych. Zastosowanie profili giętych na zimno jest rozpowszechnione w budowie
obiektów halowych, zarówno jako konstrukcji wsporczej obudowy, jak i zasadniczej
konstrukcji obiektów budowlanych. Technologia lekkiego szkieletu znalazła zastosowanie
m.in. w budownictwie przemysłowym, mieszkaniowym i użyteczności publicznej [3,6]. W tej
technologii można budować domy jednorodzinne, wielorodzinne i letniskowe, a także
wykonywać nadbudowy i dobudowy w obiektach budowlanych.
Konstrukcję nośną stanowi szkielet z profili zimnogiętych, który jest montowany na
zbrojonym fundamencie betonowym. Konstrukcję wykonaną w technologii lekkiego szkieletu
stalowego można dostarczyć na plac budowy w postaci pojedynczych elementów, wraz
z blachami węzłowymi i łącznikami, albo w postaci gotowych paneli (ścian oraz wiązarów
stropowych i dachowych). Drugie rozwiązanie pozwala na bardzo szybki montaż konstrukcji
przy zachowaniu wysokiej jakości wykonania prac w warsztacie, jednak jest ograniczone
warunkami transportu. Wymiary i ciężary elementów konstrukcyjnych oraz wypełnienia ścian
są tak projektowane, aby podczas montażu było zbędne stosowanie sprzętu ciężkiego.
Montaż konstrukcji średniej wielkości domu jednorodzinnego, prowadzony przez ekipę 3-4
osobową, może zostać wykonany w ciągu 1 tygodnia, natomiast budowa całego domu od
stanu zerowego pod klucz może trwać 8-12 tygodni. Dzięki temu, iż stal jest materiałem mało
wrażliwym na warunki atmosferyczne, wszystkie prace montażowe mogą być prowadzone
również w niesprzyjających warunkach pogodowych. Przy tego typu konstrukcji obiektu
ograniczony zostaje zakres prac mokrych [7].
Konstrukcja elementów obiektu zależy od materiału, z którego powstały profile
zimnogięte. Do produkcji wykorzystuje się stal konstrukcyjną o podwyższonej lub wysokiej
wytrzymałości, najczęściej jest to S350GD (oznaczenie według PN-EN 10346:2009). Główne
ustroje nośne mogą być usytuowane względem siebie w dużych rozstawach tak, jak ma to
miejsce w obiektach halowych. Pomiędzy ramami głównymi znajdują się elementy
stanowiące konstrukcję wsporczą obudowy. Geometryczna niezmienność konstrukcji jest
zapewniona przez odpowiedni system stężeń prętowych. Analiza tego typu konstrukcji opiera
się na prostych schematach statycznych. Stężenie konstrukcji i zabezpieczenie elementów
ścian przed wyboczeniem jest możliwe dzięki płytom poszycia. Ten typ analizy opiera się na
uproszczonych metodach tabelarycznych, będących wynikiem badań [3,4,6]. W Polsce
dostępne są rozwiązania, w których stosowana jest stal konstrukcyjna o gorszych
parametrach wytrzymałościowych [8]. Dla takich rozwiązań ustroje nośne są rozmieszczone
w małych rozstawach.
2. Przegrody, ściany
Konstrukcja obiektu jest wykonywana na bazie modułu wymiarowego, co pozwala na
ujednolicenie elementów. Zazwyczaj stosuje się podstawowy moduł M=600mm.
Szkielet ścian stanowią pionowe słupki w rozstawie 600mm, mocowane dołem do
podwaliny, która jest łączona z fundamentem, natomiast w części górnej do oczepu, który
połączony jest ze stropem lub więźbą dachową. Słupki są usztywniane poziomymi
poprzeczkami. Podwalina i oczep wykonywane są zazwyczaj z profili U lub omega,
a pozostałe elementy z profili C. Nad otworami okiennymi stosuje się nadproża, będące
zestawem kilku przekrojów połączonych w jeden element konstrukcyjny lub dokłada się pręty
tworząc układ kratowy. Od strony wewnętrznej przegrody stosuje się najczęściej płyty G-K
lub G-W, na których można wykonywać powłoki malarskie, położyć tapety lub glazurę.
Kolejną warstwą jest izolacja paroszczelna, która chroni przed dostawaniem się pary wodnej
z pomieszczeń do wnętrza przegrody. Pomiędzy profilami układana jest izolacja termiczna
z wełny mineralnej lub szklanej, która wypełnia w całości przestrzeń między elementami,
pełniąc przy tym funkcje izolacji akustycznej. Usztywnienie konstrukcji oraz skrócenie
długości wyboczeniowych prętów ściskanych można zapewnić płytami poszycia OSB-3,
które charakteryzują się dobrą nośnością i odpornością
na wilgoć. W analizie konstrukcji można również
uwzględniać współpracę płyt G-K ze szkieletem
stalowym. W każdym przypadku należy stosować
odpowiednie rozmieszczenie i typ łączników, rozstaw
oraz odległość od krawędzi płyt poszycia [4,6]. Budynki
są dodatkowo ocieplone od zewnątrz, np. styropianem
ryflowanym, co poprawia izolacyjność przegrody
i ogranicza wpływ mostków termicznych. Ocieplona
w ten sposób ściana musi charakteryzować się
współczynnikiem przenikania ciepła U<0,30 W/m2 K.
Konstrukcja ścian pozwala na prowadzenie
wewnątrz nich instalacji. Istotną sprawą jest wykonanie
pętli uziemiającej na wypadek wystąpienia przebicia
w instalacji elektrycznej.
Rys. 1. Przykładowy przekrój ściany
3. Stropy
Konstrukcja stropów z lekkich elementów stalowych jest prosta i nie wymaga użycia
ciężkiego sprzętu. W tej technologii można wykonywać stropy o rozpiętości do ok. 9,0m,
posiadające dobre parametry dynamiczne. Podstawową wadą tych rozwiązań jest
ograniczona zdolność przenoszenia obciążeń użytkowych nieprzekraczająca 400kg/m2. Przy
większych obciążeniach rozwiązania te stają się nieekonomiczne.
Mocowanie belek podrzędnych do głównych można wykonać zgodnie z rys. 2. Takie
rozwiązanie pozwala uniknąć stosowania dodatkowego materiału na węzeł. Połączenia profili
giętych na zimno są wykonywane jako śrubowe, rzadziej jako spawane, ponieważ jest to
bardziej kłopotliwe. Przeważnie wykonuje się połączenie przegubowe na dwie śruby.
Rys. 2. Elementy konstrukcyjne stropu
Systemowym rozwiązaniem
ązaniem stosowanym przez wielu polskich producentów jest
przedstawione na rys. 3.. Belki stropowe jako zestaw dwóch
ch ceowników w rozstawie, co
600mm. Elementy są przykręcane
przykrę
do profilu oczepu ściany nośnej
nej budynku
budynku, bezpośrednio
nad środnikiem słupka ściany.
ściany Stosując zestaw ceowników można
żna przyjmować
przyjmowa przekroje
o mniejszej wysokości.
Rys. 3. Systemowe rozwiązanie stropów
Kształtowniki o odpowiednio dobranych przekrojach lub wykonanym otworowaniem
środników pozwalają na dogodne rozprowadzenie instalacji w budynku.
Rys. 4. Prowadzenie instalacji w stropach
Na rys. 5 pokazano przykładowe rozwiązania
rozwi zania stropu z zastosowaniem materiałów
izolacyjnych. Dolne warstwy stropu są
s przeważnie
nie wykonane z płyt gipsowo kartonowych
kartonowych,
mocowanych do typowych kształtowników profilowanych na zimno lub elementów
drewnianych. W przestrzeni między
mię
belkami układana jest izolacja akustyczna.
akustyczna Bezpośrednio
na belkach może byćć położona
żona blacha trapezowa lub płyta wiórowa.. Na blachę można
ułożyć beton lub wełnę
ę mineralna tward
twardą, a następnie położyć płyty podłogowe.
Rys. 5. Układ warstw stropowych
Strop jest najważniejszym
żniejszym elementem konstrukcji ze względu na parametry
akustyczne budynku. Profile stalowe są
s dobrymi przewodnikami fal akustycznych [2].
Najbardziej uciążliwe dla użytkowników
żytkowników są
s dźwięki uderzeniowe. Izolacyjność
Izolacyjno akustyczna
stropu powinna być potwierdzona odpowiednim certyfikatem ITB. Dobre parametry,
parametry jako
izolacji akustycznej, posiada wełna mineralna, którą
któr należy
ży stosowa
stosować w ścianach
zewnętrznych i wewnętrznych
ętrznych oraz w stropach [5].
4. Poddasze i dach
Konstrukcją nośną
ś ą dachów są
s stalowe dźwigary
wigary wykonane zazwyczaj z ceowników.
Dachy o spadku do 35o można projektować
projektowa przy zastosowaniu wiązarów
ązarów kratownicowych,
w pozostałych przypadkach przyjmuje się
si układ krokwiowo-jętkowy. Węzły dźwigarów
o rozpiętości większej niż 6,0m
m kryte są obustronnie blachami, zaś przy
rzy rozpiętości
rozpi
mniejszej
niż 6,0m elementy dźwigarów
źwigarów łą
łączone są bezpośrednio. Połączenia
czenia elementów wykonywane
są przy użyciu wkrętów samowierc
wiercących.
Rys. 6. Konstrukcja szkieletowa domu jednorodzinnego
Więźba
ba dachowa domów jednorodzinnych w systemowych rozwiązaniach
rozwi
wielu
polskich producentów jest układem dźwigarów
d wigarów dachowych w rozstawie 60
600mm, połączonych
płytą poszycia. Dźwigary łączą
łą ą się z panelami ściennymi
ciennymi za pomocą odpowiednich
przekładek, przekazując
ąc obciążenia
obciąż
bezpośrednio na słupki ścienne [8]. Innym rozwiązaniem
rozwi
jest przedstawione na rys. 6. Konstrukcje budynku stanowią
stanowi tu ramy z kształtowników
zimnogiętych, które są
ą rozstawione co
co, kilka metrów. Pomiędzy
dzy słupami są
s montowane
panele ścienne.
cienne. Do rygli dachowych przykr
przykręcane są płatwie z profili zimnogiętych,
w rozstawie zależnym
nym od wymaga
wymagań dla pokrycia dachowego. Połączenie
ączenie elementów jest
analogiczne jak w stropie. Połać dachowa musi posiadać odpowiednie stężenia.
stęż
Można je
wykonać taśmami lub prętami
ętami stalowymi
stalowymi, tworząc kratownice stężenia
ężenia w połaci dachowej
dachowej,
a także wiórowymi płytami poszycia.
Rozwiązania
zania pokrycia dachowego, izolacji i wykończenia
wyko
ścian wewnątrz
wewn
budynku są
takie same, jak w tradycyjnych systemach budowania. Ocieplona
cieplona przegroda musi
charakteryzować się współczynnikiem
zynnikiem przenikania
prze
ciepła U<0,25 W/m2 K..
5. Montaż
System szkieletu stalowego
stalow
nie jest polecany do samodzielnego montażu.
monta
Natomiast
ekipa wykonawcza zarekomendowana przez producenta zmontuje go z odpowiednim
reżimem technologicznym. Takie działanie umożliwia
umo liwia ewentualne dochodzenie roszczeń
roszcze
inwestorowi w przypadku błędów projektowych lub wykonawczych. Ten system budowania
nie wymaga składów materiałów i maszyn na kolejne etapy budowy. Szybki montaż
zgromadzonych na placu elementów zmniejsza ryzyko ich kradzieży czy zniszczenia,
a porządek panujący na budowie stanowi o mniejszej uciążliwości dla sąsiadów.
6. Odporność na czynniki zewnętrzne
Stal jest materiałem niepalnym, ale wrażliwym na działanie wysokich temperatur.
W temperaturach pożarowych moduł odkształcalności redukuje się o 70%, a granica
plastyczności zmniejsza się prawie dwukrotnie. Drastyczne obniżenie nośności elementów
konstrukcji może prowadzić do jej awarii. Obniżenie wartości modułu odkształcalności
podłużnej prowadzi do znacznego wzrostu odkształceń i w konsekwencji przemieszczeń
konstrukcji. Aby zabezpieczyć lekki szkielet stalowy przed działaniem wysokich temperatur
stosuje się osłony z prasowanych płyt z wełny mineralnej, zbrojonych płyt gipsowokartonowych, lub płyt na spoiwie gipsowym, cementowym, cementowo-wapiennym z różnymi
wypełniaczami [1]. Najczęściej stosowane są płyty G-K, które cechuje łatwość montażu
i niski koszt. Na rynku jest dostępny szeroki asortyment tych wyrobów. Projektant musi
określić dla każdej przegrody odpowiedni typ stosowanych płyt oraz ich grubość.
Zastosowanie płyt G-K gr. 12,5mm zapewnia odporność ogniową przegrody przez 30 min.
Zabezpieczenie antykorozyjne elementów stalowych wykonuje się poprzez
ocynkowanie. Możliwe jest również nanoszenie farby na elementy po profilowaniu rolkowym,
na przykład nanoszenie proszku poliestrowego poprzez procesy elektrostatyczne [7].
Wykonywane powłoki cechuje wysoka jakość oraz estetyczny wygląd.
7. Instalacje
Budynki szkieletowe wymagają efektywnej wentylacji. Wszystkie przegrody
w budynku są szczelne z uwagi na zastosowanie paroizolacji, a zdolność do wchłaniania
wilgoci przez pokrywające ściany od wewnątrz płyty G-K jest mała. Zbyt duża wilgotność
powietrza w pomieszczeniach wpływa negatywnie na komfort jego użytkowników oraz na
stan poszycia. Dobrym rozwiązaniem dla budynków szkieletowych jest zastosowanie
rekuperatora, który odzyskuje ciepło z wentylowanego powietrza.
Budynki szkieletowe wymagają instalacji ogrzewania o małej bezwładności cieplnej.
Przegrody budynku szkieletowego cechuje niska akumulacja ciepła. Budynek pod względem
przewodności cieplnej jego przegród spełnia wymagania przepisów polskiego prawa, lecz nie
magazynuje ciepła tak, jak ma to miejsce przy zastosowaniu ciężkich materiałów. Z tego
powodu budynki wznoszone w tej technologii szybciej się nagrzewają i wychładzają
Najbardziej korzystny z punktu widzenia użytkownika jest system centralnego ogrzewania
wodnego. W tym przypadku należy stosować piece z automatyką pogodową połączoną
z termostatem pokojowym oraz stosować grzejniki o małej bezwładności cieplnej.
Praktycznym, lecz nieekonomicznym rozwiązaniem jest ogrzewanie elektryczne.
Mała bezwładność cieplna pozwala na racjonalne gospodarowanie energią, tzn.
utrzymywać ciepło w budynku tylko wtedy, gdy jest to potrzebne. W skrajnych sytuacjach
może zajść konieczność ogrzewania budynku nawet w sezonie letnim. Może się to zdarzyć
przy znacznych spadkach temperatury nocą. Podstawowymi akumulatorami ciepła w domu
są ściany, podłoga i strop. Jeśli zachodzi potrzeba, można stosować rozwiązania
zwiększające pojemność cieplną przegród budynku. Jednym ze sposobów jest wykonanie
dodatkowo w pomieszczeniu ogrzewania podłogowego i odpowiedniej warstwy wylewki.
Ważną rolę odgrywa ściana znajdująca się naprzeciwko okien wychodzących na południe,
optymalnym rozwiązaniem jest wykonanie jej z materiałów dobrze akumulujących ciepło, np.
z cegły pełnej, betonu lub kamienia [7].
8. Podsumowanie
System budowy w technologii lekkiego szkieletu stalowego to nowoczesne
rozwiązanie konstrukcyjne powstałe w oparciu o produkowane wysokiej jakości profile
stalowe gięte na zimno. Kształtowniki te pod względem ekonomicznym są tanie i łatwe
w montażu. Porównując technologie lekkiego szkieletu stalowego i drewnianego pod
względem kosztów materiału należałoby stwierdzić, że w chwili obecnej są one zbliżone,
jednak drewno o dobrej jakości w przeciwieństwie do stali jest coraz droższe. Z punktu
widzenia różnic cenowych między gatunkami stali można wnioskować, że bardziej opłacalne
jest stosowanie stali o lepszych parametrach wytrzymałościowych. W ten sposób ogranicza
się znacznie zużycie materiału na konstrukcje.
Technologia lekkiego szkieletu stalowego umożliwia szybką realizację domów
jednorodzinnych w zabudowie szeregowej, bliźniaczej oraz budynków wolnostojących, jedno
i dwu- kondygnacyjnych, jak też pawilonów handlowych czy domków letniskowych. Krótki
czas realizacji inwestycji jest ważny z uwagi na koszty robocizny, jak i na zyski płynące z jej
użytkowania [3,6].
Dzięki swym właściwościom mechanicznym, tj. współczynnikowi wytrzymałości do
masy, stal umożliwia konstruowanie w sposób bardzo racjonalny i zgodny z zasadami
zrównoważonego rozwoju [9]. Konstrukcje stalowe z uwagi na niski ciężar szkieletu nośnego
są stosowane w przypadkach remontu lub rozbudowy istniejących obiektów, ponieważ
stanowią względnie nieduże obciążenie dla konstrukcji będącej jej fundamentem. Nośność
elementów stalowych pozwala na tworzenie dużych otwartych przestrzeni, przy czym
przegrody konstrukcji stanowią niski procent ogólnej kubatury budynku. Lekki szkielet
stalowy może służyć jako konstrukcja dla elewacji budynku. Jest to również dobre
rozwiązanie przy remoncie stropu lub stropodachu, pozwala bowiem na odnowienie
przegrody z użyciem nowych izolacji i okładzin.
Technologię można wykorzystywać również jako układ dodatkowy, w połączeniu ze
stalą walcowaną na gorąco, elementami betonowymi [6] lub drewnianymi. Stosowane
materiały budowlane, tj. stal, wełna mineralna czy płyty gipsowe podlegają recyklingowi.
Na polskim rynku jest bardzo dużo producentów elementów stalowych giętych na
zimno. Wielu z nich oferuje również usługi projektowania obiektów budowlanych
z wykorzystaniem własnych produktów. W branży budownictwa mieszkaniowego działają
producenci, którzy posiadają własne opatentowane systemy lekkiego szkieletu stalowego
i w tej technologii zostało zrealizowanych już wiele obiektów. Najwięksi światowi producenci
stali współpracują w ramach organizacji Living Steel, której celem jest promowanie
innowacyjnych i odpowiedzialnych metod projektowania oraz budowy domów [9].
Bibliografia
[1] Buczkowski W. (red.): Budownictwo ogólne. T. 4. Konstrukcje budynków. Praca zbiorowa.
Arkady, Warszawa 2009
[2] Klemm P. (red.): Budownictwo ogólne. T. 2. Fizyka budowli. Praca zbiorowa. Arkady,
Warszawa 2006
[3] Landolfo R., Della Corte G., Fiorino L.: Cold-formed steel structures: Advances in
research and design. International Colloquium Recent Advances and New Trends in
Structural Design. 7-8 May 2004, Timisoara 2004
[4] Landolfo R., Mazzolani F.M., Fiorino L.: Testing of sheathed cold-formed steel stud shear
walls for seismic performance evaluation. 13th World Conference on Earthquake
Engineering, Vancouver 2004
[5] Szudrowicz B., Nurzyński J.: Lekkie przegrody wewnętrzne I inne element podziału
wewnętrznego-wpływ na rozprzestrzenianie się hałasu w budynkach. Zagadnienia
akustyczne jako jeden z podstawowych elementów w procesie projektowania budynków.
Seminarium. Warszawa, 23 czerwca 2004 r. Warszawa: Instytut Techniki Budowlanej, 2004
[6] Veljkovic M., Johansson B.: Light steel framing for residential buildings. Thin-Walled
Structures 44 (1) (2006), s. 832–836
[7] http://www.budujemydom.pl
[8] http://www.dako2006.pl
[9] http://www.livingsteel.pl
[10] http://www.sadef.be