Zaprojektowana przez Todda Brady'ego i Stephena H. Millera, formowana na zimno rama CDTC (CFSF) (znana również jako „lekka”) była pierwotnie alternatywą dla drewna, ale po dziesięcioleciach agresywnej pracy w końcu spełniła swoją rolę. Podobnie jak drewno wykończone przez stolarza, stalowe słupki i tory można ciąć i łączyć w celu uzyskania bardziej złożonych kształtów. Jednak do niedawna nie doszło do rzeczywistej standaryzacji komponentów lub związków. Każdy szorstki otwór lub inny specjalny element konstrukcyjny musi zostać indywidualnie wyszczególniony przez Inżyniera Rejestracji (EOR). Wykonawcy nie zawsze przestrzegają tych szczegółów specyficznych dla projektu i przez długi czas mogą „działać inaczej”. Mimo to istnieją znaczne różnice w jakości montażu w terenie.
Ostatecznie zaznajomienie rodzi niezadowolenie, a niezadowolenie inspiruje innowacje. Nowe elementy szkieletu (poza standardowymi kołkami C i szynami U) są dostępne nie tylko przy użyciu zaawansowanych technik kształtowania, ale mogą być również wstępnie zaprojektowane/wstępnie zatwierdzone pod kątem konkretnych potrzeb w celu ulepszenia etapu CFSF pod względem projektowania i konstrukcji. .
Standaryzowane, specjalnie zaprojektowane komponenty, które są zgodne ze specyfikacjami, mogą wykonywać wiele zadań w spójny sposób, zapewniając lepszą i bardziej niezawodną wydajność. Upraszczają opracowywanie szczegółów i zapewniają wykonawcom rozwiązanie, które jest łatwiejsze do prawidłowego montażu. Przyspieszają także budowę i ułatwiają inspekcje, oszczędzając czas i kłopoty. Te ujednolicone komponenty poprawiają również bezpieczeństwo w miejscu pracy, zmniejszając koszty cięcia, montażu, wkręcania i spawania.
Standardowa praktyka bez standardów CFSF stała się tak akceptowaną częścią krajobrazu, że trudno sobie wyobrazić bez niej budownictwo komercyjne lub wielorodzinne. Ta powszechna akceptacja została osiągnięta w stosunkowo krótkim czasie i nie była powszechnie stosowana aż do końca II wojny światowej.
Pierwszy standard projektowy CFSF został opublikowany w 1946 roku przez Amerykański Instytut Żelaza i Stali (AISI). Najnowsza wersja AISI S 200-07 (Północnoamerykańska norma dotycząca ram ze stali formowanych na zimno – informacje ogólne) jest obecnie standardem w Kanadzie, USA i Meksyku.
Podstawowa standaryzacja zrobiła dużą różnicę, a CFSF stała się popularną metodą konstrukcyjną, niezależnie od tego, czy były to konstrukcje nośne, czy nie. Jego zalety obejmują:
Choć standard AISI jest innowacyjny, nie kodyfikuje wszystkiego. Projektanci i wykonawcy mają jeszcze wiele do podjęcia.
System CFSF opiera się na kołkach i szynach. Słupy stalowe, podobnie jak słupki drewniane, są elementami pionowymi. Zwykle tworzą przekrój w kształcie litery C, przy czym „góra” i „dół” C tworzą wąski wymiar kołka (jego kołnierza). Prowadnice to poziome elementy ramy (progi i nadproża), posiadające kształt litery U, umożliwiające montaż regałów. Rozmiary stojaków są zwykle podobne do nominalnych tarcicy „2×”: 41 x 89 mm (1 5/8 x 3 ½ cala) to „2 x 4” i 41 x 140 mm (1 5/8 x 5). ½ cala) równa się „2×6″. W tych przykładach wymiar 41 mm określa się jako „półkę”, a wymiar 89 mm lub 140 mm określa się jako „środnik”, zapożyczając koncepcje znane ze stali walcowanej na gorąco i podobnych elementów typu dwuteowego. Rozmiar toru odpowiada całkowitej szerokości kołka.
Do niedawna mocniejsze elementy wymagane w ramach projektu musiały być opracowywane przez firmę EOR i montowane na miejscu przy użyciu kombinacji kołków i szyn typu combo, a także elementów w kształcie litery C i U. Dokładna konfiguracja jest zwykle dostarczana wykonawcy i nawet w ramach tego samego projektu może się znacznie różnić. Jednakże dziesięciolecia doświadczeń CFSF doprowadziły do uznania ograniczeń tych podstawowych form i problemów z nimi związanych.
Na przykład woda może gromadzić się w dolnej szynie ściany szkieletowej, gdy słupek jest otwierany podczas budowy. Obecność trocin, papieru lub innych materiałów organicznych może powodować pleśń lub inne problemy związane z wilgocią, w tym niszczenie płyt kartonowo-gipsowych lub przyciąganie szkodników za płotami. Podobny problem może wystąpić, jeśli woda przedostaje się do wykończonych ścian i gromadzi się w wyniku kondensacji, wycieków lub rozlań.
Jednym z rozwiązań jest specjalny chodnik z wywierconymi otworami do drenażu. Opracowywane są również ulepszone projekty kołków. Charakteryzują się innowacyjnymi funkcjami, takimi jak strategicznie rozmieszczone żebra, które wyginają się w przekroju poprzecznym, zapewniając dodatkową sztywność. Teksturowana powierzchnia kołka zapobiega „poruszaniu się” śruby, co zapewnia czystsze połączenie i bardziej jednolite wykończenie. Te drobne ulepszenia, pomnożone przez dziesiątki tysięcy skoków, mogą mieć ogromny wpływ na projekt.
Wykraczanie poza kołki i szyny Tradycyjne kołki i szyny często wystarczą w przypadku prostych ścian bez nierównych otworów. Obciążenia mogą obejmować ciężar samej ściany, wykończenia i wyposażenia, ciężar wiatru, a w przypadku niektórych ścian obejmują także obciążenia stałe i tymczasowe z dachu lub podłogi powyżej. Obciążenia te przenoszone są z szyny górnej na słupy, na szynę dolną, a stamtąd na fundament lub inne części konstrukcji nośnej (np. pomost betonowy lub słupy i belki ze stali konstrukcyjnej).
Jeśli w ścianie znajduje się nierówny otwór (RO) (taki jak drzwi, okno lub duży kanał HVAC), obciążenie z góry otworu musi zostać przeniesione wokół niego. Nadproże musi być wystarczająco mocne, aby utrzymać obciążenie jednego lub więcej tzw. słupków (i dołączonej do nich płyty gipsowo-kartonowej) nad nadprożem i przenieść je na słupki ościeżnicy (pionowe elementy RO).
Podobnie słupki ościeżnic drzwiowych muszą być zaprojektowane tak, aby przenosić większe obciążenie niż zwykłe słupki. Na przykład we wnętrzach otwór musi być wystarczająco mocny, aby utrzymać ciężar płyty gipsowo-kartonowej nad otworem (tj. 29 kg/m2 [6 funtów na stopę kwadratową] [jedna warstwa o grubości 16 mm (5/8 cala) na godzina ściany) na stronę tynku] lub 54 kg/m2 [11 funtów na stopę kwadratową] w przypadku dwugodzinnej ściany konstrukcyjnej [dwie warstwy tynku o grubości 16 mm na stronę]), plus obciążenie sejsmiczne i zazwyczaj ciężar drzwi i ich bezwładność. W lokalizacjach zewnętrznych otwory muszą być w stanie wytrzymać wiatr, trzęsienie ziemi i podobne obciążenia.
W tradycyjnej konstrukcji CFSF nadproża i słupki progowe są wykonywane na miejscu poprzez połączenie standardowych listew i szyn w mocniejszą całość. Typowy kolektor odwróconej osmozy, zwany kolektorem kasetowym, jest wykonany poprzez skręcenie i/lub zespawanie pięciu części. Dwa słupki są otoczone dwiema szynami, a trzecia szyna jest przymocowana u góry z otworem skierowanym do góry, aby umieścić słupek nad otworem (rysunek 1). Inny typ złącza skrzynkowego składa się tylko z czterech części: dwóch kołków i dwóch prowadnic. Druga składa się z trzech części – dwóch torów i spinki do włosów. Dokładne metody produkcji tych komponentów nie są ustandaryzowane, ale różnią się w zależności od wykonawców, a nawet pracowników.
Chociaż produkcja kombinatoryczna może powodować wiele problemów, dobrze sprawdziła się w przemyśle. Koszt fazy inżynieryjnej był wysoki, ponieważ nie obowiązywały żadne standardy, dlatego też wstępne otwory musiały być projektowane i wykańczane indywidualnie. Cięcie i montaż tych pracochłonnych komponentów na miejscu również zwiększa koszty, powoduje marnowanie materiałów, zwiększa ilość odpadów na budowie i zwiększa ryzyko dla bezpieczeństwa na budowie. Ponadto powoduje to problemy z jakością i spójnością, na które profesjonalni projektanci powinni szczególnie zwracać uwagę. Prowadzi to do zmniejszenia konsystencji, jakości i niezawodności ramy, a także może mieć wpływ na jakość wykończenia płyt kartonowo-gipsowych. (Zobacz „Złe połączenie”, aby zapoznać się z przykładami tych problemów.)
Systemy połączeń Mocowanie połączeń modułowych do stojaków może również powodować problemy estetyczne. Nakładanie się metalu na metal spowodowane wypustkami na rozdzielaczu modułowym może mieć wpływ na wykończenie ściany. Żadna wewnętrzna płyta gipsowo-kartonowa ani okładzina zewnętrzna nie powinny leżeć płasko na blasze, z której wystają łby śrub. Podniesione powierzchnie ścian mogą powodować zauważalne nierówne wykończenia i wymagają dodatkowych prac korygujących, aby je ukryć.
Jednym z rozwiązań problemu połączenia jest użycie gotowych obejm, przymocowanie ich do słupków ościeża i skoordynowanie połączeń. Takie podejście standaryzuje połączenia i eliminuje niespójności spowodowane produkcją na miejscu. Zacisk eliminuje nakładanie się metalu i wystające łby śrub na ścianie, poprawiając wykończenie ściany. Może również obniżyć koszty pracy instalacyjnej o połowę. Wcześniej jeden pracownik musiał przytrzymywać głowicę w poziomie, a drugi przykręcać ją na miejsce. W systemie zacisków pracownik instaluje zaciski, a następnie zatrzaskuje łączniki na zaciskach. Zacisk ten jest zwykle produkowany jako część prefabrykowanego systemu mocowania.
Powodem wykonywania kolektorów z wielu kawałków giętego metalu jest zapewnienie czegoś mocniejszego niż pojedynczy element szyny do podparcia ściany nad otworem. Ponieważ zginanie usztywnia metal, zapobiegając wypaczeniu, skutecznie tworząc mikrowiązki w większej płaszczyźnie elementu, ten sam efekt można osiągnąć stosując pojedynczy kawałek metalu z wieloma zagięciami.
Zasadę tę łatwo zrozumieć, trzymając kartkę papieru w lekko wyciągniętych rękach. Najpierw papier składa się na środku i zsuwa. Jeśli jednak złoży się go raz na całej długości, a następnie rozwinie (tak, aby papier utworzył kanał w kształcie litery V), prawdopodobieństwo jego zgięcia i upadku jest mniejsze. Im więcej fałd wykonasz, tym będzie sztywniejszy (w pewnych granicach).
Technika wielokrotnego gięcia wykorzystuje ten efekt, dodając ułożone w stos rowki, kanały i pętle do ogólnego kształtu. „Bezpośrednie obliczenie wytrzymałości” – nowa, praktyczna metoda analizy wspomaganej komputerowo – zastąpiła tradycyjne „Obliczenie efektywnej szerokości” i umożliwiła przekształcenie prostych kształtów w odpowiednie, bardziej wydajne konfiguracje, aby uzyskać lepsze wyniki w przypadku stali. Tendencję tę można zaobserwować w wielu systemach CFSF. Kształty te, szczególnie w przypadku użycia mocniejszej stali (390 MPa (57 psi) zamiast poprzedniej normy branżowej wynoszącej 250 MPa (36 psi)), mogą poprawić ogólną wydajność elementu bez żadnych kompromisów w zakresie rozmiaru, wagi i grubości. stać się. nastąpiły zmiany.
W przypadku stali formowanej na zimno w grę wchodzi jeszcze jeden czynnik. Obróbka stali na zimno, np. gięcie, zmienia właściwości samej stali. Granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie obrobionej części stali wzrastają, ale plastyczność maleje. Części, które pracują najbardziej, dostają najwięcej. Postęp w formowaniu na rolkach spowodował, że zagięcia są ciaśniejsze, co oznacza, że stal znajdująca się najbliżej zakrzywionej krawędzi wymaga więcej pracy niż stary proces formowania na rolkach. Im większe i ciaśniejsze są zagięcia, tym więcej stali w elemencie zostanie wzmocnionej metodą obróbki na zimno, co zwiększy ogólną wytrzymałość elementu.
Zwykłe tory w kształcie litery U mają dwa zakręty, a słupki C mają cztery zakręty. Wstępnie zaprojektowany zmodyfikowany kolektor W ma 14 zagięć rozmieszczonych tak, aby zmaksymalizować ilość metalu aktywnie przeciwstawiającego się naprężeniom. Pojedynczym elementem w tej konfiguracji może być cała ościeżnica w zgrubnym otworze ościeżnicy.
W przypadku bardzo szerokich otworów (np. powyżej 2 m) lub dużych obciążeń wielokąt można dodatkowo wzmocnić odpowiednimi wkładkami w kształcie litery W. Dodaje więcej metalu i 14 zagięć, zwiększając całkowitą liczbę zagięć w ogólnym kształcie do 28. Wkładka jest umieszczana wewnątrz wielokąta z odwróconymi W, tak że dwa W razem tworzą szorstki kształt X. Nogi W pełnią funkcję poprzeczek. Zainstalowali brakujące kołki nad RO, które przymocowano za pomocą śrub. Obowiązuje to niezależnie od tego, czy zainstalowano wkładkę wzmacniającą.
Główne zalety tego wstępnie uformowanego systemu główka/klips to szybkość, spójność i lepsze wykończenie. Wybierając certyfikowany prefabrykowany system nadproża, taki jak zatwierdzony przez Służbę Oceny Komitetu Międzynarodowego Kodeksu Praktyki (ICC-ES), projektanci mogą określić komponenty w oparciu o wymagania dotyczące ochrony przeciwpożarowej typu obciążenia i rodzaju ściany, bez konieczności projektowania i szczegółowego projektowania każdego zadania , oszczędzając czas i zasoby. (ICC-ES, International Codes Evaluation Service, akredytowana przez Kanadyjską Radę Normalizacyjną [SCC]). Prefabrykacja ta zapewnia również, że otwory ślepe są budowane zgodnie z projektem, ze stałą solidnością i jakością konstrukcji, bez odchyleń spowodowanych docięciem i montażem na miejscu.
Poprawiono również spójność montażu, ponieważ zaciski mają wstępnie nawiercone otwory gwintowane, co ułatwia numerowanie i umieszczanie połączeń za pomocą kołków ościeżnicowych. Eliminuje nakładanie się metalu na ściany, poprawia płaskość powierzchni płyt kartonowo-gipsowych i zapobiega nierównościom.
Ponadto takie systemy mają korzyści dla środowiska. W porównaniu z komponentami kompozytowymi zużycie stali w jednoczęściowych rozdzielaczach można zmniejszyć nawet o 40%. Ponieważ nie wymaga to spawania, eliminuje się towarzyszącą emisję toksycznych gazów.
Kołki z szerokim kołnierzem Tradycyjne kołki wykonuje się poprzez połączenie (skręcenie i/lub spawanie) dwóch lub więcej kołków. Chociaż są potężni, mogą również stwarzać własne problemy. Dużo łatwiej jest je zmontować przed montażem, szczególnie jeśli chodzi o lutowanie. Blokuje to jednak dostęp do sekcji kołków przymocowanej do drzwi z pustą metalową ramą (HMF).
Jednym z rozwiązań jest wycięcie otworu w jednym ze słupków w celu przymocowania go do ramy od wewnątrz słupka. Może to jednak utrudnić kontrolę i wymagać dodatkowej pracy. Wiadomo, że inspektorzy nalegają na przymocowanie HMF do jednej połowy kołka framugi drzwi i sprawdzenie jej, a następnie przyspawanie drugiej połowy zespołu podwójnego kołka na miejsce. Wstrzymuje to wszelkie prace wokół drzwi, może opóźnić inne prace i wymaga zwiększonej ochrony przeciwpożarowej ze względu na spawanie na miejscu.
Zamiast kołków, które można układać w stosy, można zastosować prefabrykowane kołki o szerokich ramionach (specjalnie zaprojektowane jako kołki ościeżnicowe), co pozwala zaoszczędzić znaczną ilość czasu i materiału. Problemy z dostępem związane z drzwiami HMF zostały również rozwiązane, ponieważ otwarta strona C umożliwia nieprzerwany dostęp i łatwą kontrolę. Otwarty kształt litery C zapewnia również pełną izolację tam, gdzie połączone nadproża i słupki ościeżnicy zwykle tworzą wokół drzwi szczelinę izolacyjną o szerokości od 102 do 152 mm (4 do 6 cali).
Połączenia w górnej części ściany Kolejnym obszarem projektu, który skorzystał na innowacjach, jest połączenie w górnej części ściany z górnym pokładem. Odległość od jednego piętra do drugiego może się nieznacznie zmieniać w czasie ze względu na różnice w ugięciu pokładu w różnych warunkach obciążenia. W przypadku ścian nienośnych pomiędzy górną częścią kołków a panelem powinna znajdować się szczelina, co umożliwi przesuwanie się tarasu w dół bez zgniatania kołków. Platforma musi również mieć możliwość poruszania się w górę bez łamania kołków. Luz wynosi co najmniej 12,5 mm (½ cala), co stanowi połowę całkowitej tolerancji ruchu wynoszącej ±12,5 mm.
Dominują dwa tradycyjne rozwiązania. Jednym z nich jest przymocowanie długiej szyny (50 lub 60 mm (2 lub 2,5 cala)) do pokładu, z końcówkami kołków po prostu włożonymi w szynę, bez zabezpieczenia. Aby zapobiec skręcaniu się kołków i utracie ich wartości konstrukcyjnych, przez otwór w kołku w odległości 150 mm (6 cali) od górnej krawędzi ściany wkłada się kawałek walcowanego na zimno ceownika. proces zużywający Proces nie jest popularny wśród wykonawców. Chcąc zaoszczędzić na rogach, niektórzy wykonawcy mogą nawet zrezygnować z kanałów walcowanych na zimno, umieszczając kołki na szynach bez możliwości ich utrzymania na miejscu lub wypoziomowania. Narusza to standardową praktykę ASTM C 754 dotyczącą montażu stalowych elementów szkieletowych w celu produkcji gwintowanych wyrobów z płyt kartonowo-gipsowych, która stanowi, że kołki muszą być przymocowane do szyn za pomocą śrub. Jeśli to odchylenie od projektu nie zostanie wykryte, wpłynie to na jakość gotowej ściany.
Innym powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest konstrukcja dwutorowa. Standardowa szyna jest umieszczana na górze kołków i każdy kołek jest do niej przykręcany. Drugi, wykonany na zamówienie, szerszy tor jest umieszczony nad pierwszym i podłączony do górnego pokładu. Ścieżki standardowe mogą przesuwać się w górę i w dół wewnątrz torów niestandardowych.
Do tego zadania opracowano kilka rozwiązań, z których wszystkie zawierają specjalistyczne komponenty zapewniające połączenia szczelinowe. Różnice obejmują rodzaj szczelinowej prowadnicy lub rodzaj szczelinowego klipsa używanego do mocowania szyny do pokładu. Na przykład przymocuj szynę szczelinową do spodniej strony tarasu, stosując metodę mocowania odpowiednią dla konkretnego materiału tarasu. Śruby z rowkiem są przymocowane do wierzchołków kołków (zgodnie z ASTM C 754), umożliwiając ruch połączenia w górę i w dół w zakresie około 25 mm (1 cal).
W zaporze ogniowej takie pływające połączenia muszą być chronione przed ogniem. Poniżej rowkowanego pokładu stalowego wypełnionego betonem materiał ognioodporny musi być w stanie wypełnić nierówną przestrzeń poniżej rowka i zachować swoją funkcję przeciwpożarową w miarę zmiany odległości pomiędzy szczytem ściany a tarasem. Komponenty użyte do tego złącza zostały przetestowane zgodnie z nową normą ASTM E 2837-11 (Standardowa metoda testowa do określania odporności ogniowej systemów złączy z główkami litymi instalowanych pomiędzy elementami ścian o znamionowych parametrach i komponentami poziomymi o znamionowych parametrach). Norma opiera się na normie Underwriters Laboratories (UL) 2079, „Badanie ogniowe systemów łączących budynki”.
Zaletą zastosowania dedykowanego połączenia w górnej części ściany jest to, że można w nim uwzględnić znormalizowane, zgodne z normami, ognioodporne zespoły. Typowa konstrukcja polega na umieszczeniu materiału ogniotrwałego na pokładzie i zawieszeniu kilka cali nad szczytem ścian po obu stronach. Tak jak ściana może swobodnie przesuwać się w górę i w dół w oprawie wpuszczanej, tak samo może przesuwać się w górę i w dół w złączu ogniowym. Materiały na ten element mogą obejmować wełnę mineralną, cementową stal konstrukcyjną ogniotrwałą lub płytę gipsowo-kartonową, stosowane samodzielnie lub w połączeniu. Takie systemy muszą zostać przetestowane, zatwierdzone i wymienione w katalogach takich jak Underwriters Laboratories of Canada (ULC).
Wnioski Standaryzacja jest podstawą całej nowoczesnej architektury. Jak na ironię, istnieje niewielka standaryzacja „standardowych praktyk”, jeśli chodzi o ramy stalowe formowane na zimno, a innowacje, które łamią te tradycje, również wyznaczają standardy.
Zastosowanie tych standardowych systemów może chronić projektantów i właścicieli, zaoszczędzić znaczną ilość czasu i pieniędzy oraz poprawić bezpieczeństwo budowy. Zapewniają spójność konstrukcji i częściej działają zgodnie z przeznaczeniem niż systemy zbudowane. Dzięki połączeniu lekkości, zrównoważonego rozwoju i przystępności cenowej CFSF prawdopodobnie zwiększy swój udział w rynku budowlanym, bez wątpienia stymulując dalsze innowacje.
Todd Brady is President of Brady Construction Innovations and inventor of the ProX manifold roughing system and the Slp-Trk wall cap solution. He is a metal beam specialist with 30 years of experience in the field and contract work. Brady can be contacted by email: bradyinnovations@gmail.com.
Stephen H. Miller, CDT jest wielokrotnie nagradzanym pisarzem i fotografem specjalizującym się w branży budowlanej. Jest dyrektorem kreatywnym Chusid Associates, firmy konsultingowej świadczącej usługi marketingowe i techniczne producentom wyrobów budowlanych. Z Millerem można się skontaktować pod adresem www.chusid.com.
Zaznacz pole poniżej, aby potwierdzić chęć otrzymywania różnych komunikatów e-mailowych od Kenilworth Media (w tym biuletynów elektronicznych, wydań czasopism cyfrowych, okresowych ankiet i ofert* dla branży inżynieryjnej i budowlanej).
*Nie sprzedajemy Twojego adresu e-mail podmiotom trzecim, po prostu przekazujemy Ci ich oferty. Oczywiście zawsze masz prawo zrezygnować z otrzymywania wszelkich wiadomości, które Ci wysyłamy, jeśli w przyszłości zmienisz zdanie.
Czas publikacji: 7 lipca 2023 r