Rozpór w drewnianych budynkach szkieletowych

Rozpór więźby dachowej jest bardzo niebezpiecznym zjawiskiem. Zaniedbania projektowe lub wykonawcze w przeciwdziałaniu temu zjawisku mogą mieć bardzo poważne konsekwencje. Rozbiórki dachów w skutek awarii wywołanej siłami rozporu nie są niczym nadzwyczajnym. Rozpór więźby staje się jeszcze poważniejszym problemem, jeśli mamy do czynienia z drewnianym budynkiem szkieletowym.

O problemie rozporu więźby i o rozwiązaniach przeciwdziałających rozporowi napisano już wiele artykułów. Bardzo dobrze, bo problem mimo, że jest prosty to niewątpliwie jest bardzo poważny. Niestety nadal zdarzają się awarie wywołane tym zjawiskiem. Jako przykład odsyłam do artykułu „Wzmocnienie połączenia krokiew-murłata na przykładzie awarii więźby” (FD&C 2017-3).

Rozpór w budynku murowanym

W przypadku budynku murowanego problem jest dość prosty do rozwiązania. Po pierwsze, należy zapewnić odpowiednią nośność połączenia krokiew-murłata. Z reguły rozwiązaniem jest zastosowanie złączy ciesielskich o nośności większej niż wartość siły rozporu. Następnie należy zapewnić dostateczną nośność połączenia murłaty z wieńcem żelbetowym. Wykonuje się to przy użyciu stalowych szpilek zatapianych w świeżej mieszance betonowej wieńca. Może się okazać, że będzie wymagane zagęszczenie rozstawu szpilek. Kwestie ciesielskie kończą się na tym etapie. Dodatkowo, aby uniknąć rozporu i obrócenia ścianek kolankowych, wzmacnia się je betonowymi rdzeniami (zdj. 2).

Rdzenie betonowe mają za zadanie przejąć całość siły rozporu i działając na zasadzie wspornika, przekazać je do poziomu stropu. Możliwość wykonania rdzeni betonowych w ściance kolankowej jest prostym i bardzo skutecznym sposobem zabezpieczenia ścianki przed awarią. Z doświadczenia wiem, że częściej dochodzi do awarii połączenia krokiew-murłata lub murłata-wieniec niż do awarii samej ścianki kolankowej.

Rozpór w platformowym budynku szkieletowym

Jeżeli mamy do czynienia z konstrukcją szkieletową ścian budynku, należy dodatkowo uczulić się na zjawisko rozporu więźby. Większość budynków szkieletowych wznosi się metodą platformową. Oznacza to, że wyższe kondygnacje montuje się dopiero po wykonaniu pełnej konstrukcji stropu i ścian niższej kondygnacji, analogicznie jak wykonuje się budynki murowane (zdj 3).

Różnica polega na tym, że w budynkach murowanych jesteśmy w stanie zachować ciągłość między zbrojeniem stropu ze zbrojeniem rdzeni ścianki kolankowej. W przypadku platformowej konstrukcji szkieletu drewnianego takiej możliwości nie mamy. W efekcie ścianka kolankowa zamontowana jedynie w dolnej części do stropu jest podatna na obrócenie, w skutek działania siły poziomej – rozporu (rys. 1).

Jest bardzo trudno zrealizować efektywne połączenie pomiędzy ścianką kolankową a stropem, zabezpieczające ją przed obróceniem. Nawet jeśli na etapie projektowania konkretne rozwiązanie wydaje się odpowiednie, często jest trudne do wykonania na budowie czy w zakładzie prefabrykacji. Jeśli jest wykonalne, może okazać się mało efektywne w działaniu, w skutek poślizgu łączników i uplastycznień drewna w strefach docisku.

Jedynym pewnym i prostym rozwiązaniem tego problemy w konstrukcji platformowej jaki znam, jest wykorzystanie oczepu ściany kolankowej jako belki usztywniającą górną jej krawędź. Pomysł ten polega na założeniu, że oczep ścianki kolankowej będzie stanowił dodatkowe podparcie dla ściany rozpieranej (rys. 2).

Oczep jest wtedy traktowany jako belka zginana siłami rozporu i podparta ścianami prostopadłymi do ścianki kolankowej. Aby móc przyjąć takie założenie, należy spełnić kilka warunków. Przekrój oczepu musi być w stanie przenieść duże zginanie od sił rozporu. Może to wymagać zwiększenia przekroju zastosowanego oczepu. Dodatkowo, aby oczep mógł przyjąć siły rozporu, musi być podparty, aby przekazać siły na podpory. Podporami w tym przypadku dla oczepu będą ściany prostopadłe do oczepu. Przy skrajnie niekorzystnym układzie poddasza (brak ścian wewnętrznych), jedynymi ścianami które mogą stanowić podparcie dla oczepu są ściany szczytowe. Jeżeli dodatkowo budynek jest dość długi, może się okazać, że oczep nie jest w stanie przenieść sił rozporu będąc jedynie podpartym w dwóch punktach. W przypadku długich budynków, trzeba wykorzystać ściany wewnętrzne jako podpory pośrednie oczepu (rys. 3).

Kolejną kwestią jaką należy przeanalizować, jest kwestia przekazania sił z oczepu na ściany podpierające. Należy sprawdzić, jak duża część sił rozporu przekazuje się na poszczególne ściany podpierające za pośrednictwem oczepu. Następnie trzeba zaprojektować i wykonać połączenie między oczepem i ścianą, które będzie w stanie przenieść generowaną siłę. Dodatkowo należy sprawdzić sztywność ściany podpierającej, aby upewnić się, że ściana jest w stanie przenieść siłę, którą przekazuje na nią oczep. Można to sprawdzić wykonując proste obliczenia zgodnie z Eurokodem 5 pkt. 9.2.4 – Przepony ścienne (więcej informacji na ten temat w artykule „Sztywność budynków szkieletowych” FD&C 2016-5). Niestety, metoda usztywnienia z wykorzystaniem oczepu, nie może być stosowana w każdym obiekcie. Wymaga ona dość sprzyjającego układu ścianek poddasza.

Konstrukcja balonowa

Inną metodą wznoszenia budynków szkieletowych jest konstrukcja balonowa. Idea polega na zastosowaniu ciągłych słupków ściennych, między kondygnacjami. W przypadku budynku parterowego z poddaszem użytkowym i ściankami kolankowymi, ściana zbudowana jest z ciągłych słupków – od fundamentu do oczepu ściany kolankowej (zdj. 4).
Rozwiązanie to jest bardziej problematyczne w budowie z wielu powodów, jednakże ma jedną podstawową zaletę – jest w stanie przenieść rozpory z więźby. Stosując konstrukcję balonową ścian, można przyjąć schemat statyczny, który będzie w stanie przenieść pewne siły rozporu (rys. 4).

Należy także pamiętać, że w konstrukcji balonowej, strop pełni rolę ściągu. Będzie to powodowało pojawienie się siły osiowej względem stropu w połączeniu. Należy to uwzględnić przy wymiarowaniu połączenia. Podstawowym problemem jaki niesie z sobą stosowanie konstrukcji balonowej jest kwestia oparcia stropu. Kilka sposobów na zrealizowanie tego połączeni przedstawiono na rys. 5.

Na rysunku 5a i 5b przedstawiono rozwiązania z belkami stropowymi przechodzącymi przez przekrój ściany. W rozwiązaniu 5a belki stropowe opierają się na belce obwodowej. Belka ta aby nie kolidować z warstwami wykończenia wewnętrznego wcina się w słupki szkieletu. Dodatkowo belki stropowe są połączone ze słupkami. Wadą tego połączenia jest fakt wcięcia belki obwodowej w słupki ścienne. Jest to rozwiązanie pracochłonne. Osłabienie przekroju słupków jest także niekorzystne pod względem konstrukcyjnym. Maksymalne naprężenia zginające od sił rozporu pojawiają się dokładnie w miejscu osłabienia przekroju. Rozwiązanie 5b nie osłabia przekroju słupków, ale wymaga od połączenia belka-słupek większej nośności. W przedstawionym rozwiązaniu zastosowano śruby z dwustronnymi pierścieniami bulldog, które zwiększają nośność połączenia śrubowego. W rozwiązaniach 5c i 5d belki stropowe nie przechodzą przez przekrój ściany. Pozwala to na zachowanie ciągłości izolacji ściany. Rozwiązanie 5d ma podobne wady, jak rozwiązanie 5a, opisane powyżej. Rozwiązanie 5c wykorzystuje belkę obwodową całkowicie wysuniętą poza obrys ściany, rozwiązanie to wymaga większej nośności połączeń belka stropowa – belka obwodowa i belka obwodowa – słupki. Stąd zastosowanie wieszaków belek i złączy kątowych w połączeniach.

Mając do czynienia z siłami rozporu w konstrukcji szkieletowej, należy zwrócić szczególną uwagę na kwestię projektowania i wykonania połączeń między elementami na ścieżce przekazywania obciążenia. Jeżeli jest to możliwe, warto rozważyć rezygnację z więźb rozporowych i starać się projektować schematy nierozporowe. W ekstremalnych sytuacjach zastosowanie konstrukcji balonowej może okazać się jedynym skutecznym rozwiązaniem. Decydując się na to rozwiązanie, trzeba szczegółowo przeanalizować połączenie stropu ze ścianą balonową.

W razie wątpliwości odnośnie doboru odpowiedniego złącza w połączeniach, sugerujemy kontakt z inżynierami z działu wsparcia technicznego Simpson Strong-Tie. Tel: 22 865 22 00, e-mail: poland@strongtie.com

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