Szkieletowe budownictwo drewniane jest jednym z najbardziej rozwijających się sektorów rynku budowlanego na świecie. W USA w 2000 r. wartość nakładów poniesionych na rozwój szkieletowego budownictwa drewnianego przekroczyła 200 mld dolarów, co przekładało się na 1–2 mln wznoszonych rocznie budynków. Także w Kanadzie, Japonii, Skandynawii czy też Niemczech tego rodzaju budynki cieszą się uznaniem odbiorców. W Polsce popularność budynków szkieletowych drewnianych jest znacznie mniejsza niż w wymienionych państwach, jednak z roku na rok liczba budynków wznoszonych w tej technologii wzrasta.

Budynki wznoszone w technologiach uprzemysłowionych charakteryzują się dużą typizacją elementów, co pozwala na szybkie i łatwe ich konstruowanie. Wzniesienie budynku szkieletowego drewnianego jest możliwe w czasie kilkunastu dni.
W zależności od rodzaju elementu konstrukcyjnego pracują one w odmienny sposób. Ściany pracują jako elementy tarczowe poddane działaniu obciążeń w płaszczyźnie ściany. Element obciążany jest na kierunku pionowym ciężarem własnym konstrukcji oraz obciążeniami z położonych wyżej kondygnacji. Na kierunku poziomym obciążenie wiatrem lub parasejsmiczne jest symulowane poprzez siłę zaczepioną w górnym narożu ściany.
Stropy pracują w dwóch stanach obciążeń. Stan tarczowy spowodowany jest działaniem obciążeń poziomych, analogicznych do obciążeń działających na ściany, natomiast stan płytowy spowodowany jest działaniem obciążenia pionowego, prostopadłego do powierzchni elementu.

Każdy element konstrukcji szkieletowych budynków drewnianych składa się z trzech podstawowych części: szkieletu drewnianego, poszycia (płyta OSB, płyta wiórowa, sklejka) oraz łączników (gwoździe, zszywki, wkręty). Zarówno szkielet, jak i poszycie pracują w zakresie liniowym, nieliniowość materiałowa jako znikoma jest pomijalna. Inaczej jest jednak z łącznikami. Mimo wysokiej sztywności, ze względu na niewielkie pole przekroju, odznaczają się dość wyraźną nieliniowością pracy. To powoduje, że ściana lub strop jako całość pracuje w zakresie nieliniowym. Decydująca dla sposobu zachowania się elementu staje się zatem charakterystyka pracy połączenia poszycie–szkielet drewniany. Im bardziej łączniki są podatne, tym bardziej nieliniowy charakter pracy ściany lub stropu, a co za tym idzie większa ich odkształcalność.
Już dawno zaobserwowano, że największe naprężenia w ścianach drewnianych pojawiają się w narożach konstrukcji, tam też dochodziło do ich zniszczenia. W celu ograniczenia naprężeń w narożach wprowadzano narożne usztywnienia, a także poprzeczne deskowania, które przenosiły siły poprzeczne na szkielet i zapobiegały zniszczeniu konstrukcji. Dopiero pod koniec lat 40. XX w. zastosowano poszycie panelowe, podobne do dziś używanego. Od połowy XX w. przeprowadzane były badania nad elementami budynków szkieletowych i całymi budynkami, ale ze względu na wysoki koszt ich zakres był ograniczony.
Badania doświadczalne ścian

Konstrukcja ściany w technologii szkieletu drewnianego musi spełniać dwa podstawowe warunki. Musi mieć odpowiednią nośność, aby móc przenieść maksymalne obciążenie, oraz być na tyle sztywna, aby powstające pod wpływem obciążenia poziomego odkształcenia ściany nie przekraczały wielkości dopuszczalnych ze względu na bezpieczeństwo oraz ogólny kształt architektoniczny budynku.
Nośność i sztywność zależą od kilku podstawowych wielkości: właściwości materiałowych elementów konstrukcyjnych ściany, rodzaju oraz rozstawu łączników, odległości między słupkami, a także wymiarów zewnętrznych elementu ewentualnie występowania otworów.
Wpływ sposobu kształtowania ściany poprzez odpowiedni dobór elementów składowych na nośność i sztywność konstrukcji był przedmiotem wielu badań doświadczalnych przeprowadzanych na całym świecie. Umożliwiły one bezpieczniejsze projektowanie i użytkowanie konstrukcji wykonanych w technologii szkieletu drewnianego.

Grubość poszycia, która zapewnia pomijanie wpływu wyboczenia, określona została na co najmniej 9,5 mm . Wewnętrzne poszycie z płyt gipsowych, które zazwyczaj pomijane jest w analizach obliczeniowych ściany, w znaczący sposób wpływa na nośność, a przede wszystkim na sztywność elementu [6]. Dodatkowo w celu zwiększenia sztywności i nośności ściany na działanie obciążeń poziomych można wypełnić złącza na styku płyt gipsowych, przez co ściana zaczyna zachowywać się niczym ściana pełna bez dylatacji [11]. Innym sposobem zwiększenia nośności ścian jest poziome przybicie płyt gipsowych, co może zwiększyć sztywność w stosunku do ściany o pionowej orientacji płyt poszycia.
Prace badawcze wykazały, że największy wpływ na pracę elementów ściennych ma sposób połączenia poszycia i szkieletu. Najlepsze połączenie uzyskuje się przy połączeniu płyt ze szkieletem drewnianym za pomocą prawidłowo wbitych gwoździ [12]. Większa sztywność połączenia może być uzyskana poprzez zastosowanie połączeń klejonych [2]. Takie połączenia charakteryzują się znacznie większą sztywnością niż połączenia typu kołkowego (gwoździe, zszywki, kołki), a cała ściana mniej się uplastycznia w zakresie obciążeń zbliżonych do obciążeń niszczących. Przy zastosowaniu klejów łączniki spełniają tylko funkcje pomocnicze, zapewniając połączenia szkielet-poszycie do czasu uzyskania wystarczającej nośności przez połączenie klejone.

Oprócz połączeń wewnątrz elementu duże znaczenie ma także sposób połączenia elementów ze sobą, przede wszystkim połączenia ścian ze stropami. Dobre zakotwienie w stropie znacznie ogranicza podatność połączenia ściany ze stropem, powodując, że jest ono bardziej sztywne, przez co konstrukcja całego budynku jest mniej podatna na działanie obciążeń poziomych.
Zapewnienie dobrego połączenia powoduje, że nośność ściany na działanie obciążeń poziomych (na jednostkę długości) jest niezależna od liczby pasm poszycia. W przypadku bardziej podatnego połączenia nośność (na jednostkę długości) zmienia się wraz z liczbą pasm poszycia w ścianie. W przypadku ściany dwupasmowej jej nośność (na jednostkę długości) jest mniejsza o 1/3 w stosu n k u do nośności ściany trójpasmowej [7].

Ściany o jednym paśmie poszycia (szerokości 1,2 m) charakteryzują się znacznie mniejszą nośnością na jednostkę długości w stosunku do ścian szerszych o kilku pasmach poszycia. W przypadku ścian dobrze zespolonych ze stropem niższej kondygnacji nośność (na jednostkę długości) jest mniejsza o 12% w stosunku do ściany dwupasmowej, zaś w przypadku połączenia bardziej podatnego nośność ta spada nawet o 50%, co powoduje, że takie elementy nie osiągają zadowalającej nośności na obciążenia poziome [3, 7, 10].
Większość opracowań dotyczących ścian w szkieletowym budownictwie drewnianym pomija wpływ otworów na nośność i sztywność elementu, a jest on znaczący. Najczęściej przyjmuje się do analiz, że część ściany z otworem nie jest uwzględniana w analizach wytrzymałościowych, co pozwala na dość szybkie określenie przybliżonej nośności ściany. Założenie takie powoduje, że otrzymuje się zaniżoną sztywność ściany, która w rzeczywistości jest większa ze względu na udział sekcji z otworem w przenoszeniu obciążeń.

Pomimo osłabienia przekroju elementu poprzez wprowadzenie otworu w poszyciu pojawiają się dodatkowe elementy wzmacniające, takie jak nadproża, belki podokienne czy też podwójne lub potrójne słupki na kra- wędziach perforacji. Takie lokalne wzmocnienia wpływają na ogólną sztywność i nośność elementu i biorą udział w redystrybucji obciążeń na poszczególne sekcje ściany [1, 8].
Wpływ takich lokalnych wzmocnień w postaci dodatkowych słupków może powodować zwiększenie nośności na obciążenia pionowe [1], zaś sztywność i nośność na obciążenia poziome nie zmniejsza się proporcjonalnie (jako stosunek szerokości otworu do szerokości całego elementu) [8].
Przyjmuje się, że współczynnik wpływu otworu na nośność ściany pod działaniem obciążenia poziomego jest funkcją współczynnika powierzchni otworu [8], czyli zależy od wymiarów otworu i wymiarów zewnętrznych elementu ściennego. Wykorzystanie do analiz współczynnika otworu daje jednak zaniżone wartości nośności ściany, w rzeczywistości nośność może być większa o kilkadziesiąt procent [4].
Badania doświadczalne elementów stropowych
Stropy są elementami przenoszącymi obciążenia użytkowe na ściany. Kierunek działającego obciążenia powoduje, że pracują one jako elementy płytowe. Jednak nie tylko obciążenie użytkowe i ciężar własny oddziaływają na elementy, duże znaczenie ma też obciążenie w płaszczyźnie stropu, spowodowane działaniem wiatru lub oddziaływaniami parasejsmicznymi.
W przypadku obciążeń działających w płaszczyźnie elementu rozpatrujemy stropy ze względu na sposób oparcia, jako element tarczowy albo częściej jako belkę krępą o znacznej wysokości w stosunku do rozpiętości. Taki element charakteryzuje się bardzo dużą sztywnością.

Duża sztywność elementu powoduje, że często pomijana jest analiza wytrzymałościowa ze względu na działające obciążenie w płaszczyźnie. Amerykańskie standardy projektowania [13] opierają się na stabelaryzowa-nych danych, co przyśpiesza projektowanie, jednocześnie jednak ogranicza się do szeregu typowych konstrukcji. W przypadku gdy konieczne staje się opracowanie projektowe konstrukcji o nietypowych wymiarach, kształcie czy z otworami, stabelaryzowane dane nie pozwalają na oszacowanie wartości obliczeniowych. Konieczna staje się interpolacja lub też całościowa analiza statyczna proponowanej konstrukcji. Dodatkowym minusem powyższego opracowania jest pominięcie wpływu otworów na sztywność i nośność elementu stropowego. Pomijany jest w pł y w rozmieszczenia i w iel kości ot worów, a analiza opiera się na założeniu, że wszystkie elementy wymiaruje się, jakby były elementami bez perforacji.

Wieloletnie i szerokie badania doświadczalne elementów stropowych w USA umożliwiły opracowanie wzorów pozwalających na oszacowanie wielkości naprężeń i odkształceń w płytach stropowych, jednak bez uwzględniania wpływu otworów [9].
Japończycy przeprowadzili wiele badań, w których obserwowano pracę stropów z otworami. Pozwoliły one na zaobserwowanie wpływu wielkości otworów oraz ich rozmieszczenia na rozkład sił wewnętrznych w otaczających otwór ryglach, a co za tym idzie na wielkości sił w poszyciu [5].
Przeprowadzone eksperymenty wykazały, że rzeczywiste przemieszczenia stropów były mniejsze o kilkanaście procent w stosunku do przemieszczeń obliczanych na podstawie założeń zawartych w normach.
Podsumowanie
Dobry budynek powinien być wznoszony w sposób ekologiczny, ale także powinien charakteryzować się jak najniższym kosztem wybudowania. Wyniki badań doświadczalnych mają duży wpływ na bezpieczne i ekonomiczne projektowanie konstrukcji.

                         dr MICHAŁ BASZEŃ Politechnika Białostocka
Literatura
1. M. Baszeń, Model obliczeniowy elementów z otworami konstrukcji szkieletowych budynków drewnianych z poszyciem wraz z weryfkacją doświadczalną, praca doktorska, Politechnika Białostocka, Białystok 2004.
2. J.D. Dolan, M.W. White, Design Con-sideration for Using Adhesives in She-ar Wall, „Journal of the Structural Engineering”, ASCE, 1992, 118(12), s. 3473–3479.
 

                                        więcej na www.inzynierbudowanictwa.pl

powrót