Het CDTC cold-formed (CFSF) (ook bekend als “light gauge”) frame, ontworpen door Todd Brady en Stephen H. Miller, was oorspronkelijk een alternatief voor hout, maar na decennia van agressief werk speelde het eindelijk zijn rol. Net als hout dat met een timmerman is afgewerkt, kunnen stalen palen en rails worden gesneden en gecombineerd om complexere vormen te creëren. Tot voor kort was er echter geen echte standaardisatie van componenten of verbindingen. Elk ruw gat of ander speciaal structureel element moet individueel worden gedetailleerd door een Engineer of Record (EOR). Aannemers houden zich niet altijd aan deze projectspecifieke details en kunnen de zaken lange tijd ‘anders doen’. Desondanks zijn er aanzienlijke verschillen in de kwaliteit van de veldmontage.
Uiteindelijk leidt bekendheid tot ontevredenheid, en ontevredenheid tot innovatie. Nieuwe framedelen (buiten de standaard C-Studs en U-Tracks) zijn niet alleen beschikbaar met behulp van geavanceerde vormgevingstechnieken, maar kunnen ook vooraf worden ontworpen/vooraf goedgekeurd voor specifieke behoeften om de CFSF-fase te verbeteren in termen van ontwerp en constructie. .
Gestandaardiseerde, speciaal gebouwde componenten die voldoen aan de specificaties kunnen veel taken op een consistente manier uitvoeren, waardoor betere en betrouwbaardere prestaties worden geleverd. Ze vereenvoudigen de detaillering en bieden een oplossing die voor aannemers gemakkelijker is om correct te installeren. Ze versnellen ook de bouw en maken inspecties eenvoudiger, waardoor tijd en moeite worden bespaard. Deze gestandaardiseerde componenten verbeteren ook de veiligheid op de werkplek door de snij-, montage-, schroef- en laskosten te verlagen.
De standaardpraktijk zonder CFSF-normen is zo'n geaccepteerd onderdeel van het landschap geworden dat het moeilijk is om commerciële of hoogbouwwoningen zonder deze normen voor te stellen. Deze brede acceptatie werd in relatief korte tijd bereikt en werd pas aan het einde van de Tweede Wereldoorlog op grote schaal gebruikt.
De eerste CFSF-ontwerpstandaard werd in 1946 gepubliceerd door het American Iron and Steel Institute (AISI). De nieuwste versie, AISI S 200-07 (North American Standard for Cold Formed Steel Framing – General), is nu de standaard in Canada, de VS en Mexico.
Basisstandaardisatie maakte een groot verschil en CFSF werd een populaire bouwmethode, of ze nu dragend of niet-dragend waren. De voordelen zijn onder meer:
Hoe innovatief de AISI-standaard ook is, hij codificeert niet alles. Ontwerpers en aannemers hebben nog veel te beslissen.
Het CFSF-systeem is gebaseerd op noppen en rails. Stalen palen zijn, net als houten palen, verticale elementen. Ze vormen meestal een C-vormige dwarsdoorsnede, waarbij de “bovenkant” en “onderkant” van de C de smalle afmeting van de stijl (de flens) vormen. Geleiders zijn horizontale frame-elementen (drempels en lateien) met een U-vorm voor het plaatsen van rekken. Rekformaten zijn meestal vergelijkbaar met nominaal “2×” hout: 41 x 89 mm (1 5/8 x 3 ½ inch) is “2 x 4″ en 41 x 140 mm (1 5/8 x 5). ½ inch) is gelijk aan “2×6″. In deze voorbeelden wordt de afmeting van 41 mm “plank” genoemd en de afmeting van 89 mm of 140 mm “web”, waarbij concepten worden overgenomen die bekend zijn uit warmgewalst staal en vergelijkbare elementen van het I-balktype. De grootte van de baan komt overeen met de totale breedte van de nop.
Tot voor kort moesten de sterkere elementen die het project nodig had, door EOR worden gedetailleerd en ter plaatse worden gemonteerd met behulp van een combinatie van combo-stijlen en rails, evenals C- en U-vormige elementen. De exacte configuratie wordt meestal aan de aannemer doorgegeven en zelfs binnen hetzelfde project kan deze sterk variëren. De decennialange ervaring van CFSF heeft echter geleid tot de erkenning van de beperkingen van deze basisvormen en de daarmee samenhangende problemen.
Er kan zich bijvoorbeeld water ophopen in de onderrail van een stijlmuur wanneer de stijl tijdens de bouw wordt geopend. De aanwezigheid van zaagsel, papier of andere organische materialen kan schimmel- of andere vochtgerelateerde problemen veroorzaken, waaronder aantasting van gipsplaten of het aantrekken van ongedierte achter hekken. Een soortgelijk probleem kan zich voordoen als water in afgewerkte muren sijpelt en zich ophoopt door condensatie, lekken of morsen.
Eén oplossing is een speciaal looppad waarin gaten zijn geboord voor de afwatering. Verbeterde noppenontwerpen zijn ook in ontwikkeling. Ze beschikken over innovatieve kenmerken, zoals strategisch geplaatste ribben die in dwarsdoorsnede buigen voor extra stijfheid. Het gestructureerde oppervlak van de stijl voorkomt dat de schroef “beweegt”, wat resulteert in een schonere verbinding en een uniformere afwerking. Deze kleine verbeteringen, vermenigvuldigd met tienduizenden pieken, kunnen een enorme impact hebben op een project.
Verder gaan dan stijlen en rails Traditionele stijlen en rails zijn vaak voldoende voor eenvoudige wanden zonder ruwe gaten. Belastingen kunnen het gewicht van de muur zelf omvatten, de afwerkingen en uitrusting erop, het gewicht van de wind, en voor sommige muren ook permanente en tijdelijke belastingen vanaf het dak of de verdieping erboven. Deze belastingen worden overgebracht van de bovenrail naar de kolommen, naar de onderrail en van daaruit naar de fundering of andere delen van de bovenbouw (bijv. betonnen dek of stalen constructiekolommen en -balken).
Als er een ruwe opening (RO) in de muur zit (zoals een deur, raam of groot HVAC-kanaal), moet de belasting van boven de opening eromheen worden overgebracht. De latei moet sterk genoeg zijn om de belasting van een of meer zogenaamde noppen (en de daaraan bevestigde gipsplaat) boven de latei te dragen en over te brengen naar de stijlstijlen (RO verticale balken).
Op dezelfde manier moeten deurposten worden ontworpen om een grotere belasting te dragen dan gewone palen. In binnenruimten moet de opening bijvoorbeeld sterk genoeg zijn om het gewicht van de gipsplaat over de opening te dragen (dwz 29 kg/m2 [6 lbs per vierkante voet] [één laag van 16 mm (5/8 inch) per uur muur.) per zijde gips] of 54 kg/m2 [11 pond per vierkante voet] voor een structurele muur van twee uur [twee lagen pleister van 16 mm per zijde]), plus seismische belasting en doorgaans het gewicht van de deur en zijn traagheidswerking. Op externe locaties moeten openingen bestand zijn tegen wind, aardbevingen en soortgelijke belastingen.
In het traditionele CFSF-ontwerp worden de kop- en dorpelpalen ter plaatse gemaakt door standaardlatten en rails te combineren tot een sterkere eenheid. Een typisch spruitstuk voor omgekeerde osmose, ook wel cassettespruitstuk genoemd, wordt gemaakt door vijf stukken aan elkaar te schroeven en/of te lassen. Twee palen worden geflankeerd door twee rails, en een derde rail wordt bovenaan bevestigd met het gat naar boven gericht om de paal boven het gat te plaatsen (Figuur 1). Een ander type kokerverbinding bestaat uit slechts vier delen: twee noppen en twee geleiders. De andere bestaat uit drie delen: twee sporen en een haarspeldbocht. De exacte productiemethoden voor deze componenten zijn niet gestandaardiseerd, maar variëren tussen aannemers en zelfs werknemers.
Hoewel combinatorische productie een aantal problemen kan veroorzaken, heeft deze zich in de industrie goed bewezen. De kosten van de engineeringfase waren hoog omdat er geen standaarden waren, waardoor ruwe openingen individueel moesten worden ontworpen en afgewerkt. Het op locatie snijden en monteren van deze arbeidsintensieve componenten verhoogt ook de kosten, verspilt materialen, vergroot het afval op de locatie en vergroot de veiligheidsrisico's op de locatie. Bovendien creëert het kwaliteits- en consistentieproblemen waar professionele ontwerpers zich vooral zorgen over zouden moeten maken. Dit heeft de neiging de consistentie, kwaliteit en betrouwbaarheid van het frame te verminderen, en kan ook de kwaliteit van de gipsplaatafwerking beïnvloeden. (Zie “Slechte verbinding” voor voorbeelden van deze problemen.)
Verbindingssystemen Het bevestigen van modulaire verbindingen aan racks kan ook esthetische problemen veroorzaken. Metaal-op-metaal overlap veroorzaakt door lipjes op het modulaire verdeelstuk kan de wandafwerking beïnvloeden. Gipsplaten aan de binnenkant of buitenbekleding mogen niet plat op de metalen plaat liggen waar de schroefkoppen uitsteken. Verhoogde muuroppervlakken kunnen merkbare ongelijkmatige afwerkingen veroorzaken en vereisen extra correctiewerk om deze te verbergen.
Een oplossing voor het verbindingsprobleem is het gebruik van kant-en-klare klemmen, deze aan de palen van de stijl bevestigen en de verbindingen coördineren. Deze aanpak standaardiseert verbindingen en elimineert inconsistenties veroorzaakt door fabricage ter plaatse. De klem elimineert metaaloverlap en uitstekende schroefkoppen op de muur, waardoor de wandafwerking verbetert. Het kan ook de arbeidskosten voor de installatie halveren. Voorheen moest de ene arbeider het maaibord waterpas houden, terwijl een ander het op zijn plaats schroefde. Bij een clipsysteem installeert een werknemer de clips en klikt vervolgens de connectoren op de clips. Deze klem wordt meestal vervaardigd als onderdeel van een geprefabriceerd montagesysteem.
De reden voor het maken van spruitstukken uit meerdere stukken gebogen metaal is om iets sterkers te bieden dan een enkel stuk spoor om de muur boven de opening te ondersteunen. Omdat buigen het metaal verstijft om kromtrekken te voorkomen, waardoor effectief microbalken worden gevormd in het grotere vlak van het element, kan hetzelfde resultaat worden bereikt met behulp van een enkel stuk metaal met veel bochten.
Dit principe is gemakkelijk te begrijpen door een vel papier met licht uitgestrekte handen vast te houden. Eerst vouwt het papier in het midden en glijdt weg. Als het echter één keer over de lengte wordt gevouwen en vervolgens wordt uitgerold (zodat het papier een V-vormig kanaal vormt), is de kans kleiner dat het buigt en valt. Hoe meer vouwen je maakt, hoe stijver het zal zijn (binnen bepaalde grenzen).
De meervoudige buigtechniek maakt gebruik van dit effect door gestapelde groeven, kanalen en lussen aan de algehele vorm toe te voegen. “Directe sterkteberekening” – een nieuwe praktische computerondersteunde analysemethode – verving de traditionele “Effectieve breedteberekening” en maakte het mogelijk eenvoudige vormen om te zetten in geschikte, efficiëntere configuraties om betere resultaten uit staal te halen. Deze trend is te zien in veel CFSF-systemen. Deze vormen kunnen, vooral bij gebruik van sterker staal (390 MPa (57 psi) in plaats van de vorige industriestandaard van 250 MPa (36 psi)), de algehele prestaties van het element verbeteren zonder enig compromis in grootte, gewicht of dikte. worden. er zijn veranderingen geweest.
In het geval van koudgevormd staal speelt een andere factor een rol. Koud bewerken van staal, zoals buigen, verandert de eigenschappen van het staal zelf. De vloeigrens en treksterkte van het bewerkte deel van het staal nemen toe, maar de ductiliteit neemt af. De onderdelen die het meest werken, krijgen het meeste. Vooruitgang op het gebied van rolvormen heeft geresulteerd in strakkere bochten, wat betekent dat het staal dat zich het dichtst bij de gebogen rand bevindt meer werk vereist dan het oude rolvormproces. Hoe groter en strakker de bochten, hoe meer staal in het element zal worden versterkt door koudvervormen, waardoor de algehele sterkte van het element toeneemt.
Normale U-vormige sporen hebben twee bochten, C-stijlen hebben vier bochten. Het vooraf ontworpen gemodificeerde W-spruitstuk heeft 14 bochten die zijn gerangschikt om de hoeveelheid metaal die actief weerstand biedt aan spanning te maximaliseren. Het enkele stuk in deze configuratie kan het gehele deurkozijn in de ruwe opening van het deurkozijn zijn.
Voor zeer brede openingen (dwz meer dan 2 m [7 ft]) of hoge belastingen kan de polygoon verder worden versterkt met geschikte W-vormige inzetstukken. Er wordt meer metaal en 14 bochten toegevoegd, waardoor het totale aantal bochten in de totale vorm op 28 komt. Het inzetstuk wordt met omgekeerde W's in de polygoon geplaatst, zodat de twee W's samen een ruwe X-vorm vormen. De benen van W fungeren als dwarsbalken. Ze installeerden de ontbrekende noppen over de RO, die met schroeven op hun plaats werden gehouden. Dit geldt ongeacht of er wel of geen verstevigingsinzetstuk is geïnstalleerd.
De belangrijkste voordelen van dit voorgevormde kop-/clipsysteem zijn snelheid, consistentie en verbeterde afwerking. Door te kiezen voor een gecertificeerd geprefabriceerd lateisysteem, zoals een systeem dat is goedgekeurd door de International Code of Practice Committee Evaluation Service (ICC-ES), kunnen ontwerpers componenten specificeren op basis van de eisen inzake brandbeveiliging van het belastings- en wandtype, en hoeven ze niet elke taak opnieuw te ontwerpen en te detailleren. , waardoor tijd en middelen worden bespaard. (ICC-ES, International Codes Committee Evaluation Service, geaccrediteerd door de Standards Council of Canada [SCC]). Deze prefabricage zorgt er ook voor dat blinde openingen worden gebouwd zoals ontworpen, met consistente structurele stevigheid en kwaliteit, zonder afwijkingen als gevolg van snijden en monteren ter plaatse.
De installatieconsistentie is ook verbeterd omdat de klemmen voorgeboorde gaten met schroefdraad hebben, waardoor het gemakkelijker wordt om verbindingen met stijlstijlen te nummeren en te plaatsen. Elimineert metalen overlappingen op muren, verbetert de vlakheid van het gipsplaatoppervlak en voorkomt oneffenheden.
Bovendien hebben dergelijke systemen voordelen voor het milieu. Vergeleken met composietcomponenten kan het staalverbruik van spruitstukken uit één stuk tot wel 40% worden verminderd. Omdat hiervoor geen laswerkzaamheden nodig zijn, wordt de daarmee gepaard gaande uitstoot van giftige gassen geëlimineerd.
Brede flensnoppen Traditionele noppen worden gemaakt door twee of meer noppen met elkaar te verbinden (schroeven en/of lassen). Hoewel ze krachtig zijn, kunnen ze ook hun eigen problemen creëren. Ze zijn veel eenvoudiger te monteren vóór de installatie, vooral als het om solderen gaat. Dit blokkeert echter de toegang tot het noppengedeelte dat is bevestigd aan de deuropening van het Hollow Metal Frame (HMF).
Eén oplossing is om een gat in een van de staanders te maken om deze vanuit de binnenkant van de staander aan het frame te bevestigen. Dit kan de inspectie echter bemoeilijken en extra werk vergen. Het is bekend dat inspecteurs erop aandringen de HMF aan de ene helft van de deurpoststijl te bevestigen en deze te inspecteren, en vervolgens de tweede helft van de dubbele noppenconstructie op zijn plaats te lassen. Dit stopt al het werk rond de deuropening, kan ander werk vertragen en vereist verhoogde brandbeveiliging vanwege laswerkzaamheden ter plaatse.
Geprefabriceerde noppen met brede schouders (speciaal ontworpen als stijlnoppen) kunnen worden gebruikt in plaats van stapelbare noppen, waardoor veel tijd en materiaal wordt bespaard. De toegangsproblemen die verband houden met de HMF-deuropening worden ook opgelost omdat de open C-zijde ononderbroken toegang en eenvoudige inspectie mogelijk maakt. De open C-vorm zorgt ook voor volledige isolatie waarbij de gecombineerde lateien en stijlstijlen doorgaans een isolatieopening van 102 tot 152 mm (4 tot 6 inch) rond de deuropening creëren.
Verbindingen bovenaan de muur Een ander ontwerpgebied dat heeft geprofiteerd van innovatie is de verbinding bovenaan de muur naar het bovendek. De afstand van de ene verdieping naar de andere kan in de loop van de tijd enigszins variëren als gevolg van variatie in de doorbuiging van het dek onder verschillende belastingsomstandigheden. Bij niet-dragende muren moet er een opening zijn tussen de bovenkant van de noppen en het paneel, zodat het terras naar beneden kan bewegen zonder de noppen te verpletteren. Het platform moet ook omhoog kunnen bewegen zonder de noppen te breken. De speling bedraagt minimaal 12,5 mm (½ in.), wat de helft is van de totale slagtolerantie van ±12,5 mm.
Twee traditionele oplossingen domineren. Een daarvan is om een lange rups (50 of 60 mm (2 of 2,5 inch)) aan het dek te bevestigen, waarbij de noppen eenvoudig in de rups worden gestoken en niet worden vastgezet. Om te voorkomen dat de stijlen gaan draaien en hun structurele waarde verliezen, wordt een stuk koudgewalst kanaal door een gat in de stijl gestoken op een afstand van 150 mm (6 inch) van de bovenkant van de muur. consumerend proces Het proces is niet populair bij aannemers. In een poging om de bochten te verkleinen, kunnen sommige aannemers zelfs afzien van koudgewalst kanaal door noppen op rails te plaatsen zonder dat ze de mogelijkheid hebben om ze op hun plaats te houden of waterpas te stellen. Dit is in strijd met de standaardpraktijk ASTM C 754 voor het installeren van stalen framedelen voor het produceren van gipsplaatproducten met schroefdraad, waarin wordt gesteld dat de noppen met schroeven aan de rails moeten worden bevestigd. Als deze afwijking van het ontwerp niet wordt gedetecteerd, heeft dit invloed op de kwaliteit van de afgewerkte muur.
Een andere veelgebruikte oplossing is het dubbelsporige ontwerp. De standaardrail wordt bovenop de noppen geplaatst en elke nop wordt eraan vastgeschroefd. Een tweede, op maat gemaakte, bredere baan wordt boven de eerste geplaatst en verbonden met het bovendek. Standaardtracks kunnen binnen aangepaste tracks op en neer schuiven.
Voor deze taak zijn verschillende oplossingen ontwikkeld, die allemaal gespecialiseerde componenten bevatten die sleufverbindingen mogelijk maken. Variaties zijn onder meer het type gleufrail of het type gleufclip dat wordt gebruikt om de track aan het deck te bevestigen. Bevestig bijvoorbeeld een sleufrail aan de onderkant van het terras met behulp van een bevestigingsmethode die geschikt is voor het betreffende terrasmateriaal. De sleufschroeven zijn bevestigd aan de bovenkant van de tapeinden (volgens ASTM C 754), waardoor de verbinding binnen ongeveer 25 mm (1 inch) op en neer kan bewegen.
In een firewall moeten dergelijke zwevende verbindingen tegen brand worden beschermd. Onder een gegroefd stalen dek gevuld met beton moet het brandvertragende materiaal de oneffen ruimte onder de groef kunnen opvullen en zijn brandbestrijdingsfunctie kunnen behouden als de afstand tussen de bovenkant van de muur en het dek verandert. De componenten die voor deze verbinding worden gebruikt, zijn getest in overeenstemming met de nieuwe ASTM E 2837-11 (Standard Test Method for Determining the Fire Resistance of Solid Wall Head Joint Systems Installed Between Rated Wall Components and Non-Rated Horizontal Components). De norm is gebaseerd op Underwriters Laboratories (UL) 2079, “Fire Testing for Building Connecting Systems”.
Het voordeel van het gebruik van een speciale aansluiting aan de bovenkant van de muur is dat er gestandaardiseerde, door de code goedgekeurde, brandwerende constructies in kunnen worden opgenomen. Een typische constructie is om het vuurvaste materiaal op het dek te plaatsen en aan weerszijden een paar centimeter boven de bovenkant van de muren te hangen. Net zoals een muur vrij op en neer kan glijden in een insteekarmatuur, kan deze ook in een brandvoeg op en neer glijden. Materialen voor dit onderdeel kunnen minerale wol, gecementeerd constructiestaal, vuurvast materiaal of gipsplaat omvatten, alleen of in combinatie gebruikt. Dergelijke systemen moeten worden getest, goedgekeurd en vermeld in catalogi zoals Underwriters Laboratories of Canada (ULC).
Conclusie Standaardisatie is de basis van alle moderne architectuur. Ironisch genoeg is er weinig standaardisatie van de ‘standaardpraktijk’ als het gaat om koudgevormde staalconstructies, en innovaties die deze tradities doorbreken zijn ook normmakers.
Het gebruik van deze gestandaardiseerde systemen kan ontwerpers en eigenaren beschermen, veel tijd en geld besparen en de veiligheid op de locatie verbeteren. Ze zorgen voor consistentie in de constructie en werken waarschijnlijker zoals bedoeld dan ingebouwde systemen. Met een combinatie van lichtheid, duurzaamheid en betaalbaarheid zal CFSF waarschijnlijk zijn aandeel op de bouwmarkt vergroten, wat ongetwijfeld verdere innovatie zal stimuleren.
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 is een bekroonde schrijver en fotograaf, gespecialiseerd in de bouwsector. Hij is creatief directeur van Chusid Associates, een adviesbureau dat marketing- en technische diensten levert aan fabrikanten van bouwproducten. U kunt contact opnemen met Miller via www.chusid.com.
Vink het onderstaande vakje aan om uw wens te bevestigen om te worden opgenomen in diverse e-mailcommunicatie van Kenilworth Media (waaronder e-nieuwsbrieven, digitale tijdschriftuitgaven, periodieke enquêtes en aanbiedingen* voor de engineering- en bouwsector).
*Wij verkopen uw e-mailadres niet aan derden, wij sturen hun aanbiedingen eenvoudigweg naar u door. Uiteraard heeft u altijd het recht om u af te melden voor alle communicatie die wij u sturen als u in de toekomst van gedachten verandert.
Posttijd: 07-07-2023