Embedded Files
Ebben a cikkben lépésről lépésre megnézzük, hogyan vezeti le egy favázas családi ház a szél által keltett erőket. Ezt hívják vízszintes teherútnak, angolul: a „lateral load path”, amivel Kelet-Európában még ma is meglepően keveset foglalkoznak. Gyakran csak a gravitációs, azaz a függőleges teherutakra fókuszának, ami egy sokkal intuitívabban megoldható probléma. Ezek a saját tömeg, hasznos teher, hóteher keltette erőhatások. Egy hozzá nem értő tervező vagy kivitelező ösztönösen a gravitációs irányában gondolkodik. Ilyenkor a „biztonság” vastagabb gerendákban, nagyobb keresztmetszetekben és sűrűbb fal váz kiosztásban jelenik meg, ami gyakran túlméretezett födémeket, túl sűrű függőleges tartókat és indokolatlan anyagfelhasználást eredményez. Ettől az épület ránézésre valóban masszívnak, szinte erődszerűnek tűnik, ez a látszólagos biztonság azonban nem jelent valódi védelmet az oldalirányú igénybevételekkel szemben, és nem pótolja a tudatosan megtervezett vízszintes teherutakat.
A gravitációs teherutakkal szemben a szél és a földrengés által keltett laterális erők nem intuitívak: nem lefelé hatnak, és nem egyetlen szerkezeti elemhez köthetők. A lateral load path nem szeparált épület elemekről szól, hanem az épület teljes egészét érintő rendszerről. Hazánkban általában nem arról van szó, hogy a laterális teherútrendszer alul van méretezve, hanem arról, hogy gyakorlatilag nincs is megtervezve: nincs tudatos merevítőfal-kiosztás, nincs szegelési rend a statikai tervekben, nincsenek előírt lehorgonyzó fém kötések (hold-down és anchor), és nincs végiggondolt erőút a tetőtől egészen az alapozásig, ami kő épületek setében nem is lenne gond, de pallóházak esetében ez kihagyhatatlan lenne. A statikai tervekben jellemzően nem jelennek meg azok az előírt fém kötéskapcsolatok sem, amelyek a födémet, a falakat és a tetőt alkotó faelemeket laterális teherút rendszerré kapcsolnák össze. Ezt itthon csak azért „ússzuk meg”, mert viszonylag ritkák a nagy erejű szélviharok és a kárt okozni képes földrengések. A végeredmény azonban többnyire nem valódi biztonság, hanem az, hogy indokolatlanul sok faanyag kerül beépítésre, miközben a laterális teherutak a véletlenre vannak bízva.
Ezért nagyon gyakori, hogy egy épület „erősnek” tűnik, mert a gravitációs terheket gond nélkül viseli, miközben oldalirányban valójában nincs definiált statikai rendszere. A gravitáció ellen ösztönösen hajlamosak vagyunk túltervezni az épületet, a szél és a földrengés hatásaival szemben viszont nem. Favázas, úgy nevezett platform frame épületeknél ez különösen igaz: míg a gravitációs teherút egyszerű, redundáns és intuitív, addig a lateral load path kritikus és érzékeny rendszer.
A platform framing az észak-amerikai favázas építés most már alapvető rendszere, ahol az épület szintenként, egymásra épülő „platformokból” készül. Az egyes szintek falváza fölé födém és szerkezeti burkolat kerül, amely egyszerre teherhordó elem és munkaszint, erre épül a következő szint falazata. Ez a rendszer nagyon fontos lesz a vízszintes teherutak meghatározására. A különböző vázszerkezeti építési módokkal egy külön cikkben fogunk foglalkozni.
Az itt elmondottak elsősorban APA (The Engineered Wood Association) oldalán elérhető anyagokon alapulnak. Az APA egy Egyesült Államok beli szakmai szövetség, amely az építőiparban használt faanyag gyártókat képviseli. A laboratóriumi kísérleteken felül az APA szakemberei rendszeresem megvizsgálják a viharkárokat elszenvedett épületeket, ami alapján tervezési és kivitelezési ajánlásokat dolgozott ki.
Alapfogalmak
Alapfogalmak
Elsőként nézzük meg az alapfogalmakat: a teherutat (load path), valamint a merevített falak két típusát – a statikailag méretezett merevítőfalakat (shear wall – szó szerinti fordításban: nyírófal), és az előírás szerinti merevített falszakaszokat (braced wall – szó szerinti fordításban: kimerevített fal).
A shear wall olyan falszerkezeti elem, amelyet konkrét terhekre, számítással méretez a statikus.
Ezzel szemben a braced wall nem egyedi statikai méretezés eredménye, hanem valamelyik építési szabványban rögzített előírásrendszer szerint épül, ez a sokkal gyakoribb merevített faltípus.
Kétféle teherút létezik: a függőleges és a vízszintes teherút. Mindkettőnek teljesnek kell lennie ahhoz, hogy egy szerkezet megfelelően legyen megtervezve. Mindkét irányú teherúttal részletesen foglalkozik az amerikai „Nemzetközi Lakóépület Szabvány”, az IRC (International Residental Code), ami egy favázas épületekkel foglalkozó szakember bibliája kell legyen még Magyarországon is. Az IRC-vel egy külön cikkben fogunk részletesen foglalkozni, ahol megmutatom, mennyivel jobb helyzetben van egy amerikai tervező és kivitelező a magyar viszonyokhoz képest.
A teherút célja az, hogy a terhet attól a ponttól, ahol az a szerkezetre hat, elvezesse egészen az alapozásig, majd onnan a talajba. Minden egyes, a szerkezetre ható teherhez tartoznia kell egy teherútnak, amely az alapozásig vezeti azt, hogy a teher „elhagyhassa” az épületet.
A függőleges teherutat mindenki érti. Ez egyszerűen a gravitációról szól. A függőleges teherút olyan terheket vezet le, mint a tetőn lévő hóteher, a bútorok és az épületben tartózkodó emberek súlya, valamint magának az épületnek a tömege. Ami kevésbé intuitív a függőleges teherutakkal kapcsolatban a szél keltette függőleges szívó erő a tetőn, ezt is meg fogjuk nézni.
A vízszintes terhek kategóriájába a szélterhek és a szeizmikus terhek tartoznak. A vízszintes teherút működése azonban korántsem magától értetődő. Az egyik dolog, ami sokakat meglep ezzel kapcsolatban, hogy bizonyos esetekben ezek az erők nem lefelé, hanem kifejezetten felfelé haladnak az épületen belül, mielőtt ismét lefelé indulnának. A függőleges terhekhez hasonlóan azonban minden egyes vízszintes tehernek is rendelkeznie kell egy folytonos teherúttal, amely végső soron az alapozásig vezeti az épületre ható erőket, majd onnan átadja azokat a talajnak, vagyis kivezeti az épület szerkezetéből.
Ebben a cikkben a szélteherre fogunk koncentrálni, mivel a szél egy valós veszély Magyarországon, viszont a szeizmikus veszély sokkal kisebb. A szeizmikus teherút sok hasonlóságot mutat a szélteher teherútjával, de vannak lényeges különbségek is, ez szintén egy másik cikk témája lesz.
Amikor a szél elér egy lakóépületet nem csak a szél felőli oldalon hat erő az épületre, a szél két további terhet is létrehoz az épületen. Az egyik egy vízszintes szívóerő, amely a ház széllel ellentétes oldalán jelentkezik, a másik pedig egy függőleges szívóerő, más néven felhajtóerő, amely a tetőn alakul ki. Ezek a kiegészítő erők nagyságrendileg megegyeznek az eredeti, szél felőli oldalon ható szélteherrel, sőt bizonyos esetekben még meg is haladhatják azt. Mindezeket a terheket, beleértve a felhajtóerőt is, a teherútnak kezelnie kell.
A vízszintes teherút egyik meghatározó eleme az épület merevítési rendszere. Amikor ebben az előadásban a merevítés kifejezést használom, akkor ezalatt mind a mérnökileg méretezett nyírófalakat (shear wall), mind a szabványok szerint kialakított merevített falmezőket (braced wall) értem, mivel a teherútban betöltött szerepük azonos.
A merevítés többféle formában is megjelenhet egy favázas épületszerkezetben. Az IRC R602.10 szakasza, amely a falmerevítéssel foglalkozik, tizenhat különböző merevítési módszert sorol fel. Ezek közé tartoznak a panel jellegű termékek, az átlós merevítések és a portálkeretek is. Az egyszerűség kedvéért itt csak azt az esetet vizsgáljuk, amikor panel jellegű merevítést alkalmaznak, például fa szerkezeti, strukturális burkolatot. (A palló épületek merevítési rendszereivel külön cikkben is foglalkozni fogunk, ahol részletesebben is megismerhetjük a shear wall és braced wall fogalmával és azok típusaival).
Nézzük meg röviden, hogyan működnek a merevítési rendszerek. Egy önmagában álló bordaváz fal, vagyis olyan fal, amelyen nincs semmilyen merevítés, nagyon csekély merevséggel rendelkezik. Amikor egy ilyen, merevítés nélküli falra terhelés kerül, az álló oszlopok és a felső és alsó pallók közötti szögezett kapcsolatok zsanérként viselkednek, ezért csuklós kapcsolatoknak is nevezik őket, mivel könnyen elfordulnak.
Amikor egy strukturális panel jellegű terméket rögzítenek a fal vázszerkezetéhez, a panel azon képessége, hogy ellenálljon az oldalirányú alakváltozásnak, átadódik magára a falra is. Egy panel teherbírása elsősorban a panel fizikai tulajdonságaitól függ, mindenekelőtt a vastagságától. Minél vastagabb és merevebb egy panel, és minél több panelt helyeznek el egy falvonal mentén, annál nagyobb ellenállást, vagyis szilárdságot nyer a fal szakasz. A magyar néző számára lehet, hogy triviális, hogy egy pallóvázas ház esetében nem szükséges minden falat OSB-vel burkolni ahhoz, hogy elérjük a megfelelő merevséget. Azok a külső fal szakaszok, amelyek nem vesznek részt a merevítési rendszerben, jóval olcsóbb külső burkolatot is kaphatnak, anélkül hogy ez bármilyen módon befolyásolná az épület statikai állékonyságát.
A panelek vázszerkezethez történő rögzítéséhez használt kötőelemek típusa és kiosztása szintén jelentősen befolyásolja a fal vízszintes terhekkel szembeni ellenállását. A sűrűbb kiosztású, illetve nagyobb teherbírású kötőelemek növelik a fal teherbírását – ezek lehetnek például szögek, kapcsok vagy szerkezetépítő csavarok. A merevítés hatására az eredetileg csuklósnak tekinthető kapcsolatok merev kapcsolattá válnak, így a vízszintes terhek a burkolópanelen keresztül egészen a fal aljáig levezethetők. Másképp megfogalmazva: a panel a vízszintes teherút aktív részévé válik.
Más merevítési megoldások, mint például az átlós merevítések vagy a portálkeretek, hasonló elven működnek: merevebb kapcsolatokat hoznak létre, és biztosítják azt az utat, amelyen keresztül a vízszintes teher eljuthat a fal alsó részéig.
Teherút kompromittálódás
Teherút kompromittálódás
Egy gyenge vagy hiányos vízszintes teherút esetén a probléma nem az, hogy „eltörik vagy megreped valahol egy tartó vagy gerenda”, hanem az, hogy az egész épület instabillá válhat, katasztrofálisan károsodhat. Nézzük meg azt a három leggyakoribb, teljes épületre kiterjedő károsodási mintázatot, amelyeket erős szélhatások után megfigyelhetünk favázas, palló épületeken. Az itt bemutatott károsodási formák a hagyományos „kőházas” világból érkező szakembereknek gyakran idegenek, a pallóvázas építészetben azonban ezekkel nagyon is számolni kell.
Az első ilyen károsodási típus az úgynevezett racking, vagyis az oldalirányú elnyírásos deformáció. Ez akkor következik be, amikor az épület falmerevítése nem elég erős ahhoz, hogy a ház felsőbb részeiből származó vízszintes terheket levezesse egészen az alapozásig. A merevítés károsodik, és az épület alakja téglalapból paralelogrammává változik.
A képen látható károsodás jó példája ennek a jelenségnek. Az épület homlokzati falán lévő szerkezeti, strukturális burkolatot csak ritka, és vagy túl kicsi szögezéssel rögzítették. Jól látható az épület paralelogramma alakú deformációja. A ház merevítési rendszere nem volt képes a szélterhet levezetni az alapozásig. Amikor a merevítési rendszer kompromittálódott, a szél képes volt „kiforgatni” az épületet az eredeti derékszögű alakjából.
A következő két károsodási forma az elcsúszás (sliding) és a felborulás (overturning), melyek nem létező fogalmak kőházak esetében, mivel egy kőház sokkal előbb összedől mint sem hogy elcsúszna vagy felborulna (tipikusan földrengés esetén), mert sokkal nagyobb a tömege. Pallóvázas épületek esetén ezek ellen más és más fém kapcsolati elemekkel kell védekezni, de azért nehéz ezeket magyarul bemutatni, mert magyarul hiányoznak a megfelelő szakkifejezések. Az elcsúszás ellen az úgynevezett horgony fém kötőelemekkel kell védekezni „anchore”.
A felborulás és elemelkedés ellen pedig az úgynevezett fém leszorító elemekkel (hold down). Ez utóbbi kevésbé ismeretlen a magyar pallóvázas iparban, és nagy méretben nem is egyszerű beszerezni őket. Jellemzően egyik kategóriába eső fém elemek kiosztása, méretezése vagy szögelési rendje sem szokott szerepelni a magyar pallóvázas statikai tervekben.
Az elcsúszás (sliding), akkor következik be, amikor az épület nincs megfelelően rögzítve az alapozáshoz az elcsúszással szemben (angolul: anchore). A betonba helyezett menetes szárak és betoncsavarok – a közhiedelemmel ellentétben – kifejezetten az elcsúszás elleni ellenállást biztosítják, vagyis a vízszintes irányú nyíróerők felvételére szolgálnak, nem pedig az elemelkedés vagy a felborulás megakadályozására. Az elcsúszás elleni menetes szárakat Magyarországon is alkalmazni szokták, de inkább intuitív módon, mint sem a statikai tervekről kiolvasva, holott ezek kiosztásával részletesen foglalkozik az IRC, az amerikai Lakóépület Építési Szabvány, vagyis a favázas biblia. Amikor a vízszintes terhek a vázszerkezeti elemeken keresztül az alapozás felé haladnak, és az épület és az alap közötti kapcsolat nem képes felvenni ezeket a nyíróerőket, az épület elcsúszik az alapozáson.
A képen látható ház szerkezetileg viszonylag egyben maradt, miközben egy tornádó hatására több mint 15 métert csúszott el az alapozásáról. Abból, hogy az épület nagyjából sértetlen maradt arra következtethetünk, hogy a merevítési rendszer sikeresen levezette a vízszintes terheket az épület alsó részéig. A vízszintes teher azonban olyan nyíró erőt hozott létre, amely meghaladta az épület és az alapozás közötti kapcsolat teherbírását, ezért a szerkezetet egyben eltolta.
Az elcsúszással szemben, a felborulás (overturning) akkor következik be, amikor az épület nincs megfelelően leszorítva az alapozáshoz a felborító nyomatékokkal szemben . Ezt a funkciót nem a horgonycsavarok, hanem az úgynevezett hold-down fém kötőelemek látják el, amelyeket kifejezetten az elemelkedés és a felborulás elleni ellenállás biztosítására alkalmaznak. Ezek a leszorító elemek a magyar favázas építőiparban ritkán láthatóak. A hold down szükségességét és kiosztását az USA-ban a statikus szokta előírni, nem a a szabványból jön általában.
A képeken két olyan favázas épületszerkezet látható, amelyek felborultak. Itt is érdemes megfigyelni, hogy mindkettő viszonylag egyben maradt, ami azt jelzi, hogy itt is a merevítési rendszer sikeresen levezette a vízszintes terheket az épület alsó részéig, ami azonban olyan felborító nyomatékot hozott létre, amely meghaladta az épület és az alapozás közötti leszorító kapcsolat teherbírását.
Van még egy negyedik kategória is, az úgynevezett szeparáció, amely a tetőszerkezet vagy egy közbenső szint leválását jelenti. Ez a jelenség szorosan kapcsolódik az overturning típusú károsodásokhoz, azonban nem a teljes épület fordul ki az alapozásról, hanem csak a tetőszerkezet, illetve a felső szint a tetővel együtt válik le az alatta lévő szerkezetről a teherút megszakadása miatt. A tető szeparációja viszont már kő épületek esetében is nagyon is valós és ismert jelenség.
Nézzük meg mi vezet az épület felborulásához. Ha van egy falunk, amelynek oldalirányú merevségét mindössze egyetlen merevítőpanel biztosítja és a fal tetején vízszintes terhelés hat, ahogyan az az ábrán is látható, akkor a fal nem egyszerűen elcsúszni akar, hanem felborulásra törekszik. Ilyenkor a fal egyik alsó sarka elemelkedik az alapozásról. Ez nagyon hasonló ahhoz, mint amikor egy magas, keskeny szekrényt próbálunk oldalirányban eltolni: az nem csúszik, hanem inkább fel akar borulni. Ugyanez a mechanizmus vezethet egy épületszerkezet felborulásához is, ezért bizonyos esetekben leszorító kötőelemek (hold-down) alkalmazására van szükség. Ezek a leszorító kötőelemek szó szerint „lenyomva tartják” az épületet az alapozáson. A leszorító kötőelemek mindig magasan felnyúlnak a falvázat alkotó oszlopokra, hogy a merevített falpanel sokkal nagyobb felületen adhassa át az erőt a fém kötőelemnek, és onnan az alapozásnak, szemben az elcsúszás ellen védő menetes szárakkal, amik nagyon kis felületen veszik fel az erőket.
Ha ugyanennél a falnál több merevítőpanelt alkalmazunk, a felborulás kockázata is jelentősen mérséklődik, vagy akár teljesen meg is szűnik. Nézzük meg, hogy az USA-ban IRC-t követve miért nincs általában szükség a leszorító (hold down) elemek beépítésére és az egyedi statikai tervezésű épületeknél általában miért van:
Azoknál az épületeknél, ahol kevés hely áll rendelkezésre a merevítés számára (pl nagy üveg felületek miatt), tipikusan egyedi, statikai számításokkal tervezik meg merevítő falakat (ez a shear wall), ami a kevés merevítő felület miatt leszorító kötőelemek (hold-down) beépítését teszi szükségessé.
Ezzel szemben, követve az IRC előírását a merevített falakra az R602.10 fejezet alapján, hosszú merevített falszakaszokat kapunk, ezért a szabványban engedélyezett megoldások többségénél nincs szükség leszorító kötőelemekre (hold-down).
A leszorító kötőelemek csak akkor működnek megfelelően, ha a megfelelő helyre vannak beépítve. Gyakori kivitelezési hiba, hogy ezek az elemek nem a merevítőpanel végeire kerülnek. Ha a szél balról fúj, akkor a merevített falszakasz bal alsó sarkában jelentkezik a legnagyobb nyomaték, ezért ide kell elhelyezni a leszorító kötőelemet (hold-down). Ha a szél jobbról érkezik, a helyzet értelemszerűen fordított. A bemutatott fényképen mindkét leszorító kötőelem (hold-down) a panel jobb oldalára került. Így ha a szél balról érkezik, nincs olyan elem, amely a felborító erők folytonos teherútját biztosítaná az bal alsó saroknál. Teljes teherút hiányában a merevítőpanel nagy valószínűséggel leválik az alapozásról.
Vízszintes teherút működése
Vízszintes teherút működése
Nézzük meg nagy vonalakban, hogyan működik a teherút rendszer. Amikor a szél egy házra fúj, elsőként az épület külső burkolatát éri. A burkolat anyaga lehet tégla, fa, vakolat (angolul stucko) vagy különböző könnyűburkolatok, de a szélteher szempontjából ez másodlagos. Ami igazán számít, az az, hogy a burkolat megfelelően kapcsolódjon a falszerkezethez. A szélteher így a burkolatról a falszerkezetre tevődik át, amely az álló oszlopokból és a szerkezeti, strukturális burkolatból áll.
Az ábrán az oszlopok elhajlása eltúlzott, de a valóságban is hasonló módon viselkednek, amikor felveszik a szélterhet. Az úgynevezett „platform frame” falszerkezetek födémtől födémig, illetve födémtől a tetőig futnak, ezért a szélterhet mindig a legközelebbi vízszintes szerkezeti síkra adják át.
Egy kétszintes ház esetében ez azt jelenti, hogy az első szint falszerkezetének alsó része a szélterhet az alaplemezhez továbbítja, míg az alsó szint falszerkezetének felső része, és a felső szint falszerkezet alsó része pedig a második szint födémburkolatához továbbítja a szél keltette erőket. A második szint falszerkezetének felső része a terheket végül a tető szerkezeti burkolatára adja át. A tetőt érő szélterheket a tető szerkezeti burkolata önállóan is felveszi, majd továbbítja a teherút következő elemei felé.
Nézzünk rá a falakra most felülnézetben. Miután a szélteher átkerült a legközelebbi tető- vagy födémburkolatra, a szélterhet az oldalfalak felé továbbítja, amelyek merevítve vannak, hogy fel tudják venni ezeket az erőket. Azért is fontos, hogy a tető is strukturális lemezzel (OSB) legyen borítva, mert akkor ugyan úgy viselkedik mint egy födém, vagyis egyenletesen szétosztja a terhet a falakra.
Fontos megérteni, hogy az a fal, amelyet közvetlenül ér a szél, nem maga áll ellen a széltehernek. Mindössze annyit tesz, hogy a szélterhet bevezeti az épület szerkezetébe, ahol azt a szél irányával párhuzamos falak veszik fel az erőket és állnak neki ellen.
Most térjünk vissza a homlokzati nézethez, és nézzük meg, mi történik ezután. A tetőrendszerben lévő szélteher, amely már átkerült az oldalfalakba, a második szint falmerevítéseihez jut, majd onnan levezetésre kerül az első szint felé. Itt találkozik a második szint födémszerkezetéből származó szélteherrel. A tetőrendszer szélterhe és a második szint födémszerkezetének szélterhe összeadódik, majd az első szint fal merevítései veszik fel ezeket az erőket, és levezetik a terheket az első szintre. Az első szinten ezek az összeadódott szélterhek találkoznak az első szint födémszerkezetéből származó szélteherrel. Ez az egyesített teher ekkor már az épület teljes szélterhét tartalmazza. Ezen a ponton az egész szélteher átadódik az épület alapozásának, és a teherút teljessé válik.
Amit fontos megérteni, hogy ahogy szintről szintre lefelé haladunk az épületben, a vízszintes teherút által szállított szélteher minden egyes szinten növekszik, és az első szinten éri el a legnagyobb értékét. Egy háromszintes épület legfelső szintjén futó vízszintes teherút jóval kisebb szélterhet hordoz, mint az első szinten lévő, mivel a teher lefelé haladva folyamatosan összeadódik, egészen az alapozásig.
A következő cikkben a vízszintes teherutat darabjaira bontjuk majd, és csomópontról csomópontra végigmegyünk rajta – a tetőtől egészen az alapozásig. Megnézzük, hol szokott a rendszer elbukni, miért nem működnek bizonyos „megszokott” megoldások.
Page updated
Report abuse