Progettato da Todd Brady e Stephen H. Miller, il telaio CDTC formato a freddo (CFSF) (noto anche come "calibro leggero") era originariamente un'alternativa al legno, ma dopo decenni di lavoro aggressivo, ha finalmente fatto la sua parte. Come il legno rifinito da falegname, i pali e i binari in acciaio possono essere tagliati e combinati per creare forme più complesse. Tuttavia, fino a poco tempo fa non esisteva una reale standardizzazione dei componenti o dei composti. Ogni foro grezzo o altro elemento strutturale speciale deve essere dettagliato individualmente da un Engineer of Record (EOR). Gli appaltatori non sempre seguono questi dettagli specifici del progetto e possono “fare le cose diversamente” per molto tempo. Nonostante ciò, ci sono differenze significative nella qualità dell’assemblaggio sul campo.
In definitiva, la familiarità genera insoddisfazione e l’insoddisfazione ispira l’innovazione. Nuovi elementi del telaio (oltre ai perni a C e ai binari a U standard) non solo sono disponibili utilizzando tecniche di sagomatura avanzate, ma possono anche essere preingegnerizzati/pre-approvati per esigenze specifiche per migliorare la fase CFSF in termini di progettazione e costruzione. .
Componenti standardizzati e realizzati appositamente, conformi alle specifiche, possono eseguire molte attività in modo coerente, fornendo prestazioni migliori e più affidabili. Semplificano i dettagli e forniscono una soluzione più facile da installare correttamente per gli appaltatori. Inoltre accelerano la costruzione e facilitano le ispezioni, risparmiando tempo e fatica. Questi componenti standardizzati migliorano anche la sicurezza sul posto di lavoro riducendo i costi di taglio, assemblaggio, avvitatura e saldatura.
La pratica standard senza gli standard CFSF è diventata una parte così accettata del paesaggio che è difficile immaginare l'edilizia commerciale o residenziale a molti piani senza di essa. Questa diffusa accettazione fu raggiunta in un periodo di tempo relativamente breve e non fu ampiamente utilizzata fino alla fine della seconda guerra mondiale.
Il primo standard di progettazione CFSF fu pubblicato nel 1946 dall'American Iron and Steel Institute (AISI). L’ultima versione, AISI S 200-07 (North American Standard for Cold Formed Steel Framing – General), è ora lo standard in Canada, Stati Uniti e Messico.
La standardizzazione di base ha fatto una grande differenza e il CFSF è diventato un metodo di costruzione popolare, sia che fossero portanti che non portanti. I suoi vantaggi includono:
Per quanto innovativa la norma AISI non codifica tutto. I progettisti e gli appaltatori hanno ancora molto da decidere.
Il sistema CFSF si basa su perni e rotaie. I pali in acciaio, come i pali in legno, sono elementi verticali. Solitamente formano una sezione trasversale a forma di C, con la "superiore" e la "inferiore" della C che formano la dimensione stretta del perno (la sua flangia). Le guide sono elementi orizzontali del telaio (soglie e architravi), a forma di U per accogliere le scaffalature. Le dimensioni delle scaffalature sono generalmente simili al legname nominale “2×”: 41 x 89 mm (1 5/8 x 3 ½ pollici) è “2 x 4″ e 41 x 140 mm (1 5/8 x 5). ½ pollice) equivale a “2×6″. In questi esempi, la dimensione di 41 mm viene definita “mensola” e la dimensione di 89 mm o 140 mm viene definita “anima”, prendendo in prestito concetti familiari dall'acciaio laminato a caldo e da elementi simili del tipo a trave a I. La dimensione della pista corrisponde alla larghezza complessiva del perno.
Fino a poco tempo fa, gli elementi più robusti richiesti dal progetto dovevano essere dettagliati da EOR e assemblati in loco utilizzando una combinazione di montanti e binari combinati, nonché elementi a forma di C e U. La configurazione esatta viene solitamente fornita all'appaltatore e anche all'interno dello stesso progetto può variare notevolmente. Tuttavia, decenni di esperienza del CFSF hanno portato al riconoscimento dei limiti di queste forme di base e dei problemi ad esse associati.
Ad esempio, l'acqua può accumularsi nella guida inferiore di una parete con montanti quando il montante viene aperto durante la costruzione. La presenza di segatura, carta o altri materiali organici può causare muffe o altri problemi legati all'umidità, incluso il deterioramento del muro a secco o l'attrazione di parassiti dietro le recinzioni. Un problema simile può verificarsi se l'acqua penetra nelle pareti finite e si raccoglie a causa di condensa, perdite o sversamenti.
Una soluzione è una passerella speciale con fori praticati per il drenaggio. Sono in fase di sviluppo anche design migliorati dei perni. Presentano caratteristiche innovative come nervature posizionate strategicamente che si flettono nella sezione trasversale per una maggiore rigidità. La superficie strutturata del perno impedisce alla vite di "muoversi", garantendo una connessione più pulita e una finitura più uniforme. Questi piccoli miglioramenti, moltiplicati per decine di migliaia di picchi, possono avere un impatto enorme su un progetto.
Andare oltre i montanti e i binari I montanti e i binari tradizionali sono spesso sufficienti per pareti semplici senza fori grezzi. I carichi possono includere il peso del muro stesso, le finiture e le attrezzature su di esso, il peso del vento e, per alcuni muri, anche i carichi permanenti e temporanei provenienti dal tetto o dal pavimento sovrastante. Questi carichi vengono trasmessi dal binario superiore alle colonne, al binario inferiore e da lì alla fondazione o ad altre parti della sovrastruttura (ad esempio impalcato in cemento o colonne e travi in acciaio strutturale).
Se è presente un'apertura approssimativa (RO) nel muro (come una porta, una finestra o un grande condotto HVAC), il carico dall'alto dell'apertura deve essere trasferito attorno ad essa. L'architrave deve essere sufficientemente resistente da sostenere il carico da uno o più cosiddetti montanti (e il muro a secco collegato) sopra l'architrave e trasferirlo ai montanti dello stipite (elementi verticali RO).
Allo stesso modo, i montanti degli stipiti delle porte devono essere progettati per sostenere un carico maggiore rispetto ai montanti normali. Ad esempio, negli spazi interni, l'apertura deve essere sufficientemente resistente da sostenere il peso del muro a secco sopra l'apertura (ovvero, 29 kg/m2 [6 libbre per piede quadrato] [uno strato di 16 mm (5/8 pollici) per ora di muro.) per lato di intonaco] o 54 kg/m2 [11 libbre per piede quadrato] per un muro strutturale di due ore [due strati di intonaco da 16 mm per lato]), più il carico sismico e tipicamente il peso dell'intonaco porta e il suo funzionamento inerziale. In luoghi esterni, le aperture devono essere in grado di resistere a vento, terremoto e carichi simili.
Nella progettazione CFSF tradizionale, le testate e i montanti della soglia sono realizzati in loco combinando lamelle e binari standard in un'unità più resistente. Un tipico collettore ad osmosi inversa, noto come collettore a cassetta, è realizzato avvitando e/o saldando insieme cinque pezzi. Due montanti sono fiancheggiati da due binari e un terzo binario è fissato nella parte superiore con il foro rivolto verso l'alto per posizionare il palo sopra il foro (Figura 1). Un altro tipo di giunto scatolato è costituito da sole quattro parti: due perni e due guide. L'altro è composto da tre parti: due binari e una forcina. Gli esatti metodi di produzione di questi componenti non sono standardizzati, ma variano tra appaltatori e persino lavoratori.
Sebbene la produzione combinatoria possa causare una serie di problemi, si è dimostrata efficace nell’industria. Il costo della fase di progettazione era elevato perché non esistevano standard, quindi le aperture grezze dovevano essere progettate e finalizzate individualmente. Tagliare e assemblare questi componenti ad alta intensità di manodopera sul posto aumenta anche i costi, spreca materiali, aumenta i rifiuti del sito e aumenta i rischi per la sicurezza del sito. Inoltre, crea problemi di qualità e coerenza di cui i designer professionisti dovrebbero preoccuparsi particolarmente. Ciò tende a ridurre la consistenza, la qualità e l'affidabilità del telaio e può anche influire sulla qualità della finitura del muro a secco. (Vedi “Connessione errata” per esempi di questi problemi.)
Sistemi di connessione Anche il collegamento di connessioni modulari ai rack può causare problemi estetici. La sovrapposizione metallo-metallo causata dalle linguette sul collettore modulare può influenzare la finitura della parete. Nessun muro a secco interno o rivestimento esterno deve giacere piatto sulla lamiera da cui sporgono le teste delle viti. Le superfici delle pareti rialzate possono causare finiture irregolari e notevoli e richiedono un ulteriore lavoro correttivo per nasconderle.
Una soluzione al problema del collegamento è quella di utilizzare fascette già pronte, fissarle ai montanti dello stipite e coordinare i giunti. Questo approccio standardizza le connessioni ed elimina le incoerenze causate dalla fabbricazione in loco. Il morsetto elimina le sovrapposizioni metalliche e le teste delle viti sporgenti sulla parete, migliorando la finitura della parete. Può anche dimezzare i costi di manodopera di installazione. In precedenza, un lavoratore doveva tenere la testata a livello mentre un altro la avvitava in posizione. In un sistema a clip, un lavoratore installa le clip e quindi aggancia i connettori alle clip. Questo morsetto viene solitamente prodotto come parte di un sistema di raccordi prefabbricato.
Il motivo per cui si realizzano collettori da più pezzi di metallo piegato è quello di fornire qualcosa di più forte di un singolo pezzo di binario per sostenere il muro sopra l'apertura. Poiché la piegatura irrigidisce il metallo per evitare deformazioni, formando efficacemente microfasci nel piano più ampio dell'elemento, lo stesso risultato può essere ottenuto utilizzando un singolo pezzo di metallo con molte piegature.
Questo principio è facile da comprendere tenendo un foglio di carta con le mani leggermente tese. Per prima cosa la carta si piega al centro e scivola. Tuttavia, se viene piegato una volta nel senso della lunghezza e poi srotolato (in modo che la carta formi un canale a forma di V), è meno probabile che si pieghi e cada. Più pieghe farai, più rigido sarà (entro certi limiti).
La tecnica di piegatura multipla sfrutta questo effetto aggiungendo scanalature, canali e anelli sovrapposti alla forma complessiva. Il “Calcolo diretto della resistenza” – un nuovo metodo pratico di analisi assistita da computer – ha sostituito il tradizionale “Calcolo della larghezza effettiva” e ha consentito di convertire forme semplici in configurazioni appropriate e più efficienti per ottenere risultati migliori dall’acciaio. Questa tendenza può essere osservata in molti sistemi CFSF. Queste forme, soprattutto quando si utilizza acciaio più resistente (390 MPa (57 psi) invece del precedente standard di settore di 250 MPa (36 psi)), possono migliorare le prestazioni complessive dell'elemento senza alcun compromesso in termini di dimensioni, peso o spessore. diventare. ci sono stati dei cambiamenti.
Nel caso dell’acciaio formato a freddo entra in gioco un altro fattore. La lavorazione a freddo dell'acciaio, come la piegatura, modifica le proprietà dell'acciaio stesso. Il carico di snervamento e la resistenza alla trazione della parte lavorata dell'acciaio aumentano, ma la duttilità diminuisce. Le parti che funzionano di più ottengono il massimo. I progressi nella profilatura a rulli hanno portato a piegature più strette, il che significa che l'acciaio più vicino al bordo curvo richiede più lavoro rispetto al vecchio processo di profilatura a rulli. Quanto più grandi e strette sono le pieghe, tanto più acciaio nell'elemento verrà rafforzato dalla lavorazione a freddo, aumentando la resistenza complessiva dell'elemento.
I binari regolari a forma di U hanno due curve, i perni a C hanno quattro curve. Il collettore a W modificato preingegnerizzato presenta 14 curve disposte per massimizzare la quantità di metallo che resiste attivamente allo stress. Il pezzo unico in questa configurazione può essere l'intero telaio della porta nell'apertura grezza del telaio della porta.
Per aperture molto ampie (ovvero superiori a 2 m [7 ft]) o carichi elevati, il poligono può essere ulteriormente rinforzato con appositi inserti a W. Aggiunge più metallo e 14 pieghe, portando il numero totale di pieghe nella forma complessiva a 28. L'inserto è posizionato all'interno del poligono con le W invertite in modo che le due W insieme formino una forma a X approssimativa. Le gambe di W fungono da traverse. Hanno installato i perni mancanti sul RO, che sono stati tenuti in posizione con viti. Ciò vale indipendentemente dal fatto che sia installato o meno un inserto di rinforzo.
I principali vantaggi di questo sistema testa/clip preformata sono la velocità, la consistenza e la finitura migliorata. Scegliendo un sistema di architrave prefabbricato certificato, come quello approvato dall'International Code of Practice Committee Evaluation Service (ICC-ES), i progettisti possono specificare i componenti in base ai requisiti di protezione antincendio del carico e del tipo di parete ed evitare di dover progettare e dettagliare ogni lavoro , risparmiando tempo e risorse. (ICC-ES, International Codes Committee Evaluation Service, accreditato dallo Standards Council of Canada [SCC]). Questa prefabbricazione garantisce inoltre che le aperture cieche siano realizzate come da progetto, con solidità e qualità strutturale costanti, senza deviazioni dovute al taglio e all'assemblaggio in cantiere.
Anche la coerenza dell'installazione è migliorata poiché i morsetti sono dotati di fori filettati preforati, che semplificano la numerazione e il posizionamento dei giunti con i montanti dello stipite. Elimina le sovrapposizioni metalliche sulle pareti, migliora la planarità della superficie del cartongesso e previene le irregolarità.
Inoltre, tali sistemi presentano vantaggi ambientali. Rispetto ai componenti compositi, il consumo di acciaio dei collettori monopezzo può essere ridotto fino al 40%. Poiché non è necessaria alcuna saldatura, vengono eliminate le emissioni di gas tossici che ne conseguono.
Prigionieri a flangia larga I perni tradizionali sono realizzati unendo (avvitando e/o saldando) due o più prigionieri. Sebbene siano potenti, possono anche creare i propri problemi. Sono molto più facili da assemblare prima dell'installazione, soprattutto quando si tratta di saldatura. Tuttavia, ciò blocca l'accesso alla sezione dei montanti fissata alla porta con struttura metallica cava (HMF).
Una soluzione è praticare un foro in uno dei montanti per fissarlo al telaio dall'interno del gruppo montante. Tuttavia, ciò può rendere difficile l’ispezione e richiedere ulteriore lavoro. È noto che gli ispettori insistono per attaccare l'HMF a metà del perno dello stipite della porta e ispezionarlo, quindi saldare la seconda metà del gruppo del doppio perno in posizione. Ciò interrompe tutti i lavori intorno alla porta, può ritardare altri lavori e richiede una maggiore protezione antincendio a causa della saldatura in loco.
I montanti prefabbricati a spalla larga (appositamente progettati come montanti per stipiti) possono essere utilizzati al posto dei montanti impilabili, con un notevole risparmio di tempo e materiale. Anche i problemi di accesso associati alla porta HMF sono stati risolti poiché il lato C aperto consente un accesso ininterrotto e una facile ispezione. La forma a C aperta fornisce anche un isolamento completo laddove gli architravi combinati e i montanti dello stipite creano in genere uno spazio di isolamento compreso tra 102 e 152 mm (da 4 a 6 pollici) attorno alla porta.
Collegamenti nella parte superiore della parete Un'altra area di progettazione che ha beneficiato dell'innovazione è la connessione nella parte superiore della parete al piano superiore. La distanza da un piano all'altro può variare leggermente nel tempo a causa della variazione della deflessione del ponte in diverse condizioni di carico. Per le pareti non portanti, dovrebbe esserci uno spazio tra la parte superiore dei montanti e il pannello, questo consente al ponte di spostarsi verso il basso senza schiacciare i montanti. La piattaforma deve inoltre potersi sollevare senza rompere i perni. Il gioco è di almeno 12,5 mm (½ pollice), ovvero la metà della tolleranza della corsa totale di ±12,5 mm.
Dominano due soluzioni tradizionali. Uno consiste nell'attaccare un binario lungo (50 o 60 mm (2 o 2,5 pollici)) al ponte, con le punte dei perni semplicemente inserite nel binario, non fissate. Per evitare che i montanti si attorciglino e perdano il loro valore strutturale, un pezzo di canale laminato a freddo viene inserito attraverso un foro nel montante a una distanza di 150 mm (6 pollici) dalla parte superiore della parete. processo di consumo Il processo non è popolare tra gli appaltatori. Nel tentativo di risparmiare, alcuni appaltatori potrebbero addirittura rinunciare ai canali laminati a freddo inserendo dei perni sulle rotaie senza alcun mezzo per tenerli in posizione o livellarli. Ciò viola la pratica standard ASTM C 754 per l'installazione di elementi di intelaiatura in acciaio per produrre prodotti per cartongesso filettati, che afferma che i perni devono essere fissati alle guide con viti. Se questa deviazione dal progetto non viene rilevata, ciò influirà sulla qualità del muro finito.
Un'altra soluzione ampiamente utilizzata è il design a doppio binario. Il binario standard viene posizionato sopra i perni e ciascun perno è imbullonato ad esso. Un secondo binario più ampio, realizzato su misura, è posizionato sopra il primo e collegato al ponte superiore. Le tracce standard possono scorrere su e giù all'interno delle tracce personalizzate.
Sono state sviluppate diverse soluzioni per questo compito, le quali includono tutte componenti specializzati che forniscono connessioni scanalate. Le variazioni includono il tipo di binario con fessura o il tipo di clip con fessura utilizzata per fissare il binario al deck. Ad esempio, fissare una guida scanalata alla parte inferiore del ponte utilizzando un metodo di fissaggio appropriato per il particolare materiale del ponte. Le viti a taglio sono fissate alla parte superiore dei perni (secondo ASTM C 754) consentendo alla connessione di spostarsi su e giù entro circa 25 mm (1 pollice).
In un firewall, tali connessioni mobili devono essere protette dal fuoco. Sotto un solaio in acciaio scanalato riempito di cemento, il materiale ignifugo deve essere in grado di riempire lo spazio irregolare sotto la scanalatura e mantenere la sua funzione antincendio al variare della distanza tra la parte superiore del muro e il solaio. I componenti utilizzati per questo giunto sono stati testati in conformità alla nuova norma ASTM E 2837-11 (Metodo di prova standard per determinare la resistenza al fuoco dei sistemi di giunti di testa di parete solida installati tra componenti di parete nominale e componenti orizzontali non classificati). Lo standard si basa su Underwriters Laboratories (UL) 2079, "Fire Testing for Building Connecting Systems".
Il vantaggio di utilizzare una connessione dedicata nella parte superiore della parete è che può includere gruppi standardizzati, approvati dal codice e resistenti al fuoco. Una costruzione tipica consiste nel posizionare il refrattario sul ponte e appenderlo qualche centimetro sopra la parte superiore delle pareti su entrambi i lati. Proprio come un muro può scorrere liberamente su e giù in un dispositivo a mortasa, può scorrere su e giù anche in un giunto tagliafuoco. I materiali per questo componente possono includere lana minerale, acciaio strutturale refrattario cementato o cartongesso, utilizzati da soli o in combinazione. Tali sistemi devono essere testati, approvati ed elencati in cataloghi come Underwriters Laboratories of Canada (ULC).
Conclusione La standardizzazione è il fondamento di tutta l'architettura moderna. Paradossalmente, c’è poca standardizzazione delle “pratiche standard” quando si tratta di strutture in acciaio formato a freddo, e anche le innovazioni che rompono queste tradizioni creano standard.
L'uso di questi sistemi standardizzati può proteggere progettisti e proprietari, risparmiare tempo e denaro e migliorare la sicurezza del sito. Conferiscono coerenza alla costruzione e hanno maggiori probabilità di funzionare come previsto rispetto ai sistemi già costruiti. Con una combinazione di leggerezza, sostenibilità e convenienza, il CFSF è destinato ad aumentare la propria quota nel mercato delle costruzioni, stimolando senza dubbio ulteriore innovazione.
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 è uno scrittore e fotografo pluripremiato specializzato nel settore edile. È il direttore creativo di Chusid Associates, una società di consulenza che fornisce servizi tecnici e di marketing ai produttori di prodotti per l'edilizia. Miller può essere contattato su www.chusid.com.
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Orario di pubblicazione: 07-lug-2023