Ściana szczytowa. Konstrukcje dla niewtajemniczonych

W domach z użytkowym poddaszem ściany szczytowe najczęściej robi się murowane. Ich wykonanie wydaje się proste, ale popełniane błędy często są przyczyną pękania, a nawet przewracania się tych ścian.

Przyczyny awarii
Awarie ścian szczytowych najczęściej zdarzają się w trakcie budowy. Szczególnie wtedy, gdy jeszcze nie ułożono pokrycia dachowego. Podstawową przyczyną są zwykle błędy projektowe. Autorzy dokumentacji najczęściej „zapominają” o tym, że ściany te muszą być odpowiednio usztywnione lub wzmocnione dodatkowymi elementami konstrukcyjnymi. Zwykle nie sprawdzają stabilności tych ścian w trakcie ich wznoszenia, uważając, że ich zabezpieczenie należy do obowiązków wykonawcy. A przecież w niektórych fazach budowy obciążenia pochodzące od wiatru i działające na poszczególne elementy konstrukcyjne mogą być ponaddwukrotnie większe od tych przyjmowanych w obliczeniach statycznych dla gotowego domu.

Wiatr
To podstawowe obciążenie poziome działające na ścianę szczytową. Zgodnie z odpowiednią normą projektanci określają jego wartość w zależności od czterech czynników:
- prędkości wiatru (najmniejsza na nizinach, duża nad morzem i wręcz ogromna w wysokich partiach gór),
- rodzaju terenu, na którym prowadzona jest inwestycja, i jednocześnie wysokości domu nad poziomem gruntu (im wyżej i mniej przeszkód terenowych, tym siła wiatru jest większa, ale zgodnie z normą do wysokości 10 m nad poziomem terenu odpowiedni współczynnik ma wartość stałą),
- odporności budynku na porywy wiatru (im sztywniejsza konstrukcja, tym lepiej, bo wartość danego współczynnika jest mniejsza),
- kształtu i wymiarów domu (cechy te określone są przez współczynnik aerodynamiczny, który oczywiście jest inny dla rotundy, inny dla domu-kostki, a jeszcze inny dla wieżowca – „żyletki”).

Ustalenie tych parametrów nie jest zbyt skomplikowane, ale architekci zwykle nie uwzględniają faktu zmiany geometrii domu w trakcie jego realizacji, czyli zmiany wartości współczynnika aerodynamicznego. A przecież bryła budynku zupełnie inaczej wygląda na etapie stanu zero, w trakcie wznoszenia ścian, wykonywania więźby dachowej, czy wówczas, gdy dom jest już ukończony. W poszczególnych fazach budowy powierzchnie elementów konstrukcyjnych wystawione na działanie wiatru są różne, zmieniają się również schematy konstrukcyjne, które należy przyjmować do obliczeń.

Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Dla gotowego, prostokątnego domu z użytkowym poddaszem maksymalna wartość współczynnika aerodynamicznego dla ścian szczytowych wynosi 0,7. Ale na etapie, gdy ściany są już wykonane, a więźba dachowa jeszcze nie, jego wartość wzrośnie do 1,4, a na pewnych fragmentach nawet do 1,6. Czyli może się zwiększyć prawie o 130%, a to już w zupełności wystarczy do spowodowania awarii wielu murowanych ścian.

Wymiary ściany

Na możliwość wystąpienia problemów ze ścianą szczytową bardzo duży wpływ ma wielkość jej powierzchni. Zasadniczo im jest większa, tym bardziej niekorzystne jest oddziaływanie wiatru. Trzeba jednak pamiętać, że kształt ściany jest jeszcze ważniejszy od powierzchni. Dzieje się tak dlatego, że proporcja wysokości do szerokości ściany w decydujący sposób wpływa na jej stateczność. To przecież logiczne, że ściana wąska i wysoka może o wiele łatwiej się przewrócić niż ściana szeroka i niska.

Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Problemy z wiatrem najczęściej dotyczą domów z użytkowym poddaszem i stromym dachem, w których odległość pomiędzy stropem nad parterem a kalenicą przekracza 4 m. W domu o szerokości zaledwie 6 m, z dachem o kącie nachylenia 60° wysokość ściany szczytowej wynosi aż 5,2 m. Kłopotów tych właściwie nie znają budowniczowie domów z nieużytkowym poddaszem, w których kąt nachylenia dachu nie przekracza 30°. W tym przypadku nawet dla szerokości domu wynoszącej 10 m wysokość ściany szczytowej jest mniejsza niż 3 m (dokładnie 2,89 m), a to zaledwie wysokość jednej kondygnacji.

Otwory
Na etapie stanu surowego otwory okienne i drzwiowe w ścianach szczytowych przynajmniej teoretycznie powinny zmniejszać siły pochodzące od wiatru, bo przecież siły oddziałują na mniejszą powierzchnię. Jednak tak się nie dzieje, ponieważ na krawędziach otworów występują zawirowania w przepływie powietrza powodujące lokalny wzrost wartości obciążenia o blisko 70%.
Ponadto nie wolno zapominać, że w murowanych ścianach szczytowych liczba i rozmieszczenie otworów mają ogromny wpływ na długość spoin i występujące w nich naprężenia rozciągające.

Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

W czasie budowy szczególną uwagę należy zwrócić na łączną długość spoin na wysokości górnych krawędzi otworów (w poziomie nadproży). Często się bowiem zdarza, że w tych miejscach ściany ulegają uszkodzeniu.

Materiał na ściany

Bardzo duży wpływ na stateczność ścian szczytowych ma ich konstrukcja oraz rodzaj materiału, z którego są wykonane. Nie trzeba przecież nikomu tłumaczyć, że im ściana cięższa i grubsza, tym mniej jest podatna na wpływ obciążeń od wiatru.
W starych budynkach ten problem praktycznie nie występował, ponieważ ściany wznoszone z cegły pełnej miały grubość 38 lub 41 cm (1,5 cegły), czasami grubość tylko 25 lub 27 cm (1 cegła), a trzeba pamiętać, że ciężar tego materiału wynosi 1800 kg/m³. Mimo to ściany często były wzmacniane dodatkowymi elementami konstrukcyjnymi takimi jak: gzymsy, pilastry lub ściany poprzeczne.
Zupełnie inaczej wygląda to w domach projektowanych i budowanych współcześnie. Obecnie głównie liczy się jak najwyższa izolacyjność cieplna ściany oraz możliwość jak najszybszego jej wymurowania. Dlatego architekci i producenci materiałów budowlanych zalecają budowanie jak najcieńszych ścian, z jak najlżejszych materiałów, z elementów o jak największych wymiarach. A przecież przez ostatnie kilkaset lat siła wiatru nie uległa zmianie, tylko współczesne konstrukcje, które mają jej przeciwdziałać, są kilkakrotnie słabsze od dawnych (bo lżejsze i węższe). Dlatego ściany szczytowe tak często chwieją się, pękają, a czasami nawet zawalają.

Bardzo często projektowane są ściany dwuwarstwowe, w których część nośną wykonuje się z betonu komórkowego (500-700 kg/m³) lub ceramiki poryzowanej (800 kg/m³) grubości zaledwie 18-25 cm. Na dodatek bez żadnych elementów wzmacniających. Problem ten w mniejszym stopniu dotyczy domów ze ścianami jednowarstwowymi, bo ich grubość wynosi zwykle 36-44 cm, i praktycznie jest niezauważalny w ścianach trójwarstwowych, które mają najczęściej grubość 39-54 cm , a ich konstrukcja sprawia, że są bardziej odporne na obciążenia poziome. Oczywiście dzieje się tak tylko wtedy, gdy warstwy nośna i osłonowa
są odpowiednio ze sobą połączone i wznoszone w tym samym czasie.

Jak poprawnie wykonać murowaną ścianę szczytową
Nasze zalecenia dotyczą głównie ścian dwuwarstwowych, w których grubość warstwy konstrukcyjnej najczęściej nie przekracza 25 cm. Zakładamy, że cała powierzchnia ściany będzie obłożona izolacją termiczną (wykonaną dowolną metodą), i dlatego nie poruszamy kwestii ocieplania potencjalnych mostków termicznych.
Prezentowane przez nas konstrukcje wzmacniające należy traktować jako przykładowe, ponieważ ich rodzaj i kształt powinny być uzasadnione przez autora projektu odpowiednimi obliczeniami.

Bez wzmocnień
Nieusztywnione ściany szczytowe do wysokości około 3 m, mierzonej od poziomu stropu do kalenicy, właściwie nie stwarzają problemów, nawet gdy są cienkie (24 cm) i lekkie (minimum 600 kg/m³). Wskazane jest jedynie, aby były murowane na mocną zaprawę, co najmniej marki M 3. Oczywiście w tym przypadku im materiał będzie cięższy, tym lepiej. Ściany z pustaków ceramicznych starego typu (na przykład MAX, SZ, K065, M-44) o ciężarze objętościowym 1100-1300 kg/m³ przy tej wysokości mogą mieć grubość tylko 19 cm.
Natomiast wybudowane z nich ściany grubości 29 cm bez obawy można podwyższyć o blisko 1,5 m.  Trzeba jednak zdawać sobie sprawę, że w przypadku betonu komórkowego lub ceramiki poryzowanej pogrubienie ściany do 30 cm pozwala wymurować ją najwyżej do wysokości 4 m.

W domach z użytkowym poddaszem tak niewielka wysokość ścian szczytowych najczęściej jest niewystarczająca ze względów funkcjonalnych. Co prawda można powiększać jej grubość, ale w końcu przestaje to być ekonomicznie uzasadnione. Dlatego potrzebne są dodatkowe wzmocnienia. Dawniej powszechnym rozwiązaniem było wymurowanie ściany usztywniającej (prostopadłej do szczytowej) grubości co najmniej 24 cm. Obecnie częściej stosuje się wzmocnienia żelbetowe usytuowane w grubości ściany szczytowej. Podczas murowania trzeba tylko pamiętać, że ani ściany działowe grubości 12 cm, ani tym bardziej ściany gipsowo-kartonowe nie stanowią wystarczającego usztywnienia.

Z filarami lub pilastrami

Jednym z najłatwiejszych do wykonania sposobów wzmocnienia ściany szczytowej jest wymurowanie jednego lub kilku filarów, ewentualnie pilastrów, usztywniających. Liczba, wielkość i usytuowanie filarów powinien określić projektant w zależności od wymiarów ściany i rodzaju materiału, z jakiego ma być budowana.

Filary i pilastry mogą znacznie  pogorszyć ustawność pomieszczeń lub wygląd elewacji. Dlatego obecnie bardzo rzadko są stosowane przez architektów. Poza tym ich realizacja ma duży wpływ na utrudnienia związane z murowaniem ścian.

Bardzo ważny jest sposób zakotwienia prętów głównych. Muszą one wnikać w wieńce ścian poprzecznych lub strop co najmniej na głębokość 100 cm. Ale gdy tych elementów konstrukcyjnych w projekcie nie przewidziano, konieczne może się okazać wykonanie żelbetowych słupów w narożach budynku. Zbrojenie ram będzie wtedy przedłużeniem zbrojenia słupów parteru.

Z ramą żelbetową
Rozwiązaniem o wiele korzystniejszym pod względem architektonicznym jest wzmocnienie murowanej ściany szczytowej ramą żelbetową. Uzyskuje się wtedy gładkie powierzchnie ścian, które pozwalają na dużą dowolność kształtowania przestrzeni.
Taka dodatkowa konstrukcja pracuje podobnie jak wspornik. Obciążona jest głównie siłami poziomymi pochodzącymi od wiatru i dlatego jej kształt oraz wymiary każdorazowo powinny być dostosowywane przez konstruktora do szerokości domu i wysokości ściany oraz kąta nachylenia dachu. Do projektanta należy również określenie przekroju ramy oraz zbrojenia (ilości prętów, ich średnicy, sposobu zakotwienia itp.). W przypadku występowania otworów okiennych o dużych powierzchniach lub w dużej ilości wskazane może być zastosowanie dodatkowej ramy żelbetowej, ale to powinno wynikać z obliczeń.

W małych domach wystarczająca rama żelbetowa prawdopodobnie będzie miała przekrój żelbetowy niewiele powyżej 250 cm² i zbrojenie złożone z czterech prętów średnicy 10 mm (podobnie jak w wieńcach). Jednak w dużych budynkach lub usytuowanych w górach bądź na wybrzeżu rozwiązanie to może być niewystarczające z uwagi na silniejsze wiatry.