Prefabrykowane płyty kanałowe do centrów danych

autor: Dipl.-Ing. Daniel Bacon

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na szybszą, bardziej efektywną i bardziej zrównoważoną realizację centrów danych, systemy konstrukcyjne stają się jednym z kluczowych czynników sukcesu projektu. Inwestorzy i operatorzy potrzebują rozwiązań, które łączą szybkość realizacji, nośność, elastyczność oraz zgodność z wymaganiami ESG.

W tym artykule nasz Technical Director w gbc engineers, Dipl.-Ing. Daniel Bacon, przedstawia jasną i praktyczną analizę tego, jak prefabrykowane sprężone płyty kanałowe sprawdzają się w zastosowaniach dla centrów danych, gdzie najlepiej się sprawdzają, jakie ryzyka mogą wprowadzać oraz co należy skoordynować na wczesnym etapie, aby uniknąć przeprojektowania, opóźnień harmonogramu i niepotrzebnych kosztów.

Czym jest prefabrykowana sprężona płyta kanałowa – i dlaczego jest interesująca dla centrów danych?

Prefabrykowana płyta kanałowa (HCS) to produkowany w zakładzie, sprężony element betonowy stosowany jako płyta stropowa lub dachowa, zawierający ciągłe podłużne kanały. Kanały te zmniejszają zużycie materiału, przy jednoczesnym zachowaniu parametrów konstrukcyjnych dzięki sprężeniu.

W centrach danych prefabrykowane płyty kanałowe są atrakcyjnym rozwiązaniem, ponieważ łączą:

• szybki montaż i brak potrzeby tymczasowego podparcia,
•  wysoką nośność przy zmniejszonym ciężarze własnym,
•  niższy ślad węglowy wbudowany w materiał,
•  duże rozpiętości umożliwiające elastyczne układy hal IT,
•  płaską powierzchnię spodnią, która poprawia przepływ powietrza i ułatwia prowadzenie tras kablowych.

Zalety te dobrze odpowiadają technicznym i komercyjnym wymaganiom współczesnych projektów centrów danych.

Główne zalety konstrukcyjne prefabrykowanych sprężonych płyt kanałowych

Efektywność materiałowa i redukcja masy

Geometria płyty kanałowej HCS koncentruje materiał w górnej i dolnej strefie, czyli tam, gdzie w największym stopniu wpływa on na odporność na zginanie. Kanały, zlokalizowane w pobliżu osi obojętnej, eliminują beton, który ma niewielki udział w nośności na zginanie.

W rezultacie:

• typowe oszczędności materiałowe wynoszą 30–50%,
•  nośność na zginanie pozostaje porównywalna z pełną płytą żelbetową o tej samej wysokości,
•  całkowity ciężar płyty jest znacznie mniejszy, co obniża obciążenia fundamentów i słupów.

Redukcja CO₂

Dzięki zoptymalizowanemu zużyciu materiału oraz mniejszej masie transportowej systemy HCS zazwyczaj zapewniają:

• o 20–40% niższy ślad węglowy wbudowany w porównaniu z monolitycznymi płytami żelbetowymi wykonywanymi na miejscu.

Ma to coraz większe znaczenie dla inwestorów realizujących centra danych zgodnie z celami ESG lub wymaganiami taksonomii UE.

Efektywność kosztowa

Płyty są produkowane na torach produkcyjnych o długości 100–150 m przy użyciu wysoko zautomatyzowanych procesów ekstruzji lub formowania ślizgowego.

Przy zastępowaniu konwencjonalnych płyt żelbetowych udokumentowano całkowite oszczędności projektowe rzędu:

• 10–25%.

Szybkość produkcji i montażu

Płyty HCS mogą być montowane bardzo szybko:

• typowa wydajność montażu: 300–600 m²/dzień,
•  zoptymalizowane ekipy: 800–1200 m²/dzień.

Są to elementy samonośne, które zazwyczaj nie wymagają tymczasowego podparcia, co pozwala branżom MEP rozpocząć prace bezpośrednio pod płytami natychmiast po montażu.

Odporność ogniowa

Większość systemów płyt kanałowych osiąga klasę REI 60–120 w zależności od wysokości elementu i otulenia splotów sprężających, zazwyczaj bez dodatkowych okładzin lub zabezpieczeń.

Główne wady konstrukcyjne prefabrykowanych płyt kanałowych

Chociaż prefabrykowane płyty kanałowe oferują istotne korzyści pod względem szybkości realizacji i efektywności, ich zastosowanie w centrach danych wymaga starannego uwzględnienia kilku ograniczeń konstrukcyjnych.

Obniżona nośność na ścinanie w strefie podpór

Podłużne kanały zmniejszają dostępną powierzchnię przekroju odpowiedzialną za przenoszenie sił tnących oraz pracę środnika.

Płyty HCS nie posiadają zbrojenia poprzecznego, dlatego ich nośność na ścinanie w dużym stopniu zależy od:

• geometrii środników,
•  wytrzymałości betonu,
•  sztywności podpór.

W przypadku podpór podatnych, na przykład stalowych belek, zwiększony obrót może dodatkowo obniżyć nośność na ścinanie i ograniczyć dopuszczalne obciążenia, mimo wystarczającej nośności na zginanie.

Ograniczona wielkość i elastyczność wykonywania przebić

Każde żebro pracuje jak niezależna belka. Przecięcie żebra, a tym bardziej splotu sprężającego, znacząco obniża nośność elementu.

Konsekwencje są następujące:

• możliwe są jedynie niewielkie, wcześniej zaplanowane przebicia pomiędzy żebrami,
•  powiększenie lub przeniesienie przebić może unieważnić założenia projektowe płyty,
•  większe otwory wymagają specjalnych detali konstrukcyjnych lub odrębnego układu nośnego,
•  centra danych wymagające dużej elastyczności instalacji MEP muszą koordynować przebicia na bardzo wczesnym etapie projektu.

Rozkład obciążeń poziomych wymaga starannego opracowania detali

Strop z płyt kanałowych nie jest płytą monolityczną. W przypadku konstrukcji centrów danych narażonych na znaczne oddziaływania wiatru lub obciążeń sejsmicznych należy uwzględnić, że:

• same zamki ścinane i zaprawa w spoinach mogą nie zapewniać wystarczającej pracy tarczy stropowej,
•  często konieczna jest warstwa nadbetonu, aby zapewnić bezpieczne przekazywanie obciążeń do ścian usztywniających lub ram,
•  w strefach silnie obciążonych mogą być wymagane lokalne pasma betonu monolitycznego wykonywane na budowie.

Ograniczona ciągłość konstrukcyjna

Systemy HCS są zazwyczaj projektowane jako elementy swobodnie podparte. Uzyskanie zbrojenia na momenty ujemne nad podporami jest trudne, co ogranicza ciągłość konstrukcyjną i redystrybucję momentów.

Koordynacja otworów i przyszła adaptowalność

Ponieważ płyty HCS opierają się na oddzielnych żebrach, oferują mniejszą elastyczność przy przyszłych modernizacjach. Jest to istotna kwestia w przypadku centrów danych, w których wymagania mechaniczne i elektryczne mogą zmieniać się w czasie.

Wnioski i zalecenia

Wnioski

Prefabrykowane sprężone płyty kanałowe oferują atrakcyjne połączenie szybkości realizacji, zrównoważonego charakteru, efektywności nośnej oraz zredukowanego ciężaru konstrukcji. Dzięki temu są szczególnie interesującym rozwiązaniem dla centrów danych, w których kluczowe znaczenie mają szybka realizacja i wysoka nośność stropów.

Ich płaska powierzchnia spodnia, możliwość uzyskiwania dużych rozpiętości oraz dobre właściwości dynamiczne tworzą wyraźne korzyści architektoniczne i operacyjne dla hal IT.

Jednocześnie system ten posiada również ograniczenia, którymi należy odpowiednio zarządzać. Obniżona nośność na ścinanie w strefie podpór, ograniczona elastyczność w zakresie wykonywania przebić w płytach oraz wymagania dotyczące zespolonej pracy tarczy stropowej mogą wpływać na adaptowalność budynku i jego odporność konstrukcyjną.

Ograniczenia te wymagają wczesnej i precyzyjnej koordynacji pomiędzy architekturą, konstrukcją oraz branżami MEP.

Zalecenia

Aby w pełni wykorzystać zalety prefabrykowanych sprężonych płyt kanałowych, a jednocześnie właściwie uwzględnić ich ograniczenia, przy projektowaniu centrów danych warto przyjąć następujące zalecenia:

• stosować płyty kanałowe tam, gdzie priorytetem są szybkość realizacji, duże rozpiętości i wysokie obciążenia użytkowe, szczególnie w jedno- i wielokondygnacyjnych centrach danych,
•  wcześnie angażować projektantów konstrukcji oraz projektantów MEP w celu skoordynowania otworów, układu żeber i tras kablowych; należy unikać nieplanowanych przebić,
•  zapewnić odpowiedni projekt pracy tarczy stropowej, stosując nadbeton lub lokalne pasma monolityczne w obszarach o wysokich wymaganiach dotyczących obciążeń poziomych,
•  unikać lokalizowania dużych przebić w pobliżu podpór, gdzie nośność na ścinanie jest najmniejsza,
•  traktować płyty HCS przede wszystkim jako elementy swobodnie podparte; jeżeli wymagana jest ciągłość konstrukcyjna, należy rozważyć rozwiązania alternatywne lub systemy hybrydowe,
•  przeanalizować wymagania dotyczące przyszłej adaptowalności; jeżeli przewiduje się istotne zmiany w instalacjach MEP, należy ocenić, czy ograniczenia płyt HCS w zakresie przebić są zgodne z długoterminową strategią obiektu,
•  przeprowadzić analizę drgań — chociaż płyty HCS zazwyczaj osiągają dobre wyniki, należy potwierdzić spełnienie kryteriów obowiązujących dla centrów danych, takich jak krzywe VC.

Przy właściwym projektowaniu prefabrykowane płyty kanałowe mogą stanowić bardzo efektywne, szybkie w realizacji i zrównoważone rozwiązanie stropowe, dobrze odpowiadające potrzebom nowoczesnych centrów danych.

O nas gbc engineers to międzynarodowe biuro inżynierskie z oddziałami w Niemczech, Polsce i Wietnamie, które zrealizowało ponad 10 000 projektów na całym świecie. Świadczymy usługi w zakresie inżynierii konstrukcyjnej, projektowania centrów danych, inżynierii infrastruktury i mostów, BIM & Scan-to-BIM oraz zarządzania budową. Łącząc niemiecką jakość inżynieryjną z międzynarodowym doświadczeniem, dostarczamy klientom zrównoważone, bezpieczne i efektywne rozwiązania.