Podstawowym obszarem zastosowań lekkich ścian osłonowych metalowo-szklanych są budynki użyteczności publicznej. W normie PN-EN 13830:2005 określono podstawowe właściwości ścian osłonowych a zarazem podano informacje techniczne o wymaganiach eksploatacyjnych dla całej Europy, wraz z kryteriami badań dla określenia parametrów technicznych przedmiotowych metalowo-szklanych przegród.

 

Klasyfikacja ustrojów powłokowych

Przywołana norma odnosi się jednak jedynie do przegród pionowych i do ścian odchylonych od pionu maksymalnie do 15°. Idąc za postanowieniami normy w ścianie osłonowej zawierać się mają pionowe i poziome elementy, połączone ze sobą i zakotwione do konstrukcji nośnej budynku. Całość winna tworzyć lekkie, ciągłe pokrycie zamykające przestrzeń. Pokrycie to ma samodzielnie lub w połączeniu z konstrukcją budynku spełniać wszystkie normalne funkcje ściany zewnętrznej. Nie może ono przejmować żadnych właściwości nośnych konstrukcji budynku.

 

W ramach tej normy nie mieszczą się zatem przekrycia i przeszklenia, które dotyczą konstrukcji dachowych, powłok ukośnych architektoniczne zmieniających kształt (np. powłoka poszycia Złotych Tarasów), ścian osłonowych tworzących tarczowe przesztywnienie trzonowego szkieletu budynku.

 

Jednak, przy braku innych właściwych klasyfikacji i badań w asortymencie metalowo-szklanych przeszkleń, większość ich producentów i wytwórców parametry przegród opiera na klasyfikacjach i określaniu właściwości poprzez przedmiotową normę.

 

W ten sam sposób klasyfikowane są konstrukcje ścian metalowo-szklanych odchylane o więcej niż 15º, czy konstrukcje przeszkleń dachów.

 

W chwili obecnej zasadne jest ujednolicenie przedmiotowych wytycznych dla określenia klas dla całego asortymentu metalowo-szklanych konstrukcji ścian i dachów. Powodem jest choćby bardzo szybki rozwój rozwiązań i podnoszenie wymagań dla przegród. W obecnej chwili klasy wodoszczelności A1 (150 Pa) czy A2 (300 Pa) są już zdezaktualizowane z powodu postępu w rozwiązaniach przemysłowych systemów metalowo-szklanych, dla których nie jest problemem zachowanie właściwej, granicznej infiltracji powietrza na poziomie 800-900 Pa.

 

Dla uściślenia: ciśnienie to odnosi się do szczelności, ale szczelności rozumianej jako uśrednione nieprzepuszczanie większej ilości powietrza przez przegrodę niż 1,5 m3, na każdy m2, w ciągu godziny trwania badania w komorze badawczej, reprezentatywnego fragmentu przeszklenia.

 

Podobnie rzecz ma się z klasyfikowaniem wodoszczelności.

 

Klasa RE zapisana jest dla różnicy ciśnień na poziomie 600 Pa. Klasy na poziomie 150, 300 [Pa] są w tej chwili już zbyt mało restrykcyjnym obwarowaniem.

 

Producenci prześcigający się w coraz to lepszych rozwiązaniach systemowych zamiast klas wodoszczelności podają deklarowane ciśnienie próbne, przy którym zachowana jest szczelność fasady.

Podają w nawiasach wartości (800), (900) czy nawet (1200) Pa. Wszystkie te struktury metalowo-szklane mieszczą się w klasie RE. A przecież systemowe rozwiązania zapewniające szczelność na poziomie 900 Pa różnić się będą względem przegród utrzymujących przecieki przy różnicy ciśnień dla np. 1200 Pa.

 

Istotne jest to choćby z powodów określania warunków specyfikacji zamówień, na które powołują się inwestorzy czy generalni wykonawcy. Podanie wartości liczbowych wiąże się typowaniem konkretnych rozwiązań, z kolei podawanie niskich klas AE czy RE obejmuje rozwiązania systemowe o (potencjalnie) zbyt niskich parametrach, w których mieszczą się rozwiązania z grup przeszkleń niechcianych przez zamawiającego.

 

Podobną kwestią jest poszerzenie i dookreślenie wymagań oraz klasyfikacji związanej z ogólnym podziałem konstrukcji metalowo-szklanych.

W obecnym kształcie rynek fasadowy ściany metalowo-szklane klasyfikuje zgodnie z nomogramem poniżej (rys. 1).

 

Rys. 1. Ogólny podział ścian osłonowych metalowo-szklanych

 

Szczególnie szeroką grupą w przytoczonym nomogramie stanowią ustroje metalowo-szklane w segmencie ścian dwupowłokowych. Z uwagi na różnego rodzaju ustroje nośne przywołanych ścian oraz coraz bardziej zaawansowane funkcje, jakie ściana dwupowłokowa przejmuje, coraz częściej zaczynamy mówić o ustrojach powłokowych. Są, bowiem na rynku obecnie przegrody i trzypowłokowe (np. z uwagi na zapewnienie parametrów Rw na poziomie ponad 45-60 dB), i ustroje powłokowe (np. dla przekryć obiektów sportowych, o rozpiętościach/wysokościach kilkudziesięciu metrów).

 

Zasadnym jest więc stwierdzenie, że szeroko rozumiane ustroje powłokowe, jako wyodrębniona, szersza grupa metalowo-szklanych ustrojów przegród powinna zastępować ustroje dwupowłokowe. Zarazem również ustroje powłokowe zawierać będą konstrukcje ścian metalowo-szklanych dwupowłokowych, jako jedną z podgrup. Bodźcem do coraz szerszego stosowania ustrojów jednopowłokowych jest logarytmiczny rozwój zaawansowanych systemów szkleń. Szyby w dużo większym stopniu zapewniają zachowanie oczekiwanych parametrów przegrody i przez to eliminują ustroje wielopowłokowe, które pozwalały przy niższych cechach szyb na zachowanie wszystkich cech przegród (selektywność promieniowania cieplnego, słonecznego, przezierność, izolacyjności, itd.).

 

Konstrukcje powłokowe dedykowane
W ramach tego artykułu zajęto się jednak nie tyle samą specyfiką klasyfikacji, a typami konstrukcji wsporczych.

 

Jak podaje przywołana wcześniej norma dla ścian osłonowych, to przedmiotowe ściany składają się z pionowych i poziomych elementów połączonych ze sobą i zakotwionych do konstrukcji nośnej budowli.

 

Te pionowe i poziome ustroje nośne na przestrzeni ostatnich pięciu-ośmiu lat uległy szybkim zmianom i przeobrażeniom. Obecnie całościowa ściana osłonowa to ustrój fasady metalowo-szklanej z wykorzystaniem najbardziej zaawansowanych rozwiązań w technice projektowania konstrukcji metalowych, w tym linowych, cięgnowych i sprężonych.

 

Ten szybki rozwój techniki linowej pociągnął za sobą wyodrębnienie się kilku typów konstrukcji powłokowych, dedykowanych konkretnym typom budynków, zadaszeń i przeszkleń. Wszystkie te typy wsporczych konstrukcji mają zapewnić przegrodzie szklanej spełnienie restrykcyjnych warunków dla przeszkleń. Warunków o dopuszczalnych ugięciach, wychyleniach i granicznych szczelnościach (powiązanych z warunkami SGU dla przegrody).

 

Oczywiście, jako podstawowe wystąpią tu sztandarowe ustroje systemowych profili metalowo-szklanych konstrukcji systemów słupowo-ryglowych (fot. 1). Przekroje słupów i rygli ustroju słupowo-ryglowego ze wzmocnieniami lub samodzielnymi belkami metalowymi, stalowymi przekrojami – bi-symetrycznymi – walcowanymi, spawanymi blachownicami.

 

 

Fot. 1. Widok przykładowych ustrojów powłokowych z wykorzystaniem systemowych rygli i słupów ścian słupoworyglowych

 

Z uwagi na obwarowania związane ze sztywnością i nośnością szkieletu takiej konstrukcji oraz z uwagi na estetykę, takie ustroje powłokowe ogranicza się zazwyczaj do wysokości jednej kondygnacji. Oczywiście, możliwe są większe wysokości, rozpiętości takich ustrojów słupowo-ryglowych jednak wtedy elementy konstrukcyjne (ich przekroje) stają się dominujące i nieatrakcyjne dla architektów.

 

Dla wymiarów elementów ściany metalowo-szklanej, przekrój słupów, belek, które zapewniają normową sztywność przeszklenia, powinien zawierać się w granicach 1/16 do 1/24 rozpiętości. Zalecane jest oscylowanie wokół 1/20 rozpiętości. Rzecz jasna, rozpiętość ta warunkowana jest płaszczyzną przeszklenia, z której zbierane jest obciążenie na przedmiotowy element nośny.

 

Warunek ten jednak determinuje również rozstaw elementów konstrukcyjnych na płaszczyźnie przegrody metalowo-szklanej, dla której niezbędne jest spełnienie stanów SGN i SGU, a w szczególności 1/200 obliczeniowej rozpiętości analizowanego elementu i jednocześnie ugięcie to nie powinno być większym niż 15 mm dla jednoprzęsłowego ustroju belkowego (pomiędzy sąsiednimi podporami).

 

W ramach tej grupy elementów konstrukcyjnych należy wspomnieć o przegrodach wykorzystujących elementy żeber szklanych, blachownic, słupów belek z nośnymi elementami ze szkła klejonego. Te rodzaje konstrukcji również z uwagi na swe parametry nośności i sztywności dedykowane są dla wysokości/ rozpiętości do 3-4 m. Dla przywołanych konstrukcji  jednak dyskusyjnym jest zapis w normie PN-EN 13830, warunkujący nieuwzględnianie tych elementów szklanych przy ocenie nośności, z uwagi na obciążenie od ciśnienia obciążenia wiatrem Zapis ten jednak należy w obecnej chwili tłumaczyć jako jedynie odnoszący się do płaszczyzny przeszklenia.

 

Norma przywołana zapis ten również odnosiła do przeszkleń, jako elementów wypełniających. W końcu lat 90. ub. w. elementy szklane, jako podstawowe ustroje nośne nie były jeszcze rozpowszechnione i autorzy norm pominęli je w rozumieniu samodzielnych konstrukcji. W chwili obecnej żebra, słupy, belki szklane są stosowane powszechnie i stosowanie się do zapisów normy dosłownie – o nieuwzględnianiu tych elementów szklanych przy analizie sztywności powłokowego ustroju fasady – przekreśla ich dalszy rozwój, który jest w tej chwili najbardziej dynamiczny.

 

Więcej, elementy te spełniają wszystkie warunki nośności, bezpieczeństwa, ppoż. (po odpowiednim uwarunkowaniu zabezpieczeń i technologii wykonania) i ogólnobudowlane. Należy, więc odnosić się do nich jak do pełnowartościowych elementów konstrukcyjnych, traktując je jak inne elementy nośne szkieletu, z uwzględnieniem warunków nośności i sztywności w uogólnionym przypadku ustrojów metalowo-szklanych ścian powłokowych.

 

Często jednak inwestorzy i architekci oczekują przeszkleń ścian sięgających 6-12 m, bez dodatkowych podparć. Dla takich ustrojów, dla zapewnienia im normowej sztywności, należy stosować elementy konstrukcji kratownic, blachownic otworowanych i dźwigarów o zmiennej wysokości przekroju. Są one lżejsze w stosunku do pełnościennych ustrojów walcowanych, giętych, dają wrażenie większej lekkości przeszklenia oraz większą sztywność przegrody. Takie ustroje najczęściej projektuje się w układach płaskich dźwigarów ze stężeniami (fot. 2).

 

Fot. 2. Widok płaskiego dachu. Ustrój o rozpiętości ok. 10 m, płaskie dźwigary blachownicowe, stężone cięgnami prętowymi (zdjęcie z materiałów firmy PFEIFER).

 

Szkło, jako materiał wypełniający, jest bardzo wrażliwe na ruchy termiczne, ugięcia konstrukcji w fazie sprężystej (amplitudy tych ugięć) i wzajemne przemieszczenia ustrojów płaskich konstrukcji. Przy tym  typie konstrukcji konieczny jest właściwy dobór i odpowiednie rozmieszczenie ustrojów stężających tzw. konstrukcji drugorzędowej. Już samo dobranie rodzaju tężników i ściągów pociąga za sobą konsekwencje charakteru pracy całego ustroju powłokowego. Najczęściej wykorzystuje się w tych konstrukcjach cięgna z prętów pełnych, ze stali o dobrych parametrach wytrzymałościowych np. S355, S420. Takim przykładem mogą być cięgna prętowe z okuciami o specyfikacji 860 Pfeifer.

 

Wytwarzane są ze stali S355J2G3. Każde takie stężenie powinno być wyposażone w niezależny system umożliwiający jego rektyfikację. Dla ustrojów powłokowych, bowiem, bardzo istotnym jest uzyskanie jak największej jednorodności w rozkładzie sił wewnętrznych ustroju prętowego. Stąd wszelkie wpływy pełzania i relaksacji w prętach powinny być możliwe do niwelowania.

 

Ustroje takie należy rektyfikować co najmniej raz w roku, poddając je kontroli co najmniej dwa razy w roku. Dla przywołanych konstrukcji w mniejszym stopniu wykorzystuje się cięgna linowe.

 

Ten typ cięgien (linowych – wielozwitych) dla konstrukcji ustrojów powłokowych znakomicie sprawdza się w konstrukcjach wiszących i ustrojach kratownic cięgnowych. (płaskich i przestrzennych), które sięgają rozmiarów (rozpiętości) nawet do 30-40 m. Różnicą  jest sposób modelowania konstrukcji. Dla modelowania ustrojów wiszących, podstawowe przeszklenie zamocowywane jest zazwyczaj na ustroju słupoworyglowym (fot. 3), a liny zapewniają przeniesienie sił z układu ryglowego na trzony nośne od dużej rozpiętości ustroju powłoki.

 

Fot. 3. Powłoka przeszklenia z wykorzystaniem ustroju wiszącego (materiały PFEIFER)

 

Ustroje wiszące muszą mieć jednak układ stężeń w przestrzeni powłoki, zapewniający sztywność „tarczową” oraz zestaw lin, np. typ PV Pfeifer, zapewniające podwieszenie i przekazanie sił na trzon nośny budynku. W płaszczyźnie tarczowej ustroju powłoki stężenia projektuje się z niewielkim wstępnym sprężeniem, ustroje lin wiszących nie mają projektowanego, wstępnego naciągu (względy technologiczne).

 

Ustroje te mają mankamenty związane z pracą całości układu przeszklenia przekrycia. O ile zapewnienie  należytej sztywności w powłoce nie powoduje istotniejszych problemów, o tyle na stykach powłok, przeszkleń, ze szkieletem budynku, innymi fragmentami elewacji obiektu, obserwowano rozszczelnienia, lokalne nieciągłości, czy nawet pęknięcia tafli w obrębie podwieszeń. Stąd zaczęto rozważać ustroje w całości sprężane, pozwalające na większe sztywności przeszklenia. Takimi rozwiązaniami są ustroje kratownic cięgnowych, płaskich i przestrzennych.

 

Zapewniają one możliwość wykonywania przeszkleń o rozpiętościach nawet do 35-50 m. Są najlżejszymi i najbardziej filigranowymi z konstrukcji metalowych szkieletów dla obiektów fasadowych. Wymagają jednak dużej precyzji i konstrukcji lin o bardzo wysokich parametrach użytkowych. W tych konstrukcjach stosujemy najbardziej zaawansowane przekroje lin. Siły sprężające w tych układach stanowią nawet 80% nośności przekrojowej cięgien.

 

 

Fot. 4. Powłoka przeszklenia z wykorzystaniem ustroju kratownicy cięgnowej (materiały internetowe: Novum Structures, PFEIFER).

 

Ustroje kratownic cięgnowych są jednak w najwyższym stopniu zależne od sztywności elementów konstrukcji budowli, na którą przenoszą siły od wstępnego sprężenia. Dedykowane dla elementów nośnych, graniczne ugięcia l/350, czy dla słupów l/500, są często niewystarczające. Podatność belek, rygli okapowych, podatność podpór na poziomie kotwień musi być ściśle dookreślona i uwzględniona w przestrzennym modelu projektowanej powłoki przez projektanta.

 

Mniej zależnymi od zachowania się samego trzonu budowli, jego normowych przemieszczeń, są ustroje ze stalowymi słupami sprężanymi. Trzony nośne takich elementów (słupów), osiągają wysokość 25-35 m. Wstępne sprężenie linami wielouzwojonymi powoduje zwiększenie sztywności, zmniejszenie długości wyboczeniowej jednogałęziowego trzonu słupa. Siły sprężeń sięgają około 25-40% nośności przekroju liny i w całości są przekazywane na rdzeń stalowego słupa.

 

Układ sprężanych elementów nośnych stabilizowany jest przez rygle poprzeczne, ściągi i stężenia w płaszczyźnie powłoki. Są to ustroje o większym zużyciu stali w przeliczeniu na m2 powierzchni przeszklenia niż w ustrojach kratownic cięgnowych, lecz prostota ich montażu oraz „samodzielność” w przenoszeniu oddziaływań przemawia na korzyść tych elementów, jako nośnych.

 

Również niższy poziom sił sprężających w stosunku do przekrojów linowych powoduje mniej komplikacji przy kompensowaniu wpływów od relaksacji i pełzania w cięgnach niż w ustrojach kratownicowych.

 

W przypadku elementów sprężanych również jednak należy pamiętać, by każde cięgno miało możliwość rektyfikacji i kontroli siły naciągu, którą należy korelować co najmniej raz do roku.

 

dr inż. Maciej Cwyl
Politechnika Warszawska

 

Literatura
- Bródka J., Łubiński M., Lekkie konstrukcje stalowe. Arkady, Warszawa 1971
- Cywiński Z., Hybrydowe dźwigary ze stali i szkła. „Świat Szkła” 11/2011
- Ściany osłonowe. Norma wyrobu PN-EN 13830:2005
- Żółtowski W., Cwyl M., Metody inżynierskich obliczeń konstrukcji ze stopów aluminiowych, na bazie konstrukcji fasad słupowo-ryglowych. „Murator PLUS”, 2003.

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

więcej informacj: Świat Szkła 1/2012

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.