W tym artykule zaprezentowane zostanie nowe spojrzenie na projektowanie i specyfikacje urządzeń ograniczających, zwłaszcza ze względu na wymagania w fazie budowy i zwyczaje/nawyki użytkowników po zamieszkaniu w gotowym budynku.
Rys. 1. Studium przypadku 1 – Diagram typu wentylacji
Obecne standardy wydają się pomijać niektóre krytyczne realia, co zostanie ujawnione w przedstawionych przypadkach. W ostatnim czasie doprowadziło to do serii katastrofalnych w skutkach awarii. Firma FSA (Frank Seta & Associates ) rozpoczęła prace nad „eksperymentami myślowymi” dotyczącymi przyczyn awarii ograniczników. Ponadto przedstawione zostaną niektóre ze wstępnych badań, które zostały przeprowadzone w celu uniknięcia przyszłych awarii.
Eksperymenty te dostarczyły pewnych dowodów, uzasadniających ocenę obecnych przepisów, dotyczących ograniczników krańcowych. Ich celem jest poprawa korelacji specyfikacji i testów ograniczników krańcowych z rzeczywistą efektywnością tych urządzeń.
Rys. 2. Studium przypadku 1 – zdjęcie uszkodzonego skrzydła wentylacyjnego
Wprowadzenie
Duże okno z odchylanymi skrzydłami spadło z budynku w centrum Manhattanu. FSA została wezwana do sprawdzenia awarii i przekazania wniosków. Okno spełniało wszystkie normy i przepisy (kodeksy budowlane) oraz miało całą niezbędną dokumentację.
Jak więc nowoczesny panel okienny, określony i zatwierdzony zgodnie z najbardziej aktualnymi normami i przepisami, mógł ulec tak katastrofalnej awarii?
Ten i inne przypadki awarii zostały omówione w tym opracowaniu wraz z ogólnymi wnioskami. Opracowanie kończy się kluczowymi wnioskami i wezwaniem do ponownej oceny przez branżę obecnych specyfikacji i testów w odniesieniu do dużych okien otwieranych w środowiskach miejskich.
Rys. 3. Studium przypadku 1 – Schemat postępującej awarii skrzydła wentylacyjnego
Prezentacja
Urządzenia ograniczające zostały po raz pierwszy wprowadzone w 1976 roku (Walker, 2019). Były to bardziej „toporne modele”, a ich celem było egzekwowanie bezpieczeństwa dzieci w Nowym Jorku. Obecnie w Nowym Jorku odnosimy się do kodeksu zdrowia, aby określić i zaprojektować urządzenia ograniczające (Departament Zdrowia Miasta Nowy Jork). „Urządzenie ograniczające” jest zwykle połączone z zawiasami, i składa się z ograniczającego „ramienia”, które zapobiega otwarciu skrzydła powyżej 4,5 cala w oparciu o metrykę zapobiegającą/ uniemożliwiającą przejście kuli o średnicy 5 cali przez otwór wentylacyjny (Departament Zdrowia Miasta Nowy Jork).
Kolejnym kluczowym kryterium jest to, aby ramię ograniczające było w stanie wytrzymać obciążenie 150 funtów w punkcie środkowym – w środku rozpiętości (Departament Zdrowia Miasta Nowy Jork). Istnieją również inne kryteria dotyczące mocowania/ zakotwienia ogranicznika (urządzenia ograniczającego otwarcie skrzydła wentylacyjnego), a także urządzenia zatrzymującego, które fizycznie zatrzymuje działanie okna.
W tym artykule przedstawiono trzy studia przypadków, każde z innego projektu. Szczegóły projektu i podmiotu zostały pominięte, a celem tej pracy jest rozpoczęcie dyskusji. Żadna z przedstawionych informacji nie ma być wykorzystywana jako odniesienie naukowe lub analityczne. Ponadto należy pamiętać, że kontekst tych pomysłów jest specyficzny dla regionu Nowego Jorku i może nie mieć zastosowania w innych kontekstach geograficznych.
Rys. 4. Studium przypadku 1 – Zdjęcie urządzenia ograniczającego z potrójnymi zawiasami
Studium przypadku 1
Pierwsze studium przypadku dotyczy starszej konstrukcji okna z odchylanymi skrzydłami, które miało górny zawias typu „laski cukierków”/”cukierek w trzcinie” (rys. 1) i słabe okucia. Istnieją świadkowie awarii skrzydeł wentylacyjnych. Zostały one opisane jako spowodowane zasysaniem lub pędem powietrza przez zamknięte skrzydło wentylacyjne, po czym zawiódł mechanizm zamykający i skrzydło wentylacyjne otworzyło się, uszkadzając urządzenie ograniczające, a następnie skrzydła wentylacyjne gwałtownie opadły na elewację.
W jednym przypadku to gwałtowne trzepotanie spowodowało, że sam otwór wentylacyjny rozpadł się na połączeniach ukośnych ramy czołowej, a profil czołowy pozostał na budynku. W innym przypadku gwałtowne trzepotanie spowodowało otwarcie wzmocnionego ciągłego zawiasu w głowicy i odpadnięcie/upadek skrzydła wentylacyjnego (rys. 2).
W przypadku szerokich otworów wentylacyjnych skrzydło wentylacyjne (nawietrzak) jest utrzymywane w pozycji zamkniętej przez 3 punkty w dolnej części skrzydła. Okucia zatrzaskowe składają się z jednego zatrzasku/przycisku na środku skrzydła i 2 wysuwanych trzpieni, które wchodzą w zaczepy mocowane do ościeżnic. Otwory wentylacyjne są szerokie, a ramy skrzydeł wydają się być podatne na odłączenie środkowego zatrzasku (typu zaczep/ uchwyt) przez skręcenie. Ponadto niektóre elementy zawiasów były wykonane z tworzywa sztucznego.
Teoria robocza opierała się na założeniu, że okno było początkowo zamknięte i otworzyło się samo/samoczynnie. W tym przypadku ogranicznik wydaje się być uszkodzeniem wtórnym. Do otwarcia zamkniętego okna potrzebna jest określona krytyczna siła. Ta początkowa awaria „przeniosła się” do urządzenia ograniczającego (rys. 3), które zostało zaprojektowane zgodnie z przepisami, ale tak, aby wytrzymać tylko siłę o wielkości 150 funtów.
Chociaż mieliśmy kilka teorii na temat tego, jak to się stało, wzrost ciśnienia/parcia spowodowany efektem kominowym, nadmiernymi wiatrami sztormowymi/burzowymi, skupiliśmy się na dostarczeniu rozwiązania, które mogłoby wytrzymać siły wiatru o prędkości 100 mil na godzinę zarówno w mechanizmie zatrzaskowym, jak i w urządzeniach ograniczających (Khoukhi& Al-Maqbali 2011).
Pierwszym zaleceniem było dokonanie przeglądu/sprawdzenie konstrukcji mechanizmu zatrzaskowego. Producent ostatecznie zastąpił plastikowe elementy metalowymi i zmodyfikował urządzenie przechwytujące/ chwytające.
Dodatkowo zaleciliśmy dodanie 2 potrójnych zawiasów ograniczających na dolnej szynie skrzydła (rys. 4). Urządzenia te były unikalne, ponieważ zabezpieczały okno, gdy znajdowało się w pozycji zamkniętej, a następnie, gdy były obsługiwane przez mieszkańca, zabezpieczały okno również w pozycji otwartej.
Opracowaliśmy kryteria testowe, aby naśladować potencjalne siły działające na okno w pozycji zamkniętej i otwartej. Miały one symulować wiatr o prędkości około 100 mil na godzinę. Zmodernizowane urządzenie ograniczające działało zgodnie z przeznaczeniem, a ten szczegół naprawczy został wdrożony w ramach projektu.
Rys. 5. Studium przypadku 2 – Zdjęcie przykładowego budynku z podnośnikiem
Rys. 6. Studium przypadku 2 – Schemat skrzydła wentylacyjnego
Rys. 7. Studium przypadku 2 – Zdjęcie uszkodzonego skrzydła wentylacyjnego
Rys. 8. Studium przypadku 2 – zdjęcie wgłębienia zatrzymującego
Rys. 9.
Studium przypadku 2
Poprzedni przypadek dotyczył gotowego, wykończonego budynku z zamkniętymi oknami. W „Studium przypadku 2” budynek był częściowo niedokończony w obszarze szybu windy (rys. 5). Otwory wentylacyjne miały 6,5 stopy wysokości i 4,5 stopy szerokości. Urządzenie ograniczające zostało włączone do konstrukcji zawiasów, która składała się z 2 zespołów zawiasów „4-prętowych „ w górnej części ościeży i 2 „regulatorów ciernych” w dolnej części (rys. 6).
Ponieważ był to aktywny plac budowy, okna były czasami otwierane lub zamykane. Chociaż zawsze zaleca się zamykanie okien, jest to niefortunna rzeczywistość w przypadku aktywnego wznoszenia budynku. Zaobserwowana awaria tych okien miała charakter „kaskadowy”.
Po pierwsze, zawiódł/uszkodzony został dolny „regulator tarcia” (Rys. 7), który jest standardowym elementem sprzętowym służącym jako urządzenie ograniczające. Zespół ślizgowy/przesuwny „przeciągnął się” przez metalowy ogranicznik z wgłębieniami i wypadł z toru, a dolny plastikowy element został odcięty. Ponadto dolny „regulator tarcia” został zamontowany odwrotnie niż pokazano na rysunkach warsztatowych.
Następnie zawiódł górny „ogranicznik” zawiasu, który został zaprojektowany w celu ograniczenia otwarcia otworu wentylacyjnego do 20 stopni. Ogranicznik, który miał zapobiegać otwarciu otworu wentylacyjnego o więcej niż 20 stopni, został przesunięty w dół we wgłębienie w prowadnicy zawiasu (rys. 8).
Po trzecie, skrzydło wentylacyjne wystające poza lico budynku, wsparty na niesprawnych i uszkodzonych konstrukcyjnie zawiasach, nie zamyka się pod własnym ciężarem, jest uderzane/popychane przez wiatr. Prowadnica zostaje zdeformowana (ulega odkształceniu), a metalowa prowadnica jest wyrwana z zespołu prowadnicy, a następnie ramiona obrotowe ulegają awarii. W końcu skrzydło wentylacyjne odpada
Istnieją pewne wątpliwości dotyczące tego, co tak naprawdę spowodowało awarię. Czy to częściowo otwarty budynek wytworzył złożony/skumulowany efekt ciśnienia? Czy wiatry wiejące przez otwarty szyb windy, bez wewnętrznego tłumienia, przeciążają niezamknięte/odblokowane okna i inicjują tę postępującą awarię (Flow Around Buildings 2015; Parkinson 2015)?
Czy to odwrócone ograniczniki krańcowe? Czy to wszystko razem? Aby dokładniej zbadać te kwestie, przeprowadzono serię testów. Były to zmodyfikowane wersje norm AAMA 910-10, AAMA 501.1 i ASTM E 330.
Rys. 10. Studium przypadku 2 – Zdjęcie uszkodzonego
Rys. 11. Studium przypadku 2 – zawartość testów wstępnych
Rys. 12. Studium przypadku 2 - zawartość testów wstępnych
Rys. 13. Studium przypadku 2 – zawartość testów wstępnych
Rys. 14. Studium przypadku 2 - zawartość testów wstępnych
Rys. 15: Studium przypadku 2 – zawartość testów wstępnych
Rys. 16. Studium przypadku 2 – zawartość testów wstępnychzydła wentylacyjnego
Rys. 17. Studium przypadku 2 – zdjęcie zmodernizowanego sprzętu
Testy te sprawdzały przydatność/adekwatność okuć do podparcia okna w bezpieczny sposób, jeśli okno zostanie pozostawione otwarte podczas wiatru o dużej prędkości, trwałość okuć w odniesieniu do przewidywalnego użytkowania w trakcie eksploatacji lub niewłaściwego użytkowania oraz użycie nowej blokady w ograniczniku (rysunki 11-16).
Pierwsza runda testów została przeprowadzona nieprawidłowo, co nie jest niczym niezwykłym w przypadku zmodyfikowanych/ nowych testów, z którymi laboratorium nie jest zaznajomione. Ostatecznie procedura testowa została przeprowadzona prawidłowo, a zmodernizowany sprzęt przeszedł testy (Rys. 17).
Rys. 18. Studium przypadku 3 – Schemat typu wentylacji
Rys. 19. Studium przypadku 3 – zdjęcie wgłębienia stopu
Rys. 20. Studium przypadku 3 – zawartość testów wstępnych
Rys. 21. Studium przypadku 3 – zawartość testów wstępnych
Rys. 22. Studium przypadku 3 – zawartość testów wstępnych
Rys. 23. Studium przypadku 3 – zawartość testów wstępnych
Studium przypadku 3
W trzecim studium przypadku, skrzydła wentylacyjne miały podobny rozmiar jak całe okno (Rys. 18) jak w „Studium przypadku 2”. Urządzenie ograniczające zawiodło w podobny sposób.
Był to również budynek w budowie, a my wdrożyliśmy bardzo podobną naprawę, która wykorzystywała aluminiową blokadę, aby zapobiec przeskakiwaniu przez ogranicznik, który był tylko małym „wgłębieniem” (Rys. 19). Ta część prezentacji (rysunki 20-25) została włączona w celu zademonstrowania możliwości zastosowania wcześniej wyciągniętych wniosków.
Rys. 24. Studium przypadku 3 – zawartość testów wstępnych
Rys. 25. Studium przypadku 3 – zawartość testów wstępnych
Wnioski
Istnieje trend projektowy polegający na tym, że okna z odchylanymi skrzydłami stają się coraz większe. Obecne normy i przepisy nie uwzględniają możliwości sprawdzania progresywnego/kaskadowego uszkodzenia otwartych skrzydeł wentylacyjnych. Czasami skrzydła te są otwarte podczas aktywnych placów budowy, gdzie istnieje ryzyko, że geometria budynku spotęguje ostateczne siły i ciśnienie/ parcie wiatru, którym poddawane są okna.
Czasami skrzydła wentylacyjne są otwierane w sposób wymuszony, potencjalnie z powodu wzrostu ciśnienia i innych dodatkowych sił. Okna powinny być projektowane z uwzględnieniem wszystkich realiów związanych z budową i późniejszym użytkowaniem. FSA rozpoczęła prace nad stworzeniem takich podstaw poprzez eksperymenty myślowe i wstępne badania laboratoryjne.
Pozostaje jednak wiele do zrobienia w różnych aspektach branży. Podczas aktywnej budowy można zapewnić „tłumiki” wewnątrz budynku, takie jak ściany wewnętrzne/ścianki działowe, aby uniknąć interakcji wentylacji z „przyspieszonym” wiatrem z szybu windy. Bezpieczeństwo na placu budowy może wdrożyć i egzekwować protokół, który uniemożliwia otwieranie okien w miejscu pracy. Jeśli jakiekolwiek okna wymagają otwarcia, należy je ograniczyć, a następnie zablokować.
Specyfikacje mogą zostać zaktualizowane w celu uwzględnienia nośności urządzeń ograniczających przewidywane obciążenia podczas obsługi okna. Obciążenie 150 funtów uwzględnia jedynie siłę ludzką podczas obsługi okna i nie bierze pod uwagę potencjalnych sił skumulowanych od wiatru i ciśnienia.
Testy można zaktualizować, aby symulować warunki otwartego skrzydła wentylacyjnego. W budynkach wysokich, gdzie wymagana jest specjalna analiza i test w tunelu aerodynamicznym, modele mogą symulować progresję obudowy fasady, która stwarza ryzyko takie, jak cały pionowy pas fasady pozostający niekompletny, jak ma to miejsce w przypadku zewnętrznej windy, oraz inne potencjalnie ryzykowne konfiguracje. W fazie po zasiedleniu projektu - mieszkańcy mogą otrzymać ostrzeżenia, aby unikaćpozostawiania otwartych okien przed gwałtowną burzą lub silnym wiatrem.
Ta seria katastrofalnych awarii jest bardzo niepokojąca. Na szczęście żadne z tych zdarzeń nie spowodowało obrażeń ani utraty życia. Ale tak właśnie mogło się stać. Branża musi się zjednoczyć, aby wdrożyć odpowiednie projekty, standardy, testy i protokoły w celu zapewnienia działania urządzeń ograniczających w dużych oknach z odchylanymi skrzydłami we wszystkich realiach projektowych.
Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. w Tampere w Finlandii
Frank Seta, Frank Seta & Associates (FSA)
Bibliografia
“Flow around Buildings.” Autodesk Support &Learning, Autodesk, 12 Feb. 2015, http://knowledge.autodesk.com/support/flow-design/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/ENU/FlowDesign/files/GUID-3B35931F-AB23-45E9-BFCA-2E578D26BF3Ahtm.html
Khoukhi, Maatouk, and Asma Al-Maqbali. “Stack Pressure and Airflow Movement in High and Medium Rise Buildings.”
Energy Procedia, Elsevier, 14 June 2011, www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610211014603.
New York City Health Department. Health Codes and Rules. Retrieved from https://www1.nyc.gov/site/doh/health/health-topics/window-guards-preventing-falls.page
Parkinson, Justin. “The Problem with the SkyscraperWind Effect.”
BBC News, BBC, 9 July 2015, www.bbc.com/news/magazine-33426889
Walker, R. (2019, March 14). New Code Requirements andEducation Aim to Prevent Window Falls. Retrieved from
https://windowanddoor.com/article/marchapril-2009/new-code-requirements-and-education-aimpreventwindow-falls
