W konstrukcjach szklanych należy uwzględnić wymagania konstrukcyjne, architektoniczne i montażowe. Najlepsze rozwiązania nie stanowią kompromisu pomiędzy tymi wymaganiami, ale integrują je w jednym rozwiązaniu.
Rys. 1. Taras widokowy 30 Hudson Yards
W niniejszym artykule przedstawiono studium przypadku trzech konstrukcji szklanych o zróżnicowanych wyzwaniach związanych z tarasem widokowym Hudson Yards w Nowym Jorku – 3-metrowym wspornikowej wiatrochronie narażonej na podmuchy wiatru o wartości do 4,7 kPa (barierze szklanej zamocowanej wspornikowo), zewnętrznej podłodze szklanej o dużym natężeniu ruchu oraz kombinacji podłogi szklanej i konstrukcji okiennej.
W artykule opisano wyzwania związane z odpowiednim zaprojektowaniem struktury szkła laminowanego, zapewnieniem bezpieczeństwa konstrukcji i jej funkcjonalności oraz ze spełnieniem jasnej wizji architektonicznej, a także montażem szkła z zachowaniem odpowiednich tolerancji przy dostępie jedynie z jednej strony (od wnętrza budynku), przy pracach odbywających się na wysokości 335 m.
Przegląd projektu
Hudson Yards to warta 25 miliardów dolarów posiadłość w sercu Nowego Jorku. Inwestycja jest najdroższą prywatną inwestycją w historii USA i obejmuje platformę nad działającą stacją kolejową wraz z innymi 16 budynkami. Najwyższy z nich, o wysokości 386 m, to 30 Hudson Yards. Z wieżowcem tym wiąże się jeszcze jeden interesujący szczegół, a mianowicie, że ma on najwyżej położony zewnętrzny taras widokowy na półkuli zachodniej (335 m nad poziomem terenu).
Do opracowania skomplikowanego i nietypowego projektu fasady na budynku 30 Hudson Yards została zatrudniona przez Related Hudson Yards firma Schlaich Bergermann Partner. Te specjalne elementy fasady obejmują konstrukcję nośną i okładzinę tarasu widokowego oraz będące przedmiotem niniejszego opracowania trzy projekty konstrukcji szklanych (ze szkła strukturalnego) na tarasie widokowym.
Natomiast za generalny projekt Hudson Yards oraz za projekt samego budynku 30 Hudson Yards odpowiedzialne jest biuro architektoniczne – KPF. Te trzy struktury to szklana bariera – wiatrochron (windscreen), szklana podłoga tarasu (terrace glass floor) i okno w „kadłubie/burcie” tarasu (hull window).
Według recenzji opublikowanej przez Wall Street Journal, taras widokowy „oferuje najbardziej spektakularne widoki ze wszystkich budynków w Ameryce.” Kluczem do uzyskania tych widoków były wspomniane wcześniej szklane struktury, które są jednocześnie fizycznymi barierami (chroniącymi przed upadkiem z wysokości) i wizualnymi połączeniami (łączącymi obserwatorów na tarasie z mieszkańcami miasta).
Trzy szklane konstrukcje
Wiatrochron to szyba o wysokości 3 m, zamocowana wspornikowo i nachylona pod kątem 9° w stosunku pionu. Tworzy ona przezroczystą barierę na obwodzie tarasu widokowego i zmniejsza wpływ podmuchów wiatru na użytkowników tarasu. Szyba zamocowana jest w sztywnym, stalowym „bucie” (podporze przenoszącej momenty obciążające).
Szklana podłoga na tarasie umożliwia niczym niezakłócony widok na panoramę miasta poniżej i składa się z zestawu czterech powtarzających się szklanych trójkątów. Belki ze stali nierdzewnej podtrzymują zarówno szkło znajdujące się powyżej, jak i przesłonięte szyny do konserwacji fasady, które wiszą poniżej. Belki podtrzymujące szklaną podłogę łączą się z obwodową ramą ze stali zwykłej, która z kolei łączy się z główną konstrukcją tarasu widokowego.
Okno „w burcie” tarasu oferuje podobne widoki, jak szklana podłoga na tarasie, ale z przestrzeni wnętrza budynku. Trzy niezależne panele – szklana podłoga i dwie pochylone trójkątne szyby – tworzą fasetowy kształt. Dwa pochyłe panele są podparte na dalszych krawędziach.
Oznacza to, że na szklany panel podłogowy nie działają żadne dodatkowe obciążenia (od ciężaru własnego pochylonych panel szklanych), a panele pionowe nie wytwarzają stałego obciążenia ścinającego na sąsiedni panel, wynikającego z ich obciążeń. Podparcie paneli na dalszych krawędziach pozwala również na zastosowanie minimalnego połączenia (minimalnej spoiny) na styku paneli.
Warunki brzegowe
Jako wyjątkowe konstrukcje w unikalnej przestrzeni – wiatrochron, szklana podłoga tarasu i okno „w burcie” również „mają” szczególne wymagania. Podobnie jak w przypadku wszystkich konstrukcji szklanych, konieczne jest przemyślenie kwestii redundancji (nadmiarowości), zwłaszcza przy konstrukcji znajdującej się na wysokości 335 m nad poziomem terenu.
Podobnie, dostęp do instalacji, konserwacji i wymiany uszkodzonych elementów musi być uwzględniony w projekcie. Ze względu na spodziewany duży ruch pieszych i duże obciążenie wiatrem na tej wysokości, konstrukcje są również narażone na duże obciążenia. Wszystkie te aspekty zostały wzięte podczas prac nad projektem tego obiektu.
Obciążenia
Jedną z podstawowych funkcji wiatrochronu jest stworzenie bariery, która będzie odporna na duże obciążenia wiatrem, które występują na tej wysokości. Szacuje się, że jest ona narażona na ciśnienie wiatru o wartości 4,7 kPa i ssanie wiatru o wartości 3,4 kPa. Jako 3-metrowy szklany wspornik o dużym obciążeniu, kluczowe znaczenie ma kontrolowanie ugięcia i zapewnienie solidnej konstrukcji.
Zarówno szklana podłoga tarasu, jak i okno „w burcie” zostały zaprojektowane dla obciążeń równomiernych 4,8 kPa na powierzchniach poziomych oraz dla obciążeń skupionych 1,3 kN na powierzchniach 50 x 50mm, zgodnie z wymaganiami normy ASCE 7-05 i przepisów budowlanych (Kodeksu Budowlanego) w Nowym Jorku.
Dostęp
Platforma widokowa została zbudowana w systemie modułowym. Moduły o wadze do 35 000 kg zmontowane zostały we Włoszech, następnie wysłano je do Nowego Jorku i podniesiono je za pomocą dźwigu na wysokość 335 m i zainstalowano razem na budynku.
Gdy konstrukcja tarasu widokowego została już zainstalowana, nie było żadnej możliwości (żadnej dodatkowej platformy montażowej lub wysuwanego podestu), która zapewniałaby dostęp do obu stron wiatrochronu.
W związku z tym dostęp do instalacji, wymiany i konserwacji odbywa się tylko od strony tarasu oraz z ograniczonym dostępem od strony zewnętrznej z wykorzystaniem specjalistycznych maszyn do konserwacji elewacji.
Jako charakterystyczny element budynku istotne było, aby przyszli wykonawcy mogli zamontować konstrukcję z zachowaniem restrykcyjnych tolerancji. Możliwość uszkodzenia odsłoniętych krawędzi i powłok oznacza, że należy uwzględnić wymianę paneli.
Mając to na uwadze, firma sbp opracowała już w fazie projektowej opracowała szczegółowe wytyczne do montażu i wymiany paneli. Szklana podłoga tarasu ma dostęp ze wszystkich stron i jest prawie pozioma, z minimalnym tylko nachyleniem dla odprowadzania wody.
Dlatego też nie ma takich trudności z montażem jak w przypadku innych konstrukcji. Jednak spodziewany na górnej powierzchni intensywny ruch pieszy oznacza, że wykończenie powierzchni może ulec zniszczeniu (zużyciu) po ciągłym użytkowaniu.
Mikropęknięcia inicjowane i propagowane1 przez zarysowania na powierzchni szkła prowadzą do uszkodzenia ściskanej warstwy szkła obrabianego termicznie i ostatecznie pęknięcia całej tafli szkła. W przypadku uszkodzenia tafli wierzchniej w laminacie wielowarstwowym konieczna jest wymiana całego laminatu.
Na wczesnym etapie projektowania rozważano pomysł zastosowania zdejmowanej/usuwalnej warstwy lub całego laminatu. Pomysł ten jest stosowany w niektórych szklanych podłogach zamontowanych wewnątrz pomieszczeń, ale nie był odpowiedni dla omawianej szklanej podłogi na tarasie zewnętrznym.
Nie było to realizowane z kilku powodów:
- trudności w formowaniu hermetycznego uszczelnienia (dla przeniesienia obciążenia) na miejscu podczas wymiany
- zwiększonego ugięcia
- warstwy monolityczne są mniej bezpieczne i nie są wystarczające konstrukcyjnie dla ssania wiatru i skoncentrowanych obciążeń użytkowych
Okno „w burcie” tarasu miało podobne parametry konstrukcyjne jak wiatrochron, a dostęp do niego był możliwy również tylko od wewnątrz. Ustalono kolejność montażu poszczególnych elementów –najpierw zostały zamontowane panele podwieszane, ponieważ wymagały miejsca do obracania w ograniczonej przestrzeni wewnętrznej. Po ich zamontowaniu, szklana podłoga uzupełnił strukturę, a konstrukcja została uszczelniona.
Przejrzystość jest kluczowa dla wszystkich tych szklanych konstrukcji, dlatego też oczekuje się ich regularnego czyszczenia. Nie zastosowano powłok samoczyszczących na bazie tlenku tytanu ze względu na możliwość ich uszkodzenia/degradacji w okresie eksploatacji szkła oraz konieczność wykorzystania powierzchni zewnętrznych dla nałożenia różnych produktów powłokowych.
Tolerancje i regulacje
Ustawienie (wyrównanie) dużych, pochyłych powierzchni szklanych wiatrochronu przy dostępie tylko z jednej strony stanowiło wyzwanie dla montażystów. Dlatego też w projekcie zaznaczono, że wymagany jest wysoki stopień możliwości regulacji umiejscowienia szklanych paneli.
Oczekiwano mniejszego od 25 mm odchylenia we wszystkich kierunkach od wzniesionej głównej konstrukcji stalowej, która podtrzymuje wiatrochron. Regulację pionową i poziomą zapewniają odpowiednio podkładki i otwory podłużne/szczelinowe w płycie pod elementem skrzynki. Bloki ustalające umieszczone wewnątrz „buta” (uchwytu mocującego) umożliwiają drobne regulacje.
Przepisy budowlane
Częstym problemem dla projektantów szkła strukturalnego jest fakt, że przepisy budowlane mogą nie zawierać odpowiednich szczegółowych wytycznych i dlatego konstrukcje takie muszą być projektowane od podstaw.
Norma ASTM E1300 nie wymaga stosowania warstw dodatkowych/nadmiarowych w szkle pionowym, takim jak wiatrochron. Jednakże, bazując na wcześniejszych doświadczeniach i niepewnej lokalizacji, konstrukcja szklana została zaprojektowana tak, aby wytrzymać obciążenia stanu granicznego nośności SGN nawet przy uszkodzeniu jednej warstwy (np. górnej tafli szkła).
Zgodnie z normą ASTM E2751, zewnętrzne i wewnętrzne podłogi powinny być zaprojektowane w taki sposób, aby były odpowiednio wytrzymałe również w przypadku pęknięcia jednej z warstw (tafli) szkła. Ze względu na nieuniknione zarysowania powierzchni i mikropęknięcia spowodowane przez użytkowników, warstwa wierzchnia również nie była traktowana jako warstwa konstrukcyjna. Jednakże to ugięcia, a nie naprężenia, miały główny wpływ na zaprojektowaną strukturę warstw szkła.
Intencja architektoniczna
Założenia architektoniczne dotyczące budowli wskazywały, w jaki sposób powinny być wykonywane szklane konstrukcje. Celem wszystkich elementów była maksymalna przezroczystość, dlatego też wybrano szkło o niskiej zawartości żelaza (szkło Low Iron).
Folia SentryGlas®Plus (SGP) została wybrana jako materiał międzywarstwy w szkle laminowanym z następujących powodów:
- odporność na działanie promieniowania UV i wody,
- zmniejszone ryzyko rozwarstwienia,
- wysoki poziom przenoszenia ścinania między warstwami szkła, co pozwala na cieńsze szyby,
- wytrzymałość resztkowa po pęknięciu szkła.
Na wczesnym etapie realizacji projektu zdecydowano, że na szklany wiatrołap zostanie nałożona powłoka antyrefleksyjna. Aby uzyskać najlepszą efektywną przejrzystość, obie zewnętrzne powierzchnie laminatu miały być powlekane.
Biorąc pod uwagę, że szklana podłoga tarasu będzie narażona na deszcz, jej powierzchnia musi być antypoślizgowa, aby chronić bezpieczeństwo użytkowników. Przepisy amerykańskie nie są w tym zakresie restrykcyjne/szczegółowe, a istnieje wiele różnych dostępnych analiz i badań, z których większość prowadzi do wniosku, że to inwestor musi wybrać ostateczną konfigurację.
Sprawdzono różne produkty antypoślizgowe, takie jak powierzchnie szklane grawerowane laserowo, trawione kwasem i z nałożoną frytą ceramiczną (wzór nakładany metodą sitodruku z użyciem farby ceramicznej, spiekany ze szkłem w czasie hartowania szkła). Zostały one ocenione na podstawie takich czynników, jak trwałość, przezroczystość i poziom antypoślizgowości.
Ostatecznie wybrano powierzchnię z frytą ceramiczną. Próbki zostały sprawdzone na podstawie określonych cech:
- przezroczystość szkła,
- skuteczność na krawędzi,
- jakość powłok.
Systemy konstrukcyjne
Poniżej poziomu/płaszczyzny płyty podłogowej tarasu znajduje się podstawa pod wiatrochron. Ponieważ szklany wiatrochron będzie narażony na duże obciążenie wiatrem, „but” mocujący tafle szklane został zaprojektowany tak, aby był możliwie najbardziej sztywny.
Ze względu na potrzebę zastosowania grubego, sztywnego „buta”, zamiast materiałów, które zwykle można zastosować do mniejszych balustrad, takich jak stal nierdzewna lub aluminium, wybrano ocynkowaną stal zwykłą/konstrukcyjną. Konstrukcja nośna została zaprojektowana tak, aby zminimalizować rotację tafli szkła – ponieważ każdy obrót krawędzi szkła w bucie jest zwielokrotniony w górnej części szkła.
Pomiędzy stalą o grubości 40 mm a szkłem zalecono zastosowanie żywicy i łącznika Hilti HY-70. Materiał ten pozwala na przenoszenie sił ściskających ze szkła na „but” i nie tworzy wiązania chemicznego z powierzchnią szkła.
Wybór zaprawy cementowej do uszczelnienia i mocowania szkła w bucie pozwala na łatwe jej usunięcie w przypadku wymiany. Ponieważ zewnętrzna powierzchnia wiatrochronu jest trudno dostępna, materiał ten pasuje do warunków na placu budowy. Dwie śruby przechodzące przez szybę stabilizują panele przy obciążeniu w płaszczyźnie i działają jako dodatkowa metoda redundancji.
Cały system, w tym warstwy szkła i folie laminujące (określane też jako przekładki lub miedzywarstwy), został przeanalizowany przy użyciu metody elementów skończonych MES w programie Nastran. Element szklany składa się z czterech tafli szkła 12-15-15-12 FT.
Aby zachować wrażenia płaskiej powierzchni i aby uniknąć możliwego oddziaływania/obijania się paneli na szklanych podłogach zarówno tarasu, jak i okna „w burcie”, jako granicę dopuszczalnego ugięcia wybrano L/360. To był aspekt kontrolny przy określaniu szklanych elementów.
Mocowanie wiatrochronu
Pionowe szczeliny pomiędzy sąsiednimi panelami wiatrochronu ustalono na 25 mm. Wielkość ta została wybrana, aby zapewnić bezpieczeństwo użytkowników budynku i zmniejszyć możliwość spadania przedmiotów na ulicę poniżej. Jednak w przypadku wystąpienia SGU (stan graniczny użytkowania) dla naporu wiatru, wolne panele narożne mogą poruszać się o więcej niż ta wielkość.
Aby uniknąć kolizji/zderzania się paneli pod obciążeniem wiatrem, firma sbp zaprojektowała połączenia pomiędzy sąsiednimi panelami narożnymi w celu zmniejszenia ugięcia różnicowego (wzajemnego przemieszczenia). Wczesne opcje projektowe zostały zaprezentowane architektowi i inwestorowi w celu zademonstrowania połączenia paneli w konstrukcyjnie skuteczny i elegancki sposób.
Wybrano wariant/opcję 1 i 2 dla głównego narożnika SE, a wariant 4 dla pozostałych narożników. Chociaż pierwszy szkic opcji 1 przedstawiał pionowy kołek, został on obrócony o 90° w późniejszych wersjach projektu, aby umożliwić łatwiejszy montaż. Taras widokowy, teraz ma nazwę The Edge, został otwarty dla publiczności w 2020 roku.
Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 w Tampere w Finlandii
Eoin Casserly
