Aktualne wydanie

ss 2018 12 okladka

Swiat-Szkla-V1B-BANNER-160x600-PL-BAUEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

 konferencja 2018 banner

konferencja 12 kwietnia 2018 1a

baner-2-krzywe

baner konferencja 12 2017

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 RODO

  

 lisec SS FastLAne

 

 windoor tech550x120

 

 

Szklane ściany nośne
Data dodania: 29.01.11

Jednym z najciekawszych trendów architektury XX wieku było wznoszenie tzw. transparentnych pawilonów, czyli budowli, których ściany zewnętrzne wykonane były ze szkła, ale jednocześnie wolnych od stalowych czy żelbetowych ram nośnych. W tym przypadku szklane panele stanowiły pełnoprawne konstrukcyjne elementy, których głównym zadaniem było podpieranie dachu, przenoszenie obciążeń od wiatru oraz usztywnienie bryły budynku.

 

W związku z tym elementy te pracowały w trójosiowym stanie naprężenia – poddane były zginaniu (wiatr działający prostopadle do powierzchni ściany), ścinaniu (obciążenia poziome od wiatru działające w płaszczyźnie ściany) oraz ściskaniu (obciążenie ciężarem własnym konstrukcji dachu oraz śniegiem). Artykuł przedstawia przykład realizacji takiej konstrukcji oraz przybliża aspekty projektowania szklanych paneli.

 

Wprowadzenie
Koncepcja „szklanych domów” była silnym nurtem w kręgu zainteresowań architektów XX wieku. O ile tradycyjna architektura kładła główny nacisk na wygrodzenie pewnej przestrzeni, stworzenie bariery chroniącej wnętrze budynku przed otoczeniem, o tyle idea transparentnych pawilonów przeciwstawiała się tym założeniom. Polegała ona na takim zaprojektowaniu konstrukcji budynku, aby wprowadzić jak najwięcej naturalnego światła do wnętrza, stworzyć wrażenie otwartej przestrzeni, dzięki której granica między wnętrzem a otoczeniem była jak najbardziej subtelna. Prekursorem tej idei był Le Corbusier - znany francuski architekt, który w 1914 r. zaprezentował koncepcję budynku znanego pod nazwą Maison Domino (rys. 1).

 

Rys. 1. Maison Domino, Le Corbusier, 1914 [źródło: http://www.afewthoughts.co.uk/flexiblehousing/]

 

Projekt charakteryzował się brakiem ścian nośnych, zamiast których architekt zaproponował żelbetowe smukłe słupy podpierające po obwodzie płyty stropowe. Ważnym elementem były także schody umożliwiające przemieszczanie się między kondygnacjami.

 

Rezydencja w Santa Fe
Jednym z przykładów takiego podejścia do architektury jest rezydencja zrealizowana na zboczu jednego z wzniesień łańcucha gór Sangre de Christo w pobliżu miasta Santa Fe w Nowym Meksyku (fot. 1).

 

Fot. 1. Rezydencja w Santa Fe, Nowy Meksyk [źródło: [2]]

 

Właściciele rezydencji – miłośnicy sztuki oraz idei szklanych domów – zapragnęli wybudować dom, który będzie realizacją postulatów Le Corbusiera oraz w jak najmniejszym stopniu wpłynie na okolicę. Jednym z najciekawszych elementów tej rezydencji jest szklana ściana o wymiarach 3,5x8,6 m znajdująca się w północno-zachodnim skrzydle domu. Podobnie jak żelbetowe ściany nośne, przenosi ona obciążenia ze stalowej konstrukcji dachu na żelbetowe fundamenty. W projekcie zastosowano rozwiązania, które pozwoliły uniknąć widocznych połączeń paneli oraz ukryć wszelkie mocowania szklanych płyt.

 

Proces projektowania szklanej ściany był bardzo złożony i czasochłonny. Początkowo rozważano wykorzystanie szyb zespolonych, ale takie rozwiązanie wiązałoby się ze zbudowaniem podwójnej fasady: jednej przenoszącej obciążenie i drugiej tworzącej warstwę izolującą. W takim wypadku ramki dystansowe oraz uszczelnienia byłyby widoczne, co burzyłoby wcześniej przyjętą koncepcję. Z tych powodów odrzucono ten pomysł i zdecydowano się na ścianę jednowarstwową. Pomimo tego, że możliwe było wykonanie paneli o szerokości 2,0 m, ostatecznie zdecydowano się na siedem paneli o szerokości 1,2 m.

 

Dwa argumenty przemawiały za takim rozwiązaniem. Pierwszym z nich był montaż, bardzo trudny w przypadku tak szerokich, a tym samych ciężkich szklanych płyt. Drugi związany był z zapewnieniem tzw. nośności poawaryjnej - chodzi o sytuację, w której jedna tafla ulega zniszczeniu, a pozostałe muszą przenieść dodatkowe obciążenie. Szczeliny między panelami o szerokości 1,0 cm wypełnione zostały bezbarwnym silikonem.

 

Zastosowanie szklanych elementów podpierających miało duży wpływ na konstrukcję dachu. Jego masa musiała być tak dobrana, aby ssanie wiatru nie spowodowało odrywania fragmentów dachu, a tym samym nie generowało naprężeń rozciągających na podporze, tak niebezpiecznych dla szkła. Dodatkowo, powyżej rzutu ściany zastosowano ciągłą, stalową belkę, która miała na celu uniknięcie przekazywania sił skupionych na szklaną ścianę. Ponadto, rzut dachu wysunięty został poza obrys ścian, co miało na celu zredukowanie momentu skręcającego w obwodowej belce nośnej.

Każdy szklany panel składa się z trzech warstw szkła. Najważniejsza, warstwa nośna jest laminatem trzech tafli szkła hartowanego o grubości 19,0 mm. Po obydwu jej stronach zastosowano dodatkowo taflę ochronną o grubości 5,0 mm, także wykonanej ze szkła hartowanego. Jako materiał spajający we wszystkich miejscach zastosowano folię PVB złożoną z czterech warstw o łącznej grubości 1,52 mm. Jak dowiodły obliczenia statyczno-wytrzymałościowe zastosowanie siedmiu paneli zapewniało dostateczną nośność poawaryjną całego układu, a nośny element wykonany ze szkła laminowanego wysoki poziom bezpieczeństwa na poziomie 3.

 

Zewnętrzne tafle ochronne nie były potrzebne ze względów wytrzymałościowych więc wykonano je krótsze o 6,0 mm, co zapewniało osiowe przekazywanie obciążenia na stalową podwalinę. Ugięcie spowodowane oddziaływaniem wiatru w projekcie ograniczono do 1/150 wysokości, co daje 2,3 cm na całą wysokość ściany.

 

Aby zapewnić poprawne mocowanie paneli szklanych w projekcie zastosowano głębokie, stalowe profile w kształcie litery U. W górnej części ukryte są one w konstrukcji dachu, w dolnej zaś umieszczone poniżej posadzki i zasłonięte. Z powodu braku możliwości zamówienia w wytwórni profilu o odpowiednim kształcie zastosowano dwa kątowniki nierównoramienne, zwrócone ku sobie i skręcone.

W celu uniknięcia niekontrolowanych przesuwów paneli w „butach” zastosowano neoprenowe kliny. Każde stalowe mocowanie po obydwu stronach posiada parę stalowych gwintowanych trzpieni, zlokalizowanych centralnie w rozstawie połowy rozpiętości.

 

Takie rozwiązanie zapewnia poprawne przekazywanie obciążeń z dachu na panel i dalej na fundament oraz pozwala na rektyfikację paneli w trakcie montażu oraz okresowych przeglądów. Trzpienie w górnej części zaopatrzone są w sprężyny, które zapewniają równomierne obciążenie paneli, oraz możliwą korektę po miesiącach eksploatacji (fot. 2). Dodatkowo, w przypadku nierównomiernego obciążenia dachu uczestniczą w redystrybucji sił.

 

Fot. 2. Rozwiązanie górnego mocowania szklanych paneli [źródło: [2]]

 

Na potrzeby projektu wykonano kilka mniejszych oraz jeden testowy panel w skali 1:1, które poddano testom wytrzymałościowym. Pełnowymiarowy panel obciążany był zwiększającym się obciążeniom ściskającym przy dodatkowym obciążaniu poziomym symulującym oddziaływanie wiatru. Po wykonaniu testów panel został zamontowany w ścianie rezydencji. Mniejsze modele obciążane były aż do utraty nośności.

 

Aspekty projektowe
W większości przypadków szklane panele (a właściwie tarcze obciążone w swojej płaszczyźnie) ulegają zniszczeniu z powodu wyboczenia. W zależności od rodzaju obciążenia możemy wyróżnić podstawowe przypadki wytrzymałościowe: tarcze poddane ściskaniu w płaszczyźnie, tarcze ścinane w płaszczyźnie, równoczesne ściskanie i ścinanie w płaszczyźnie oraz najbardziej złożony przypadek – tarcza obciążona w swojej płaszczyźnie (ściskanie + ścinanie) oraz do niej prostopadłej (np. oddziaływanie wiatru). Pierwsze trzy przypadki są dość dobrze opisane i przebadane, natomiast ostatni wciąż pozostaje przedmiotem badań i analiz.

 

Rys. 2. Prostokątne, szklane panele poddane obciążeniom ściskającym oraz ścinającym

 

Siła krytyczna (przypadek ściskania w płaszczyźnie), która powoduje wyboczenie monolitycznej, prostokątnej szklanej płyty może być obliczona z analitycznego modelu bazującego na teorii sprężystości (rys. 2):

 

gdzie:
α = a /b - wymiary płyty (Rys. X),
m - liczba połówek fali sinusa w kierunku x,
t - grubość szkła,
b - szerokość elementu,
E- moduł sprężystości,
υ - współczynnik Poissona.

 

Podobnie może być obliczona siła krytyczna dla monolitycznej szklanej płyty poddanej ścinaniu w płaszczyźnie (rys. 2):

gdzie:
E, t, υ, b- jak wyżej,
kτ - współczynnik wyboczenia spowodowanego ścinaniem,
który można przyjmować jako:

kτ = 5,34 + 4,00 / α
       4,00 + 5,34 / α

dla: α < 1,0
dla: α ≥ 1,0

 

Należy zaznaczyć, że powyższe wartości obciążeń nie są równoznaczne z wyczerpaniem nośności szklanych płyt i nie mogą być jedynym kryterium podczas wymiarowania takich ustrojów. Krytyczne obciążenia przeszacowują rzeczywistą nośność sztywnych (krępych) płyt i jednocześnie przeceniają nośność płyt wiotkich. Jest to związane z różnym zachowaniem się takich elementów po zaistnieniu zjawiska wyboczenia. Dowodem na to są liczne badania laboratoryjne i symulacje komputerowe szklanych tafli poddanych działaniu czystego ściskania oraz ścinania [3].

 

Istniejące w literaturze propozycje krzywych wyboczenia dla szklanych tafli są niewystarczająco dokładne, aby opisać rozkład naprężeń głównych w takich elementach, głównie z powodu zjawiska tzw. nieliniowości geometrycznej wiotkich tafli szklanych. Z tego powodu budowanie złożonych modeli numerycznych wciąż pozostaje jedyną drogą do uzyskania poprawnych wartości nośności szklanych tafli poddanych obciążeniom ściskającym oraz ścinającym.

 

Jakkolwiek, można znaleźć w literaturze [3] propozycje metod obliczeniowych bazujących na krzywych wyboczenia zbliżonych do przedstawionych w Eurokodzie 3. Autorzy proponują sposób obliczania charakterystycznej nośności paneli szklanych:

- dla płyt poddanych czystemu ściskaniu,

NRk = ρσRk tg

- dla płyt poddanych ścinaniu.

VRk = ρτRk tg

 

W powyższych wzorach zmienna t odnosi się do grubości elementu, b – do szerokości panelu. Współczynnik redukcyjny ρ bazuje na charakterystycznej wartości wytrzymałości szkła na rozciąganie σRk oraz wytrzymałości ze względu na naprężenia ścinające τRk. Dla uproszczenia można przyjmować σRk = τRk. Należy pamiętać także o współczynnikach bezpieczeństwa, stąd ogólny warunek wytrzymałościowy przedstawia się następująco:

NEd ≤ NRk / γM

oraz

VEd ≤ VRk / γM

 

W którym wartości NEd oraz VEd są wartościami obliczeniowymi, a współczynnik γM jest częściowym współczynnikiem bezpieczeństwa.

 

Wartości współczynnika redukcyjnego ρ dla różnych rodzajów obciążenia, geometrii płyt, wstępnych ugięć i warunków podparcia można znaleźć w pracy [3]. Wyniki przedstawione w postaci wykresu bazują na przeprowadzonych symulacjach numerycznych modeli wykorzystujących metodę elementów skończonych.

 

mgr inż. Marcin Kozłowski
www.designmore.pl
Adres poczty elektronicznej jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć.

 

Bibliografia:
[1] Haldimann M., Luible A., Overend M.: Structural use of glass, IABSE-AIPC-IVBH, Zürich, 2008.
[2] DuBois M.: Glass bearing walls – a case study, GPD, Tampere, 2007.
[3] Luible A.: Stabilität von Tragelementen aus Glas, These EPFL, Lausanne, 2004.

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

 

inne artykuły tego autora:

- Szklane ściany nośne , Marcin Kozłowski, Świat Szkła 1/2011

- Północnoamerykańskie normy do projektowania szkła ,  Marcin Kozłowski, Świat Szkła 12/2010

- Europejskie normy do wymiarowania szkła, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 9/2010

- Szklane schody w Toronto, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 7-8/2010

- Realizacje, które inspirują, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 6/2010

- Właściwości i odmiany szkła konstrukcyjnego, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 5/2010

- Szkło jako materiał konstrukcyjny , Marcin Kozłowski, Świat Szkła 4/2010

 

patrz też:

- Projektowanie bezpiecznych przeszkleń w ścianach osłonowych ze szkłem , Artur Piekarczuk, Świat Szkła 2/2010

- Weryfikacja badawcza numerycznych metod obliczeń szyb zespolonych , Artur Piekarczuk,  Świat Szkła 10/2008

- Wpływ warunków podparcia na wyniki obliczeń ugięć szyb wielkoformatowych pod obciążeniem równomiernie rozłożonym, Artur Piekarczuk, Świat Szkła 4/2008

- Metoda projektowania szyb zespolonych, Artur Piekarczuk, Świat Szkła 3/2008

- Metoda obliczeń ugięć okien PVC pod obciążeniem wiatrem , Artur Piekarczuk, Świat Szkła 7-8/2006 

- Ściany osłonowe z oszkleniem mocowanym mechanicznie Cz. 2, Artur Piekarczuk, Świat Szkła 6/2005

- Ściany osłonowe z oszkleniem mocowanym mechanicznie Cz. 1, Artur Piekarczuk, Świat Szkła 5/2005

- Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część 2 , Zbigniew Respondek, Świat Szkła 1/2005

- Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część 1 , Zbigniew Respondek, Świat Szkła 12/2004 

 

więcej informacji: Świat Szkła 1/2011

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne