Aktualne wydanie

2019 10 oladka

       10/2019

 

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG 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

 

 

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

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

 LiSEC SS Konfig 480x120

 

 GP19-480x105px

 

 GLASS 480X120

 

* Wady wykonawcze metalowo-szklanej zabudowy loggii i balkonów
Data dodania: 20.06.12

Poniżej przedstawiono zagadnienia projektowe i wykonawcze, na które należy zwrócić uwagę w trakcie realizacji systemów zabudowy balkonów i loggii. Przedstawione zagadnienia w dużej mierze odnoszą się do błędów realizacji występujących we wszystkich typach ścian kurtynowych, coraz powszechniej wykorzystywanych w budynkach zarówno użytku publicznego, jak i zabudowie mieszkaniowej.

 

Opracowanie niniejsze powstało na podstawie realizowanych prac eksperckich dla jednego z budynków wielokondygnacyjnych, oddanego do użytku w roku 2007 r. (a więc stosunkowo nowego obiektu), w którym zaczęto obserwować liczne usterki użytkowe systemu oszklenia. Przedmiotowy obiekt jest budynkiem o konstrukcji płytowo-słupowej, w technologii żelbetowego trzonu monolitycznego, usztywnianego ścianami poprzecznymi. Opracowanie powstało z uwagi na występujące samoistnie wypadanie hartowanych tafli szyb przeszkleń zabudowy balkonów  i loggii w trakcie użytkowania obiektu.

 

Na przestrzeni ostatnich czterech lat stwierdzono wypadnięcie w ten sposób kilkudziesięciu tafli szklanych. Po pierwszych uszkodzeniach wykonano opracowania weryfikujące przyczyny awarii i na podstawie ówczesnych dokumentów i wiedzy technicznej, stwierdzono, że obserwowane zniszczenia mają charakter sporadyczny i są skutkiem niewłaściwego użytkowania przedmiotowej zabudowy. Podstawą tych stwierdzeń był fakt dokonania obliczeń tafli szklanych przeszkleń z uwzględnieniem normowego obciążenia wiatrem i stwierdzenie spełnienia przez przeszklenie dopuszczalnych warunków Stanu Granicznego Nośności oraz Stanu Granicznego Użytkowania dla szyb.

 

Jednak ilość i specyfika kolejnych uszkodzeń tych elementów budynku była zbyt duża w trakcie jego  kolejnego okresu użytkowania, by uznać ją za przypadkową. W związku z powyższym Inwestor zwrócił się do Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej o kompleksową ekspertyzę obejmującą całość zagadnień związanych z pracą przedmiotowego systemu szklenia. Rodzaj przeszkleń przedstawiono na fot. 1.

 

Przedmiotową zabudowę zrealizowano w systemie „Solarlux SL 25”. Jest to system oparty na ustroju słupowo-ryglowym, z podparciem tafli szkła na dwóch krawędziach (dolnej i górnej). Przy czym w założeniach  to górna krawędź mocowania tafli przejmuje obciążenie pionowe od ciężaru własnego i poziome od wiatru, dolne mocowanie przejmuje jedynie obciążenie od parcia (ssania) wywołanego oddziaływaniami wiatru.

 

Tafle szklane o szerokości 800 mm, zaprojektowano i wykonano z tafli 8 mm szkła hartowanego ESG. Osadzono je w poziomych profilach stopowych – aluminiowych – będących elementami jezdnymi po szynach-prowadnicach. Specyfiką tego systemu jest możliwość otwierania z przesuwem poszczególnych skrzydeł, tak by możliwe było osłonięcie całkowite lub całkowite otwarcie przestrzeni balkonu, loggii.

 

Górna szyna jezdna podwieszona została do stropu, dolna oparta na słupkach wsporczych „balustrady” – części nieprzeziernej zabudowy. Sposób mocowania szkła przedstawiono na fot. 2. Widać na nim taflę szklaną utrzymywaną poprzez listwę dociskową, stabilizowaną zaciskami z wkrętami f6. Na rysunku tym widać również taflę szklaną ściśle dolegającą do spodniej części gniazda (metalu), bez wymaganej separacji 5-10 mm. Uwagę zwraca dodatkowo fakt bezpośredniego dolegania szkła do metalu, bez jakichkolwiek przekładek gumowych.

 

Fot. 1. Przedstawienie typu opisywanej zabudowy balkonu.

 

Dokonując oględzin zabudów stwierdzono, że szkło utrzymywane jest w okuciach bez należytych przekładek. Co prawda opierano się na przekonaniu, że z uwagi na podobne moduły sprężystości „E” dla stopów aluminiowych i szkła, możliwa jest bezpośrednia współpraca tych materiałów, ale pomijano różnice w kruchości obu materiałów (współczynnik Poissona jest dla tych materiałów różny). Szczególnie kruche jest szkło hartowane, wrażliwe na lokalne uszkodzenia czy odpryski. Mocowanie tafli szklanych nie powinno być projektowane z bezpośrednim dociskiem do elementów metalowych (jak pokazuje fot. 2). Błędy wykonawcze wykryto po rozebraniu profilu jezdnego i demontażu listwy dociskowej.

 

Hartowane szkło pęka od przeciążenia, ale jest również bardzo wrażliwe na lokalne uszkodzenia i nieciągłości w systemie mocowań. Jak stwierdzono na przykładzie z fot. 2, uchwytów dociskających tafle szklane było za mało i były one rozmieszczone nierównomiernie.

 

Mała ilość docisków i ich nierównomierność rozmieszczenia musiały skutkować większymi wartościami sił docisku do szkła, co nawet przy normowym oddziaływaniu wiatru skutkowało pękaniem szyb. O przypadkowości mocowań docisków świadczą widoczne na fot. 2 wgniecenia na listwie po kolejnych „próbach” dokręcenia zacisku w innym miejscu na jej długości. Zaciski takie, aby pracowały równomiernie powinny być montowane nie rzadziej, niż co 10-15 cm, przy szerokości tafli 800 mm jednoznacznie określa to ich wymaganą liczbę na min. 6-8 sztuk. W przeglądanej konstrukcji stosowano jedynie po 4 zaciski na całej szerokości tafli. W trakcie przeglądu wykryto, iż wiele łączników niedokręconych, w części otworów brakuje śrub, a te które są zostały wkręcone zbyt mocno.

 

 

Fot. 2. Widok okucia i mocowania szkła w profilu jezdnym. Widać różnice w rozmieszczeniu elementów dociskowych (po prawej stronie).

 

 

Fot. 3. Po lewej szczegół z dokumentacji „SOLARLUX SL 25” z odpowiednią separacją na uszczelce, po prawej źle spasowana tafla, która dociska i wygniata przedmiotową uszczelkę

 

Fot. 4. Pęknięta i pozostająca w pierwotnej formie tafla przeszklenia 

 

Kolejnym błędem montażu było niewłaściwe osadzenie i spasowanie elementów systemowych. Patrząc na oryginalne rozwiązania systemowe, wyraźnie widać (fot. 3), że dolna cześć oszklenia, z listwą prowadnicy,  jest umieszczona nad uszczelką włoskowatą na wysokości zapewniającej prześwit równy 5,0 mm.

 

Po prawej stronie widać, że w rzeczywistej konstrukcji warunek ten nie jest dochowany. Odległość pomiędzy profilami jest praktycznie zerowa, zaś uszczelka jest w całości zgnieciona przez górny profil. Docisk ten jest spowodowany zbyt dużą wysokością tafli szkła, złym montażem listew – bez odpowiednich dylatacji pomiędzy systemem metalowo-szklanym a konstrukcją budynku.

 

To złe spasowanie skutkuje brakiem możliwości kompensowania użytkowych ugięć wsporników balkonowych.

 

Obliczone ugięcia wsporników balkonowych sięgały 15 mm i były nierównomierne na długości obrysów balkonów, z racji niesymetrycznego ich zamocowania.

 

Patrząc na fot. 3 widać, że takiego ugięcia nie jest w stanie skompensować element fasadowy, a wartości generowanych sił ściskających w tafli szklanej stanowią z pewnością jedną z istotniejszych przyczyn powstawania pęknięć tafli. O fakcie generowania pęknięć pochodzących od innych przyczyn niż przeciążenie powłoki działaniem wiatru świadczy fakt, że zniszczone tafle pozostawały po zniszczeniu na swoim miejscu (fot. 4).

 

Analizując hipotetyczne przyczyny powstałych uszkodzeń należy stwierdzić, że wartości ugięć podstawowych elementów konstrukcji budynków, dopuszczane na poziomie L/250 lub L/350 przez normy obliczeniowe, przy współpracy z elementami fasadowymi są często niewystarczające. Obecnie przyjętym poziomem ugięć akceptowalnym w przypadku współpracy metalowo-szklanych ustrojów fasadowych i podstawowej konstrukcji budynku jest L/480.

 

W nowo planowanych realizacjach, w wielu przypadkach, elementy bezpośrednio oddziałujące na konstrukcję metalowo-szklaną taki restrykcyjny poziom dopuszczalnych ugięć od obciążeń normowych zachowują. Szczególnie należy normowe ugięcia ograniczać do wspomnianych wartości L/480, gdy typem projektowanej przegrody metalowo-szklanej jest „ściana wypełniająca”, w większym stopniu wrażliwa na wzajemne przemieszczenia elementów konstrukcji budynku.

 

Zgodnie z logiką działania obciążenia wiatrem realizującego nadmierne dla tafli szklanej parcie lub ssanie, w chwili przeciążenia elementu i jego pęknięcia, całość powinna zostać natychmiastowo „wessana” lub wypchnięta ze swojej osi (płaszczyzny). W analizowanym obiekcie w wielu przypadkach tafle po pęknięciu pozostawały przez kilka dni w swoim pierwotnym położeniu. Potwierdza to hipotezę o innych przyczynach (lokalnych zaburzeniach) powstawania pęknięć, dla których wiatr nie był czynnikiem inicjującym proces zniszczenia. Takim czynnikiem inicjującym mogły być np. wcześniejsze uszkodzenia mechaniczne tafli szkła zamocowanego w okuciach lub ich niedokładność montażu (fot. 5).

 

Dla oceny poprawności przyjętych hipotez o przyczynach powstawania uszkodzeń rozpatrywanej szklanej zabudowy opracowano modele numeryczne wybranych elementów systemu. Poprzez komputerową analizę MES odtworzono procesy zachodzące w wybranych elementach szkła i okuć. Zapoznano się z rozkładami i sposobem propagacji naprężeń w analizowanych elementach systemu. Potwierdzono występowanie miejsc koncentracji. Przeanalizowano procesy przebiegu zniszczenia w taflach szklanych. Określono miejsca inicjacji oraz sam przebieg procesu zniszczenia.

 

Analiza komputerowa MES umożliwia podgląd dynamicznego przebiegu procesu wzrostu stanu naprężeń w rozpatrywanym elemencie, podgląd zjawiska zniszczenia z określeniem jego przebiegu. Jest w tym przypadku najbardziej wiarygodnym narzędziem obliczeniowym do wyznaczenia poziomu wytężenia analizowanych elementów fasady. Nie ma bowiem dla prezentowanych detali wiarygodnych algorytmów obliczeniowych, normowych, które byłyby w stanie odzwierciedlić bardziej precyzyjnie proces przyrostu stanu naprężenia w obliczanych elementach.

 

W pierwszym etapie analiz zajęto się całym przeszkleniem, jako taflą szklaną, obciążoną globalnie ciśnieniem od działania wiatru i dodatkowymi wpływami od przemieszczeń krawędzi wsporników żelbetowych płyt balkonowych. W analizowanej tafli  wyodrębniono miejsca podparcia, zgodnie z rozmieszczeniem rolek przesuwnych na krawędzi górnej i dolnej przeszklenia. Model składał się z dwóch zasadniczych części materiałowych: panelu szklanego oraz profili aluminiowych. Geometrię modelu komputerowego stworzono przy pomocy oprogramowania ABAQUS CAE. Na rys. 1 pokazano w sposób przyrostowy propagację naprężeń występujących w tafli szklanej. Obrazy przedstawione na przywołanym rysunku obrazują sposób propagacji zniszczenia tafli, z wyodrębnieniem miejsc inicjacji pęknięć.

 

Dla potwierdzenia na fot. 6 pokazano rozkład propagacji zniszczenia zaobserwowany na jednej z tafli szklanych. Widać na nim zgodność z obrazem numerycznego obrazu zniszczenia tafli szklanej. Na tym rysunku można wyraźnie wyodrębnić główne kierunki propagacji pęknięcia.

 

 

Fot. 5. Wystająca tafla szkła i źle spasowane uszczelki (po lewej). Po prawej właściwe wykończenie w obecnie stosowanym rozwiązaniu systemowym „SOLARLUX SL 25”

 

Rys. 1. Patrząc od lewej, kolejne fazy propagacji procesu zniszczenia tafli szklanej od działania wiatru, z elementami błędów wykonawczych wykrytych na obiekcie. Po prawej poglądowa (skala naprężeń na wektorach głównych) mapa rozkładu naprężeń głównych

 


Obraz taki pomaga przy ustaleniu przyczyny uszkodzenia tafli szklanej. Szczegółowa analiza detalu zaprezentowanego na fot. 6 odzwierciedla proces inicjacji zniszczenia tafli szklanej od punktowego nacisku na taflę szkła wywieranego przez element okucia.

 

Analizując mapę naprężeń głównych zamieszczoną na rys. 1. można zaobserwować miejsca koncentracji naprężeń, które są zgodne z warunkami podparcia, w rzeczywistości zrealizowanymi na obiekcie. Kolor szary w rozkładzie map obrazuje strefy zniszczenia tafli szklanej (przekroczenie naprężeń dopuszczalnych). Inicjacja lokalna zniszczenia prowadzi w tafli szkła hartowanego do charakterystycznego w swojej formie potrzaskania szkła widocznego na fot. 6.

 

Kolejny etap analizy numerycznej poświęcono detalowi okucia. W pracy skupiono się na zachowaniu się tafli szkła utrzymywanej poprzez element okucia zinwentaryzowany na obiekcie i dla porównania model identycznego okucia ale wyposażonego w dodatkową uszczelkę utrzymującą taflę szklaną.

 

Nadmienić należy, że w najnowszych rozwiązaniach katalogowych takie uszczelki znajdują się w asortymencie systemu. Dokonując porównania pracy elementu bez uszczelki i z uszczelką, bez trudu stwierdzono, że uszczelka znacznie zmniejsza efekt koncentracji naprężeń, których wartości lokalnie istotnie przekraczają poziom dopuszczalny. Ogranicza możliwość wystąpienia inicjacji pęknięcia szkła i zwiększa bezpieczeństwo szklenia.

 

Po lewej stronie na rys. 2, pokazano rozkład naprężeń w przekroju nie zawierającym uszczelki. W przekroju z prawej strony przeanalizowano systemowe okucie wyposażone w uszczelkę gumową. Rozkład naprężeń w przekroju z uszczelką jest bardziej równomierny, pól z zagrożeniami przekroczenia stanu dopuszczalnego naprężenia w kruchej tafli szkła nie zaobserwowano.

 

Na rysunku po prawej stronie naprężenia i odkształcenia kumulują się w obrębie gumowej uszczelki, która jako materiał sprężysty, po zdjęciu obciążenia z tafli szklanej powraca do swego pierwotnego kształtu. Podkładka gumowa zabezpiecza więc okucie i taflę szklaną przed miejscowym przeciążeniem i niekontrolowanym dociskiem metalu do szkła. Współcześnie jest rozwiązaniem stosowanym we wszystkich typach fasad.

 

Przedstawione w niniejszym artykule błędy wykonawcze odnoszą się nie tylko do zabudowy balkonów, logii i tarasów, są również obecne w tradycyjnych ustrojach słupowo-ryglowych ścian metalowo-szklanych. Wiążą się z niedbałym wykonawstwem, nierzetelnym nadzorem ale często również i nieznajomością zasad współpracy wzajemnie powiązanych zróżnicowanych pod względem materiałowym elementów ustroju metalowo-szklanego oraz konstrukcji podstawowej budowli.

 

 

Fot. 6. Wyodrębnione miejsce zniszczenia, odpowiadające przeprowadzonej analizie numerycznej. Zgodny schemat i sposób rozkładu propagacji pęknięć

 

Rys. 2. Obraz sposobu pracy detalu okucia bez uszczelki gumowe (po lewej) i z uszczelką (po prawej) 

 

Nadmienić należy, ze na potrzeby analizy numerycznej panel przeszklenia podzielono na 9875 elementów powłokowych czterowęzłowych o liniowych funkcjach kształtu i całkowaniu zredukowanym, w dokumentacji ABAQUS’a oznaczonych symbolem S4R.

 

Wyniki dla tafli szkła zaprezentowano dla elementów powłokowych, choć w ramach prowadzonych badań podjęto również próby modelowania tafli szklanej przy wykorzystaniu elementów bryłowych. Dla analizowanych paneli szklanych, większych różnic w otrzymywanych wynikach nie stwierdzono. Model powłokowy szklanej tafli natomiast pozwala na dużo szybszą analizę, jest mniej czasochłonny, przez co zwiększa możliwość modyfikowania i rozpatrywania sprawdzanych elementów w różnych konfiguracjach.

 

Każdy profil aluminiowy natomiast podzielono na 4000 elementów trójwymiarowych (bryłowych), dwudziestowęzłowych o kwadratowych funkcjach kształtu i całkowaniu zredukowanym, w dokumentacji ABAQUS’a oznaczonych symbolem C3D20R.

 

dr inż. Maciej Cwyl

Politechnika Warszawska,
Wydział Inżynierii Lądowej

 

dr inż. Paweł Król
Politechnika Warszawska
Wydział Inżynierii Lądowej

 

 

Literatura
[1] ABAQUS Version 6.6, Documentation Collection, Hibbitt, Karlsson & Sorensen Inc., Pawtucket, USA, 2006,
[2] PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie.
[3] PN-EN-13830:2005: Ściany osłonowe. Norma wyrobu.
[4] Cwyl M.: Rozwój konstrukcji powłokowych fasad metalowo-szklanych. „Świat Szkła” 1/2012, s. 21-23.

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

więcej informacj: Świat Szkła 4/2012