Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 04 okladka

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

heroal 2018 Banner C50VSZ 750x150 PL mit-Rahmen1

 

swiatszkla 750x240 1  

  

 LiSEC SS Konfig 480x120 

 

 gpd2019 480x100

 

 

Hybrydowe konstrukcje ze szkła
Data dodania: 21.03.19

Zarówno z punktu widzenia klientów jak i architektów, z uwagi na kwestie estetyczne i wiążącą się z nimi wygodę, coraz ważniejsze staje się zapewnienie odpowiedniej przezroczystości elewacji.

 

Ponadto tak klienci, jak i architekci pragną mniejszych i cieńszych elementów konstrukcyjnych, które jednocześnie spełniałyby wymogi stawiane przez obowiązujące prawo.

 

Oba cele mogą zostać osiągnięte dzięki hybrydowym konstrukcjom ze szkła. Łączenie tafli szklanych z innymi materiałami konstrukcyjnymi może przyczynić się do zwiększenia wytrzymałości całego budynku, a dodatkowo prowadzić do oszczędności materiałów i skrócenia czasu budowy.

 

Obecnie uważa się, że zasady wznoszenia hybrydowych konstrukcji ze szkła, podstawowe reguły ich projektowania oraz metodologia projektowania są niespójne, a sama wykonalność mało realna.

 

 

Wstęp
Oczekuje się od inżynierów, że wyjdą z propozycją efektywnego wykorzystania zasobów naturalnych i potencjału ludzkiego w odpowiedzi na problem projektowy, określony przez klienta w wytycznych, wynikający z zamysłu architektonicznego oraz krajowych bądź międzynarodowych przepisów i kodeksu praktyk.

 

Problem nie jest trywialny, a na przestrzeń projektową składa się wiele parametrów. Osąd i praktyczne doświadczenie inżyniera są równie ważne jak wiedza techniczna. W obecnym, konkurencyjnym „klimacie” konsultanci są proszeni o dostarczenie oryginalnych i unikatowych projektów, które często wymagają kontrowersyjnego sposobu realizacji.

 

Zazwyczaj konsultanci ds. projektowania oferują swoim klientom multidyscyplinarne, globalne usługi, dzięki którym mogą spojrzeć na projekt w sposób holistyczny. W związku z powyższym, multidyscyplinarny zespół ekspertów (reprezentujących różne dziedziny) ściśle ze sobą współpracuje, by opracować rozwiązanie dostosowane do indywidualnych potrzeb klienta.

 

Ważne jest, by inżynierowie napędzali innowacje i badania w rozwijających się obszarach budownictwa. W rezultacie możliwe będzie szybkie i skuteczne reagowanie na zapotrzebowanie płynące od klientów, a jednocześnie opracowanie rozwiązań, które będą zrównoważone, praktyczne i wykonalne.

 

Więcej na ten temat w pracy autora Designing with Structural Glass [4].

 

Koncepcja łączenia materiałów, w celu stworzenia pożądanych parametrów, różniących się od tych posiadanych przez każdy z materiałów z osobna, nie jest niczym nowym. Dziewiętnastowieczne kompozyty stworzone przez Wilkinsona i Moniera, w których żelazne pręty zatopione były w betonie, to pomysł niezmiennie wykorzystywany na szeroką skalę w przemyśle budowlanym.

 

Warto zaznaczyć, że materiały wchodzące w skład kompozytów pozostają w niezmienionej postaci. Można je klasyfikować według ich charakterystycznych właściwości, a w każdej z podkategorii można wskazać zalety i wady płynące dla poszczególnych sytuacji projektowych.

 

 

 2019 03 10 1

Rys. 1. Kryteria efektywności
Legenda: Efektywność materiałowa lub kosztowa; [od czerwonego w prawo] kryteria termiczne, ekologiczne, estetyczne, optyczne, konstrukcyjne,

 

 

Kryteria efektywności
Jak już wspomniano, inżynier odpowiada za zgodność projektu z wytycznymi architektonicznymi od klienta oraz kodeksem praktyk projektowych. Efektywność można zmierzyć na podstawie całkowitego zużycia materiałów na jednostkę objętości, jednak to koszty zazwyczaj są wykorzystywane do porównania różnych projektów.

 

Dzieje się tak dlatego, że specjalista ds. kosztów bierze pod uwagę poza takimi składowymi projektu jak zaopatrzenie, wykonalność, dostępność, konserwacja oraz ryzyko związane z wszystkimi działaniami również rosnące koszty materiałów.

 

Innowacyjne (inaczej mówiąc – złożone) koncepcje projektowe, których przykładem są hybrydowe konstrukcje ze szkła, wymagają wysokonakładowych inwestycji oraz długotrwałego opracowania, by móc stać się niezawodnym rozwiązaniem konstrukcyjnym, które można przedstawić wszystkim zainteresowanym stronom w danym przedsięwzięciu budowlanym, a w rezultacie obniżyć jego koszty.

 

W niniejszym badaniu, na podstawie zrealizowanych projektów wykorzystujących szkło połączone z innymi materiałami, wskazano pięć podstawowych kryteriów efektywności. Przykłady zostały zaczerpnięte z projektów albo już zrealizowanych albo będących obecnie w fazie realizacji.

 

 

(...)

 

(...)

 


Kryteria konstrukcyjne
Poniżej wskazano kluczowe właściwości konstrukcyjne, które należy uwzględnić przy projektowaniu z wykorzystaniem szkła strukturalnego. Więcej informacji można znaleźć w pracy Lenk, P. Honfi, D.,: Resilience, Damage Tolerance & Risk Analysis of a Structure Comprising Structural Glass, engineered transparency [5]:
- Redundancja – podwojenie czynników o kluczowym znaczeniu w celu zwiększenia stabilności systemu;
    -- Pasywna: zwiększona wytrzymałość, liczba elementów
    -- Aktywna: zapobieganie przeciążeniom
- Plastyczność – relatywnie wysoka zdolność absorpcji energii dzięki efektywności materiału;
- Solidność – zdolność systemu do radzenia sobie ze zmianami; w rezultacie nie dochodzi do uszkodzeń, które byłyby nieproporcjonalnie duże do pierwotnych przyczyn;
- Sprężystość – zdolność do wytrzymania obciążeń i unikania uszkodzeń tak, aby nie doszło do całkowitego zniszczenia, oraz zdolność do przywrócenia stanu sprzed powstania uszkodzenia w rozsądnym terminie i za racjonalną cenę.

 

Poprawa wskaźników efektywności hybrydowych konstrukcji ze szkła hartowanego oraz łatwiejsza ich obsługa w przypadku ich uszkodzenia/ zniszczenia możliwa jest już na poziomie podstawowym:
- Krawędzie szklane wzmocnione stalą, drewnem, polimerami wzmacnianymi włóknem węglowym (FRP) lub żywicami poliestrowymi wzmacnianymi włóknem szklanym (GRP) by zwiększyć wytrzymałość i sztywność konstrukcji złożonych z prostokątnych płaskich płyt - elementy o przekroju „T” i „I”.

 

Tego rodzaju wzmocnienia mogą zmienić właściwości elementu hybrydowej konstrukcji ze szkła sprawiając, że będzie on elastyczny a nie kruchy.
- Dobrze znaną techniką zwiększania wytrzymałości elementów jest laminowanie tafli szklanych z międzywarstwami z folii. laminujących oraz płytami poliwęglanowymi.
- Pręty lub kształtowniki umieszczone na krawędziach, mogą podtrzymywać uszkodzony element i w ten sposób poprawiać trwałość elementu wykonanego ze szkła.

 

Koncepcja zaproponowana przez Dodda [3] została z powodzeniem wykorzystana przy budowie Corporation Street Bridge w Manchesterze, w przypadku którego konieczne było podjęcie rozwiązań zapewniających zwiększenie bezpieczeństwa publicznego.


Szkło może być łączone z innymi materiałami, które wzbogacają szklane elementy o właściwości, których szkłu brakuje. Szczególną uwagę poświęcono różnicom w wydłużalności termicznej oraz pojemności cieplnej materiałów, jak również wielkości i rozłożeniu sił połączeń pomiędzy komponentami oraz prognozie symptomów uszkodzenia.

 


Przegląd literatury pozwolił na sporządzenie listy materiałów uwzględnionych przez badaczy i projektantów:
- Metale: stal nierdzewna, aluminium, tytan [12, 13];
- Drewno (twarde i miękkie), kompozyty drewnopochodne [8, 9];
- Polimery oraz cementowe materiały kompozytowe, takie jak polimery wzmocnione włóknem węglowym (FRP), poliestry wzmocnione włóknem szklanym (GFRP), beton zbrojony włóknem szklanym (GFRC) [10, 11];

 

Szkło w systemach konstrukcyjnych może mieć różną formę; analizie poddano szkło płaskie i szkło z pojedynczą lub podwójną krzywizną. Wewnętrzny układ konstrukcji jest ściśle powiązany z orientacją geometryczną. Poniżej przedstawiono krótkie podsumowanie systemów konstrukcyjnych:
- Przede wszystkim konstrukcje wygięte, w których jednowymiarowe lub dwuwymiarowe, płaskie elementy szkieletu konstrukcyjnego są rozmieszczone w większych odstępach. Jest to koncepcja często wykorzystywana w celu maksymalizacji przejrzystości, jednak prowadzi do użycia dużych elementów konstrukcyjnych, które mogą zaburzyć przezroczystość;
- Rozproszona struktura szklana z nieregularnym metalowym szkieletem. Tradycyjne, dziewiętnastowieczne szklarnie uważane są za bardzo przezroczyste, mimo stosunkowo gęsto rozstawionych stalowych prętów;
- Warstwowe elementy szklane [6];
- Membrana;
- Kompresja (pustaki i cegły szklane);
- Ściany nośne i elementy stabilizujące (membrany wzmacniane rozciąganymi siatkami lub tradycyjne ramy stalowe).

 

 2019 03 12 1

Rys. 2. Przykłady materiałów umieszczanych wewnątrz szyb zespolonych

a.) PVC,

b.) struktura w kształcie plastra miodu z aluminium


Kryteria termiczne
Biorąc pod uwagę coraz wyższe koszty finansowe i środowiskowe energii, projektanci skupiają się na poprawie termicznej wydajności przegród zewnętrznych budynku. Innym parametrem o rosnącym znaczeniu, który należy uwzględnić przy projektowaniu, jest współczynnik zacienienia.


Wynika to z tego, że obniżanie kosztów chłodzenia jest ważnym wyzwaniem w przypadku fasad budynków o wysokim stosunku powierzchni przezroczystych do nieprzejrzystych. Urządzenia zacieniające mogą być zintegrowane z systemem konstrukcyjnym. W ostatnim czasie dynamiczne komponenty zacienienia, jak i szkło o zmiennej przezierności (ang. switchable glass) było przedmiotem badań wielu zespołów, w rezultacie których na rynku pojawiły się nowe, ciekawe produkty.


W ostatnich latach opracowaliśmy i udoskonaliliśmy szczegółowe parametry fasad budynku tak, by przynajmniej częściowo zniwelować straty energii. Obecnie wysiłki skierowane są na odzyskanie części z tej traconej energii, aby stworzyć energetycznie pasywne budynki. Niektóre przykłady najnowszej generacji ogniw fotowoltaicznych oraz szkieł termochromowych i fotochromowych przedstawiono na załączonym rys. 3.

 

 2019 03 12 2

Rys. 3. Przykłady ogniw fotowoltaicznych i szkła o zmiennej przezierności

 

Interesujący prototyp łuku zbrojonego Glasstex został zbudowany przez zespół kierowany przez Jana Wurma i Ralfa Herkratha na targi Glasstec 2002 w Dusseldorfie. Motywacją dla powstania projektu była chęć równomiernej dystrybucji światła w celu uniknięcia przegrzania. W ten sposób powstał pomysł na opracowywanie elementów do ochrony przed słońcem już na etapie koncepcji konstrukcyjnej.

 

W systemie konstrukcyjnym wykorzystywane jest szkło sprężane za pomocą złożonych kabli, dolne elementy z kablami zapewniającymi naprężenia sprężające są podłączone do osłon. Podobne koncepcje polegające na integracji urządzeń chroniących przed słońcem wkładanych do wnętrza szyb zespolonych zostały przedstawione w pracy Wurm, J.: Glass Structures, Birkhäuser, [7].

 

Mikrożaluzje znajdujące się w przestrzeni między taflami szyb zespolonych zapewniają ochrone przed słońcem i oślepiającym światłem. Profile w kształcie litery „Z” mogą być stosowane w celu optymalizacji stopnia zacienienia oraz pełnej ochrony przed słońcem gdy słońce jest wysoko na niebie.

 

 2019 03 12 3

Rys. 4. Wbudowana emisja CO2 na kilogram materiałów często stosowanych na fasadach

 

Kryteria ekologiczne
Dane graficzne na załączonym rys. 4 pokazują „wbudowaną” emisję CO2 w różnych materiałach, często wykorzystywanych na elewacjach. Dodatkowe procesy dotyczące produkcji, a później obróbki szkła odprężonego termicznie (szkło float), takie jak ogrzewanie, wygrzewanie, laminowanie, polerowanie krawędzi i powlekanie, mogą zwiększyć ponad dwukrotnie „wbudowaną” emisję CO2 dotyczącą produktu końcowego. Jednak spodziewane jest, że poprawią one ostateczną efektywność energetyczną gotowego produktu, a w efekcie zmniejszą ślad węglowy użytkowanego produktu i całego budynku

 

 2019 03 12 4a

Rys. 5. Całkowity ślad węglowy typowej fasady słupowo- ryglowej

 


Kryteria optyczne
Jeśli chodzi o właściwości wizualne szkła, może być ono przezroczyste, nieprzezroczyste lub też może mieć możliwość zmiany przejrzystości – w zależności od potrzeb być w pewnym okresie przezroczyste, a w innym półprzezroczyste, a nawet nieprzejrzyste. Dodatkowo przejrzystość szkła może być sterowalnym parametrem dynamicznym. Analizie poddana powinna być też jakość optyczna, odkształcenia oraz odbicie, ponieważ mogą mieć one wpływ na wygląd produktu końcowego.

 

 2019 03 13 1

 Rys. 6. Widok z piętra biurowca, w którym na elewacji wykorzystano zewnętrzne dekoracyjne szklane żebra

 

Kwestie estetyczne
Szkło, jeśli zostanie połączone z innymi materiałami, jest unikalnym rozwiązaniem dającym klientom, architektom i inżynierom nieograniczone możliwości.


Takie aspekty, jak zapotrzebowanie na naturalne/ sztuczne światło, odbicie promieni słonecznych i zacienienie są zazwyczaj uwzględniane na poszczególnych etapach powstawania projektu koncepcyjnego. Ponadto, sam proces łączenia materiałów powinien  mieć na celu wzmocnienie spójności i trwałości konstrukcji.


Koncepcja całkowitej przejrzystości jest kwestionowana przez coraz bardziej istotne wymogi środowiskowe, w których widać tendencję do propagowania alternatywnej koncepcji szkła dającego efekt rozproszonego światła.


W konstrukcjach ze szkła rozpraszającego światło, holistyczne podejście polegające na podziale na warstwy (a tam gdzie to możliwe łączeniu funkcji) pomaga zminimalizować koszty oraz opracować produkt posiadający pożądane właściwości.

 

 2019 03 13 2

Rys. 7. System konstrukcyjny z szybami montowanymi za pomocą silikonu konstrukcyjnego, z łączeniami na trzech i dwóch krawędziach


Wybrane przykłady
Konstrukcyjne szyby zespolone
Architektów intrygują niczym niezakłócone widoki i często projektują elewacje bez pionowych słupków czy poziomych rygli.

 

W tym konkretnym przykładzie zamierzeniem architektonicznym było zapewnienie maksymalnej przejrzystości pomiędzy nieprzezroczystymi elementami, poprzez usunięcie z widoku ram konstrukcyjnych. Rzucono w ten sposób wyzwanie architektom, których zadanie polegało na zaprojektowaniu szyb na całą wysokość kondygnacji. Szyby boczne są podparte z trzech stron a szyba środkowa jedynie z dwóch – od dołu i góry. Kwestia przesunięć na krawędziach była w tym przypadku dość istotna.

 


W celu uniknięcia zwiększenia grubości szkła, a co za tym idzie – również kosztów oraz ciężaru głównej konstrukcji, wszystkie szyby zostały połączone silikonem konstrukcyjnym. Jest on wystarczająco sztywny, by za jego pośrednictwem siły ścinające były przenoszone ze środkowej, „lżej” zamocowanej szyby (podpartej z dwóch stron), na sztywniejsze szyby podparte z trzech stron.

 

 2019 03 13 3

Rys. 8. Element koncepcyjny – wygięta, trójwarstwowa szyba zespolona (dwukomorowa), wykonana z cienkiego szkła laminowanego

 

W ten sposób wszelkie deformacje systemu zostają wyrównane. Jednak w celu zmniejszenia ugięcia na krawędziach szyb do obowiązującej w przemyśle fasadowym granicy L/175 oraz obniżenia ryzyka związanego z trwałością zainstalowanego oszklenia, konieczne było zastosowanie szyby laminowanej z dwóch tafli szkła gr. 12 mm. Jest to o około 50% więcej szkła niż w przypadku typowego systemu ściany osłonowej (na m2 elewacji), w której są słupki okienne.

 


Jak już wspomniano, wysiłki badaczy i przemysłu skierowane są na to, aby połączyć wewnętrzną i zewnętrzną taflę szklaną w celu wykorzystania wyższego momentu bezwładności takiego układu. Współczynnik sprzężenia tych tafli na oddziaływanie sił ścinających, wynikające z przesunięcia przylegających części, można teoretycznie wyliczyć.


Wielość warstw wzmacnia konstrukcję. Tego rodzaju szyby zespolone muszą być tak zaprojektowane, aby wytrzymywać obciążenie klimatyczne. Innym rozwiązaniem jest wyrównywanie ciśnienia w szybach i połączenie ich z zewnętrznym pojemnikiem zawierającym środek osuszający, w celu częściowej niwelacji obciążenia klimatycznego oraz kondensacji wody w przestrzeni między taflami szkła. Strategia ta została z powodzeniem wykorzystana w wielu projektach, w tym w niedawno powstałym londyńskim hotelu Berkeley wykonanym przez Bellapart, a zaprojektowanym przez naszych współpracowników z Arup [6].

 

 

 2019 03 14 3a

Rys. 9. Deformacja szyby (numeracja od lewej do prawej),
Sztywność połączenia E = 100MPa
a. Szyba zamocowana z czterech stron, system tradycyjny
b. Szyba zamocowana z dwóch stron, brak uwzględnienia wpływu mechanizmu współpracy pomiędzy szklanymi taflami
c. Szyba zamocowana z dwóch stron, uwzględniono wpływ mechanizmu częściowego oddziaływania wzajemnego szyb, praca połączenia określana na modelu sprężynowym
d. Szyba zamocowana z dwóch stron, uwzględniono wpływ mechanizmu częściowego oddziaływania wzajemnego szyb, praca połączenia określana na modelu płytowym
e. Szyba zamocowana z dwóch stron, uwzględniono wpływ mechanizmu częściowego oddziaływania wzajemnego szyb, praca połączenia określana na modelu objętościowym 

 


Nasze wstępne badania skupiały się na opracowaniu połączeń na krawędziach pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną taflą szyby zespolonej przy użyciu metody elementów skończonych. W tradycyjnym podejściu połączenie to jest półstrukturalne i składają się na nie aluminiowe ramki dystansowe wypełnione środkiem osuszającym, uszczelniacz butylowy oraz silikon konstrukcyjny (pełniący przede wszystkim funkcję uszczelnienia wtórnego, zabezpieczającego przed przenikaniem wilgoci oraz wyciekiem gazu szlachetnego).

 

Trójwarstwowe (dwukomorowe) szyby zespolone stają się coraz bardziej popularne w zastosowaniach mających na celu zwiększenie efektywności termicznej przegród zewnętrznych budynku. Większa odległość pomiędzy zewnętrznymi i wewnętrznymi taflami szkła w trójwarstwowych szybach zespolonych może także poprawić nośność konstrukcyjną tych elementów.

 

Przeprowadzono badania efektu wpływu łączenia krawędzi na przykładzie różnych szyb. W niniejszym artykule zaprezentowane zostaną jedynie wyniki dla szyb o szerokości 2 m i długości 3,35 m. W podanym przykładzie uwzględniono sztywność połączenia krawędzi z parametrami E=100 MPa, nu=0,45, t=25 mm, a wyniki przedstawiono na poniższym wykresie (rys. 10).

 

Dodatkowo, przeanalizowano trzy różne sytuacje: połączenie pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną taflą szklaną przebiegające wzdłuż krótszych, dłuższych lub obu typów krawędzi szyby. Górne wartości sił ścinających w elemencie łączącym zostały przedstawione na poniższym rysunku (rys. 10).

 

2019 03 13 5

Rys. 10. Rozkład sił ścinających na elementach łączących krawędzie 

a) mocowane krótsze krawędzie, górna wartość siły 3,8 kN, 
b) mocowane dłuższe krawędzie, górna wartość siły 3,7 kN, 
c) mocowane wszystkie krawędzie, górna wartość siły 3,2 kN

 

Podczas gdy górne wartości sił ścinających, w przypadku połączenia wzdłuż krótszych lub dłuższych krawędzi, są prawie równe i wynoszą odpowiednio 3,8 kN i 3,7 kN, niższą wartość sił ścinających wynoszącą 3,2 kN uzyskano na krótszej krawędzi w przypadku połączenia wzdłuż obu typów krawędzi. W wyniku analizy odkształceń powyżej opisanej szyby ustalono, że połączenie wzdłuż krótszych krawędzi najmniej przyczynia się do ogólnej sztywności szyby, a maksymalne ugięcie w środku szyby wynosi 59,3 mm.

 

 

Połączenie wzdłuż dłuższych krawędzi okazało się korzystniejsze dla wzajemnego oddziaływania szyb, jako że maksymalne ugięcie wyniosło w tym przypadku 51,7 mm, a gdy połączenie przebiegało wzdłuż wszystkich krawędzi, maksymalne ugięcie wyniosło 35,8 mm. Powyższe wyniki przedstawiono na rys 10.

 

Rozmowy z architektem jasno pokazały, że mocowanie wzdłuż dłuższych krawędzi powinno być ograniczone do minimum, ponieważ stanowi to główną przeszkodę wizualną, natomiast głębokość mniej aktywnego mocowania wzdłuż krótszych krawędzi może zostać potencjalnie zwiększona, ponieważ są one zazwyczaj ukryte pod górną i dolną częścią połączenia, na którą składają się nieprzezroczyste szyby pomiędzy sufitem a podłogą.

 

 

 2019 03 14 1

 

2019 03 14 2

Rys. 11. Analiza wyników

a. Wykres ugięcia w połowie rozpiętości szyby 
b. Wykres osi obojętnej w połowie rozpiętości szyby

 

 

W związku z powyższym, górne połączenie zostało zmienione poprzez zwiększenie głębokości do 75 mm. W rezultacie zauważono spadek maksymalnego ugięcia z 35,8 mm na 28,9 mm, czyli nie tak dużą, jak się spodziewano. Jednak potrzebne będą dalsze badania, by móc lepiej zrozumieć to zjawisko i zoptymalizować proponowane rozwiązanie w celu zastosowania go w praktyce.

 


Na poniższym wykresie podsumowano deformacje oraz oś obojętną naprężeń. Wykres osi obojętnej dla naprężeń w szkle jasno wskazuje, że w przypadku połączenia wzdłuż krótszych krawędzi zauważalny jest bardzo liniowy rozkład naprężeń..

 

Obliczono także większą szerokość efektywną, wynoszącą w tym wypadku 561 mm, w porównaniu do szerokości efektywnej w zmodyfikowanych warunkach połączenia wzdłuż wszystkich krawędzi wynoszącej 420 mm. Obliczenia szerokości efektywnej konstrukcyjnej szyby zespolonej wykonano przy użyciu metodologii przedstawionej przez C.Amadio i M. Fragiacomo (2002) [1] oraz Bin Zou I in. (2011) [2].

 

 

 2019 03 14 3

Rys. 12. Projekt graficzny szklanego pawilonu wraz ze szczegółami

 

 

Pawilon ze szkła i drewna

Londyńska pracownia architektoniczna Friend & Co. wygrała konkurs na projekt sklepu V&A z wysokim na 6 m, szklanym pawilonem. Główny ciężar opiera się bezpośrednio na ziemi, z górnym złączem konstrukcyjnym majacym możliwość poziomych przemieszczeń, którego zadaniem jest absorbowanie ruchów posadzki. Na całą masę pawilonu początkowo składały się szklane żebra o wysokości 6 m, szerokości 400 mm, rozmieszczone w odległości co 1200 mm od siebie.

 

Zostały one zaprojektowane jako swobodnie podparte belki. Jednak ze względu na przyspieszony proces realizacji obiektu oraz długi okres realizacji zamówień dotyczących konstrukcyjnych elementów szklanych o dużych rozmiarach, dostępnych jedynie z fabryk na terenie Europy kontynentalnej, zdecydowano się później na wprowadzenie zmiany polegającej na zmniejszeniu wysokości żeber do około 3,5 m.

 

 

 2019 03 14 4

Rys. 13. Wybór materiałów: drewno, tradycyjny laminat szklany, cienkie szkło

 

 

Drugi, mniejszy obiekt połączony z główną konstrukcją ma wysokość 3 m i przekrój poziomy o wymiarach około 2,5 m na 2,5 m. Jest to element zawieszony na górze konstrukcji. W związku z tym wskazano mocowanie z użyciem złącza konstrukcyjnego z możliwością poziomego ruchu. Szklane żebra, będące podstawowymi elementami konstrukcyjnymi, zostały zoptymalizowane inżynieryjnie już po etapie przetargu.

 

Architekt zaproponował nietypowe połączenie szkła z drewnem. Z punktu widzenia wytrzymałości zarówno drewno miękkie C24, jak i drewno twarde D40 byłoby odpowiednie do bezpiecznego przeniesienia obciążeń. Jednak ścisłe ograniczenia dotyczące ugięć zmniejszyły możliwość wyboru materiałów. Jednym z potencjalnych problemów były wymiary półki, która miała mieć 400 mm. Jest to maksymalny wymiar dostępny dla konstrukcji z litego drewna.

 

 

 2019 03 14 5

Rys. 14. Szczegóły koncepcji

 

Zazwyczaj w większych rozmiarach dostępne jest drewno twarde – z drzew liściastych (ze względu na większą średnicę drzew), jednak ich stosowanie jest uzależnione od dostępności na rynku brytyjskim.

 

Wskazane zostały też inne opcje, a mianowicie produkty drewnopochodne na przykład LVL (laminated veneer lumber – fornirowane drewno warstwowe) lub klejone warstwy z desek z litego drewna.

 

Drewniane półki są połączone ze szklanymi żebrami przy użyciu bardzo cienkich wycięć w szkle. Ze względu na duże skupienie naprężeń na nacięciach żeber, wykorzystano szkło wzmocnione termicznie.

 

W celu zapewnienia odpowiedniej nośności dla drewna zastosowano trójwarstwowe, laminowane szkło, składające się z szyb o grubości 12 mm. Szklane żebra posiadają polerowane krawędzie, co jest szczególnie trudne do wykonania ze względu na kształt nacięć. Pawilon jest obłożony z zewnątrz szklanymi płytami. W celu zapewnienia wysokiej jakości wizualnej oraz lekkości konstrukcji zastosowano szkło odprężone termicznie.

 

Na wstępnych etapach projektowych zaproponowano cienkie szkło laminowane. Jednak, ze względu na czas realizacji zamówień ostatecznie zdecydowano się na tradycyjny, dwuwarstwowy laminat, składający się z szyb o grubości 3 mm.

 

Przeprowadzono szereg analiz z wykorzystaniem metody elementów skończonych w celu oceny możliwości wdrożenia projektu. Ogólne odkształcenia konstrukcji jako całości mieściły się w przedziale do kilku milimetrów.

 

Analizie metodą elementów skończonych poddane zostały szklane żebra z wycięciami o wymiarach 200x40 mm, które zostały specjalnie „zamodelowane”, by sprawdzić koncentracje naprężeń w szkle. Należy zauważyć, że polerowanie szkła w tej części charakteryzuje się wysoką jakością wykonania.

 


Wnioski i podsumowanie
Analiza poprzednich projektów firmy Arup oraz projektów ostatnio zrealizowanych przez inne firmy pozwoliła stwierdzić, że koncepcja hybrydowych konstrukcji ze szkła wymaga szerzej zakrojonych badań. Zidentyfikowano kluczowe obszary, którymi nasi klienci byli zainteresowani przy projektowaniu z zastosowaniem szkła strukturalnego

 

Obecnie klienci są zainteresowani holistycznym ujęciem projektu (tj. uwzględniającym różne kryteria efektywności, a nie jedynie perfekcją konstrukcji). Taka potrzeba zdefiniuje przyszłe hybrydowe konstrukcje ze szkła. Informacje przedstawione w niniejszym artykule zostały oparte na obecnych inżynierskich projektach fasad realizowanych przez Arup.

 

Podziękowania dla funduszu inwestycyjnego Arup 077359-54, Chris Noteboom, Patrick Rogers, Luis Soares Martins, James Griffith, Vladimir Marinov oraz Graham Dodd.

 

 

(...)

 

 

dr Peter Lenk
Arup, Wielka Brytania

 

Artykuł opiera się na wykładzie prezentowanym Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2017, która odbyła się 28-30.06.2017 w Tampere, Finlandia

 

Źródła
[1] Amadio, C., Fragiacomo M., 2002 Effective width evaluation for steel–concrete composite beams Journal of Constructional Steel Research 58 (2002) 373–388

 

[2] Bin Zou, et al, 2011 Evaluation of effective flange width by shear lag model for orthotropic FRP bridge decks, Composite Structures 93 (2011) 474–482

 

[3] Dodd, G., Reed, L. 2014, Anchoring Triangular Glass Panels to Prevent Collapse, Challenging Glass 4 Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, Bos, Louter, Belis (red.), 2014.

 

[4] Lenk, P., 2016. : Designing with Structural Glass, Challenging Glass 5 Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, Bos, Louter, Belis (red.), Ghent University, 2016.

 

[5] Lenk, P. Honfi, D., 2016. Resilience, Damage Tolerance & Risk Analysis of a Structure Comprising Structural Glass, engineered transparency, Dusseldorf 2016

 

[6] Teixidor,C.,2010, Glass – Honeycomb Composite Panels, Challenging Glass 2 Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, Bos, Louter, Veer (red.), TU Delft 2010.

 

[7] Wurm, J., 2007, Glass Structures, Birkhäuser, Niemcy 2007

 

[8] Kozłowski M., E. Serrano E., Enquist B., Experimental investigation on timber- glass composite I-beams, Challenging Glass 4 & COST Action TU0905 Final Conference – Louter, Bos & Belis (red.) 2014

 

[9] Antolic D., et al, Laminated Glass Panels in Combination with Timber Frame as a Shear Wall in Earthquake Resistant Building Design, Challenging glass 3 conference on architectural and structural applications of glass, 2012

 

[10] Valarinho L., et al., Numerical simulation of transparent glass-GFRP composite beams using smeared crack models, Proceeding of the 6th International Conference on Fibre-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering (CICE 2012) Rzym 2012.

 

[11] Louter Ch., et al., Structural Glass Beams with Embedded Glass Fibre Reinforcement, Challenging Glass 2 – Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, Bos, Louter, Veer (red.), TU Delft 2010

 

[12] Bos, F.P., Stainless steel reinforced and post- tensioned glass beams Pappalettere, C (Ed.), International conference on experimental mechanics / icem12 / advances in experimental mechanics, Bari 2004

 

[13] Feldmann, M., Abeln, B., Richter, C., Experimental and Numerical Studies of the Non- linear Structural Behaviour of Bonded Steel-glass-façade elements Subjected to Multi-axial Loading, 2nd International Conference on Structural Adhesive Bonding, Porto 2013

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 3/2019

 

 2019 02 16 6

 

 

 

Czytaj także --

Czytaj także

 

 

01 chik
01 chik