W 2015 roku ukończono pawilon zbudowany głównie ze szkła. Wykonawcy sami zaplanowali go jako przezroczyste przedłużenie ich domu jednorodzinnego.
Rys. 1. Widok od wewnątrz (www.master-ateliers.com)
System konstrukcyjny składa się z jednej strony z przeszklonej stalowej ramy z czterema słupkami, sztywno przymocowanymi do płyty podstawy, i połączonymi czterema ryglami u góry. Z drugiej zaś - z dwóch bocznych szklanych przybudówek.
Są one wykonane z pionowych szklanych ścian nośnych i poziomego szklanego dachu, które są połączone ze sobą za pomocą szczeliw konstrukcyjnych. Razem z profilem kotwiącym, który jest całkowicie ukryty w spoinie klejowej, elementy szklane pełnią jednocześnie funkcję usztywniającą.
Specyfikacje wydane przez władze budowlane wymagały opracowania koncepcji konstrukcyjnej szklanych elementów pawilonu dla różnych stanów zniszczenia. Ponadto konieczne było spełnienie wielu obszernych wymagań, aby uzyskać specjalne pozwolenie na budowę dla uszczelniaczy konstrukcyjnych. Projekt jest znakomitym przykładem możliwości konstrukcyjnych szkła (budowania ze szkła).
Łączy w sobie cechy konstrukcyjne nośnego szklanego budynku (wykonanego w całości ze szkła) z wykorzystaniem najnowocześniejszych technik łączenia.
Rys. 2a) i b). Główne elementy pawilonu
Ogólnie
Na początku 2015 roku w północnowschodniej części Monachium ukończono budowę prostopadłościennego pawilonu ze szklanymi ścianami i szklanym dachem. Jest wolnostojącym przedłużeniem domu jednorodzinnego do ogrodu.
Do pawilonu można dostać się zarówno od strony ogrodu poprzez duże przesuwane elementy szklane, jak i od strony budynku głównego krótkim przejściem. Budynek ma 8,6 m długości, 5,8 m szerokości i 4,2 m wysokości. Został zaprojektowany przez właścicieli – Hildegardę Rasthofera i Christiana Neumaiera. Ten ostatni był również odpowiedzialny za proces wykonawczy.
Rys. 3a) i b). Elementy konstrukcyjne szklanych przybudówek
Konstrukcja
Dwie stalowe ramy wykonane ze spawanych rur prostokątnych są połączone w narożach poprzeczkami i tworzą rdzeń konstrukcji. Cztery słupy są sztywno połączone z płytą podłogową wykonaną ze zbrojonego betonu za pomocą płyt kotwiących i kotew stalowych.
Główne osie stalowych ram są przesunięte do wewnątrz o około 1,25 m od krótszych boków budynku. W tych obszarach szklane ściany i przeszklenia dachowe tworzą samonośne przegrody budowlane (przybudówki) przymocowane do konstrukcji stalowej. Oba elementy składają się odpowiednio z jednego panelu dachowego i czterech paneli ściennych.
W połączeniu ściana-dach ukryta jest kotwa pierścieniowa ze stali nierdzewnej, która – po pierwsze – obejmuje panel dachowy i utrzymuje go w poziomie. Po drugie – służy jako mechaniczne zabezpieczenie szklanych ścian przed oddziaływaniem/ ssaniem wiatru.
Ściany między stalowymi ramami są wykonane z przesuwanych szklanych elementów, o wysokości od podłogi do sufitu, wyposażonych w napęd silnikowy. Panele dachowe są podparte w tym obszarze przez szklane żebra.
Przeszklenie
Stałe szklane panele ścienne składają się z szyby zespolonej (IGU) o grubości 77,5 mm złożonej z trzech tafli szklanych. Wewnętrzną tafle stanowi bezpieczne szkło laminowane (LSG) z dwukrotnie wygrzewanego, w pełni hartowanego szkła.
Tafla ta przejmuje funkcje głównej konstrukcji nośnej:
- przenosi obciążenia pionowe od podpartych paneli/szyb dachowych,
- pracuje jako element usztywniający dla obciążeń poziomych w przypadku uszkodzenia jednego z paneli.
Największa szklana ściana ma około 3 metrów szerokości, 4 metry wysokości i waży ponad 2 tony. Stałe pionowe przeszklenie jest montowane tradycyjnie na dolnej krawędzi i przyklejane do panelu dachowego na górnej krawędzi za pomocą silikonowego szczeliwa konstrukcyjnego.
Połączenia między panelami ściennymi są również uszczelnione silikonem. Panele dachowe o długości 5,4 m i szerokości do 1,3 m również składają się z szyb zespolonych złożonych z 3 tafli szkła. Dolne rafle to laminowane szkło bezpieczne wykonane ze szkła wzmacnianego termicznie. W przypadku szklanych przybudówek działają one wraz z kotwami pierścieniowymi jako poziome elementy usztywniające. Tylko w tym przypadku krawędzie poziomego przeszklenia dachu są konstrukcyjnie klejone/ połączone z panelami ściennymi.
Pozostałe krawędzie są mocowane mechanicznie za pomocą płytek dociskowych. Żebra ze szkła laminowanegp LSG mają zaledwie 280 mm wysokości i 5,35 m długości i składają się z czterech warstw w pełni hartowanego szkła, wygrzewanego na gorąco. Ich końce są osadzone w stalowym gnieździe przyspawanym do belki poprzecznej, która służy jako nieprzesuwalna i sztywna na skręcanie podpora. Do górnej krawędzi żeber przymocowany jest profil U, który stanowi podstawę dla metalowego kanału, w którym zakotwiczone są śruby dachowych płyt dociskowych.
Rys. 4. Przekrój przez połączenie szklanej ściany z panelem dachowym
Rys. 5. Szklane żebro z detalem gniazda/mocowania
Klej silikonowy do szklenia strukturalnego
W tej konstrukcji można wyróżnić dwa rodzaje klejenia strukturalnego (połączeń konstrukcyjnych), również w odniesieniu do miejsca produkcji:
- uszczelnienie krawędzi szyb zespolonych – klejenie wykonane w fabryce,
- montaż różnych szyb zespolonych – klejenie wykonane na miejscu budowy.
W fabryce produkującej szyby zespolone połączono poszczególne warstwy oraz wykonano uszczelnienia krawędzi szyby przy użyciu silikonu strukturalnego DC 993 firmy Dow Corning/Chemical.
Ponieważ górne i pionowe krawędzie szklanych ścian nie są wzmocnione/ usztywnione płytami dociskowymi, szczeliwo jest poddawane obciążeniom od ssania wiatru i różnic ciśnień między pustką/przestrzenią powietrzną wewnątrz szyby a atmosferą. Ponieważ poszczególne warstwy zostały podparte pionowo na dolnej krawędzi za pomocą bloków z tworzywa sztucznego, nie trzeba uwzględniać sił ścinających wynikających z ciężaru własnego.
Najpierw na miejscu budowy wzniesiono i wyrównano szklane ściany. Następnie umieszczono kotwy pierścieniowe i panele dachowe. Połączenia między kotwami pierścieniowymi i szkłem zostały uszczelnione dwuskładnikowym silikonem strukturalnym DC 993. Połączenia zostały zaprojektowane na wypadkowe obciążenie od ssania wiatru i ciężaru własnego panelu dachowego – zgodnie z ETAG 002.
Rys. 6a), b) i c). Łączenie, kontrola i dokumentacja dla każdego opakowania silikonu podczas klejenia na miejscu budowy
Zasady i przepisy
Dla realizacji projektu budowlanego konieczne było uzyskanie specjalnego pozwolenia na budowę. Wiązania/połączenia klejowe w tym przypadku różnią się od określonych w aktualnie obowiązujących ogólnych aprobatach budowlanych dla systemów szklenia strukturalnego.
Ponadto szklane ściany i szklane żebra znajdują się poza obszarem zastosowania obowiązującej niemieckiej normy DIN 18008. W dwóch ekspertyzach stanowiących podstawę do wydania specjalnego pozwolenia na budowę dokonano analizy/ oceny występujących różnic.
W przypadku klejenia strukturalnego w uszczelnieniu krawędzi szyb zespolonych wymagany był certyfikat zgodności na podstawie fabrycznej kontroli produkcji i kontroli zewnętrznej. Taki certyfikat był również wymagany w przypadku klejenia na miejscu. Klej Dow Corning DC 993 jest zatwierdzony przez Europejską Aprobatę Techniczną ETA-01/0005.
Jednakże zastosowanie go w klejonych konstrukcjach całoszklanych wymaga nadal ogólnej krajowej aprobaty budowlane lub, jak w tym przypadku, specjalnego pozwolenia na budowę.
W związanej z tym ekspertyzie, przeanalizowano między innymi różne podłoża do klejenia pod kątem ich przyczepności:
- szkło emaliowane i nieemaliowane, w pełni hartowane i wzmacniane termicznie,
- profil wytłaczany z aluminium,
- kotwa pierścieniowa ze stali nierdzewnej.
Ponadto sprawdzono, w jakim stopniu wymiary uszczelnienia odpowiadają specyfikacjom ETAG 002.
Drugi raport dotyczy przeszkleń jako głównej części konstrukcji. Przeanalizowano tam skutki różnych stanów zniszczenia. Obejmowało to ocenę wytrzymałości resztkowej klejonego oszklenia poziomego oraz stabilności szklanych przybudówek w przypadku uszkodzenia jednej warstwy lub więcej warstw szkła. Ściany i panele dachowe szklanych przybudówek stanowią wielowarstwowe tafle szklane.
Do zadań nośnych jako konstrukcji głównej wykorzystywane są wyłącznie ich wewnętrzne warstwy szkła laminowanego LSG, gdyż są one połączone za pomocą kotwy pierścieniowej i uszczelnienia konstrukcyjnego/ strukturalnego.
W przypadku mocnego uderzenia z zewnątrz, dwie monolityczne warstwy zewnętrzne szkła będą chronić/zabezpieczą odpowiednie nośne warstwy LSG. Uderzenie od wewnątrz może spowodować co najwyżej pęknięcie wewnętrznej warstwy LSG.
Obliczenia konstrukcyjne muszą zapewnić wystarczającą nośność dla tego nadzwyczajnego scenariusza. Nawet w mało prawdopodobnym przypadku całkowitego zniszczenia jednego panelu ściennego lub dachowego, pozostałe szyby zespolone zapewniają akceptowalną stabilność, dzięki kotwom pierścieniowym i przekładkom usztywniającym.
Również w przypadku żeber szklanych przeanalizowano i oceniono odpowiednie scenariusze. Można wykazać, że dwie z czterech warstw LSG są wystarczające, aby wytrzymać podparte obciążenia przy użyciu zredukowanych współczynników bezpieczeństwa nadzwyczajnego stanu granicznego.
Rys. 7a) i b). Uszczelnienie połączenia szklanejściany i gotowej fasady (www.master-ateliers.com)
Wnioski
Złożoność projektu wymagała ścisłej współpracy pomiędzy nadzorem, konsultantami, ekspertami i laboratoriami badawczymi, jednostkami inspekcyjnymi i certyfikującymi. Spotkania przebiegały intensywnie i na bardzo wysokim poziomie. Szczególnie ważna jest fachowa opieka nad klientem ze strony doświadczonych inżynierów budownictwa (projektantów konstrukcji) i służb kontrolnych.
Z pewnością nie zdarza się zbyt często, aby właściciele tak złożonego projektu byli jednocześnie odpowiedzialni za projekt i jego wykonanie. Dla opracowanej technologii łączenia w nadbudówkach całoszklanych został złożony wniosek patentowy.
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
Rys. 8. Widok z zewnątrz
Bibliografia
[1] Siebert, G., Maniatis, I., Herrmann, T.: Klejenie silikonem - wymiarowanie i przykłady zastosowań (Klebungen mit Silikon - Bemessung und Anwendungsbeispiele). w: Glas im konstruktiven Ingenieurbau 13, Conference proceedings, Hochschule München (2015).
[2] ETAG 002 - Część 1: Europejskie Wytyczne Aprobaty Technicznej - Systemy szklenia z uszczelnieniem strukturalnym (SSGS); Systemy podparte i niepodparte (ETAG 002 – Part 1: European Technical Approval Guideline - Structural Sealant Glazing Systems - SSGS); Supported and Unsupported Systems), pierwsze wydanie 1999, ostatnia zmiana: maj 2012.
DIN 18008: Szkło w budownictwie - Zasady projektowania i budowy, części 1 do 6 (DIN 18008: Glass in Building - Design and construction rules, Parts 1 to 6); opublikowane w latach 2010-2015.
[3] Herrmann T., Siebert B.: Szklany pawilon (A Glass Pavilion) w: Challenging Glass 5. Ghent, June 2016
[4] Siebert G., Maniatis I., Herrmann, T.: Szklany pawilon do ogrodu (Ein Glaspavillon für den Garten)
