FF18 750x150px PL NEUGIERIG

 

 budma750x200

 

 

 

lisec SS FastLAne

 

baner-2-krzywe

 

 

 

Wpływ oddziaływań termicznych na fasady metalowo-szklane
Data dodania: 18.08.17

W artykule przedstawiono wpływ oddziaływań termicznych dla typowych konstrukcji fasad metalowo-szklanych w zakresie przyjętych rozwiązań projektowych jak: rodzaj ściany, schemat statyczny oraz dobór odpowiednich materiałów. Omówiono wpływ temperatury na elementy fasady wraz z ewentualnymi konsekwencjami błędów projektowych i wykonawczych. Artykuł zawiera wymagania stawiane przeszkleniom oraz elementom uszczelniającym ze względu na oddziaływania termiczne. Przywołano sposoby zabezpieczenia fasad przed niekorzystnym wpływem temperatury na etapie projektowania oraz eksploatacji fasad. 

 

 

Wprowadzenie

 

Współcześnie struktury metalowo-szklane są szeroko stosowanymi rozwiązaniami ścian osłonowych w budynkach biurowych i użyteczności publicznej. Zalety zastosowania fasad pod względem architektonicznym (jak dostęp dużej ilości światła) oraz konstrukcyjnym (możliwość prefabrykacji elementów) sprawiają, że rynek fasad powiększa się z każdym rokiem. Najczęstsze adaptacje struktur metalowo-szklanych wykorzystują rozwiązania ścian kurtynowych oraz ścian wypełniających.

 

Ściany kurtynowe mają za zadanie stworzyć jednolitą strukturę elewacji dla zewnętrznego obserwatora. Szkielet konstrukcji nośnej tworzą rygle i słupki łączone na placu budowy lub uprzednio prefabrykowane. Całość struktury zakotwiona jest do elementów nośnych konstrukcji. Wypełnienie stanowi szkło hartowane lub półhartowane, a także płyty warstwowe w miejscach pól nieprzeziernych. Mają one za zadanie zasłonić stropy i inne elementy konstrukcyjne, jak np. ścianki oddzielenia przeciwpożarowego. Struktura spełnia wszystkie funkcje ściany zewnętrznej budynku, z wyjątkiem przejmowania obciążeń z konstrukcji. Elewacja w zakresie obciążeń statycznych przenosi jedynie ciężar własny oraz obciążenie od wiatru, które przekazuje na szkielet budynku. Najbardziej powszechnym z rozwiązań konstrukcyjnych jest projektowanie belek wieloprzęsłowych na krawędziach płyt stropowych. Struktura mocowana jest w sposób nieprzesuwny w górnych węzłach, co pozwala na przekazanie ciężaru własnego i obciążeń klimatycznych. W grupie elewacji kurtynowych rozróżniamy ściany elementowe oraz słupowo- ryglowe. Dla ścian elementowych następuje proces prefabrykacji struktury w zakładzie produkcyjnym, a później gotowe segmenty łączone są na placu budowy. W połączeniu z wysokością segmentu sięgającą najczęściej jednej lub dwóch kondygnacji zyskujemy szybsze oraz dokładniejsze wykonanie elewacji. Ściany słupoworyglowe są montowane na placu budowy z prostych elementów: profili szkieletu konstrukcyjnego, pakietów szybowych, listew dociskowych itd.. Takie rozwiązanie zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia błędów oraz niedokładności montażowych.

 

Ściany wypełniające są często wykorzystywane do zabudowy balkonów i loggi. Zabudowa pozwala na oddzielenie od oddziaływania czynników atmosferycznych (śnieg, deszcz). Przy wypełnieniu przestrzeni międzystropowej należy uwzględnić wpływ temperatury na zmianę długości elementów, a także wpływ ugięć konstrukcji budynku. Zapewni to zabezpieczenie struktury metalowo- szklanej przed przenoszeniem obciążeń ze stropów.

 

Dla obu rozwiązań struktur metalowo-szklanych zabezpieczenie przed skutkami oddziaływań termicznych jest jednym z najpoważniejszych wyzwań na etapie projektowania oraz wykonawstwa. Szeroki zakres temperatur, wahających się w zakresie -30°C ÷ 80°C, obciąża elementy w zakresie zmian ich długości, a także prowadzi do szybszej degradacji uszczelek i elementów izolujących. Przeszklenia wykonane z szkła hartowanego lub półhartowanego również narażone są na wahania temperatury, które wpływają na występowanie awarii. Zastosowanie elementów wykonanych z różnych materiałów, o różnych charakterystykach materiałowych, ma wpływ na rozkład temperatur na powierzchni struktury, co z kolei oddziałuje na warunki współpracy składowych ściany.

 

 

2017 7-8 16 1

Rys. 1. Rodzaje struktur metalowo-szklanych: ściana kurtynowa (a) oraz wypełniająca (b) 

 

 

Skutki wpływu temperatury na elementy fasad

 

Wpływ na elementy konstrukcyjne

 

Dla elewacji kurtynowych słupy o długości dwóch kondygnacji łączone są w węzłach przesuwnych lub uciągających. Zblokowanie elementów w węzłach prowadzi do powstania dużych sił osiowych, mogących powodować utratę stateczności ogólnej. Narzuca to konieczność zapewnienia kompensacji odkształceń związanych z wahaniami temperatury. Analogicznie w przypadku elewacji wypełniających, w celu wyeliminowania ewentualnych sił rozpierających stropy, należy uwzględnić wpływ wydłużenia elementów słupków. Ewentualny brak możliwości kompensacji może prowadzić do zmian wartości naprężeń w pakietach szybowych, będących wypełnieniem fasady oraz skutkować ich zniszczeniem. Obciążenia termiczne obok obciążeń przemieszczeniem i obrotem podpór układu prętowego stanowią grupę obciążeń poza-statycznych o charakterze wyjątkowym, które w układach statycznie wyznaczalnych powodują deformację i zmianę schematów statycznych rozpatrywanej fasady. Brak możliwości kompensacji prowadzi do powstania układu statycznie niewyznaczalnego. W takim układzie rozkład wartości sił wewnętrznych zależy od rozkładu sztywności na długości prętów.

 

Dla wykonanych obliczeń przyjęto metalowe elementy struktury – zarówno słupek jak i rygiel zostały zaprojektowane na podstawie schematu statycznego belki swobodnie podpartej. W przypadku prawidłowego zaprojektowania i wykonania połączeń elementów w węzłach przez zastosowanie otworów podłużnych na potrzeby połączeń z użyciem łączników (śrub i nitów) nie występują siły podłużne spowodowane obciążeniem termicznym. W przypadku wystąpienia zblokowania łączników lub wyczerpania zakresu kompensacji, w pręcie powstają siły podłużne.

 

Δl=αt·l0·Δt  (1.1)

αt – współczynnik rozszerzalności termicznej

l0 – długość początkowa pręta

Δt – przyrost temperatury

 

Wydłużenie pręta, spowodowane jego rozszerzalnością termiczną, jest wprost proporcjonalne do współczynnika rozszerzalności cieplnej, jego długości początkowej oraz przyrostu temperatury. Do obliczeń przyjęto słupki o długości odpowiednio 3,3 m dla ściany wypełniającej oraz 7,2 m dla ściany kurtynowej, przyjmując przyrost temperatury o 60°C. Na potrzeby artykułu wykorzystano trzy przekroje sprowadzone: 180x60x3 mm, 150x60x3 mm oraz 70x50x4 mm. Zadaniem projektanta jest dobór typu elewacji metalowo-szklanej oraz systemu, który spełnia wymagania stawiane przez inne branże oraz inwestora. Elewacja kurtynowa charakteryzuje się większym wydłużeniem słupków niż w przypadku rozwiązania wykorzystującego elewacje wypełniającą. Parametrem, który ma wpływ na wydłużenie prętów jest długość, a także materiał, z którego wykonano profil nośny. Stałe materiałowe najpowszechniej stosowanych materiałów w konstrukcjach metalowo-szklanych zestawiono w tabeli 1.

 

(...)

 

 

Tab.1. Zestawienie stałych materiałowych

2017 7-8 17 1

 

 

Pole powierzchni przekroju poprzecznego pręta wpływa na siłę wewnętrzną wywołaną ograniczonym lub zablokowanym przesuwem podłużnym w węźle według wzoru 1.2.

 

E – moduł sprężystości podłużnej

A – pole przekroju poprzecznego

αt – współczynnik rozszerzalności termicznej

Δl – wydłużenie pręta

c – swobodny przesuw łącznika w węźle

 

Wykres (rys. 2.) przedstawia zależność wydłużenia dla ściany wypełniającej i kurtynowej przy rozróżnieniu materiału słupa nośnego na stal i aluminium. Wykresy dla szkła przedstawiono wyłącznie w celu ukazania kilkukrotnej różnicy w stosunku do wyników przy wykorzystaniu słupka wykonanego z aluminium. Zignorowanie rozbieżności we wpływie temperatury na pracę układów w których zastosowano oba te materiały może mieć wpływ na trwałość i poprawność pracy struktury. Wydłużenie rzędu 10 milimetrów dla rozpatrywanej ściany kurtynowej o konstrukcji nośnej ze stopów aluminium wymaga odpowiedniego zaprojektowania połączeń w węzłach, które zapewnią przesuw i swobodę wydłużeń elementów podczas właściwej pracy konstrukcji. Narzuca to zastosowanie dylatacji oraz unikanie uciąglania elementów, ze względu na problemy z nadmiernym wydłużeniem.

 

 

2017 7-8 17 2

Rys. 2. Wydłużenie dla poszczególnych materiałów

 

 

Druga część obliczeń pozwala porównać wartości siły ściskającej w stalowych i stopowych słupach przy rozróżnieniu na trzy pola powierzchni przekrojów. Wartości uzyskane dla szkła przedstawiono wyłączenie w celu uwidocznienia skali problemu. Można przeprowadzić myślowy eksperyment, w którym pręt stalowy oddziałuje punktowo na taflę szklaną. W wyniku lokalnego zaburzenia stanu naprężeń w szklanym elemencie, wywołanym obciążeniem przekazanym z elementu nośnego, następuje całkowite zniszczenie tafli szklanej. Należy unikać łączenia konstrukcji nośnej fasady z konstrukcją nośną budynku przy wykorzystaniu belek o znacznym przekroju, usytuowanych prostopadle do obu konstrukcji. Nagrzanie pojedynczej belki spowoduje lokalne zaburzenia stanu naprężeń w najbliższych taflach szklanych i w konsekwencji ich zniszczenie.

 

Powstanie dużych sił osiowych w elementach konstrukcji ma wpływ na stateczność ogólną pręta ściskanego, co prowadzić może do wyboczenia słupków i rygli, a także uszkodzenia pozostałych składowych struktury. Wykrzywienie elementów mocujących w sposób liniowy tafle szklane zmienia ich schemat statyczny i umożliwia przenikanie wody.

 

Brak dylatacji może prowadzić do zniszczenia elementów sąsiadujących, które w wyniku rozszerzania będą się nawzajem miażdżyć. W przypadku budynków wysokich jest to szczególnie niepożądane zjawisko, gdyż może doprowadzić do odpadania elementów struktury.

 

 

2017 7-8 17 3

Rys. 3. Siły podłużne dla poszczególnych materiałów

 

 

 

Wpływ na elementy konstrukcyjne

 

Na panele fasady składają się szyby zespolone, elementy metalowe oraz płyty z poliwęglanu. Jako przeszklenia najczęstszym rozwiązaniem są tafle szklane wykonane ze szkła hartowanego i laminowanego. W momencie zniszczenia ulegają one rozpadowi na nieostro zakończone kawałeczki. Zwiększa to bezpieczeństwo użytkowników, chroniąc ich przed zranieniem przez duże odłamki szkła. Szkło zalicza się do grupy materiałów kruchych, charakteryzujących się wytrzymałością na ściskanie rzędu 1000 MPa, przy o rząd wielkości mniejszej wytrzymałością na rozciąganie. W celu poprawy parametrów wytrzymałościowych tafle poddaje się hartowaniu, które jednocześnie zwiększa wrażliwość szkła na lokalne zaburzenie naprężeń wewnątrz tafli. Przyczyną występowania niszczących naprężeń lokalnych może być siła skupiona, obciążenie powierzchniowe o dużym natężeniu rozłożone na małej powierzchni oraz wpływ temperatury na zanieczyszczenia występujące w tafli, które charakteryzują się innym współczynnikiem rozszerzalności termicznej niż szkło. Przykładem wpływu oddziaływania temperatury na przeszklenia jest wpływ ograniczenia swobodnego odkształcania związanego z rozszerzalnością cieplną szkła. Brak pustek powietrznych lub przekładek elastycznych może powodować ściskanie tafli szklanej lub docisk elementów okucia szyby. Oba przypadki mogą powodować kruche pękanie szkła.

 

 

2017 7-8 17 4

Rys. 4. Zdeformowany element listwy maskującej, przykład uszkodzenia powstałego w wyniku braku możliwości kompensacji odkształceń termicznych

 

 

 

Wpływ temperatury związany jest również z oddziaływaniem na zanieczyszczenia w szkle. Zanieczyszczeniem takim są wtrącenia siarczku niklu, który będąc związkiem polimorficznym występuje w dwóch odmianach alotropowych.

 

 

2017 7-8 17 5

Rys. 5. Elementy listew maskujących wciśnięte na siebie pod wpływem temperatury

 

 

2017 7-8 18 1

Rys. 6. Brak elastycznych przekładek kompensujących wpływ temperatury na długość tafli oraz zabezpieczających przed lokalnym dociskiem elementów okucia

 

 

Tab. 2. Zestawienie parametrów materiałowych siarczku niklu i szkła

2017 7-8 18 2

 

 

W procesie hartowania, pod wpływem wysokiej temperatury kryształ przeobraża się w wysokotemperaturową odmianę beta, która zajmuje mniejszą objętość. Podczas procesu studzenia kryształ dąży do przemiany w odmianę niskotemperaturową, którą uniemożliwiają naprężenia powstałe w procesie hartowania elementu. Zwiększenie temperatury kryształu podczas użytkowania elementu ułatwia przeobrażenie się kryształu, któremu towarzyszy około 3% wzrost objętości. Prowadzi to do powstania dużych naprężeń (rzędu 50 MPa), które mogą prowadzić do zniszczenia elementu. Awarie związane z wtrąceniami siarczku niklu mogą pojawić się nawet kilka lat po wmontowaniu tafli w konstrukcji. Dla szkła hartowanego dochodzi do zniszczenia całej tafli, wraz z fragmentacją szkła, a w przypadku szkła float może dojść do punktowych odprysków (jak na rys. 7) lub do pęknięć.

 

 

 2017 7-8 18 3

Rys. 7. Odprysk szkła charakterystyczny dla wtrąceń niklu

 

 

Wpływ na elementy uszczelek i izolatorów

 

W prawidłowym działaniu struktury fasady metalowo-szklanej bardzo ważną rolę spełniają uszczelki i izolatory. Narażone są na działanie skrajnych temperatur, zarówno w zimie, jak i w lecie. Powodować to może ich pękanie oraz utratę plastyczności. W sytuacji, gdy zapewniają one równomierne podparcie tafli szklanej oraz uniemożliwiają przenikanie wody i powietrza, ich zniszczenie powoduje obniżenie komfortu użytkowania, a także zmienia schemat statyczny pracy tafli szklanych. Może to powodować dalsze problemy z użytkowaniem fasady, łącznie ze zniszczeniem przeszkleń.

 

Nieciągłość uszczelek będzie powodowała penetrację wody, a chłodne i wilgotne powietrze może schłodzić elementy poniżej temperatury „punktu rosy”. Zniszczone izolatory ułatwiają powstanie mostków cieplnych. Może to skutkować wykropleniem się pary wodnej, zawilgoceniem elementów fasady oraz sąsiadujących elementów. Biorąc pod uwagę powyższe aspekty zaleca się wymianę uszczelek i izolatorów co około 15 ÷20 lat.

 

 

2017 7-8 18 4

Rys. 8. Sparciała, wykruszająca się uszczelka. Zacieki świadczą o przenikaniu wody

 

 

 

Realizacja zabezpieczeń fasady przed niekorzystnym wpływem temperatury

 

Ściany kurtynowe

 

Przytoczone przykłady ukazują skalę wpływu temperatury na prawidłowe funkcjonowanie struktury metalowo-szklanej. Błędy popełnione na etapie projektowania i montażu mogą prowadzić do wystąpienia kosztownych w naprawie awarii. Największą uwagę należy skierować na detale połączeń słupów i rygli konstrukcji fasady kurtynowej. Ważnym również jest sposób realizacji połączenia struktury z konstrukcją nośną budynku.

 

Najczęściej pionowe słupy fasady stanowią element odpowiadający za współpracę z konstrukcją budynku. Zadaniem konstrukcji elewacji jest poprawne przekazanie ciężaru własnego i obciążenia wiatrem na konstrukcję nośną budynku. Realizacja połączenia słupów polega najczęściej na podwieszeniu do elementów konstrukcji. Słupy, podwieszone u szczytu budynku, są zamontowane niżej w sposób przesuwny. Wykorzystanie otworów fasolowych pozwala na kompensacje wydłużeń wynikających z ogrzania elementów. Przykład połączenia słup konstrukcji-słup fasady przedstawiony jest na rys. 9.

 

 

2017 7-8 18 5

Rys. 9. Połączenie słupa ściany słupowo-ryglowej do stalowego słupa konstrukcji obiektu 

 

 

Rozwiązaniem zamiennym z zastosowaniem otworów fasolowych jest wykonanie dylatacji z użyciem miękkich materiałów. Poprawne rozwiązanie detalu przedstawiono na rys. 10. Do połączeń wykorzystuje się systemowe łączniki w miejsce otworów powiększonych o szczelinę dylatacyjną zabezpieczoną taśmą uszczelniającą.

 

 

2017 7-8 19 1

Rys. 10. Przykład połączenia rygiel-słup

 

 

Dobrą praktyką przy projektowaniu struktur metalowo- szklanych fasad jest zablokowanie przesuwu w modelach obliczeniowych, traktując powstały schemat statyczny jako wyjątkowy. Daje to pogląd na możliwe konsekwencje blokady przesuwu wynikającej ze zużycia połączenia. Powstałe dodatkowe siły pozwalają na ocenę wytężenia konstrukcji w sytuacji awaryjnej.

 

 

 

Ściany wypełniające

 

Elementy ściany przenoszą jedynie obciążenie od ciężaru własnego, przy zapewnionej kompensacji wydłużeń wywołanych zmianą temperatury, a także dopuszczają ugięcia stropów. Całość przeszklenia jest podwieszona do górnej prowadnicy, a dolna ma za zadanie utrzymanie przeszklenia w pionie i przekazanie obciążenia od wiatru. Dobranie odpowiedniej długości ściany zapewnia swobodę korzystania z elementów przesuwnych, a także poprawia warunki pracy uszczelek na dolnej prowadnicy. W przypadku zbyt dużej wysokości ściany wypełniającej dochodzi do zgniatania uszczelek i w konsekwencji ich szybszego zużycia.

 

 

 

Przeszklenia oraz elementy liniowe

 

Tafle szklane muszą być zabezpieczone przed dociskiem okuć. Taki stan może wystąpić w przypadku ogrzania elementów okucia lub samego szkła. Zabezpieczenie realizowane jest przez zastosowanie przekładek z materiałów elastycznych lub pustek powietrznych, które zabezpieczają przed zjawiskiem kruchego zniszczenia szyby. Przykład właściwego zabezpieczenia tafli przedstawiono na rys. 11.

 

 

2017 7-8 19 2

Rys. 11. Zamocowanie szyb w profilu aluminiowym z wykorzystaniem przekładki EPDM oraz pustki powietrznej

 

 

Trudności wynikające z konieczności wymiany zniszczonych przeszkleń w użytkowanych obiektach wymuszają stosowanie testu HST jeszcze w hutach szkła, na etapie kontroli jakości, w celu wykrycia produktów zanieczyszczonych siarczkiem niklu. Metoda polega na podgrzaniu tafli szklanej do temperatury z zakresu 290°C ÷ 300°C, przy której wtrącenia wykazują już właściwości niszczące, którym towarzyszy zniszczenie elementu szklanego. Zaletą równie istotną jak prostota wykonania testu jest wysoka skuteczność wykrycia zanieczyszczenia.

 

Wykonywanie okresowych przeglądów uszczelek i izolatorów zapewnia zachowanie odpowiedniej szczelności struktury ze względu na przenikanie wody i powietrza, a także zapobiega powstawaniu mostków termicznych. Pozwala to na uniknięcie sytuacji, w której na powierzchni wewnętrznej izolacji dochodzi do wykroplenia się pary wodnej. Wymagania w zakresie częstotliwości wymian elementów liniowych z miękkich gum oraz EPDM sprowadza się do dwóch lub trzech przypadających na przedział czasu, na który zaprojektowano elewację metalowo-szklaną.

 

 

 

Podsumowanie

 

Dynamicznie rozwijający się rynek fasad metalowo- szklanych wiąże się z dużym zapotrzebowaniem na wykonywanie kolejnych realizacji. Możliwość adaptacji różnych rozwiązań dla potrzeb uzyskania odpowiednich walorów wizualnych, przy zachowaniu odpowiednich parametrów ścian zewnętrznych sprawia, że struktury metalowo-szklane są coraz częściej stosowane. Ze względu na wykorzystanie przedstawionych typów ścian w obiektach użyteczności publicznej, biurowych i mieszkalnych rozwiązania można uważać za uniwersalne. Biorąc pod uwagę koszty wykonania elewacji, proces projektowania i wykonania elewacji powinien być szczegółowo nadzorowany oraz uwzględniać wpływ temperatury na strukturę metalowo-szklaną. Wszelkie awarie podczas eksploatacji wiążą się z poważnymi problemami i dużymi kosztami dla inwestora. Nieodpowiednie przyjęcie schematów statycznych oraz błędy w detalach połączeń mogą skutkować koniecznością wymiany całości elewacji. Równie istotne są okresowe przeglądy oraz rektyfikacja. Zaniechanie wymiany elementów uszczelniających i izolatorów może prowadzić do degradacji i niszczenia zarówno elementów fasady, jak i konstrukcji nośnej budynku.

 

 

 

 

 Dawid Cichy
Politechnika Warszawska

Piotr Drewniak
Politechnika Warszawska

dr inż. Maciej Cwyl
Politechnika Warszawska

 

 

 Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 07-08/2017
 

 

 

 

 

 

01 chik