Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 07 okladka

 

       7-8/2019

 

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

  

VITRUM Swiat Szkla Web

 

ift 480x105px RFT19 engl 

 

 GP19-480x105px

 

 GLASS 480X120

 

Projektowanie bezpiecznych przeszkleń w ścianach osłonowych ze szkłem
Data dodania: 23.02.10

Lekka ściana osłonowa jest to wyrób budowlany, składający się z różnych komponentów, połączonych ze sobą w procesie prefabrykacji oraz w trakcie montażu na obiekcie, której zadaniem jest osłona budynku przed wpływem warunków atmosferycznych oraz zapewnienie odpowiedniego komfortu i funkcjonalności użytkowania pomieszczeń. Tradycyjny podział ścian osłonowych przedstawia rys. 1.

 

Ściana osłonowa powinna charakteryzować się takimi właściwościami technicznymi, aby obiekty, w których je zamontowano, spełniały wymagania podstawowe, tj.: zapewniały nośność i stateczność, bezpieczeństwo pożarowe, higienę, zdrowie, ochronę środowiska, bezpieczeństwo użytkowania, ochronę przed hałasem, oszczędność energii i izolacyjność termiczną.

 

Rys. 1. Tradycyjny podział ścian osłonowych.

 

Zakres wymagań dotyczących ścian osłonowych określa norma wyrobu PN-EN 13830:2005 Ściany osłonowe. Norma wyrobu.

Zdecydowaną większość ścian osłonowych stanowią tradycyjne konstrukcje słupowo-ryglowe w różnych konfiguracjach (rys 1), dla których wyznaczenie właściwości wytrzymałościowych (odkształcalności i nośności) nie stanowi właściwie żadnego problemu, ponieważ producenci tych systemów opracowali i wdrożyli do stosowania w praktyce liczne katalogi z gotowymi rozwiązaniami. Obecnie na rynku budowlanym coraz częściej pojawiają się ściany, które daleko odbiegają od dotychczas stosowanych standardowych rozwiązań.



Jedną z takich nowości są tzw. ściany całoszklane, czyli tafle wielkoformatowych szyb zespolonych montowanych zazwyczaj między stropami, z ograniczoną liczbą podziałów konstrukcją wsporczą, tj. słupy metalowe mają duże rozstawy (np. 3 m) i w ścianie nie ma rygli między słupami. W tradycyjnych konstrukcjach funkcję nośną spełniały metalowe elementy, takie jak słupy i rygle, a przeszklenia i panele nieprzezierne stanowiły tylko wypełnienie tych elementów. W ścianach całoszklanych przeszklenie jest powiększone do takich rozmiarów, że nie może być traktowane już tylko jako wypełnienie lecz samo powinno spełniać funkcję nośną.



Ściana powinna bezpiecznie przenosić obciążenie wiatrem i ciężar własny w aspekcie nośności oraz zapewniać odpowiednie warunki użytkowalności, (tj. ugięć np. 1/200 wysokości ściany). Z punktu widzenia formalnego (tj. w rozumieniu normy PN-EN 13830:2005) ściana całoszklana odbiega od definicji ściany osłonowej, to jednak powinna ona spełniać wszystkie właściwości ścian tradycyjnych, bo w rzeczywistości pełni funkcję analogiczną do tych ścian.

 

Jednym z problemów przy ocenie właściwości wytrzymałościowych ścian całoszklanych jest metoda obliczeń statycznych nośności i odkształcalności.

W projektowaniu lub ocenie istniejących rozwiązań wielkoformatowych szyb zespolonych w zakresie nośności i sztywności pod obciążeniem wiatrem, istotną rolę odgrywają takie czynniki, jak: sposób rozdziału obciążenia (artykuł [1]), wybór odpowiedniej metody analizy numerycznej (liniowej lub nieliniowej) oraz dobór poprawnego modelu podparcia (artykuł [2]).



Sprawdzianem poprawności wymienionych wyżej czynników jest porównanie wyników obliczeń z wynikami badań na elemencie w skali naturalnej. Takie sprawdzenie zostało przedstawione w niniejszym tekście na podstawie porównania badań i obliczeń numerycznych. Badania wykonano w laboratorium zakładowym w Holandii i wchodzą one w skład archiwów badawczych Instytutu Techniki Budowlanej.

 

Obiektem badań była szyba zespolona 10/12/44.2 (10 mm szyba zewnętrzna, 44.2 szyba wewnętrzna), o wymiarach LxH= 2938x3334 mm. Szyba montowana jest do aluminiowej konstrukcji nośnej i stanowi fragment ściany „całoszklanej”. Szyba dociskana jest do konstrukcji nośnej za pośrednictwem listew dociskowych i podpierana na dolnej krawędzi podkładkami w odległości około 150 mm od dolnych naroży.

 

Fot. 1. Obiekt badań odporności na obciążenie wiatrem

 

Obiekt badany jest w komorze ciśnień (fot. 1) w pozycji wbudowania, tj. analogicznej, jak w ścianie osłonowej. Badanie polegało na mierzeniu maksymalnych ugięć w środku rozpiętości szyby przy narastającym (co 250 Pa do 1000 Pa) obciążeniu równomiernie rozłożonym, odwzorowującym obciążenie wiatrem. Pomiary ugięć wykonano na dwóch taflach szkła: zewnętrznej, tj od strony obciążenia i wewnętrznej.

 

Ugięcia przy narastającym parciu wiatru dla zewnętrznej i wewnętrznej szyby zestawiono w tablicy 1 i na wykresie 1.

 

Tablica 1.

 

Wykres 1. Wyniki badań ugięcia szyby zespolonej wielkoformatowej.

 

Model obliczeniowy odpowiada obiektowi badawczemu i jest to szyba zespolona 10/12/44.2 (10 mm szyba zewnętrzna, 44.2 szyba wewnętrzna), o wymiarach a x b = 2938 x 3334 mm. Do obliczeń przyjmuje się pojedyncze tafle szkła szyby zespolonej pod obciążeniem zredukowanym wg rozdziału obciążenia (etap 1). Model obciążany jest obciążeniem równomiernie rozłożonym odwzorowującym oddziaływanie wiatru (obciążenie bazowe): 250 Pa, 500 Pa, 750 Pa, 1000 Pa. Warunki podparcia omówiono w dalszej części artykułu (etap 2).

 

Etap 1. Rozdział obciążenia

Udział sztywności poszczególnych tafli szkła szyby zespolonej w sztywności całej szyby: hi=44.2=8,0 mm – grubość wewnętrznej (od pomieszczenia) tafli szkła szyby zespolonej;

Uwaga: przyjęto, że przy obciążeniu wiatrem (krótkotrwałym), szyba klejona stanowi pełne zespolenie tafli 4 mm + 4 mm, stąd sumaryczna szkła do obliczeń wynosi 8,0 mm;

he=10 mm – grubość zewnętrznej tafli szkła szyby zespolonej, wyznacza się wg zależności:

 

dla tafli zewnętrznej

                          (1)

 

dla tafli wewnętrznej

                         (2)

 

Charakterystyczną długość krawędzi wyznacza oblicza się wg zależności:

                         (3)

gdzie:

h SZR – grubość ramki szyby zespolonej,

hi, he, - zewnętrzna i wewnętrzna grubość tafli szkła

k – współczynnik kształtu

 

Współczynnik k (p~;λ=a/b), ustalana się w funkcji stosunku boków oszklenia (a/b) i tzw. obciążenia znormalizowanego p~ wyrażone zależnością:

                           (4)

gdzie:

E=70000MPa – moduł sprężystości podłużnej szkła,

a – krótszy bok szyby,

h – grubość szyby (oznaczenie ogólne)

  – obciążenie bazowe

 

Przy projektowaniu przyjmuje się zazwyczaj jeden poziom obciążenia bazowego i dla niego wyznacza się ugięcia oraz naprężenia przy zginaniu. W prezentowanym przykładzie jest inaczej, gdyż tutaj szuka się charakterystyki ugięcia, w funkcji obciążenia i warunków podparcia modelu obliczeniowego, w celu porównania wyników obliczeń z wynikami badań.

 

Ponieważ w analizowanym przykładzie założono, że obliczenia zostaną wykonane dla pełnego zestawu obciążeń , tj 0 Pa, 250 Pa, 500 Pa, 750 Pa i 1000 Pa dla szyby wielkoformatowej, należy tu spodziewać się nieliniowości modelu, w dodatku różnych na każdym poziomie obciążenia.

 

Współczynnik k występujący w zależności (3) wyznacza się na podstawie tablic w funkcji obciążenia zredukowanego  oraz stosunku boków szyby (a/b), tj. k ( ; λ=a/b). Tablice współczynnika k zamieszczone są w pracy [3].



Nomogram umożliwiający dobór współczynnika k w zależności od od stosunku boków λ=a/b oraz obciążenia zredukowanego  przedstawiono na wykresie 2.

Uwaga: oznaczenie na wykresie p* jest równoważne oznaczeniu  w zależności (4)

Ponieważ dla każdego poziomu obciążenia mają różne wartości charakterystycznej krawędzi ã, to współczynnik oddziaływania ośrodka gazowego wg zależności (5), również będzie inny,

 

          (5)

 

zatem rozdział obciążenia na szybę zewnętrzna (zależność (6)) i wewnętrzną (zależność (7) przy każdym poziomie obciążenia p też będzie inny

 

część obciążenia na szybie zewnętrznej przy obciążeniu z zewnątrz

 (6)

 

część obciążenia na szybie wewnętrznej przy obciążeniu z zewnątrz

             (7)

 

Zestawienie obciążeń do obliczeń nieliniowych, wyznaczonych na podstawie przedstawionych wyżej zależności, zamieszczono w tablicy 2.

 

Tablica 2.

 

 

Wykres 2. Wartości współczynnika k dla szyby podpartej na obwodzie

 

Etap 2. Obliczenia

Podparcie modelu

Istotny wpływ na wyniki obliczeń przy obliczeniach nieliniowych, zwłaszcza dla szyb wielkoformatowych, ma przyjęcie odpowiednich warunków podparcia (o czym opisałem w artykule [2]). W rozpatrywanym przykładzie wielkoformatowa szyba zespolona ustawiona jest na podkładkach podpierających, rozmieszczonych pod dolną krawędzią szyby, w odległości około 150 mm od naroży i dociskana jest za pośrednictwem listew obwodowych z uszczelkami EPDM do aluminiowej konstrukcji nośnej. Taki sposób osadzenia szyby odpowiada podparciu przegubowo-przesuwnemu na obwodzie modelu, z możliwością przesuwu w płaszczyźnie szkła (odwzorowanie listwy dociskowej), oraz podparciu punktowemu przegubowo-przesuwnemu i przegubowo-nieprzesuwnemu na dolnej krawędzi (odwzorowanie podkładek podpierających, rys. 2).

 

Rys. 2. Schemat podparcia szyby wielkoformatowej

a= 2938 mm b= 3334 mm 

 

 

Wyznaczenie ugięć.

Obliczenia nieliniowe zostały przeprowadzone Metodą Elementów Skończonych (MES). Obliczenia wykonano oddzielnie dla szyby zewnętrznej i wewnętrznej, z uwzględnieniem obciążeń zestawionych w tablicy 2.

 

Wyniki obliczeń ugięć zamieszczono w tablicy 3

Na wykresie 3 zestawiono wyniki obliczeń (liniowych i nieliniowych) oraz badań ugięć tego samego modelu wielkoformatowej szyby zespolonej tzw. ,,ściany całoszklanej’’. Liniowe wyniki obliczeń ugięć (linie proste ciągłe) wyraźnie odbiegają od wyników badań i obliczeń nieliniowych i przy obciążeniu bazowym 1000 Pa są dwukrotnie większe od pozostałych, co oznacza, że takie wyniki obliczeń są nieprzydatne do miarodajnej oceny nośności i sztywności szyby zespolonej. Inaczej jest w przypadku obliczeń nieliniowych z odpowiednimi warunkami podparcia, gdyż w takim przypadku zgodność wyników obliczeń i badań jest bardzo dobra, tj. średnia różnica badań i obliczeń to około 6%, a więc na poziomie niepewności pomiaru przy badaniach w warunkach laboratoryjnych.

 

Poprawny wynik obliczeń w porównaniu do wyników badań świadczy o poprawności sposobu rozdziału obciążeń, warunków podparcia i przydatności numerycznej metody obliczeń w zakresie nieliniowym do oceny nietypowych, wielkoformatowych szyb zespolonych pod obciążeniem wiatrem. Stosując metody obliczeń opisane w artykułach [1] [2] i w niniejszym referacie można przyjąć, że odpowiednio wykorzystane, mogą zastąpić badania laboratoryjne w zakresie oceny nośności i odkształcalności pod obciążeniem wiatrem.

 

Tablica 3.

 

 

 

Wykres 3. Wyniki badań ugięcia szyby zespolonej wielkoformatowej.

 

dr inż. Artur Piekarczuk

Instytut Techniki Budowlanej Adres poczty elektronicznej jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć.

 

Literatura:

[1] A. Piekarczuk, Metoda projektowania szyb zespolonych, „Świat Szkła” 3/2008.

[2] A. Piekarczuk, Wpływ warunków podparcia na wyniki obliczeń ugięć szyb wielkoformatowych pod obciążeniem równomiernie rozłożonym, „Świat Szkła” 4/2008.

[3] Structural Behaviour of Glass Structures In Facades. Helsinki University of Technology Laboratory of Steel Structures. Publications 27, Espoo 2003.

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

 

inne artykuły tego autora:

- 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

 

patrz też:

- Ściany osłonowe szklane na wysokość kondygnacji , Krzysztof Mateja, Świat Szkła 7-8/2006     

- 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 

 

 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik