Stosowanie w budownictwie lądowym nowoczesnych konstrukcji szklanych nakłada na projektantów i wykonawców szereg wymagań oraz postępowań zgodnych z aktualną wiedzą techniczną i z przyjętymi wcześniej założeniami. W przeciwnym przypadku prowadzi to do sytuacji grożących awariami, katastrofami budowlanymi bądź sytuacjami trudnymi do opanowania, a jednocześnie psującymi estetykę danego obiektu.

Szklana kurtyna wodna
Przedmiotem opracowania są kurtyny wodne oraz szklane ściany fasadowe na ruszcie stalowym, wykonane z bezbarwnego i bezpiecznego szkła mocowanego punktowo za pomocą systemu SPINIG do konstrukcji na parkingu wielopoziomowym. Na rysunku 1 pokazano widok obiektu z zamontowanymi kurtynami wodnymi.

Pojedyncza tafla szklana kurtyny wodnej zamocowana jest do konstrukcji w ośmiu punktach. Pokazano to na rysunkach 2 do 10. Mocowanie tafli szklanej do żeber szklanych przy użyciu elementów stalowych typu SPINIG, zwanych rotulami przedstawiono na rysunku 5.

Opisywany obiekt parkingu wielopoziomowego z kurtyną wodną oddano do użytku na początku 2010 r. Zamontowano na nim dwie ściany z kurtyną wodną i pięć ścian fasadowych. Kurtyny wodne składają się z żeber szklanych i tafli szklanych. Żebra szklane o konstrukcji ESG 1010.6 podwieszono przegubowo do żelbetowej belki za pomocą konsoli wykonanej ze stali nierdzewnej. Konsole, z kolei mocowano do konstrukcji żelbetowych parkingu za pomocą kotew wklejanych HILTI M16.

Tafle szklane wykonano z bezpiecznego, bezbarwnego i hartowanego szkła o konstrukcji ESG 66.2, które mocowano w ośmiu punktach przez przykręcenie za pośrednictwem elementów typy SPINIG ze stali nierdzewnej AISI 304. Zastosowano rotule przegubowe o średnicy φ 55 mm wykonane ze stali AISI 304. Tafle szklane wykonano w dwóch warstwach po 6 mm każda.

Pomiędzy taflami zastosowano folię PVB grubości 0,76 mm, dając łączną grubość tafli szklanej 12,76 mm. Uszczelnienie między taflami szkła wykonano przy użyciu silikonu LAKMA. Konsole górne i dolne wykonano ze stali nierdzewnej A2. Konsole górne mocowano do żelbetowej belki za pomocą kotew HILTI HVU+HAS M16.

Konsole dolne mocowano do żelbetowej konstrukcji parkingu za pomocą takich samych kotew jak górne. Połączenie żeber wykonano z blach płaskich grubości 10 mm ze stali nierdzewnej A2. Zaprojektowane cięgna montażowe wykonane z rur nierdzewnych o średnicy φ 20 mm ze stali nierdzewnej A2. W chwili obecnej nie występują na przedmiotowej kurtynie.

Rys. 1. Widok kurtyny wodnej

Rys. 2. Widok pojedynczej tafli szklanej kurtyny wodnej mocowanej w ośmiu punktach

  

Rys. 3. Widok mocowania żeber szklanych i tafli kurtyny wodnej

Rys. 4. Widok mocowania żeber szklanych i tafli kurtyny wodnej

Rys. 5. Widok zastosowanej nierdzewnej rotuli do mocowania tafli szklanych kurtyny wodnej

Rys. 6. Przyjęte rozwiązanie kurtyny szklanej parkingu wielopoziomowego

Rys. 7. Zastosowane rozwiązanie mocowania tafli szklanych do żeber szklanych w przekroju

Rys. 8. Zastosowane rozwiązanie mocowania żeber szklanych do słupów żelbetowych oraz tafli do żeber w przekroju

Rys. 9. Rozwiązanie mocowania tafli szklanych do żeber w widoku

Rys. 10. Rozwiązanie mocowania sąsiednich tafli szklanych do żeber w widoku

  

Rys. 11a. Widok charakterystycznego i powtarzanego układu spękań na uszkodzonych szybach

Rys. 11b. Widok charakterystycznego i powtarzanego układu spękań na uszkodzonych szybach


Uszkodzenia laminowanych szyb kurtyny wodnej
Po upływie około pięciu miesięcy od zamontowania kurtyny wodnej, doszło do uszkodzenia szyb laminowanych. Szyby pękały: 30.04.2010, 26.06.2010, 30.06.2010, 13.07.2010, 14.07.2010 oraz około 11.09.2010 i 4.10.2010. Uszkodzeniu ulegała zawsze jedna strona w szybie laminowanej. Uszkodzone szyby wymieniano stosując już szyby z folią 1,52 mm.

Do chwili obecnej uległo uszkodzeniu 7 szyb. Charakterystyczną cechą powstałych uszkodzeń była postać zniszczenia, którą pokazano na rysunku 11. Każdorazowo powstawał regularny układ spękań z centralnym dużym kryształem wokół powstałego promienistego układu spękań. Nie było miejscowego zmiażdżenia wskazującego na uderzenie z zewnątrz.

Rys. 12. Widok teodolitu na stanowisku pomiarowym

Rys. 13. Widoczne odchyłki geometryczne zamocowanych tafli szklanych

  

Rys. 14. Widoczne odchyłki geometryczne zamocowanych tafli szklanych

  

Rys. 15. Widoczne odchyłki geometryczne zamocowanych tafli szklanych

  

Rys. 16. Widok zróżnicowanej długości stosowanych wkładek kontaktowych, determinujących montaż wymuszony

Rys. 17. Widok imperfekcji geometrycznych w otworach szyb laminowanych


Wyniki badań
Przeprowadzono badania wizualne, pomiary geodezyjne, a także obserwacje wymiany uszkodzonych szyb. Na rysunku 12 pokazano mierzone odchyłki geometryczne wymienianych szyb szklanych, a na rysunkach 13 i 14 pokazano widoczne odchyłki geometryczne w montażu tafli szklanych.

W wykonanych pomiarach uzyskano następujące wyniki. Maksymalne odchyłki geometryczne od płaszczyzny pionowej wyniosły 17 mm. W rotulach zastosowano rurowe wkładki kompensacyjne o długości przekraczającej grubość łączonych szyb wynoszącą 12,76 mm.

Rurowe wkładki na stalowe trzpienie rotul miały różne długości np. 10,3 mm, 15,4 mm, 15,2 mm (rys.16), przy czym długość przekraczająca 12,76 mm powodowała brak przylegania pierścieni rotuli do płaszczyzny tafli szklanych. Poza tym poszczególne wkładki nie miały dwóch płaszczyzn. Pojedyncza wkładka była cięta skośnie, a na pojedynczej wkładce o średnicy φ 25 mm różnica długości wynosiła nawet 1,5 mm, co daje możliwość wymuszenia kątowego o 0,06 rad lub około 4 stopni i co kwalifikuje montaż jako wymuszony.

Opisaną sytuację pokazano na rysunku 15. Badania wykazały również, że zastosowano szyby o otworach z istotnymi imperfekcjami w geometrii. Przesunięcie otworów dochodziło nawet do 3 mm (rys. 17), wobec dopuszczalnych tolerancji wynoszących 1 mm. Przesunięcia otworów o więcej niż 1 mm powodują brak możliwości wsunięcia wkładki kontaktowej w przygotowane otwory.

Przy wymianie uszkodzone tafle szyb poddano badaniom udarnościowym: na uderzenie kamieniem i oddziaływaniem strzałów z wiatrówki. Na rysunku 18 pokazano kamień, którym uszkodzono pozostałą drugą stronę szyby laminowanej.

W wyniku przeprowadzonego testu otrzymywano obraz zniszczenia ze zmiażdżonym miejscem po uderzeniu (rys. 19, 20), odmiennym od samoistnego zniszczenia hartowanych laminowanych szyb w pokazanych na rysunku 11.

Rys. 18. Widok kamienia użytego w teście udarnościowym

Rys. 19. Widok zniszczonych tafli laminowanych, z miejscowym śladem po uderzeniu kamieniem

Rys. 20. Widok zniszczonych tafli laminowanych, z miejscowym śladem po uderzeniu pocisku z wiatrówki

Rys. 21. Krzywe wyboczeniowe dla szkła hartowanego ,wg [1,2,8]

Analiza zebranych materiałów
Przeprowadzono analizę archiwalnych obliczeń statycznych za pomocą programu Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2010, z której wynika, że obliczenia przeprowadzono w zakresie sprężystym. Przyjęto, najprostsze punktowe warunki podparcia, generowane przez system. Szybę laminowaną potraktowano jako litą płytę o grubości 12 mm, bez uwzględnienia foli PVB o grubości 0,76 mm. Przyjęto gęstość szkła 25 kN/m3.

Wymiarowanie tafli szklanych wykonano w oparciu o metodę naprężeń dopuszczalnych, których wartość przyjęto równą 50 MPa. Obciążenia wiatrem przyjęto z I strefy wiatrowej. Przyjęto rodzaj terenu B, Ce=0.8, CP=1.2, β=2,2. Z analizy archiwalnych materiałów projektowych wynika, że nie uwzględniono możliwego wyboczenia szkła laminowanego [1,2] biorąc pod uwagę ośmiopunktowe mocowanie płyt szklanych. Nie korzystano z krzywych wyboczeniowych dla szkła hartowanego. Krzywe wyboczeniowe dla szkła hartowanego [1, 2, 8] pokazano na rysunku 21.

W obliczeniach przyjęto zbyt dużą wartość naprężeń dopuszczalnych równą 50 MPa. Z przeprowadzonych badań w różnych laboratoriach wynika, że szkło hartowane cechuje duży rozrzut wartości sił niszczących. Powoduje to także duży rozrzut wartości naprężeń niszczących. Najmniejsza wartość naprężenia, przy której następowało zniszczenie otrzymano na poziomie 35,85 MPa, a największa wartość naprężenia wyniosła 79,92 Mpa [7].

Zatem przy określaniu kryterium zniszczenia szkła hartowanego w postaci największego naprężenia rozciągającego wartość 50 MPa, przyjęta jako wartość naprężeń dopuszczalnych jest za wysoka. Ponadto wiadomo, że szkło hartowane posiada inne wartości naprężeń niszczących przy ściskaniu, a inne przy zginaniu. Przy ściskaniu w odróżnieniu od zginania trójpunktowego lub czteropunktowego wartości naprężeń niszczących są mniejsze.

Obliczenia przeprowadzono dla jednolitej płyty szklanej 12 mm zamiast pojedynczej szyby 6 mm. Standardem, po stronie bezpiecznej jest projektowanie jednej szyby zewnętrznej. Natomiast precyzyjniejsze obliczania wytrzymałościowe dla szyb laminowanych można otrzymać przyjmując nieliniowość fizyczną i geometryczną, uwzględniając reologiczne właściwości foli PVB (folia poliwinylobutyralowa, np. metoda wiskozosprężysta [1, 2, 4, 5], modelując rzeczywiste warunki brzegowe, maksymalnie zbliżając się do rzeczywistych warunków pracy laminowanych, hartowanych fasad szklanych [3].

Uszkodzenia szyb w okresie letnim należy wiązać z tym, że zamontowano szyby nie wysezonowane oraz nie poddane testom HST (dodatkowy test temperaturowy). Po stronie nasłonecznionej uszkodzeniom uległo 6 szyb. Natomiast po stronie mniej nasłonecznionej tylko 1 szyba.

W rachubę wchodzi zawartość siarczku niklu (NiS). Uszkodzenia powstałe w okresie letnim wskazują jednak na pewną słabość szkła float. Tkwi ona w malutkich cząstkach siarczku niklu (NiS), które sporadycznie mogą dostać się do masy szklanej w procesie produkcji szkła float.

Pod wpływem ogrzania szkła w procesie hartowania cząstka siarczku niklu zawarta w tafli szkła zmienia swoją objętość. Nagłe schłodzenie po nagrzaniu tafli, które powoduje jej zahartowanie sprawia, iż cząstka siarczku niklu, która potrzebuje określonej ilości czasu aby powrócić do pierwotnej objętości, nie ma takiej możliwości. Zostaje ona „zamrożona” w tym stanie, co powoduje wytworzenie dodatkowych naprężeń w szkle.

Mechanizm ten działa jak bomba z opóźnionym zapłonem. W zamontowanej w fasadzie hartowanej tafli szklanej z wtrąceniem cząstki siarczku niklu, która zostaje nagrzana pod wpływem promieniowania słonecznego, następuję uwolnienie wzrostu objętości cząstki, co powoduje dodatkowy wzrost naprężeń wewnętrznych. Jeżeli taka cząstka umieszczona jest w strefie naprężeń rozciągających, istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, iż zostanie przekroczony poziom naprężeń dopuszczalnych i nastąpi spontaniczne pęknięcie tafli szklanej. Ten efekt jest wielce prawdopodobny, biorąc również inne zaniedbania na etapie projektowym i istotne niedbalstwo w czasie wykonywania kurtyn szklanych, które powinno być bardzo precyzyjne.

Przyjęcie jednolitej grubości szkła laminowanego, która w omawianym przypadku wynosiła 12 mm, nie jest rozwiązaniem poprawnym. Pracę szyb ze szkła hartowanego z folią laminowaną PVB pokazano na rysunku 22 [2].

Aktualnie prowadzone badania w ośrodkach zagranicznych pozwalają stwierdzić ponadto wpływ temperatury na stopień zespolenia hartowanego szkła laminowanego. Powyżej temperatury 23oC występuje zmniejszenie zespolenia, a zatem pogorszenie pracy kurtyn szklanych i wystąpienie dodatkowego wpływu temperatury na możliwość pękania szkła laminowanego.

Dla stosunkowo małych wartości modułu sprężystości postaciowej ugięcie płyty zmniejsza się znacząco. Dla większych wartości modułu sprężystości postaciowej folii możemy mówić  o pełnym zespoleniu. W badaniach laboratoryjnych przeprowadzonych w ośrodkach zagranicznych stwierdzono, że nawet mała sztywność postaciowa folii ma istotny wpływ na deformację tafli warstwowych i rozkładu naprężeń. Przytaczane badania wykazują istotny wpływ temperatury na nośność szyb laminowanych, warstwowych. Przy niskich temperaturach następuje pełne zespolenie szyb. Przy wyższych temperaturach, powyżej 23oC, wraz ze wzrostem temperatury maleje wartość naprężeń ścinających przenoszonych przez folie [8, 9].

W opisywanym przypadku szereg nakładających się zjawisk i zaniedbań miał wpływ na powstałe uszkodzenia kurtyn szklanych parkingu. Z przedstawionych analiz wynika potrzeba ingerencji, poprawiającej pracę kurtyn szklanych, jednakże z uwagi na złożoność zachodzących zjawisk nie będzie to sprawa prosta.

Rys. 22. Wpływ zespolenia laminowanych szyb na przemieszczania, a tym samym na wytężenie szklanych kurtyn [2]
a) – rozkład naprężeń w płycie warstwowej, w zależności od współpracy folii PVB,
b) – ugięcie i naprężenia w płycie warstwowej, w zależności od modułu sprężystości postaciowej folii PVB


Wnioski
Na podstawie przeprowadzonej analizy zebranych materiałów jednoznacznie można stwierdzić, że przyczyną powstałych i mogących jeszcze powstawać uszkodzeń kurtyn szklanych na elewacji parkingu nie są działania osób postronnych. Przyczyna uszkodzeń tkwi w następujących błędach popełnionych na etapie projektowania i wykonawstwa:

Błędy powstałe na etapie projektowania:
􀁺 zastosowanie uproszczonej metody wymiarowania kurtyn szklanych,
􀁺 przyjęcie za dużej wartości naprężeń dopuszczalnych (50 MPa), jako kryterium zniszczenia,
􀁺 obliczanie płyty szklanej jako całkowicie zespolonej,
􀁺 nieuwzględnienie w wymiarowaniu wyboczenia (wobec istnienia sił normalnych),
􀁺 przyjęcie punktowych, uproszczonych warunków brzegowych, odbiegających od rzeczywiście zrealizowanych,
􀁺 niedostatecznie odwzorowanie przyjętych obciążeń (obciążenia krawędziowe wiatrem, obciążenie spływającą wodą ).

Błędy powstałe na etapie wykonawstwa:
􀁺 montaż szyb laminowanych bez instrukcji montażu (m.in. procedura dokręcania śrub),
􀁺 montowanie szyn na konstrukcji nie zrektyfikowanej geodezyjnie,
􀁺 zastosowanie wkładek kompensacyjnych o nieprawidłowych wymiarach,
􀁺 dopuszczenie do montażu szyb poza wymaganiami (imperfekcje w geometrii otworów, nieoszlifowane krawędzie otworów ),
􀁺 dopuszczenie do montażu wymuszonego (odchyłki kątowe w punktach zamocowania rotul, czy odchylenia pod płaszczyzny pionowej o 17 mm).

dr inż. Jerzy Sendkowski Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
mgr inż. Łukasz Tkaczyk Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
mgr inż. Anna Tkaczyk Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Biuro Budowlane ANKRA Sp. z o.o.
Kielce

Literatura
[1] Cywiński Z.: Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych, „Świat Szkła” 12/2010, 1/2011, 2/2011.
[2] Gierczak J.: Konstrukcje wsporcze fasad szklanych, „Świat Szkła” 2/2009.
[3] Czajka Z.: Okucia do drzwi i ścianek działowych całoszklanych, „Świat Szkła” 5/2008.
[4] Kozłowski M.: Właściwości i odmiany szkła konstrukcyjnego, „Świat Szkła” 5/2010.
[5] Kozłowski M.: Szklane ściany nośne, „Świat Szkła” 1/2011.
[6] Sienkiewicz R.: Szkło mocowane mechanicznie, „Świat Szkła” 4/2010, 5/2010.
[7] Jaśkowska D.: Warunki pękania i zniszczenia szkła. Praca magisterska. Politechnika Poznańska, Poznań
2006 r.
[8] Korzynow W.: Mocowanie szkła w konstrukcjach budowlanych okiem praktyka, „Świat Szkła” 2/2011.
[9] PN-EN 572-2 Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo-wapniowo-krzemianowego. Szkło float; PN-B-13079 Szkło budowlane. Szyby zespolone.

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

więcej informacj: Świat Szkła 7-8/2011

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.