Ustroje metalowo-szklane projektuje się z zachowaniem odrębnego schematu statyczno-wytrzymałościowego względem podstawowej konstrukcji nośnej realizowanego budynku. Ściany osłonowe podlegają sprawdzeniom, według niezależnych (bardziej restrykcyjnych) warunków nośności i użytkowania (SGN i SGU). W normie PN-EN 13830 określono właściwości ścian osłonowych a także podano informacje techniczne o wymaganiach eksploatacyjnych wraz z kryteriami badań do określenia parametrów technicznych metalowo-szklanych przegród budowlanych.

 

 

Nieprawidłowości etapu projektowania ścian metalowoszklanych

 

Szkielet metalowy ściany osłonowej nie powinien przenosić sił generowanych w trzonie budynku a jedynie, w sposób właściwy, przekazywać na konstrukcję obiektu oddziaływania od obciążeń klimatycznych, obciążeń stałych oraz technologicznych występujących w powłoce metalowo-szklanej. Współczesne rozwiązania architektoniczne zwiększają zapotrzebowania na rozwiązania konstrukcyjne fasad o znacznych rozpiętościach i dużej sztywności paneli szklanych. Wybór właściwego rozwiązania struktury elewacyjnej uzależniony jest od prawidłowo dobranych kryteriów etapu projektowania elewacji.

 

Norma PN-EN 13830 nakazuje, aby wartości obliczeniowe nośności ustroju konstrukcyjnego przegrody były zgodne z badaniami według normy PN-EN 12179:2004. Nośność elementów fasady powinna być wyznaczana na podstawie zapisów normy PN-EN 1991-1-4. Wymagania przywołanych norm zapewniają właściwą odporność na obciążenie wiatrem, zarówno, jeżeli chodzi o parcie, jak i o ssanie.

 

Błędem w zakresie doboru wartości obciążenia od działania wiatru na elementy fasady jest przyjmowanie wartości wyliczonych dla bryły projektowanego budynku. Przy projektowaniu elementów fasady należy pamiętać, że wartości sił i oddziaływań na panele szklane i elementy ustroju metalowego muszą uwzględniać jednoczesne działanie ciśnienia zewnętrznego i wewnętrznego w budynku. Współczynnik ciśnienia wewnętrznego Cpi, zależy zawsze od rozmiarów i rozmieszczenia otworów w ścianach elewacji projektowanego budynku. Kolejnym parametrem zwiększającym wartość wyznaczanego obciążenia na elementy fasady względem wartości wyznaczonych dla analizy konstrukcji całego obiektu jest współczynnik Cpe.

 

Przy obliczaniu elementów fasady współczynnik ciśnienia zewnętrznego zwiększamy zgodnie z rys. 1. Znając wymiary projektowanego fragmentu elewacji, przeszklenia lub fragmentu fasady ze słupkiem (ryglem) wyznaczamy dla nich wartość pośrednią, zwiększoną Cpe.

 

 

2016 11 18 1

Rys. 1. Wartości współczynnika Cpe, według PN-EN 1991-1-4, zależnie od wymiarów rozpatrywanego elementu fasady.

 

 

 

Przy projektowaniu metalowych konstrukcji fasady należy pamiętać, że charakterystyki oddziaływań dynamicznych i wpływy zmęczeniowe elementów fasady przy jej projektowaniu muszą być wyznaczane niezależnie od parametrów konstrukcji budynku, na podstawie parametrów geometrycznych struktury elewacji, warunków jej podparcia, specyfiki rozkładu mas skupionych i własności materiałowych. Dobieranie charakterystyk dynamicznych dla fasady jak dla projektowanego obiektu jest postępowaniem błędnym w zakresie projektowania struktur elewacyjnych. Elementy ustrojów fasadowych są poddawane drganiom wysokocyklowym.

 

Często dochodzi do kruchych pęknięć elementów elewacji w zakresie połączeń, łączników śrubowych, nitów i tafli szkła. Przyczynami tych uszkodzeń jest niedostateczne przeanalizowanie zachowania się konstrukcji ściany osłonowej, pracującej niezależnie od budynku ze względu na obciążenie od oddziaływań wiatru, który posiada dynamiczną charakterystykę obciążenia konstrukcji. Kryterium powiązanym z warunkami nośności elementów fasady są warunki Stanu Granicznego Użytkowania. 

 

Metalowo-szklane ściany osłonowe podlegają niezależnym, dodatkowym sprawdzeniom warunków użytkowania z zachowaniem granicznych wartości na poziomie:

- L/500 lub 3,0 mm dla ugięcia każdego poziomego elementu szkieletu od obciążeń pionowych (obciążeń stałych, długotrwałych),

- L/200 lub 15 mm dla ugięcia czołowego elementów szkieletu od wartości obciążeń generowanych przez ciśnienie wywołane oddziaływaniami wiatru,

- L/480 dla sumarycznego ugięcia od wypadkowej wartości sił i oddziaływań dla elementu konstrukcyjnego fasady.

 

W zakresie parametrów użytkowych ważnym kryterium jest szczelność na przenikanie wody opadowej. 

 

W zakresie wodoszczelności norma [1] wyróżnia sześć klas: R4(150), R5(300), R6(450), R7(600), R8(800) i najwyższą, RE (<800), tablica 1. Symbol R z podaną wartością liczbową oznacza porządkowy numer klasy wodoszczelności. Jest on określany na podstawie maksymalnego ciśnienia gwarantowanego, uzyskanego w badaniu laboratoryjnym (Pa), przy którym nie nastąpił przeciek wody na wewnętrzną stronę przegrody. Klasę wodoszczelności określa się na podstawie badania normowego zgodnie z PN-EN 12155:2004. Należy podkreślić, że ze względu na postęp w rozwiązaniach systemowych struktur elewacyjnych, kryteria klas wodoszczelności nie w pełni odpowiadają obecnym rozwiązaniom systemowym fasad [4 i 5].

 

 

Tablica 1. Podział klas wodoszczelności ustrojów metalowo–szklanych.

2016 11 19 1

 

 

Większość stosowanych obecnie przegród charakteryzuje się wodoszczelnością w przedziale 700÷1200 Pa, a więc jest poza podziałem przedstawionych klas normowych. Jest to istotny problem przy realizacji zamówień, określaniu specyfikacji, ofert oraz parametrów przegród.

 

Zarówno inwestor, jak i inni uczestnicy procesu inwestycyjnego, nie mają innej możliwości podania wymagań w zakresie wodoszczelności niż wskazanie klasy RE i podanie konkretnej wartości ciśnienia wyrażonego w Pa, które dany ustrój fasady ma spełnić.

 

Kolejnym kryterium określającym dobrane rozwiązanie projektowe fasady jest jej szczelność na przenikanie powietrza.

 

(...)

 

W tym zakresie wyróżnia się klasy: A1(150), A2(300), A3(450), A4(600) A5(800) oraz AE (<800) – tablica 2. Litera A z wartością liczbową oznacza przypisaną klasę szczelności na podstawie ciśnienia w Pa, podanego w nawiasie, oznaczającego jego maksymalną wartość, przy której nie nastąpiła większa infiltracja (większy przeliczeniowy przepływ powietrza) niż 1,5 m3/(m2·h) przepływu gazu dla badanej przegrody. Zgodnie z normą PN-EN 12153:2004, klasę przepuszczalności powietrza przez fasadę określa się poprzez podanie maksymalnej wartości różnic ciśnienia próbnego po obu stronach badanej przegrody w komorze, przy którym ilość infiltrującego powietrza nie przekraczała podanej wyżej wartości przepływu powietrza.

 

 

Tablica 2. Podział klas ze względu na graniczne wartości infiltracji powietrza dla ustrojów metalowo-szklanych.

2016 11 19 3

 

 

Nie należy tych wartości utożsamiać z idealną szczelnością rozpatrywanej fasady, a odnosić do granicznej wartości przepływu powietrza, która nie zostanie przekroczona w założonych projektowo warunkach normowych.

 

Podane wartości przepływu strumienia powietrza nie powinny być ujmowane przy określaniu sprawności i wydajności urządzeń i instalacji wentylujących przestrzeń budynku (pomieszczenia).

 

Odnosząc się do zagadnień ogólnobudowlanych ściany osłonowej, wśród omawianych wymagań projektowych zawrzeć należy cechy konstrukcyjne ściany, związane z jej trwałością, bezpieczeństwem i estetyką użytkowania.

 

Koszty związane z rektyfikacją układów konstrukcyjnych, wymianami elementów uszczelniających, wymianami przeszkleń, ich czyszczeniem, itp., bezpośrednio przekładają się na wartość kosztową stosowanych rozwiązań fasad. Z tego względu dzieli się ustroje metalowo-szklane określając ich trwałości i przydatności w przewidywanym okresie użytkowania budynku (najczęściej żywotność odpowiada pięćdziesięcioletniemu okresowi użytkowania przegrody).

 

Ściana osłonowa powinna być wykonana z wyrobów, które nie stanowią zagrożenia dla otoczenia. Wyroby nie mogą wydzielać żadnych szkodliwych gazów, lub nieprzyjemnych zapachów. Ściana nie powinna zmieniać swoich właściwości użytkowych, technologicznych w ciągu przewidywanego czasu eksploatacji. Elementy niepodlegające wymianie powinny mieć żywotność równą żywotności konstrukcji budynku.

 

Sposób klasyfikowania metalowo-szklanych ścian osłonowych z uwzględnieniem trwałości przegrody i kosztów eksploatacyjnych podano w tablicy 3. Prawidłowo dobrana izolacyjność akustyczna to kolejny z warunków zapewniających właściwe parametry użytkowe realizowanego obiektu. W warunku tym zawarta jest zdolność przegrody do izolowania budynku przed przenikaniem nadmiernej ilości energii dźwięku z otoczenia.

 

 

Tablica. 3. Sposób klasyfikowania ścian metalowo-szklanych ze względu na trwałość

2016 11 19 2

 

 

Obecnie zakłada się, że wewnątrz budynku użytku publicznego, rejestrowany poziom hałasu przenikającego do jego wnętrza z otoczenia powinien zawierać się w przedziale od 37 do 53 dB. We współczesnych metropoliach rejestrowany poziom hałasu zewnętrznego wynosi od 70 do 90 dB, a tereny przy lotniskach i węzłach komunikacyjnych charakteryzują się poziomem hałasu o natężeniu dochodzącym do 120 dB.

 

Rolą przegrody metalowo-szklanej jest wówczas zmniejszenie poziomu hałasu przenoszonego do wnętrza budynku nawet o 30÷40 dB w stosunku do otoczenia.

 

Ze względu na różnorodność otoczenia dla stosowanych rozwiązań systemowych klasyfikuje się fasady badając ich izolacyjność akustyczną określaną, jako Rw, (W/(m2 K)).

 

Im wyższy wskaźnik Rw, tym lepsza dźwiękochłonność przegrody, lepsze parametry absorpcji energii z otoczenia przez przegrodę. Zależy ona w znacznym stopniu od układu konstrukcyjnego ściany, ilości słupów, rygli, rodzaju połączeń ustroju nośnego i połączeń elementów metalowych z przeszkleniami. Zależy również od ilości elementów przeziernych i nieprzeziernych.

 

Obecnie wyróżnia się cztery klasy dźwiękochłonności: 

- Rw-25 (dźwiękochłonność w zakresie 25÷29 dB);

- Rw-30 (dźwiękochłonność w zakresie 30÷34 dB);

- Rw-35 (dźwiękochłonność w zakresie 35÷40 dB);

- Rw-40 (dźwiękochłonność powyżej 40 dB).

 

Klasy te określają o ile mniejszy wskaźnik poziomu hałasu uzyska się po stronie wewnętrznej przegrody w stosunku do hałasu generowanego przez otoczenie na zewnątrz budynku (ile energii dźwięku opisywana przegroda jest w stanie wchłonąć).

 

Bardzo ważnym kryterium określającym parametry przegród metalowo-szklanych fasady jest izolacyjność termiczna.

 

Metody obliczeń przewodnictwa cieplnego tego rodzaju przegród oraz sposób badania jest ujęty w normie PN-EN 13947:2008.

 

Ze względu na złożoną strukturę przegród fasad metalowo-szklanych nie przeprowadza się obliczeń dotyczących liniowego przebiegu spadku temperatur poprzez poszczególne warstwy ścian osłonowych.

 

Dla fasad wyznacza się uogólniony parametr, na podstawie elementów składowych przegrody, określający jej izolacyjność cieplną

 

U = (Σ UR · AR + Uo · Ao ….+ Un · An + Σ Ψ · L)/A, (1)

 

gdzie:

U – współczynnik przenikania ciepła przez całą przegrodę,

UR – współczynnik przenikania ciepła słupów i rygli (ramy),

AR – pole powierzchni rygli i słupów (ramy), m2,

Uo – współczynnik przenikania ciepła środkowej części przeszklenia,

Ao – pole powierzchni przeszklenia, m2,

Un – współczynnik przenikania ciepła środkowej części paneli przegrody,

An – pole powierzchni uwzględnionych paneli, m2,

Ψ – liniowy współczynnik przenikania ciepła na styku szyby z ramą,

L – długość mostka termicznego na styku szyby z ramą, m,

A – pole powierzchni całej przegrody, m2.

 

Odrębną klasyfikację stosuje się również przy doborze rozwiązań projektowych ze względu na bezpieczeństwo uderzeniowe przegrody. 

 

Odporność ta oznaczana jest klasami od: I0, I1(200), I2(300), I3(450) do I4(600). Litera z liczbą w nawiasie oznacza nadaną klasę odporności badanego elementu struktury metalowo-szklanej. Na podstawie wartości w nawiasie określa się, z jakiej maksymalnie wysokości (w milimetrach), opadający obciążnik normowy o wadze 50 kgnie spowoduje zniszczenia badanego elementu. Na podstawie oględzin stopnia zniszczenia badanego elementu określa się klasę odporności na uderzenie wewnętrzne. Badanie polega na opuszczaniu ruchem wahadłowym obciążnika normowego z wysokości 190, 140 i 600 mm. 

 

W zależności od rodzaju zniszczeń wyróżniamy trzy klasy (1, 2, 3) odporności fasady na uderzenie, z odpowiednimi typami zależnymi od rodzaju zastosowanego szkła:

- typ A – uszkodzenie z licznymi ostrymi krawędziami, charakterystycznymi dla szyb laminowanych,

- typ B – uszkodzenia w postaci licznych spękań utrzymujących się w przestrzeni fasady oraz charakterystycznymi dla tafli hartowanych szkła,

- typ C – uszkodzenia w postaci licznych, nieostrych fragmentów szkła.

 

Określając parametry doboru rodzaju elewacji metalowo-szklanej należy również pamiętać o odporności ogniowej fasad. Ustroje metalowo-szklane budynków odpowiadają takim samym wymaganiom odporności ogniowej przegród jak wszystkie inne ich elementy budynku ze względu na nośność ogniową (R), szczelność ogniową (E), oraz izolacyjność ogniową (I).

 

Z tego względu większość firm zajmujących się projektowaniem i produkcją systemów fasadowych ma w swej ofercie rozwiązania spełniające wymagania klas odporności ogniowej, zarówno 15, 30, 45 jak i 120 czy 180 min.

 

Elementy konstrukcji fasad stanowiące przegrody ogniowe są dodatkowo izolowane w zakresie profili metalowych, szyb i uszczelek. Dla elementów przeziernych stosuje się szyby z wypełnieniem przestrzeni międzyszybowej specjalnymi masami solnymi i ceramicznymi, w pełni przeziernymi, krystalizującymi pod działaniem wysokiej temperatury.

 

Tworzący się spiek zabezpiecza kolejne warstwy przegrody przed rozprzestrzenianiem się ognia i wysokiej temperatury. Warstwa izolacyjna, w pełni przezierna, podczas działania wysokiej temperatury zmienia się w twardą, mleczną masę, która uniemożliwia szybki przepływ temperatury do kolejnych warstw szyby zespolonej. Daje to możliwość utrzymania rozprzestrzeniającego się ognia w strefie wydzielonej ogniowo i obniża temperaturę przegrody od strony zewnętrznej. 

 

Inżynierowie projektujący rozwiązania elewacji powinni również pamiętać by ściana osłonowa była tak ukształtowana, aby metalowe elementy jej szkieletu były połączone w sposób przewodzący prąd. Należy zapewnić by wszystkie elementy pionowe i poziome konstrukcji elewacji oraz elementy wypełniające z okładzin metalowych uzyskały połączenie ekwipotencjalne, które powinno być połączone z najbliższym obwodem uziemiającym budynku. 

 

 

Nieprawidłowości wykonawcze struktur metalowo-szklanych

 

Niezależnie od jakości zastosowanych rozwiązań projektowych, to etap realizacji struktur fasadowych ma decydujące znaczenie ze względu na występowanie wad i nieprawidłowości funkcjonowania przegród w czasie ich użytkowania. Duża różnorodność materiałów i wymagana dokładność ich zespolenia ze względu na parametry użytkowe elewacji, wymusza stosowanie prefabrykowanych rozwiązań, nad którymi w zakładach prefabrykacji kadra inżynierska ma większa kontrolę jakości wykonania.

 

Scalanie na budowie prefabrykatów odbywa się w sposób powtarzalny, umożliwiający w większym stopniu zmechanizowanie czynności montażu. Stosowane rozwiązania tzw. słupów połówkowych i rygli połówkowych pozwala na łączenie kolejnych segmentów elewacji poza polami przeziernymi szyb i okładzin, które są zamontowane w zakładach prefabrykacji. Prefabrykacja i pół-prefabrykacja ścian elementowych jest obecnie technologią zapewniającą najwyższą, jakość wykonania oraz najlepsze standardy użytkowania przegród metalowo-szklanych. Najczęściej powtarzalne błędy w tego rodzaju konstrukcjach wynikają z różnic i odchyłek budowlanych elementów obiektu, dla którego zaprojektowano elewację.

 

Powtarzalne elementy ścian prefabrykowanych wykonywane są z dokładnością do 1,0 mm. Dokładność wykonania szkieletu konstrukcyjnego budynku jest zwykle dużo niższa i ogranicza się do 1,0 cm. Na rys. 2, pokazano schemat zamocowania elementu elewacji na krawędzi stropu. Dwuczłonowe gniazdo zapewnia wykonanie podstawy, jej rektyfikację a następnie zamocowanie słupa z pozostałymi elementami węzłowymi.

 

 

2016 11 20 1

Rys. 2. Widok prawidłowo wykonanego gniazda konstrukcyjnego ściany słupowo-ryglowej.

 

 

Kompensację odchyłek wykonawczych na budowach niweluje się rektyfikatorami węzłów konstrukcyjnych i gniazd służących do mocowania elewacji. 

 

Przy braku możliwości niwelacji niedokładności wykonania konstrukcji budynku i prefabrykatów elewacyjnych jedyną możliwą formą naprawy nieprawidłowości jest wykonanie elementu ściany na nowo. Jest to jednak bardzo kłopotliwe ze względu na ciągłość procesu montażu fasady i dotrzymywanie harmonogramów robót. Prefabrykaty fasad są montowane na obiekcie w układzie tzw. ogniwowym.

 

Czas wykonania prefabrykatu niedopasowanego do warunków realizacji elewacji w zakładzie prefabrykacji wynosi od 1 do 4 tygodni – zależnie od stopnia jego skomplikowania, liczby elementów oraz gabarytów. W tym czasie wstrzymywany jest proces produkcji kolejnych prefabrykatów i ich scalania na elewacji budynku. Zamocowanie we właściwym czasie struktur metalowo- szklanych na obiekcie umożliwia wprowadzenie ekip wykonujących prace wykończeniowe, instalacyjne i techniczne, co pozwala na dotrzymanie terminów oddania obiektu do użytkowania.

 

By zapobiegać opóźnieniom związanym z mocowaniami i scalaniem elewacji obiektów, należy stosować obsługę geodezyjną budowy w zakresie wyznaczenia i wykonania wszystkich gniazd konstrukcyjnych struktury elewacji. Właściwym rozwiązaniem jest również stosowanie gniazd kotwiących, dwuczłonowych. Dają one możliwość sprawdzenia prawidłowości rozmieszczenia węzłów konstrukcyjnych, ewentualnie wykonania próbnych montaży wybranych elementów prefabrykowanej ściany metalowo-szklanej.

 

Dużą liczbę nieprawidłowości projektowych stanowią błędy złego rozmieszczenie i złego wykonania dylatacji elementów konstrukcyjnych elewacyjnych (rys. 3).

 

 

2016 11 20 2

Rys. 3. Widok zniszczonych elementów rygla, listwy dociskowej i maskownicy zewnętrznej na skutek braku właściwych dylatacji

 

 

Dylatacje dla konstrukcji stopowej powinny na elewacji być projektowane nie rzadziej niż co 12,0 m, niezależnie od sposobu dylatowania konstrukcji podstawowej obiektu. Dodatkowo, każdy pakiet szybowy mocowany poprzez listwy dociskowe lub strukturalne (semistrukturalne) mocowania powinien mieć separacje 5-10 mm względem elementów metalowych, ścianek słupków i rygli. Przy kształtowaniu ustroju konstrukcyjnego zalecane jest by słupki pionowe na długości międzydylatacyjnej posiadały jedynie jedno połączenie nieprzesuwne, przenoszące całość oddziaływań na trzon konstrukcyjny. Dodatkowo zaleca się by nieprzesuwny węzeł konstrukcyjny słupów elewacyjnych wykonany był, jako górny tak, by w elemencie słupka wywołać siły rozciągające, co ogranicza wpływ warunków stateczności ogólnej i miejscowej na sposób pracy projektowanego elementu.

 

Przy stosowaniu dylatacji technicznych paneli elewacyjnych i kształtowaniu połączeń, szczególnie w rozwiązaniach ścian wypełniających błędnie kształtowane są odległości pomiędzy strukturą elewacji a płaszczyznami stropów, elementami konstrukcyjnymi budynków. Każda konstrukcja nośna budynku doznaje odkształceń i przemieszczeń trzonu nośnego oraz osiadań fundamentów. Struktury ścian elewacyjnych nie są w stanie przeciwstawić się wartościom tych odkształceń i nie powinny przejmować naprężeń generowanych przez elementy konstrukcyjne obiektu. Wiotkie profile stopowe i płyty szklane ulęgną zniszczeniom przy braku należytego ich dystansowania. Dla typowej konstrukcji żelbetowej w układach słupowo-płytowych, przy rozpiętościach do 8,0 m odkształcenia krawędzi stropów od występowania obciążeń użytkowych sięgają wartości do 3,0 cm. Wartości tych odkształceń należy niwelować w przerwach dylatacyjnych fasady. 

 

Bardzo częstą nieprawidłowością etapu wykonawczego jest brak stosowania przekładek niwelujących różnice potencjałów pomiędzy profilami stalowymi i stopowymi (aluminium). Prowadzi to do powstawania ognisk korozji i przy stosunkowo niewielkich przekrojach łączonych elementów do ich zniszczenia w okresie 3-5 lat – szczególnie elementów złącznych. Dla elementów konstrukcyjnych, w węzłach należy stosować podkładki i tuleje z metalu posiadającego potencjał pośredni pomiędzy stalą a stopami aluminium, np. miedź. Przy elementach uszczelniających, dystansujących i izolujących możliwe jest stosowanie podkładek i tulei z tworzyw sztucznych.

 

Dla prawidłowej pracy elewacji, elementów izolujących wymagają również profile stopowe względem tafli szkła. Na rys. 4 pokazano niezgodnie ze sztuką budowlaną wykonane połączenie pomiędzy taflą szkła a ryglem stopowym.

 

 

2016 11 22 1

Rys. 4. Niewłaściwe zamocowanie tafli szkła w elemencie stopowym. Brak elastycznej uszczelki i właściwego dystansowania tafli szkła względem ścianki stopowej elementu

 

 

Różnice w sposobie pracy okucia z zastosowaną wkładką elastyczną i bez dystansowania elementu stopowego względem szkła pokazano na rys. 5.

 

 

2016 11 22 2

Rys. 5. Rozkład wartości naprężeń w przekroju dla pracy połączeń z uszczelkami elastycznymi i bez zastosowania uszczelek

 

 

Pośrednimi rozwiązaniami są również systemy z osadzeniem tafli przy zastosowaniu elastycznych mas klejowych np. DowCorning, Proventus. Elementy wymiennych wkładek gumowych stosuje się w zakresie grubości 3,0 do 8,0 mm. Rozwiązania z zastosowaniem mas klejowych, elastycznych posiadają grubość warstwy klejowej od 0,2 do 4 (6,0) mm.

 

Jak pokazano na modelu z rys. 5, rozkład naprężeń w przekroju z uszczelką jest bardziej równomierny, pól z zagrożeniami przekroczenia stanu dopuszczalnego naprężenia nie zaobserwowano (prawy element). W przekroju bez uszczelki dla normowego obciążenia wiatrem tafli szklanej o wymiarach 2,10 x 0,9 m na wysokości ~20 m ponad poziom terenu zaobserwowano miejsca koncentracji naprężeń o wartości 58 – 84 MPa.

 

Przekroczenia wartości dopuszczalnych naprężeń sięgają 30MPa. Dla tych samych wartości obciążenia ciśnieniem wiatru tafli szklanej w przekroju z uszczelką gumową (wsp. Poissona 0, 46, grubość uszczelki 3,0 mm) zarejestrowano wartości naprężeń do 38 MPa, dla tych samych miejsc koncentracji naprężeń. Potencjalnie niebezpieczna koncentracja naprężenia, w miejscu, gdzie mógł powstać lokalny karb i zainicjowane pękniecie, została skompensowana dzięki zastosowaniu elementów elastycznych.

 

Obraz zniszczonej tafli szkła na wskutek wadliwie wykonanego połączenia bez elastycznej wkładki pokazano na rys. 6. Inicjacja pęknięcia nastąpiła w miejscu osadzenia tafli w metalowym profilu nośnym. Zniszczenie bez udziału ciśnienia od działania wiatru – tafla pozostała na swoim miejscu. 

 

 

2016 11 24 1

Rys. 6. Obraz zniszczonej szyby na skutek wad związanych z jej zamocowaniem

 

 

Dla pakietów szybowych wadą jest również niewłaściwe mocowanie związane z zamianą stron. Pakiet szybowy jest odwracany i tafla szkła bezpiecznego (najczęściej) znajduje się po stronie wewnętrznej. Wada ta skutkuje nieprawidłową pracą pakietu szybowego, którego tafle poddane są nieprawidłowym (projektowo) wartościom obciążenia. Dla pakietów wieloszybowych każdorazowo należy obliczyć część obciążenia przypadającą na poszczególne tafle (zewnętrzną i wewnętrzną) uwzględniając warunki podparcia przeszklenia, współczynnik gazowy i geometrię szyb.

 

Bardzo dużo nieprawidłowości związanych z użytkowaniem fasad wynika z wad nieszczelności. Na rys. 7 pokazano skutki nieprawidłowego osadzenia słupów konstrukcyjnych fasady w ścianie.

 

 

2016 11 24 2

Rys. 7. Obraz zniszczonej ściany i gniazda konstrukcyjnego. Wadliwe osadzenie elementu w ścianie

 

 

Wada ujawniona na rys. 7 jest wynikiem niewłaściwego ukształtowania odpływu skroplin z wnętrza przekroju stopowego. Wewnątrz profili słupów konstrukcyjnych, okresowo może wystąpić roszenie wewnętrzne na wskutek wewnętrznej kondensacji pary wodnej przy różnicach temperatur. Woda zbierająca się wewnątrz struktury elewacji musi być prawidłowo odprowadzana poprzez kanały w profilach stopowych na zewnątrz elewacji.

 

W przestrzeni elewacji może również okresowo wystąpić woda pochodząca z opadów atmosferycznych. Prawidłowo wykonana i zaprojektowana elewacja posiada kanały w przestrzeni słupków oraz rygli umożliwiające odpływ wody pochodzącej z kondensatu i opadów atmosferycznych. Przy braku takich odprowadzeń dochodzi do zawilgoceń murów i stropów. Jedynym, właściwym sposobem naprawy tego rodzaju uszkodzeń jest ponowne, właściwe zamontowanie elementów konstrukcji fasady.

 

Innym rodzajem nieprawidłowości są niewłaściwie zamontowane i docięte uszczelki zapewniające szczelność oraz warunki podparcia pakietów szybowych. 

 

Obrazem uszkodzeń tego typu są miejscowe zacieki pojawiające się zaraz po, lub w trakcie opadów atmosferycznych. Zawilgoceniu ulegają wewnętrzne powierzchnie ścian i stropów.

 

Tego rodzaju uszkodzenia są również skutkiem braku właściwego utrzymania elewacji. Struktury słupowo- ryglowe ze szkleniem mocowanym w sposób tradycyjny wykonywane były w Polsce już w latach dziewięćdziesiątych ub. w. Ze względu na parametry użytkowe użytych materiałów i rodzaj konstrukcji elewacji uszczelki miękkie w tego rodzaju fasadach należy wymieniać, co około 15-20 lat. Po tym okresie uszczelki twardnieją, pękają i na skutek działania słońca doznają odkształceń. Nie są w stanie utrzymać wody opadowej w strukturze elewacji. Dochodzi do zacieków i nieszczelności. Fasady lat dziewięćdziesiątych zgodnie z instrukcjami użytkowania projektowane i realizowane były w tzw. klasie 1 trwałości.

 

 

2016 11 24 3

Rys. 8. Obraz zniszczonej ściany i zacieki będące skutkiem źle zamontowanych uszczelek

 

 

Dotrzymanie parametrów użytkowych wymaga od inwestorów ingerencji i wymian elementów uszczelniających, rektyfikacji połączeń konstrukcyjnych na całej konstrukcji elewacji. Obecnie pierwsze zrealizowane w latach dziewięćdziesiątych elewacje na terenie Polski wykazują stopień zużycia, powyżej 70%, co jest zgodnie z żywotnością zastosowanych materiałów uszczelniających, które wymagają całościowych wymian.

 

Elewacje te wymagają kompleksowych napraw i wymian wypracowanych uszczelek, połączeń oraz struktur elewacyjnych. Przy pracach naprawczych należy pamiętać o zachowaniu dotychczasowej geometrii elewacji. Zmiany wyglądu, geometrii a nawet kolorystyki elewacji podlegają konieczności uzyskania odrębnych pozwoleń na roboty i pozwoleń na budowę. Remonty i ingerencja w strukturę elewacji wiąże się również z koniecznością dostosowania modernizowanej struktury metalowo-szklanej do aktualnie obowiązujących norm – Eurokodów.

 

Duża ilość nieprawidłowości na rynku jest skutkiem braku znajomość zasad kształtowania elementów elewacji metalowo – szklanych. Na rys. 9 pokazano element konstrukcyjny nieprawidłowo powiercony otworami, które zaślepiono w niedbały sposób. 

 

 

2016 11 25 1

Rys. 9. Źle wykonane wiercenia na ściance bocznej elementów. Niewłaściwie zastosowane elementy drewniane (wzmocnienia i zabezpieczenia elewacji?)

 

 

Profile konstrukcyjne od strony wewnętrznej posiadają tzw. kanały konstrukcyjne, służące do właściwego mocowania elementów. W innych miejscach wykonywanie połączeń jest nieprawidłowe. Mała grubość ścianek profili nie jest w stanie przejąć naprężeń od docisku łączników, co prowadzi do uplastycznienia styków montażowych, luzowania połączeń i nieszczelności. Dodatkowo na rys. 9 widać niewłaściwie zamontowane elementy drewniane, które miały na celu zabezpieczenie struktury elewacji. By prawidłowo zabezpieczyć elewacje przed wypadaniem np. szyb, należy zastosować siatki o oczkach nie większych niż 0,4x0,4 m. Innego rodzaju zabezpieczenia są niewłaściwe ze względu na stosowane przeszklenia.

 

Potwierdzeniem dużej liczby błędów wykonawczych (niedbałości o jakość robót) elewacji metalowo- szklanej jest rys. 10. Często na budowach, by doraźnie dokonać naprawy, stosuje się różnego rodzaju taśmy, uszczelniacze, masy dekarskie. Elementy konstrukcji fasadowej niewłaściwie wykonane powinny być zdemontowane i odbudowane od podstaw. Lokalne uszczelnienia nie przynoszą dobrych efektów. Dokonuje się zaślepień kanałów odwadniających, zamykając skropliny, wodę w przestrzeni profili stopowych. Pozostawiona woda penetruje do wnętrza budynku a w okresach zimowych zamarza rozsadzając kanały odwadniające fasady.

 

 

2016 11 25 2

Rys. 10. Niska jakość wykonania fasady. Niewłaściwe stosowanie silikonów i taśm w celu niwelacji lokalnych uszczelnień

 

 

Konstrukcje słupowo-ryglowe wymagają również określonego sposobu wbudowania w obiekt. Systemy te zachowują swe parametry fizyczne przy założeniu pełnego dostępu do wewnętrznej struktury elewacji powietrza ogrzanego z przestrzeni pomieszczeń. Przy lokalnym zabudowaniu od wewnątrz struktury elewacji, np. murek ogniowy, pasy parapetowe, dochodzi do lokalnego zaburzenia równowagi temperatury na wewnętrznej, odkrytej części fasady. W takim przypadku otrzymujemy niższą niż założoną temperaturę na wewnętrznej powierzchni rygli, słupków i szyb w strefie przy uszczelkach. Dochodzi do lokalnej kondensacji pary wodnej i wykropleń.

 

Najprostsze systemy słupowo-ryglowe mają, przy pełnym dostępie powietrza ogrzanego z pomieszczeń, wyznaczoną wartość temperatury na poziomie 12˚C, co jest wartością minimalną w okresie zimowym i przy wilgotności 60-65% gwarantuje zabezpieczenie elementu przed wystąpieniem punktowego punktu rosy na fragmentach elewacji. Gdy wilgotność pomieszczeń wzrasta, temperatura ta powinna być, co najmniej o 1 stopień wyższa od występującego na powierzchni elewacji punktu rosy. W praktyce to wartość 16-17˚C na wewnętrznej powierzchni rygli i szyb. Ten zapis normowy jest bardzo trudnym do spełnienia w zimowych warunkach polskich i wymaga stosowania obecnie profili izolowanych termicznie w celu zachowania zgodności z zapisami normowymi.

 

Na uwagę zasługuje jeszcze jeden rodzaj usterek związany z samoistnym pękaniem tafli szkła. Ten rodzaj nieprawidłowości jest szczególnie ważny dla kilkunastoletnich struktur, w których nie stosowano szyb z tzw. testem HST.

 

Dopiero od niedawna znane jest zjawisko wtrąceń związków niklu przy procesie produkcji szyb. Stosowane kilkanaście lat temu na elewacji tafle szkła nie posiadają tzw. testu HST, nie są odporne na warunki prawidłowego starzenia się ze względu na występujące sporadycznie wtrącenia związków niklu, który po kilku lub kilkunastu latach użytkowania prowadzi do samoistnego pękania tafli szkła na wskutek różnic rozszerzalności kryształów niklu i kryształów kwarcu. Przy samoistnych pękaniach szyb, szczególnie w okresach wiosennych lub jesiennych, w elewacjach użytkowanych przez kilkanaście lat zaleca się prewencyjną wymianę tafli, które zagrażają bezpieczeństwu użytkowników oraz osób postronnych.

 

 

Podsumowanie

 

W artykule zaprezentowano jedynie wybrane zagadnienia związane z nieprawidłowościami struktur metalowo-szklanych. Rynek ustrojów fasadowych jest bardzo dynamicznie rozwijająca się gałęzią budownictwa. Poprawia się, jakość stosowanych materiałów oraz systemów fasadowych. Na rynku pojawiają się wyspecjalizowane firmy oferujące wysoką jakość usług prefabrykacji i montażu konstrukcji fasad.

 

Podnosi się klasa elewacji, ich żywotność oraz parametry użytkowe. Duża część produkcji ścian elementowych i słupowo-ryglowych na terenie Polski jest eksportowana i uznawana na rynkach międzynarodowych za produkty markowe. Jest to zasługą polskich przedsiębiorstw stawiających na najwyższą technologię produkcji oraz najlepsze materiały. Wartym zauważenia jest również fakt posiadania przez krajowe przedsiębiorstwa wysoko wykwalifikowanej kadry, umożliwiającej wytwarzanie produktów najwyższej jakości.

 

Z danych otrzymanych na lata 2009-2012, Polska jest obecnie największym w Europie producentem rozwiązań systemowych fasad dla realizowanych na świecie obiektów. Główne kierunki eksportu gotowych rozwiązań to Azja, Afryka i Europa Zachodnia.

 

 

dr inż. Maciej Cwyl
Politechnika Warszawska
Wydział Inżynierii Lądowej

 

 

Bibliografia

[1] PN-EN 13830:2005 Ściany osłonowe. Norma wyrobu.

[2] PN-EN 12179:2004 Ściany osłonowe. Odporność na obciążenie wiatrem. Metoda badania.

[3] PN-EN 12155:2004 Ściany osłonowe. Wodoszczelność. Badania laboratoryjne pod ciśnieniem statycznym.

[4] Cwyl M.: Rozwój konstrukcji powłokowych fasad metalowo-szklanych. „Świat Szkła”, nr 1 (159) 2012.

[5] Cwyl M.: Podstawowe wymagania normowe współczesnych ścian metalowo-szklanych „Inżynieria i Budownictwo”, nr 6/2013.

[6] PN-EN 12153:2004 Ściany osłonowe. Przepuszczalność powietrza. Metoda badania.

[7] Ustawa Prawo Budowlane z dn. 07 lipca 1994, Tekst jednolity, Dziennik Ustaw, Warszawa 2013.

[8] PN-EN 13947:2008 Cieplne własności użytkowe ścian osłonowych. Obliczenia współczynnika przenikania ciepła.

[9] Europejska Aprobata Techniczna ETA-04/0039, Bruksela 2004

[10] PN-90/B-03200: Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie. PKN, Warszawa 1990.

[11] Jaworska-Michałowska M.: O szklanych konstrukcjach obiektów budowlanych „Inżynieria i Budownictwo”, nr 3/2011.

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 11/2016

  • 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.