Szklana konstrukcja balustrady zamontowanej na placu Eleftheria w Nikozji na Cyprze była dla firmy Pentagonal prawdziwym wyzwaniem zarówno pod względem prowadzonych badań, modelowania 3D, jak i doboru specjalnego materiału do produkcji okuć oraz szkła.

Zaprojektowanie i wykonanie tej wybitnej i futurystycznej koncepcji autorstwa Zaha Hadid Architecture wymagały udziału i wiedzy architektów oraz projektantów różnych specjalizacji: konstruktorów, programistów i specjalistów od szkła, a także generalnego wykonawcy. '

Założenia projektu
Szklana balustrada może być czymś więcej niż tylko propozycją funkcjonalną, może też być – jak w tym przypadku – lokalnym znakiem rozpoznawczym, łączącym obie strony miasta w ostatniej podzielonej stolicy w Europie.

Dzisiejsze trendy architektoniczne „oczekujące” realizacji niezwykłych obiektów o  złożonej geometrii skłoniły twórców do opracowania tego unikalnego obiektu. Jego celem było osiągnięcie maksymalnej przejrzystości w organicznej formie i maksymalizacja interakcji z otoczeniem.

Ta szklana balustrada została wykonana przez firmę Pentagonal. Charakteryzuje się nachyleniem 42° na całej długości oraz nieregularną zakrzywioną łukowo geometrią, aby stworzyć przeszklony balkon skierowany/wysunięty na zachód.

Konstrukcyjne elementy szklane oraz oprogramowanie do modelowania – zostały specjalnie opracowane, wykorzystane w symulacji komputerowej i przebadane, aby zagwarantować nie tylko odpowiednie właściwości konstrukcyjne, ale również zalety estetyczne konstrukcji szklanej.

Projekt architektoniczny został wykonany przez pracownię Zaha Hadid, a modelowanie (obliczenia konstrukcyjne) i wykonanie zapewniła firma Pentagonal Fitechnic Systems, łącznie z Eckersley O’Callaghan i Hyperstatic Structural Engineering. Generalnym wykonawcą natomiast była firma LOIS Builders z Cypru.

Projekt balustrady
Zakres prac firmy Pentagonal obejmował wykonanie balustrady szklanej o zmiennej geometrii łukowej krzywizny, składającej sięz 20 stalowych słupków (malowanych), zamocowanych na płycie osadzonej na betonowej konstrukcji. Wypełnieniem balustradysą tafle ze szkła laminowanego (grubości 10+10 mm) z międzywarstwą z folii Sentryglas.

Tafle umieszczono w dolnym kanale podporowym (tzw. bucie) ze stali nierdzewnej AISI 316 i zamocowano pomiędzy słupkami za pomocą płyt montażowych (stal nierdzewna AISI 316) połączonych ze słupkami.

Balustrada jest złożona z paneli szklanych pochylonych pod kątem 42°, wystających wspornikowo ze zmienną wysokością z dolnego ciągłego profilu/kanału montażowego i zamocowanych na górze – ok. 400 mm od krawędzi za pomocą 2 listew ze stali nierdzewnej – tworząc barierę o wysokości 1,10 m.

Podstawowe elementy balustrady szklanej opisano poniżej. Są to:
1. Płyta montażowa (zakotwiona w betonie) ze stali zwykłej umieszczona na miejscu na budowie przed montażem balustrady
2. Słupki metalowe ze stali zwykłej malowane na zaprojektowany kolor RAL
3. Spawana płyta montażowa ze stali nierdzewnej z blokami pod otwory gwintowane w dole profilu, tzw. buta (od wewnątrz)

4. Spawana płyta L ze stali nierdzewnej ze śrubami z łbem stożkowym na dolnej części profilu, tzw. buta (od zewnątrz) z otworami umożliwiającymi odprowadzanie wody

5. Spawana górna płyta ze stali nierdzewnej (od zewnątrz) z blokami pod otwory gwintowane
6. Osprzęt/okucie ze stali nierdzewnej A1 spawane do górnej płyty zewnętrznej ze stali nierdzewnej
7. Spawane połączenie ramienia T ze stali nierdzewnej
8. Nakładka A2 do montażu łącznika
9. Spawana górna płyta ze stali nierdzewnej (od wewnątrz) z otworami stożkowymi/ wgłębionymi
10. Wygięte łukowo i proste szkło laminowane z tafli hartowanych (grubości 10+10 mm) z powłoką SGG Bright silver i z międzywarstwą z folii Sentryglas

Szczegóły projektu
Panele szklane o zmiennych rozmiarach i kształtach o długości ok. 3,50 m i wysokości 1,70 m zostały zamocowane/umieszczone w gotowym/dolnym profilu (tzw. buta, stopy), który jest w stanie wytrzymać obciążenie wiatrem i śniegiem (projektowane dla obciążeń balustrad) do wartości granicznej ugięcia (ustalonej na L/120 i maksymalnie 25 mm). Nie uwzględniono żadnych kryteriów projektowych dotyczących ugięcia w przypadku zjawisk/wstrząsów sejsmicznych, a panele zostały utwierdzone za pomocą silikonu strukturalnego/konstrukcyjnego.

Ciężar własny paneli jest podtrzymywany przez nylonowe bloki nośne – 2 lub 3 na panel (w przypadku szkła giętego), umieszczone na dolnym połączeniu oraz bloki na górnym połączeniu. Szkło zostało wyprodukowane z wycięciami ukrytymi przez płyty podchwytujące, aby umożliwić połączenie strukturalne.

W przypadku paneli znajdujących się w końcowej części balustrady, zainstalowano szkło o długości 5,8 m, które częściowo nie było podparte przez dolny profil (tzw. but), więc ciężar własny został podparty na górnym uchwycie na końcu balustrady. Przeprowadzono obliczenia przy użyciu oprogramowania MEPLA SJ w celu sprawdzenia naprężeń występujących na szkle.

Proces modelowania
Modelowanie 3D geometrii balustrady zostało wykonane przy użyciu oprogramowania Rhinoceros (Rhino) w celu stworzenia brył i siatek wielokątów. Modelowanie opiera się na otrzymanej od klienta trójwymiarowej „chmurze punktów”, a całe modelowanie parametryczne zostało wykonane za pomocą algorytmu graficznego Grasshopper, wtyczki do oprogramowania Rhino. Pozwala to na automatyczne przestawianie każdej drobnej zmiany – skorygowanej w ostatecznym pomiarze otrzymanym od klienta.

Pomiary topograficzne (geodezyjna inwentaryzacja) zostały wykonane przez klienta w dwóch etapach: po osadzeniu płyt montażowych i po wylaniu betonu wcelu weryfikacji, zgodnie z punktami odniesienia/referencyjnymi. Wynikiem tych pomiarówbyła chmura punktów 3D w programie Rhino, która stanowiła podstawę do prac modelowych.

Program Grasshopper zaproponowano do modelowania złożonej geometrii, aby pomóc zweryfikować i zapewnić uwzględnienie wszelkich zmian w globalnej geometrii, orientując wszystkie modulacje na określoną wytyczną geometryczną, która jest odniesieniem dla całego procesu.

Grasshopper jest oprogramowaniem do modelowania algorytmów, które współdziała z Rhinoceros, pozwalając na to, aby dane wejściowe w Grasshopper automatycznie przeorganizowały stworzony globalny model, dostosowując np.:
1. zmiany średnicy dowolnego otworu,
2. zmiany wymiarów dowolnej płytki,
3. zmiany położenia słupków,
4. automatyczną regulację w określonej linii.

Na interfejsie Grasshopper zostały utworzone specjalne indywidualne punkty odniesienia (Set Points) związane z kluczowymi miejscami balustrady, takimi jak połączenie słupka z ramieniem „T”, pozycja XY podstawy słupka oraz górna krawędź szkła.

Mają one na celu zarówno umożliwienie edycji poszczególnych wartości, jak również „przesuwanie” wszystkiego na raz, bez uszczerbku dla gładkości/płynności swobodnych krzywizn balustrady.

Modelowanie wykonano w oparciu o wytyczne z pomiarów prefabrykatów, dopasowując się do ostatecznej formy krzywej balustrady zamontowanej na placu budowy, a końcowe modelowanie 3D przedstawiono w pliku Rhino*.3dm, z elementami bryłowymi zaimplementowanymi w formach do odlewania betonu (kolor niebieski), dostarczanymi do klienta do akceptacji.

Poza wytycznymi uwzględniono również różne osie wszystkich słupów do montażu. Poszczególne części zostały wyeksportowane z Rhino do plików CAD i Tekla Structures, aby stworzyć rysunki konstrukcyjne i postępować zgodnie z procedurą dla pozostałego zakresu prac.

Produkcja i badanie elementów
Produkcja elementów balustrad składa się z wykonywania elementów szklanych, elementów ze stali nierdzewnej (profil mocujący tzw. but, płyty górne) oraz z malowanej stali zwykłej (słupki).

Wykorzystywane szkło laminowane składało się z jednej tafli szkła float extraclear (ekstrajasnego) gr. 10 mm i powlekanego szkła gr. 10 mm z powłoką refleksyjną (SGG bright silver - jasny srebrny) z warstwą pośrednią z folii Sentryglas o grubości 1,54 mm.

Krawędzie szkła zostały obrobione/wykończone przez maszynę CNC (polerowanie krawędzi, wykonanie otworów i wycięć itp.), a następnie tafle zostały wygięte/zakrzywione w technologii poziomego, wzdłużnego zginania z regulacją promienia sterowaną przez PLC (Programowalny Sterownik Logiczny – ang. Programmable Logic Controller). Bezpośrednio po tym, już wygięte szkło, jest hartowane (szybkie chłodzenie).

Po hartowaniu szkło zostało poddane procesowi wygrzewania Heat Soak Test (HST) w celu uniknięcia ryzyka samoistnego pęknięcia szkła hartowanego z powodu wtrąceń np. siarczku niklu. Wewnętrzny dolny profil (but) składał się z laserowo wycinanych elementów ze stali nierdzewnej 316, płyt grubości 8 mm i 12 mm spawanych metodą TIG pod kątem 42°, z blokami 40 x 40 mm rozmieszczonymi w odstępach 50 mm pomiędzy nimi.

Zewnętrzny dolny profil (but) składa się z stali nierdzewnej 316 gr. 8 mm w kształcie litery „L” ze śrubami M10 z łbem stożkowym, każda o długości 150 mm. Słupki były wycinane laserowo ze stali SJ275R o grubości 35 mm, spawane metodą MIG (drutem ciągłym) i malowane według następujące go schematu: SA 2˝ 7K-800 60 μm (główny), 7L-150 μm (pośredni) i 7P-258 50 μm (końcowy) RAL 9010.

Górne płyty ze stali nierdzewnej 316 o grubości 20 mm i 25 mm były spawane metodą TIG z blokami do mocowania części „T” ze słupka za pomocą śrub z łbem stożkowym M10 i M16. Połączenie części w kształcie litery „T” między słupkiem a górnymi płytami ze stali nierdzewnej zostało wykonane ze stali nierdzewnej 2205 Duplex.

Wszystkie metalowe części balustrady zostały wygięte i wstępnie zmontowane w fabryce - z tolerancją 3 mm we wszystkich osiach XYZ, aby spełnić określone/specyficzne wymagania projektowe.

Szczelina między płytami ze stali nierdzewnej wynosiła 10 mm, a między taflami szkłami 20 mm, przy czym linia środkowa szczeliny była wyrównana z osią słupka. Wszystkie kontrole jakości zostały przeprowadzone przez firmę zewnętrzną (Bureau Veritas).

Prototyp balustrady został wyprodukowany w fabryce w celu zatwierdzenia i przetestowania w oparciu o normę EN 950:
a) próba/test odporności na uderzenie ciałem miękkim – uwalniając/upuszczając worek z piaskiem o masie 50 kg z wysokości 1,50 m – bez uszkodzeń,
b) próba/test wytrzymałości na uderzenie kulą metalową o masie 4,5 kg spadającą z wysokości 1,50 m - bez uszkodzeń,
c) badanie stabilności po rozbiciu/stłuczeniu szkła – zarejestrowano ugięcie 3 mm przy stłuczeniu pierwszego panelu szklanego i 5 mm przy stłuczeniu drugiego panelu szklanego - zachowując nośność na ciężar własny i stabilność przez ponad 10 dni.

Montaż na miejscu budowy
Metodologia montażu na budowie składała się z różnych faz, a kolejność działań była następująca:
1. osadzenie montażowych płyt stalowych w konstrukcji betonowej,
2. montaż słupków metalowych,
3. montaż dolnego profilu (buta) - części wewnętrznej i zewnętrznej,
4. montaż szkła,
5. montaż górnych płyt ze stali nierdzewnej – części wewnętrznej i zewnętrznej,
6. uszczelnianie i wykańczanie.

Słupy zostały zamontowane za pomocą kotwy chemicznej 8xM24 i wypełnione żywicą epoksydową RE-500 Hilti. Osadzone płyty stalowe zostały umieszczone w odlewach betonowych zgodnie z projektem/modelem, a dolny profil/but zainstalowano za pomocą śrub M8 i z odchyleniami implantacji nie większymi niż 10 mm we wszystkich kierunkach według osi/wymiarów 3D.

Szkło zostało zainstalowane poprzez „szufladę”/przestrzeń wnętrza dolnego profilu/buta, umieszczonego w nylonowych blokach łożyskowych, przymocowanych do taśmy VHB i zamocowanych wokół wycięć na płytach górnych. Szczelinę 15x8 mm pomiędzy dolnym profilem/butem a szkłem wypełniono silikonem strukturalnym DC895. Szczeliny w płytach górnych wypełniono silikonem strukturalnym DC 895 i wykończono uszczelnieniem pogodowym 10 mm - silikonem DC791 o grubości 10 mm. 

Podziękowania
Praca została wykonana przez Pentagonal przy zaangażowaniu m.in. Zaha Hadid Studio, Eckersley O’Callaghan Engineers, Hyperstatic, Cricursa, Cruzdeoito, Seveme i LOIS Builders.

Frederico Figueiredo

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