SSG - zasady projektowania w świetle PN-EN 13022 i ETAG 002

Pod pojęciem „szklenie strukturalne” przyjęło się rozumieć technologię mocowanie płyt lub paneli elewacyjnych do konstrukcji budynku, gdzie klej stanowi jedyne spoiwo wiążące. Sama nazwa wywodzi się z początkowego stosowania jej do mocowania tafli szkła do fasady budynku. 

Wraz z rozwojem technologii silikonów, pod nazwą „szklenie strukturalne” obecnie może się kryć także klejenie konstrukcyjne takich materiałów elewacyjnych, jak: szkło, anodyzowane lub powlekane aluminium, stal nierdzewna, tytan czy też kamienie naturalne. Klejenie może dotyczyć zarówno pojedynczych paneli jak i zespołów paneli np. szyby zespolone.

    Rozróżnia się pięć podstawowych typów szkleń strukturalnych (podział dotyczy rozwiązań konstrukcyjnych a niestosowanych materiałów):
    1. System dwustronny – charakteryzujący się tym, że dwa boki panelu elewacyjnego są klejone a pozostałe mocowane mechanicznie np. w ramiaku;
    2. System czterostronny – charakteryzuje mocowanie panelu elewacyjnego wyłącznie za pomocą kleju konstrukcyjnego;
    3. System sworzniowy – gdzie pojedyncza lub zespolona szyba jest mocowana za pomocą specjalnego sworznia umieszczonego w wywierconym otworze. Klej w tym wypadku spełnia podwójną rolę – mocowania sworznia w otworze i uszczelnienia. W niektórych systemach z szybą zespoloną tylko wewnętrzna szyba jest wiercona i mocowana poprzez sworzeń a zewnętrzna „wisi” na silikonie (np. system Sadev Batiment);
    4. System sworzniowy klejony – różniący się od poprzedniego tym, że sworznie są przyklejone bezpośrednio do szkła (bez wiercenia otworów), całość jest wyłącznie klejona konstrukcyjnie;
    5. System żeber szklanych – polegający na budowie elewacji z zastosowaniem żeber szklanych będących pionowymi elementami usztywniającymi. Żebra są mocowane mechanicznie do konstrukcji budynku a całość fasady, najczęściej szklanej, jest klejona klejami konstrukcyjnymi do żeber szklanych.

    W powyższym zestawieniu europejskie normy PN-EN13022 oraz ETAG002 obejmują wyłącznie pozycje 1 i 2. Pozostałe pozycje nie mają jak dotychczas żadnego prawnego (co do sposobu obliczania połączeń silikonowych) umocowania.

    Dostawcy systemów fasadowych w swoich rozwiązaniach przyjmują pewne maksymalne dopuszczalne wymiary stosowanych paneli wypełniających. W przypadku szkleń strukturalnych każdy system podaje oprócz maksymalnych wymiarów paneli również wymiary złącza silikonowego, które zapewniają wymagane bezpieczeństwo i trwałość proponowanego rozwiązania.

    Jednakże to na dostawcy silikonów konstrukcyjnych spoczywa odpowiedzialność poprawnego zwymiarowania złącza silikonowego w każdym indywidualnym przypadku. Dlatego też przy każdym projekcie fasady strukturalnej dokonuje się obliczeń wytrzymałościowych, uwzględniających warunki występujące w danym projekcie.

    Zasady obliczeń zostały opracowane przy współpracy producentów silikonów konstrukcyjnych i instytucji certyfikujących przez Grupę Roboczą UEAtc i zawarte w dokumencie Przewodnik Techniczny dla Aprobowania Klejonych Strukturalnie Systemów, stanowiącym wytyczne do obliczeń i certyfikacji systemów i silikonów konstrukcyjnych stosowanych w SSG. Zasady te zawarte w ETAG002 zostały w zasadzie powtórzone w normie EN13022. W niniejszym artykule zmiany zostały zaznaczone na zielono.

    Rozróżnia się dwa podstawowe typy konstrukcyjne, każdy w dwóch odmianach (rys. 1):

    TYP I – systemy podparte – gdzie ciężar panelu elewacyjnego przenoszony jest na konstrukcję nośną za pomocą podparć mechanicznych:
- odmiana 1 – zabezpieczona mechanicznie przed wypadnięciem
- odmiana 2 – nie zabezpieczona

    TYP II – systemy niepodparte – gdzie ciężar własny panelu elewacyjnego jest przenoszony na konstrukcję nośną wyłącznie za pośrednictwem złącza silikonowego:
- odmiana 3 – zabezpieczona mechanicznie przed wypadnięciem
- odmiana 4 – nie zabezpieczona

    W odróżnieniu od ETAG002 nowa norma bliżej opisuje możliwe rozwiązania konstrukcyjne, wprowadzając również klejenie strukturalne na 4 pozycji. Co ważne, w przypadku klejenia na pozycji 4 norma wymaga, by szyba wewnętrzna miała podparcie mechaniczne. Po lewej stronie rozwiązania z podparciem mechanicznym a po prawej bez.

    Przy wymiarowaniu złącza silikonowego bierze się pod uwagę:
- wpływ wiatru – należy uwzględnić parcie, ssanie i wibracje panelu elewacyjnego – dane te winny pochodzić od projektanta i uwzględniać maksymalne parcie wiatru dla danych z okresu minimum 10 lat, uwzględniając usytuowanie i kształt budynku. Dla elementów pochyłych należy podać również obciążenia śniegiem;
- wpływ temperatury – należy uwzględnić rozszerzalność termiczną składowych systemu zarówno w cyklu dobowym jak i rocznym;
- sposób przeniesienia ciężaru własnego panelu elewacyjnego.

Obliczenia dla systemów TYPU I – podpartych
    Bardzo ważnym jest prawidłowe określenie wielkości (długości) klocków nastawczych podpierających panel elewacyjny.

   Z zasady powinno się stosować dwa klocki nastawcze o grubości minimum 3 mm umieszczone w ¼ , licząc od brzegu, długości podpartej krawędzi panelu, w tym przypadku długość klocków nastawczych określa równanie:

L= S x 25/U

gdzie:
L – długość klocka
S – powierzchnia szkła w m²
U – dopuszczalna siła nacisku na materiał klocka w N/mm²

Obliczanie wielkości złącza silikonowego
Wysokość złącza oblicza się według wzoru:

h = [ a/2 x W/q ] x 10^-6 mm

gdzie:
h – wysokość złącza silikonowego w mm
a – długość krótszego boku panelu w mm
W – parcie wiatru w Pa
q – dopuszczalna elastyczność silikonu w N/mm²

Grubość złącza silikonowego oblicza się według wzoru:

e = E_o/3 x T_d/t_d w mm

gdzie:
e – grubość złącza silikonowego w mm
E_o – moduł sprężystości silikonu dla sił stycznych w N/mm²
T_d – maksymalne wydłużenie termiczne w danych warunkach
t_d – maksymalna dopuszczalna sprężystość silikonu przy dynamicznych siłach ścinających

Wartość T_d oblicza się w zależności, który bok panelu jest podparty z równań:

Gdy b > a (podparcie strony a) to:
T_d = [(T_c –T_a) x a_c – (T_o – T_a) x a_v] x [(a/2)² + b²]^1/2

Gdy b > a ( podparcie strony b ) to:
T_d = [(T_c –T_a) x a_c – (T_o – T_a) x a_v] x [(b/2)² + a²]^1/2

gdzie:
a – szerokość panelu
b – długość panelu
T_c – maksymalna temperatura ramy nośnej – najczęściej przyjmuje się 55^oC
T_o – średnia temperatura otoczenia – najczęściej przyjmuje się 20^oC
T_v – maksymalna temperatura panelu (szkła) – najczęściej przyjmuje się 80^oC
a_c – współczynnik rozszerzalności termicznej materiału ramy
a_v – współczynnik rozszerzalności termicznej materiału panelu

    W praktyce nie dopuszcza się, by grubość złącza silikonowego była mniejsza niż 6 mm, a stosunek grubości i wysokości mieścił się w przedziale:

3e > h > e

    Z ograniczeniem, że, „h” nie może być większe niż 20 mm dla silikonów jednoskładnikowych, 30 mm dla silikonów dwuskładnikowych oraz 35 mm dla systemów przeciwwybuchowych!

Obliczenia dla systemów TYPU II – nie podpartych
    W tym przypadku przyjmuje się, że cały ciężar panelu jest przenoszony poprzez złącze silikonowe na pionowych krawędziach panelu.

Wysokość złącza oblicza się z zależności:

h = (R_v x a x b x d)/(2 x (a lub b) x t_s w mm
(wybór a czy b w zależności która krawędź jest pionowa)
przy zachowaniu warunku:
h = [ a/2 x W/q ] x 10^-6 w mm
gdzie:
h – wysokość złącza silikonowego
a – szerokość panelu w mm
b – długość panelu w mm
d – grubość panelu w mm
R_v – gęstość materiału panelu w N/mm3
t_s – maksymalna dopuszczalna sprężystość silikonu przy statycznych siłach ścinających w N/mm²
W – parcie wiatru w Pa
q – dopuszczalna elastyczność silikonu w N/mm²

Grubość złącza silikonowego oblicza się według wzoru:
e = E_o/3 x T_d/t_d w mm

gdzie:
e – grubość złącza silikonowego w mm
E_o – moduł sprężystości silikonu dla sił stycznych w N/mm²
T_d – maksymalne wydłużenie termiczne w danych warunkach
t_d – maksymalna dopuszczalna sprężystość silikonu przy dynamicznych siłach ścinających

Wartość T_d oblicza się z zależności:
T_d = [(T_c –T_a) x a_c – (T_o – T_a) x a_v] x [(a/2)² + (b/2)²]^1/2

gdzie:
a – szerokość panelu
b – długość panelu
T_c – maksymalna temperatura ramy nośnej – najczęściej przyjmuje się 55oC
T_o – średnia temperatura otoczenia – najczęściej przyjmuje się 20oC
T_v – maksymalna temperatura panelu (szkła) – najczęściej przyjmuje się 80oC
a_c – współczynnik rozszerzalności termicznej materiału ramy
a_v – współczynnik rozszerzalności termicznej materiału panelu

    Należy przestrzegać by grubość złącza silikonowego nie była mniejsza niż 6mm a stosunek grubości i wysokości mieścił się w przedziale: 3e > h > e.

    Z ograniczeniem, że, „h” nie może być większe niż 20 mm dla silikonów jednoskładnikowych, 30 mm dla silikonów dwuskładnikowych oraz 35 mm dla systemów przeciwwybuchowych!

    W przypadku stosowania szkła, jako paneli elewacyjnych można posługiwać się zarówno pojedynczymi taflami jak i szybami zespolonymi. W tym ostatnim przypadku dopuszcza się wyłącznie zestawy złożone z dwóch tafli szkła.

Przy doborze grubości szkła należy posługiwać się podstawowymi zasadami doboru grubości szkła w zależności od powierzchni przeszklenia i stosunku boków oraz obciążenia wiatrem czy śniegiem:
    W przypadku szyb zespolonych należy określić zarówno ekwiwalentną grubość szkła jak i wielkość uszczelnienia silikonem. Jest to niezwykle istotne by nie przenosić mechanicznie doświadczeń z produkcji typowych szyb zespolonych.

    W przypadku stosowania szkła zespolonego do szkleń strukturalnych obliczenie wysokości uszczelnienia przeprowadza się z zależności:

h_s = [a/2 x W/q] x 10^-6 w mm

gdy grubość tafli zewnętrznej d₁ jest większa od grubości tafli wewnętrznej d₂
oraz

h_s = [(a x W)/2q] x 10^-6 w mm

gdy grubość tafli zewnętrznej d₁ jest mniejsza od grubości tafli wewnętrznej d₂ oznaczenia jak wyżej.

    Norma EN13022 wprowadza nieco inny sposób obliczeń w zależności od stosunku grubości szyb w zespoleniu poprzez doprecyzowany współczynnik wg poniższego wzoru:

h = 0,5 x a x W/ β x q

gdzie współczynnik β jest zdefiniowany poniżej:

    A obciążenia „W” spoiny silikonowej wiatrem, śniegiem i ciężarem własnym szkła winny być obliczane zgodnie z normami: EN 1991-1 część 1 i 3 oraz EN1991-2-4

    Należy podkreślić, że obliczenia dla systemów gdzie szyba zewnętrzna nie ma podparcia mechanicznego obliczenia wysokości uszczelnienia wykonuje się zgodnie z zasadami jak dla klejenia strukturalnego!

    Jako minimalną wysokość uszczelnienia przyjmuje się 6 mm. Grubość złącza określa szerokość zastosowanej ramki dystansowej. Z uwagi na to, że nie stosuje się ramek mniejszych niż 6 mm, to warunek minimalnej grubości uszczelnienia jest spełniony.

    Ponadto norma EN13022 opisuje sposoby podparcia szkła w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego oraz określa minimalna grubość pojedynczej szyby, jako 6 mm. Dla szkła monolitycznego klejonego na pozycji 2 w systemach podpartych minimalna grubość klocków podpierających wynosi również 6 mm.

    Obciążenia „W” spoiny silikonowej wiatrem, śniegiem i ciężarem własnym szkła winny być obliczane zgodnie z normami: EN 1991-1 część 1 i 3 oraz EN1991-2-4

    W dalszym ciągu zagadnienia związane z ciśnieniem wewnętrznym szyb zespolonych, w zależności od obciążeń klimatycznych jak i wysokości budynku nie są omówione.

    Jak dotychczas wszelkie obliczenia dla silikonów konstrukcyjnych wykonywane są przez personel producentów szczeliw.

Ostatnio pojawiła się strona internetowa www.glazingexpert.com , która jest swoistym kalkulatorem dla szklenia strukturalnego, bazującym na wymaganiach norm europejskich oraz na przyjętych w przemyśle szklarskim rozwiązaniach wg modelu Feldmaiera i wycofanych norm prEN13474-1 i 2.

Na stronie tej można dokonać obliczeń dla wszystkich opisanych przypadków, jak również sytuacji nie opisanych w normach. Co ciekawe, obliczeń można dokonywać dla silikonów konstrukcyjnych różnych dostawców, jak DOW CORNING, SIKA, TREMCO czy KOMMERLING mających Europejską Aprobatę Techniczną, a tym samym znak CE.