1. Wstęp
Wraz ze wzrostem zainteresowania szklanymi elementami nośnymi oraz rozwojem technologii wytwarzania i laminacji elementów szklanych pojawiła się potrzeba skodyfikowania i unormowania metod projektowania konstrukcji. Zarówno na świecie, jak i w Europie wiele państw tworzyło własne normy krajowe dotyczące zasad projektowania konstrukcji szklanych; przykładowo CSN 74 3305 w Czechach, DIN 18008 w Niemczech czy brytyjska norma BS 6180. Normy te często nie wyczerpywały poruszanej tematyki, a niekiedy ich założenia były sprzeczne w zestawieniu z analogicznymi normami z innych krajów.
Brak podstaw normowych znacznie ograniczał powstawanie dużych konstrukcji szklanych. Pomimo trudności i konieczności wykonywania dodatkowych skomplikowanych analiz na świecie powstały konstrukcje wykorzystujące szkło jako elementy nośne. Przykładem takiego obiektu mogą być chociażby szklane słupy w centrum administracyjnym w Saint-Germain-en-Laye we Francji czy ściany nośne w Rezydencji z Santa Fe [1].
Zapotrzebowanie na skodyfikowane rozwiązania oraz ogólnie występujący chaos i niespójności w podejściach projektowych między krajami były silnym impulsem do stworzenia ogólnoeuropejskiej podstawy normowej. Bazując na rodzinie Eurokodów utworzonych dla innych materiałów (żelbet, stal, konstrukcje zespolone, drewno, konstrukcje murowe, aluminium) [2–7], zdecydowano się na utworzenie kolejnej normy dotyczącej konstrukcji szklanych. Pierwsze plany na poziomie ogólnoeuropejskim poczyniono w 2006 roku, natomiast pierwsze prace zostały rozpoczęte w 2012 roku po wydaniu dekretu M/515 wydanego przez Komisję Europejską w sprawie stworzenia Eurokodu dotyczącego projektowania konstrukcji szklanych (eng. Eurocode for the Design of Glass Structures) [8].
Ze względu na złożoność zagadnienia prace nad nową normą zostały podzielone na trzy fazy. W pierwszej fazie Wspólne Centrum Badawcze przy Unii Europejskiej (WCB) przygotowało raport przedstawiający w sumaryczny sposób obecny na ówczesny stan wiedzy technicznej, w celu przygotowania ram na podstawie których były prowadzone dalsze prace nad dokumentem.
Prace pierwszej fazy zostały zakończone publikacją dokumentu “Guidance For European Structural Design Of Glass Components” w roku 2014 [9]. Druga faza polegała na stworzeniu specyfikacji technicznej (CEN/TS 19100), zbudowanej na szkielecie przygotowanym w fazie pierwszej [10]. Ostatnia trzecia faza polega na przekształceniu specyfikacji technicznej w Eurokod.
2. Założenia Eurokodu
Nawiązując do struktury wcześniejszych Eurokodów (np. Eurokod 2, Eurokod 3) norma prEN 19100 podzielona jest tematycznie i składa się z 3 części [11]:
- prEN 19100-1 Eurocode 10 – Design of glass structures – Part 1: General rules (Ogólne zasady)
- prEN 19100-2 Eurocode 10 – Design of glass structures – Part 2: Out-of-plane loaded glass components (Elementy szklane obciążone prostopadle do płaszczyzny)
- prEN 19100-3 Eurocode 10 – Design of glass structures – Part 3: In-plane loaded glass components (Elementy szklane obciążone w płaszczyźnie).
Część pierwsza dotyczy głównych założeń projektowych, właściwości materiałowych wyrobów szklanych, zagadnień bezpieczeństwa oraz trwałości konstrukcji. Druga część skupia się na elementach obciążonych prostopadle do płaszczyzny, czyli elementach obciążonych bocznie, nie przenoszących obciążeń z innych części konstrukcyjnych, obliczenia elementów laminowanych oraz szyb zespolonych.
Opisywany segment normy ma zastosowanie przy projektowaniu wszelkiego rodzaju kładek, balustrad, przeszkleń dachów itp., jak również zagadnienia projektowania typowych podpór/połączeń; to jest: połączeń punktowych, liniowych wzdłuż krawędzi elementu oraz wsporników zamocowanych na jednej krawędzi. Część trzecia zawiera informacje dotyczące elementów obciążonych w płaszczyźnie, są to głównie elementy nośne przenoszące obciążenia z innych części konstrukcji, segment ten ma zastosowanie przy projektowaniu szklanych ścian, słupów, wsporników, belek i innych podobnych elementów.
Na poziomie specyfikacji technicznej istnieje dodatkowa część dotycząca doboru szkła w odniesieniu do ryzyka obrażeń ciała (CEN/TS 19100-4:2024 Design of glass structures – Part 4: Glass selection relating to the risk of human injury – Guidance for specification) [12]. Na poziomie prac komisji powołanej przez Wspólne Centrum Badawcze postanowiono, że na ten czas część czwarta pozostanie na poziomie specyfikacji technicznej, a zagadnienia bezpieczeństwa użytkowania będą poruszane w załącznikach krajowych. Ostatnia część specyfikacji odnosi się do zagadnień związanych z bezpieczeństwem i doborem odpowiedniego rodzaju szkła.
Struktura oraz zawartość Eurokodu została opracowana w sposób nawiązujący i odpowiadający wcześniejszym Eurokodom. Uwzględniono wszystkie zagadnienia szczególnie ważne dla elementów szklanych, które pozostawiały wiele niepewności w przeszłości. Norma porusza zagadnienia trwałości i niezawodności konstrukcji, szczególnie ważne dla konstrukcji szklanych ze względu na kruchość materiału. Struktura normy jest przyjazna do wprowadzenia i stosowania aneksów krajowych, co ma pomóc w szerokiej adaptacji normy na poziomie europejskim.
Ze względu na swą przezroczystość szkło jest wyjątkowym materiałem i coraz chętniej wykorzystywane jest jako materiał, z którego wykonuje się niektóre elementy nośne. Niestety materiał ten posiada również negatywne, unikatowe cechy w zestawieniu z innymi materiałami konstrukcyjnymi,mianowicie bardzo dużą kruchość. Wcześniejsze Eurokody dotyczące innych materiałów konstrukcyjnych opierały projektowanie na spełnieniu warunków wynikających ze stanów granicznych nośności i używalności.
Członkowie zespołu pracującego nad specyfikacją techniczną CEN/TS, a później nad prEN 19100, postanowili wyodrębnić szczególnie ważne sytuacje projektowe ze stanu granicznego nośności i przypisać je do dwóch nowych stanów granicznych. Wprowadzono stan graniczny “pęknięcia” (Fracture Limit State) (FLS) oraz stan graniczny “po pęknięciu” (Post Fracture Limit State) (PFLS).
Mimo, że dokładne wymagania bezpieczeństwa i trwałości z założenia mają być regulowane poprzez aneksy krajowe, utworzono scenariusze stanów granicznych (limit state scenario – LSS).
W zależności od projektowanego elementu należy postępować zgodnie z jednym z czterech scenariuszy stanów granicznych. Przykładowo, dla elementu pracującego jako słup należy założyć trzeci scenariusz stanów granicznych i przeprowadzić analizę z wykorzystaniem wszystkich stanów granicznych wprowadzonych przez normę.
Jak wspomniano wcześniej, prEN 19100 jest częścią rodziny Eurokodów zatem obciążenia działające na konstrukcję należy przyjmować zgodnie z Eurokodem 1 [13]. Jednakże, z uwagi na swą specyfikę, niektóre wyroby szklane obciążone są dodatkowymi siłami. Dotyczy to w szczególności szyb zespolonych posiadających pustkę wypełnioną gazem oddziałującym na szyby ciśnieniem pochodzącym ze zmian temperatury oraz wysokości nad poziomem morza. Zagadnienia przeszkleń z pustką powietrzną są poruszone w Eurokodzie 10.
Norma prEN 19100 wymienia najpopularniejsze rodzaje szkła stosowanego w budownictwie. Poniżej zestawiono wartości charakterystycznej wytrzymałości na zginanie różnych rodzajów szkła:
