Odkąd ludzie zaczęli chronić się przed warunkami zewnętrznymi w obiektach przez siebie stworzonych problem wpuszczenia do pomieszczeń światła dziennego był jednym z najistotniejszych zadań. Le Corbusier w jednej ze swych wypowiedzi określił to w ten sposób: Historia architektury związana jest z ustawicznym zmaganiem by wpuścić światło dzienne do budynku poprzez przegrody, których masywność i ciężar związane są z grawitacją. Historia tej walki to historia rozwoju okna.
Okno zmieniało swoją formę zależnie od możliwości technicznych, szczególnie dotyczących produkcji szkła, ale także od inwencji twórczej budowniczych, czy architektów. Tak, jak i inne elementy budynku, takie jak gzyms, okap, cokół, stworzone dla spełnienia określonej funkcji użytkowej, okno będące oryginalnie otworem funkcjonalnym w ścianie, stało się także istotnym elementem kompozycji estetycznej elewacji.
Wpływ na formę okna miało położenie geograficzne i lokalny klimat. Różnice klimatyczne miały także wpływ na wypełnienia otworów okiennych materiałami chroniącymi wnętrze od czynników zewnętrznych. W krajach południowych otwory okienne spełniały głównie funkcje wentylacyjną oraz kontaktu wzrokowego z otoczeniem, natomiast dostęp światła słonecznego do wnętrza był ograniczany poprzez zastosowanie ażurowych wypełnień i okiennic. Mimo, że już w wykopaliskach w Pompei znaleziono fragmenty płytek szklanych, w powszechnej praktyce nie stosowano przezroczystych wypełnień.
Nawet otwory doświetlające w przekryciach nie były osłaniane czego przykładem może być okulus Panteonu czy otwór w kopule nad salą oktogonalną Złotego Domu Nerona w Rzymie. Na północy, w miarę możliwości, powiększano otwory okienne by wykorzystać w maksymalny sposób oświetlenie naturalne. Przykładem mogą być szczyty kamienic mieszczańskich w miastach północnej Europy. Jednocześnie problemem była ochrona przed czynnikami klimatycznymi, opadami, niską temperaturą. Te sprzeczne ze sobą cele doskonale spełnia zastosowanie szkła.
Powszechniejsze użycie płytek szklanych w Europie datuje się na okres od XII wieku. Na skalę przeszkleń miały wpływ wielkości wytwarzanych płyt szklanych ale także budowlane możliwości techniczne, związane z użyciem ciężkich materiałów o małej wytrzymałości na zginanie, kamienia i cegły, które limitowały rozmiary otworów okiennych. Wyjątkiem potwierdzającym regułę ograniczeń związanych z użyciem tradycyjnych materiałów konstrukcyjnych są okna witrażowe katedr gotyckich, przykład wysublimowanej równowagi techniki, sztuki i użyteczności.
Rewolucja techniczna osiemnastego i dziewiętnastego wieku umożliwiła dalszy rozwój technologii budowlanych. Użycie żeliwa, a później stali i żelbetu w formie konstrukcji szkieletowej oraz rozwój przemysłu szklarskiego pozwoliły na zastosowanie większych przeszkleń. Metody otrzymywania szkła płaskiego (szkło kronowe, szkło odlewane) w wiekach XVII i XVIII pozwalały na otrzymywanie szyb o maksymalnej wielkości 75x50 cm. Okna budynków z tego okresu były dzielone wewnętrznymi szczeblinami na pola wynikające z wielkości dostępnych szyb.
Od lat 30. XIX wieku nowa metoda, „cylindrowa", pozwalała na uzyskanie szyb o bardziej jednolitej grubości i o maksymalnych wymiarach 100x130 m. Te wielkości i masowa, jak na owe czasy produkcja, pozwoliły skonstruować budynki o dużo większych przeszkleniach, czego sztandarowym przykładem może być ukończony w 1851 roku pawilon wystawowy Crystal Palace w Londynie*). Patrząc historycznie, budynek ten ma charakter symboliczny i pionierski zapowiadający epokę przeszklonych ścian kurtynowych, charakterystycznych dla drugiej połowy XX wieku.
Nie chodzi tu tylko o samo podobieństwo materiałowe, użycie metalu i szkła, ale głównie o filozofię i metodę projektowania i realizacji. Dzięki prefabrykacji i powtarzalności elementów oraz organizacji pracy, budowa pawilonu trwała tylko 39 tygodni. Organizacja pracy polegała na tym, że realizowano prace równolegle w wielu miejscach budynku oraz zastosowano dostępną mechanizację np. transport płyt szklanych wózkiem jeżdżącym po szynach zamontowanych na elemencie rynnowym budynku.
Tendencja do powiększania powierzchni przeszklonych z użyciem szkła i metalu znalazła wyraz nie tylko w otworach okiennych, ale i w dużych fragmentach ścian zewnętrznych. Pierwszym przykładem przeszklenia całej ściany był budynek fabryki Fagus z roku 1911, zaprojektowany przez Gropiusa i Meyera. W realizacji z roku 1925, szkole Bauhaus w Dessau, Gropius wprowadził ideę ściany kurtynowej, czyli integralnej powłoki zewnętrznej oddzielonej od konstrukcji budynku i tylko na niej zawieszonej. W XX wieku rozwinęły się przeszklenia ścian zewnętrznych budynków wysokich. Początki można zaobserwować już w szklanych wypełnieniach budynków wysokich „szkoły chicagowskiej" z końca XIX wieku.
Rozwinięte to zostało w projektach i realizacjach Mies'a van der Rohe i w innych wieżowcach amerykańskich. Rozwinęły się szczególnie technologiczne rozwiązania dotyczące wytrzymałości elementów konstrukcyjnych ścian osłonowych. W przypadku budynków wysokościowych znaczącym problemem jest parcie i ssanie wiatru, powodujące, że projekt konstrukcji musi uwzględniać odkształcenia, szczególnie w górnej części budynku. Dotyczy to głównej konstrukcji nośnej, ale też podkonstrukcji ścian osłonowych oraz przeszkleń, pamiętając, że szyby mają bardzo ograniczoną elastyczność. Jeżeli chodzi o własności fizyczne, rozwiązania technologiczne i materiałowe ewoluowały w kierunku bardziej efektywnych.
Charakterystyczną cechą wczesnych ścian kurtynowych było użycie słupków nośnych przechodzących przez cały przekrój ściany tworząc mostki cieplne. Modyfikacje związane z ochroną cieplną budynku zaczęto wprowadzać pod wpływem kryzysu energetycznego z lat 70. Dotyczyło to zarówno szyb i ich zestawów jak i stolarki i ślusarki ram okiennych i konstrukcji nośnej ścian kurtynowych. Jednym z efektów poszukiwań energooszczędności było stworzenie podwójnych ścian przeszklonych.
Ostatnie dekady XX wieku w dziedzinie kształtowania formy architektonicznej charakteryzują się szerokim i różnorodnym użyciem szkła. Działo i dzieje się to dzięki ciągłemu rozwojowi technologii w przemyśle szklarskim, które odpowiadają nowym wymaganiom użytkowym i estetycznym projektantów i użytkowników, a często je wyprzedzają dając możliwości tworzenia nowych form. Szkło jest bardzo efektowną składową formy architektonicznej obiektu. Może stanowić wypełnienie ramy okiennej, czy drzwiowej, lub konstrukcji ściany kurtynowej, czy przeszklonego przekrycia. Zawsze jednak musi spełniać określone wymagania użytkowe.
Wymagania te sformułowane są w ustawie Prawo Budowlane (art. 5) i w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. nr 75 z 2002 r. i późniejsze zmiany). W przypadku przegród przeszklonych będą to wymagania dotyczące wytrzymałości mechanicznej, bezpieczeństwa biernego i aktywnego, izolacyjności termicznej i akustycznej, przepuszczalności promieniowania słonecznego, wrażeń wizualnych.
Projektanci działający w imieniu inwestorów, proponując wizję architektoniczną budynku, muszą przeanalizować wszystkie uwarunkowania mające wpływ na użycie danego rozwiązania technologicznego i materiałowego, wyciągnąć samodzielnie wnioski na podstawie własnej wiedzy lub skonsultować się ze specjalistami i podjąć racjonalne decyzje.
W projektowanych obecnie obiektach architektonicznych elementy przeszkleń zarówno w ścianach, jak i przekryciach są tak szeroko stosowane, że można tu mówić o panującej modzie. I jak często w przypadku mody, forma nie zawsze odpowiada potrzebom funkcjonalnym i przesłankom racjonalnym będąc jedynie formalnym zabiegiem. Przykładem może być stosowanie skomplikowanych rozwiązań technologicznych w miejscach, gdzie ich funkcjonowanie jest nieuzasadnione (np. duże przeszklenia w północnej elewacji)
Wymagania mechaniczne przeszkleń
Fakt, że obciążenie od parcia lub ssania wiatru może osiągać wielkości od 500 N/m2 w budynkach niskich do 8000 N/m2 na szczytach wieżowców w czasie huraganu wymusza zastosowanie adekwatnych rozwiązań związanych z właściwościami wytrzymałościowymi szkła.
Szkło jest ciałem bezpostaciowym, które przechodząc przy stygnięciu ze stanu ciekłego w stały nie uległo skrystalizowaniu. Przyłożenie obciążenia do ciała fizycznego powoduje jego deformację i jednocześnie powstawanie wewnętrznych naprężeń przeciwdziałających tym deformacjom. Pod wpływem obciążeń następuje rozciąganie połączeń międzyatomowych i międzymolekularnych.
Większość materiałów deformuje się pod wpływem obciążeń w sposób elastyczny, lub plastyczny, tzn. atomy lub molekuły zmieniają swoje układy, a systemy krystaliczne przemieszczają się. W takich wypadkach materiały mogą przenosić obciążenia, niekiedy bardzo duże, bez dezintegracji.
Szkło nie wykazuje możliwości przenoszenia dużych odkształceń plastycznych. Przenosi je do pewnego, stosunkowo niedużego stopnia, a następnie połączenia między atomami zostają zerwane, czyli szkło pęka. Wytrzymałość szkła na ściskanie (800 MPa) jest dużo większa od jego wytrzymałości na rozciąganie (30 MPa). Współcześnie produkowane szyby oraz ich zmodyfikowane zestawy wykazują znacznie większą wytrzymałość w stosunku do szkła produkowanego w przeszłości, niemniej istnieją limity tej wytrzymałości. Możliwości przeniesienia obciążeń zależą od następujących elementów: typu szkła lub kombinacji typów, grubości tafli, wielkości powierzchni, konstrukcji wspierającej (ramy).
Zakładając jednakowe obciążenia zginające, wytrzymałość szyb z poszczególnych typów szkła jest różna, co ilustruje następująca lista od najmocniejszego szkła do najsłabszego (pojedyncza szyba):
- hartowane,
- wzmacniane termicznie,
- float bez obróbki wtórnej,
- walcowane,
- zbrojone siatką drucianą.
Wytrzymałość szkła laminowanego (warstwowo sklejanego foliami) zależy od grubości i rodzaju składowych warstw. W zasadzie należy brać pod uwagę tylko jedną, najmocniejszą warstwę, chociaż w przypadku krótkotrwałego obciążenia rzeczywista grubość może być wyjątkowo wzięta pod uwagę. Przy dłuższym obciążeniu zespolenie wewnętrzne poddaje się i poszczególne szyby pracują jako oddzielne elementy.
Wytrzymałość mechaniczna szkła ma znaczenie przy rozpatrywaniu problemów bezpieczeństwa. Szkło może zapewnić bezpieczeństwo bierne i aktywne. Wymagania sprecyzowane są w odpowiednich normach.
Biernym bezpieczeństwem nazywamy zabezpieczenie człowieka przed zranieniem przez samo szkło, np. w przypadku rozbicia szyby. Bezpieczeństwo bierne zapewniają następujące rodzaje szkła:
- szkło bezpieczne jednowarstwowe (hartowane) - w przypadku rozbicia rozpada się na małe tępokrawędziowe odłamki,
- szkło bezpieczne wielowarstwowe - warstwy szkła połączone są ciągliwo-sprę-żystą warstwą (folią PVB), która wiąże odłamki rozbitego szkła i szyba mimo rozbicia nie rozsypuje się.
- szkło zbrojone siatką drucianą, która po rozbiciu szyby utrzymuje ją w całości. Biorąc pod uwagę wspomniane już wytrzymałości szkła na obciążenia zginające, najmocniejsze będzie hartowane bezpieczne szkło jednowarstwowe, a najsłabsze zbrojone siatką drucianą (jest ono poza tym półprzezroczyste). Szkło wielowarstwowe, droższe w produkcji, ma jednak tę zaletę, że nawet w przypadku rozbicia szyby, otwór pozostaje zamknięty.
Znając właściwości poszczególnych typów szyb, można podjąć racjonalne decyzje dotyczące ich użycia. Na przykład, projektując przekrycia przeszklone przezroczyste (możliwość oglądania obiektów i nieba przez przegrodę), ze względu na ochronę cieplną logiczny byłby wybór przeszklenia zestawem szklanym, gdzie:
- warstwę górną stanowi szkło bezpieczne jednowarstwowe hartowane, które jako najmocniejsze przeniesie najlepiej uderzenia z zewnątrz (grad, twarde przedmioty), a w przypadkach ekstremalnych rozbije się na małe kawałki obciążając równomiernie dolną warstwę.
- warstwą dolną jest szkło laminowane warstwowe, które w przypadku rozbicia utrzymywane będzie przez folię i nie spadnie na dół.
Dla bezpieczeństwa ma także znaczenie materiał i konstrukcja obudowy szyb i ich mocowanie. Na przykład mocowanie przeszkleń w ścianach kurtynowych silikonem strukturalnym, jest ograniczone w specyficznych sytuacjach, (np. wysokość budynku) i musi być uzupełnione lub zastąpione mocowaniem mechanicznym.
Aktywne bezpieczeństwo polega na ochronie za pomocą specjalnego szkła, człowieka i jego mienia przed aktywnością osób trzecich (włamaniem, strzałami z broni palnej) oraz zabezpieczeniem przed promieniowaniem cieplnym w razie pożaru.
Będą to różnego rodzaju szyby pancerne, kuloodporne, spełniające swoją funkcję dzięki odpowiedniej grubości i kombinacji poszczególnych klejonych warstw.
Możliwa jest dodatkowa instalacja zwiększająca bezpieczeństwo, np. cienka, niewidoczna powłoka metalowa na szkle włączona w obwód instalacji alarmowej.
Wymagania ochrony przeciwpożarowej określają odpowiednie przepisy i polegają na:
a) niedopuszczeniu przez określony czas trwania pożaru do przedostania się płomieni i gazów na drugą stronę przegrody szklanej (E),
b) obniżeniu przenikania promieniowania cieplnego przez przegrodę (W),
c) ograniczenie wzrostu temperatury po stronie chronionej, co uniemożliwia przeniesienie się pożaru i zapobiega zapaleniu się materiałów palnych po stronie chronionej (I).
Wymagania izolacyjności termicznej
Ze względu na ochronę cieplną budynku czyli ograniczenie strat ciepła przenikającego przez przegrody zewnętrzne, przegrody muszą mieć odpowiednią izolacyjność termiczną. W naszym klimacie głównie chodzi o ograniczenie przenikania ciepła z wnętrza na zewnątrz, choć energia promieniowania słonecznego przenikająca do wnętrza musi być także brana pod uwagę w aspekcie przegrzewania pomieszczeń w okresie letnim oraz w aspekcie pasywnego ogrzewania słonecznego.
Wymagania podstawowe są sprecyzowane w wymienionym już powyżej rozporządzeniu Min. Infrastruktury. Dla budownictwa mieszkaniowego wielorodzinnego i zamieszkania zbiorowego wymagania dotyczą wartości wskaźnika E, określającego obliczeniowe zapotrzebowanie na energię końcową (ciepło) do ogrzewania budynku w sezonie ogrzewczym.
Dla innych typów budynków należy sprawdzić czy współczynnik przenikania ciepła przez przegrodę „U" spełnia wymagania zamieszczone w załączniku do wspomnianego rozporządzenia. Przewiduje ono dla okien, w zależności od strefy klimatycznej, Umax < < 2,0 lub 2,6 W/m2K. Warunek ten można spełnić przy przynajmniej podwójnym szkleniu i odpowiedniej stolarce lub ślusarce. Wskaźniki normowe są wielkościami granicznymi.
Ze względu na oszczędność energii korzystniej jest uzyskać niższe współczynniki „U", szczególnie jeżeli przeszklenia stanowią duży procent powierzchni ściany. Współczesne zestawy szybowe pozwalają na uzyskiwanie niższych współczynników i w rozwiązaniach specjalnych schodzą nawet poniżej 1,0 W/ m2K dzięki zastosowaniu szyb specjalistycznych, szczególnie nis-koemisyjnych oraz wypełnieniu szczeliny gazem szlachetnym (argon, krypton).
Jednak należy pamiętać, że podawane współczynniki, szczególnie w materiałach komercyjnych, dotyczą na ogół samego zestawu szybowego. Przenikanie ciepła przez ramy okienne, ościeżnice, uszczelki, a jeszcze bardziej przez szczelinę między ościeżnicą a okalającą ścianą może znacznie pogorszyć właściwości izolujące całości okna. Na izolacyjność zestawu szklanego ma wpływ grubość szyb, dystans między nimi, materiał ramki montażowej, wypełnienie pustki a także rodzaj szyby i jej miejsce w zestawie. Izolacyjność ram i ościeżnic jest zależna od materiału i szczegółów technologicznych.
W przypadku okien drewnianych izolacyjność zależy od grubości elementu; z PVC - od liczby komór wewnętrznych; a w elementach aluminiowych i stalowych konieczne jest zastosowanie przekładki izolacyjnej, przerywającej strumień ciepła biegnący w metalu.
Wymagania ochrony przeciwsłonecznej
Ilość energii słonecznej przekazywanej do wnętrza budynku można regulować stosując odpowiednie szkło przeciwsłoneczne i wielkość okien oraz odpowiednie przesłony, takie jak żaluzje, rolety, gzymsy, markizy. Szkło przeciwsłoneczne uzyskuje swoje właściwości dzięki zabarwieniu w masie lub powlekaniu. Przez zastosowanie odpowiedniego szkła można zwiększyć powierzchnię okien, co może być korzystne dla wrażenia estetycznego i walorów użytkowych, jednocześnie nie zwiększając niepożądanego nagrzewania wnętrza.
Jednocześnie wpuszczenie promieni słonecznych do wnętrza, powodujące akumulację energii cieplnej w materiałach masywnych, takich jak ceramika, beton, kamień, jest elementem pasywnego ogrzewania słonecznego. Ten proces dzieje się w przypadku każdego południowego i zachodniego okna czy przeszklenia jako system zysków bezpośrednich.
Efekty można zwiększyć stosując odpowiednio zastosowane bardziej zaawansowane rozwiązania technologiczne, takie jak buforowe przeszklenia werandowe, ściany kurtynowe podwójne, ściany kolektorowe i kolektorowo-akumulacyjne, izolacje transparentne.
Procesy pozyskiwania ciepła od nasłonecznienia i jego strat w wyniku przenikania na zewnątrz są zmienne w czasie i zależne od pory roku, pory dnia, warunków pogodowych. W związku z tym projektowanie przeszkleń wymaga kompleksowej analizy i zastosowania odpowiednich rozwiązań, uwzględniających dodatkowe elementy ochrony przeciwsłonecznej i termicznej.
Wymagania izolacyjności akustycznej
Nowoczesne izolacyjne szyby dźwiękochłonne konstruowane są z wykorzystaniem kombinacji szyb o różnej grubości i elastyczności oraz z wykorzystaniem tłumienia między szybami. Dla izolacyjności akustycznej bardzo ważne jest odpowiednie skonstruowanie ram, dobór uszczelek i uszczelnień między stolarką i ścianą.
Dr inż. arch. Jerzy Górski
Wydział Architektury Politechniki Warszawskiej
Fot. 2. Okno katedry gotyckiej
Fot. 3. Duże przeszklenia w tradycyjnych budynkach północnej Europy
Fot. 4. Rozwiązania techniczne przy budowie Crystal Palace w Londynie
Fot 6. Przeszklony całkowicie budynek muzeum, gdzie ze względu na ochronę zbiorów przed promieniowaniem UV była konieczność zainstalowania rolet zewnętrznych i wewnętrznych (Glasgow)
*) Patrz Jarosław Trybuś: Krótka historia szkła w nowoczesnej architekturze, „Świat Szkła" 5/2005
Fot. 7. Szklana podłoga dolnej kondygnacji głowicy wieży telewizyjnej CN Tower w Toronto - ponad 200 m nad ziemią
Fot. 10. Zewnętrzne żaluzje w południowej elewacji
inne artykuły tego autora:
- Architektura przeszkleń - część 2 , Jerzy Górski, Świat Szkła 10/2005
- Architektura przeszkleń, Cz. 1 , Jerzy Górski, Świat Szkła 9/2005
patrz też:
- Transparentna architektura – fasady aluminiowo-szklane. Część 2, Robert Sienkiewicz, Świat Szkła 2/2011
- Transparentna architektura – fasady aluminiowo-szklane Cz.1, Robert Sienkiewicz, Świat Szkła 12/2010
- Architektura budynków przeszklonych szybami giętymi , Andrzej Bojęś, Świat Szkła 5/2009
- Oszklenia bezpieczne w budynkach sportowych , Andrzej Bojęś, Świat Szkła 12/2008
- Przeszklone ściany osłonowe - prognozy rozwoju , Andrzej Bojęś, Świat Szkła 9/2008
- Nowe technologie oszkleń w budynkach zabytkowych , Andrzej Bojęś, Anna Bojęś-Białasik Świat Szkła 5/2008
- Lekkie ściany osłonowe z oszkleniem strukturalnym - architektura, konstrukcja, estetyka , Andrzej Bojęś, Świat Szkła 11/2007
- Między klockiem a rzeźbą , Andrzej Bojęś, Świat Szkła 9/2007
- Oszklenia bezpieczne w przegrodach budowlanych a obowiązujące wymagania , Andrzej Bojęś, Świat Szkła 6/2007
- 45 lat stosowania w Polsce szyb zespolonych , Andrzej Bojęś, Świat Szkła 12/2006
- Krótka historia szkła w nowoczesnej architekturze , Jarosław Trybuś, Świat Szkla 5/2005
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
więcej informacji: Świat Szkla 9/2005
