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 = Eo/3 x Td/td w mm
gdzie: e – grubość złącza silikonowego w mm Eo – moduł sprężystości silikonu dla sił stycznych w N/mm2 Td – maksymalne wydłużenie termiczne w danych warunkach td – maksymalna dopuszczalna sprężystość silikonu przy dynamicznych siłach ścinających

Wartość Td oblicza się w zależności, który bok panelu jest podparty z równań:
Gdy b > a (podparcie strony a) to: Td = [(Tc –Ta) x ac – (To – Ta) x av] x [(a/2)2 + b2]1/2
Gdy b > a ( podparcie strony b ) to: Td = [(Tc –Ta) x ac – (To – Ta) x av] x [(b/2)2 + a2]1/2
gdzie: a – szerokość panelu b – długość panelu Tc – maksymalna temperatura ramy nośnej – najczęściej przyjmuje się 55oC To – średnia temperatura otoczenia – najczęściej przyjmuje się 20oC Tv – maksymalna temperatura panelu (szkła) – najczęściej przyjmuje się 80oC ac – współczynnik rozszerzalności termicznej materiału ramy av – 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 = (Rv x a x b x d)/(2 x (a lub b) x ts 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 Rv – gęstość materiału panelu w N/mm3 ts – 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 = Eo/3 x Td/td w mm
gdzie: e – grubość złącza silikonowego w mm Eo – moduł sprężystości silikonu dla sił stycznych w N/mm2 Td – maksymalne wydłużenie termiczne w danych warunkach td – maksymalna dopuszczalna sprężystość silikonu przy dynamicznych siłach ścinających
Wartość Td oblicza się z zależności: Td = [(Tc –Ta) x ac – (To – Ta) x av] x [(a/2)2 + (b/2)2]1/2
gdzie: a – szerokość panelu b – długość panelu Tc – maksymalna temperatura ramy nośnej – najczęściej przyjmuje się 55oC To – średnia temperatura otoczenia – najczęściej przyjmuje się 20oC Tv – maksymalna temperatura panelu (szkła) – najczęściej przyjmuje się 80oC ac – współczynnik rozszerzalności termicznej materiału ramy av – 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:
hs = [a/2 x W/q] x 10-6 w mm
gdy grubość tafli zewnętrznej d1 jest większa od grubości tafli wewnętrznej d2 oraz
hs = [(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.
Tomasz Wierzchowski Doradca Techniczny
patrz też:
- Wkład technologii silikonowych w zrównoważoną architekturę , A.T. Wolf, Świat Szkła 5/2010
- SSG – zasady projektowania w świetle PN-EN 13022 część I i II oraz ETAG 002 , Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 10/2008
- Stosowanie mas uszczelniających do fasad , Szymon Nadzieja, Świat Szkła 9/2008
- Technologia wklejania szyb do konstrukcji okiennych , Szymon Nadzieja, Świat Szkła 4/2007
- Silikony w mocowaniach punktowych i liniowych , Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 1/2007
- Stosowanie szczeliw silikonowych w szkleniu zabezpieczającym cz. 2 , Szymon Nadzieja, Świat Szkła 12/2006
- Stosowanie szczeliw silikonowych w szkleniu zabezpieczającym cz. 1 , Szymon Nadzieja, Świat Szkła 11/2006
- Uszczelnianie szklanych konstrukcji z zastosowaniem szkieł samoczyszczących , Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 1/2006
inne artykuły tego autora:
- Zabezpieczenie szkła architektonicznego na placu budowy, Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 12/2008
- SSG – zasady projektowania w świetle PN-EN 13022 część I i II oraz ETAG 002 , Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 10/2008
- Gdy kolor ma znaczenie , Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 7-8/2008
- Silikony w mocowaniach punktowych i liniowych , Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 1/2007
- Uszczelnianie szklanych konstrukcji z zastosowaniem szkieł samoczyszczących , Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 1/2006
|