|
1. Wstęp. Informacje formalne
W drugiej połowie 2016 roku pracowania architektoniczna STELMACH I PARTNERZY Sp. z o. o. zleciła firmie STUDIO PROFIL Tomasz Karwatka Jacek Kucharski S.J. wykonanie projektu wykonawczego fasad i konstrukcji szklanych dla Inwestycji – SZUCHA PREMIUM OFFICES w Warszawie przy al. Szucha 17/19.
Ilustracja nr 1
Inwestycja obejmowała nowy 7-kondygnacyjny budynek biurowy i historyczny pałacyk z końca XIX w., w stylu neorenesansu, przewidziany do adaptacji na restaurację.
W zakresie inwestycji znalazł się także łącznik pomiędzy nowym budynkiem i pałacykiem. Ostatecznie Konserwator Zabytków zaakceptował koncepcję architektoniczną łącznika w formie szklanej, zapewniającej optyczną ciągłość elewacji pałacyku.
W celu uzyskania jak największej transparentności i neutralności szkło przewidziano nie tylko w przegrodach zewnętrznych - w ścianach i dachu, ale również jako materiał konstrukcji nośnej łącznika (dla słupów, rygli i płatwi) (ilustracja nr 1).
Ilustracja nr 2
2. Układ konstrukcyjny
Łącznik w rzucie poziomym jest trapezem prostokątnym. Składa się tylko z dachu i 2 ścian frontowych: tylnej, węższej i przedniej szerszej, w której znajdują się drzwi wejściowe. Nie ma ścian bocznych (podłużnych) – jest otwarty na biurowiec i pałacyk (ilustracja nr 3).
Na ilustracji nr 2 w przedstawiono układ konstrukcyjny łącznika, który składa się z:
- „długich”, niepełnych ram (7 sztuk), zmiennej rozpiętości (kolor zielony).
Rozstaw ram jest nieregularny. Ramy są tak rozmieszczone, aby nie znajdowały się w linii okien pałacyku (ilustracje nr 3 i 4). Każda rama ma jeden słup i jeden rygiel, które połączone są ze sobą przegubowo. Punkty podparcia słupa i rygla to także przeguby.
Na ilustracjach nr 5 i nr 6 pokazano te punkty. To połączona z płytą fundamentową ściana żelbetowa (wzdłuż pałacyku) poszerzona w miejscu oparcia słupów (ilustracja nr 5) oraz belka stalowa wykonana z ceownika C 300 przymocowana do biurowca (ilustracja nr 6). Konstrukcja łącznika jest więc tylko połączona z budynkiem biurowca, natomiast od strony pałacyku pozostała niezależna. Konserwator zabytków nie wyraził zgody na jej mocowanie do ściany pałacyku, aby nie uszkodzić jego fasady.
- jednej ramy stężającej słupy (koloru fioletowego).
Pełni ona funkcje stężenia ściennego, zapewniającego boczne przytrzymanie naroży słupów niepełnych ram.
Składa się z 2 słupów i rygla. Połączenie rygla ze słupami w narożach jest w pełni sztywne. Często takie stężenia stosuje się w konstrukcjach stalowych hal zamiast stężeń kratowych typu „X” lub „V”. Stężenia kratowe bowiem ograniczają możliwość swobodnego przemieszczania się pomiędzy słupami. Architekci nie wyrazili zgody na stalowe stężania kratowe pomimo tego, że byłyby najskuteczniejsze i nie przeszkadzałaby w swobodnej komunikacji pomiędzy pałacykiem a łącznikiem.
Zastosowano więc szklaną ramę usztywniającą. Prawdopodobnie było to jedno z pierwszych takich zastosowań w konstrukcjach szklanych.
- „krótkich”, niepełnych ram (3 sztuki) i słupów (2 sztuki), które stanowią podparcie ścian frontowych (koloru błękitnego).
Ich dodatkowym zadaniem jest zmniejszenie długości zwichrzeniowej rygli długich ram – ostatecznie nie uwzględnionego zmniejszenia tej długości. Podpory słupów są sztywne, pracują jako wsporniki.
Rygle w krótkich ramach do słupów mocowane są w sposób sztywny. Natomiast samo połączenie z ryglami długich ram jest już przegubowe.
- płatwi (koloru bordowego) – 12 sztuk.
Ich zadanie do dodatkowe podparcie tafli szklanych dachu. Dzięki płatwiom tafle szklane mają oparcie na 4 krawędziach (2 krawędzie stanowią już rygle długich ram). Ma to bezpośredni wpływ na grubość szkła w taflach dachowych – są mniejsze. Oprócz tego pełnią funkcje elementów stężających rygle (zmniejszają ich długość zwichrzenia). Znajdują się bowiem w tej samej płaszczyźnie, co sztywne ramy i słupy podpierające ściany frontowe.
Na ilustracji nr 2 znajduje się także profil ceowy C 300 (w kolorze ciemnoszarym), zintegrowany z biurowcem. Jak już wspomniano wcześniej, stanowi on oparcie dla rygli długich ram.
Układ konstrukcyjny łącznika został tak zbudowany, aby jego schemat statyczny był jak najmniej przesztywniony (hiperstatyczny) oraz żeby słupy, rygle oraz płatwie pracowały w jednoosiowym stanie naprężenia.
Długie ramy są tzw. trójprzegubami, czyli ustrojami statycznie wyznaczalnymi (izostatycznymi). Płatwie są belkami swobodnie podpartymi – czyli także są izostatyczne.
Tylko rama stężająca oraz słupy i krótkie ramy w ścianach frontowych są hiperstatyczne. Ale ich stopień hiperstatyczności jest minimalny. Takie rozwiązanie powoduje, że w przypadku nierównomiernego osiadania podpór czy zmian długości z powodu wpływu temperatury, nie powstaną w konstrukcji dodatkowe siły wewnętrzne.
3. Szklenie (patrz ilustracja nr 7)
Zastosowano następujące zestawy
szklane:
- dach i ściany frontowe: ESG 10 mm /
Argon 16 mm / 6 mm SPG / Argon 16 mm
/ ESG – VSG 55.2 (PVB 0,76 mm). Tafle
te będą podparte na całym swoim obwodzie,
- żebra szklane wysokości 400 mm: ESG
10 mm + (PVB 1,52 mm) + ESG 12 mm +
(PVB 1,52 mm) + ESG 10 mm.
4. Detale połączeń
W przypadku konstrukcji, w których elementy
nośne są ze szkła trzeba zwrócić
szczególną uwagę na kształtowanie połą-
czeń. Powinny być one idealnie zgodne ze
schematem statycznym. W związku z tym,
że konstrukcje szklane powinny mieć jak
najmniejszy stopień hiperstatyczności najczęstszym
połączeniem będzie przegub.
W konstrukcji łącznika „technicznymi”
przegubami były podpory oraz połączenia
rygli ze słupami w tzw. niepełnych
ramach długich. W ramach w ścianach frontowych
oraz w ramie usztywniającej zastosowano
sztywne węzły, ale tylko w wybranych
kierunkach.
Zablokowano jedynie obrót
wzdłuż podłużnej osi łącznika. Natomiast
wszystkie więzi miały zapewniony swobodny
obrót wzdłuż osi poprzecznej (ilustracja
nr 3). W tym kierunku bowiem, stateczność
globalną łącznika zapewnia połączenie
z biurowcem poprzez profil U300.
Na połączenia zastosowano blachy ze
stali nierdzewnej austenitycznej A2 oraz
elementy złączne także ze stali A2 w klasie
wytrzymałościowej 70 – w rozmiarze
M12. Pomiędzy blachami, obejmującymi tafle
szklane, znajdują się przekładki z PE. Blachy
obejmujące tafle sprężono śrubami wg
zasad podanych w PN-EN 1090-2. Rysunki
głównych połączeń przedstawiono na ilustracjach
nr 8 do 11.
Połączenia śrubowe zaprojektowano jako
cierne (wcześniej sprężone) – nie wystąpi
wówczas docisk śruby do ścianki otworu
w żebrach szklanych (nie będzie tzw. pracy
trzpieniowej). Oczywiście gdyby nastąpił
poślizg to nadal nie będzie stanu awaryjnego.
Pozostanie „rezerwa” właśnie z tytułu
wspomnianej wcześniej pracy trzpieniowej.
Nie zaleca się jednak, aby łączniki pracowały
w połączeniach szklanych w stanie
trzpieniowym. Poniżej zamieszczono obliczenia
nośności połączenia przegubowego
słupa z ryglem w tzw. długich ramach (ilustracja
nr 11 i 12 – geometria połączenia)
Przyjęto współczynnik tarcia podkładek
PE (z tworzywa o wytrzymałości na ściskanie
min. 50 MPa) do szkła μ = 0,15 i n = 2
(powierzchnie kontaktu). Należy zwrócić
szczególną uwagę na stan powierzchni
szkła. Musi być czysta, sucha i odtłuszczona.
Siły węzłowe z kombinacji SGN:
W = 1,46 kN Q = 9,34 kN
M = W x (e1+e2) = 1,46 x (0,21+0,16) = 0,54 kNm
(moment skręcający od mimośrodowego
działa siły W. Śruby w słupie są bardziej
Ilustracja nr 7 wytężone niż w te w ryglu.
S1’ = W / 4 = 1,46 / 4 = 0,36 kN
S2’ = Q / 4 = 9,34 / 4 = 2,33 kN
S1’’ = S2’’ = (M x (71) / 4 x (71)2 ) x 103 =
= (1,222 x 78 / 13520) x 103 = 1,90 kN
(składowa od momentu skręcającego
połączenie śrubowe.)
S1 = S1’ + S1’’ x sin 45° =
= 0,36 + 1,9 x sin 45° = 1,70 kN
S2 = S2’ + S2’’ x cos 45° =
= 2,33 + 1,9 x cos 45° = 3,67 kN
S2 = S12 + S22 S = 4,10 kN
Wg PN-EN-1993-1-8 maksymalna siła poprzeczna
jaką może przenieść 1 śruba M12
A2-70 w połączeniu ciernym wynosi:
Fs,Rd = 7,6 kN > S = 4,10 kN
As = 84,3 mm2, fbu = 700 Ma,
ks = 0,85 (otwory powiększone)
Fs,Rd = (ks n μ / γM3 ) Fp,Cd =
= (0,85 x 2 x 0,15 / 1,25) x 37,5 = ~ 7,6 kN
Fp,Cd = 0,7 fbu As / γM7 = 0,7 x 700 x 84,3 /
/ 1,1 = 37 550 N = ~37,5 kN
5. Analiza statyczna
Obliczenia statyczne wykonano programem
Autodesk Robot Structural Analysis.
Na ilustracji nr 13 i 14 przedstawiono 2 modele
statyczne konstrukcji.
Ilustracja nr 13 przedstawia schemat statyczny
modelu prętowego całej konstrukcji
łącznika. Ilustracja nr 14 przedstawia schemat
styczny modelu zbudowanego na płaskich
elementach skończonych (czworokątnych,
o 4 węzłach). Ten schemat został ograniczony
do 3 niepełnych długich ram. Wybrano
najbardziej wytężone ramy w osiach 2 , 3
i 4 (oznaczenia osi wg modelu prętowego).
W analizie uwzględniono następujące przypadki obciążeń:
- ciężar własny konstrukcji nośnej,
- ciężar tali szklanych na dachu i ścianach,
- obciążenie śniegiem,
- obciążenie wiatrem ścian frontowych,
- sytuacja serwisowa. Siła skupiona 1,5 kN na powierzchni 20 cm x 20 cm na dachu.
Wymienione wyżej proste przypadki obciążeń
pozwoliły zbudować po kilka kombinacji
SGU i SGN.
Naprężania w modelu prętowym i
modelu MES były oczywiście identyczne.
Na ilustracjach nr 15 i 16 znajdują
się wykresy naprężeń normalnych w najbardziej
wytężonym ryglu w osi „3”. Model
MES pozwala jednak na dokładniejszą
analizę. Uwzględniono m.in. wycięcie
w profilu na wprowadzenie przegubu.
W modelu prętowym byłoby to niemożliwe
(ilustracja nr 17).
Wymiarowanie głównych elementów
nośnych łącznika, czyli słupa i rygla wykonano
wg instrukcji ITB pt.
„Elementy konstrukcyjne ze szkła budowlanego”
autorstwa Artura Piekarczuka. Jak już
wspomniano, najbardziej wytężone elementy
konstrukcyjne znajdują się w osi „3”.
Na ilustracjach nr 18 i 19 w formie tabelarycznej
przedstawiono wymiarowanie słupa
i rygla. Symbole i formuły wg instrukcji ITB
Formuły z instrukcji ITB dla rygla zostały
uzupełnione o zginanie wg słabszej osi
(Mz,Rd). Instrukcja uwzględnia tylko jednokierunkowe
zginanie.
6. Stan obecny
Łącznik po ponad 6 latach eksploatacji
spisuje się bezproblemowo. Obecnie znajduje
się w nim Restauracja „Baczewski” – ilustracja
nr 20.
Chwilę przed oddaniem łącznika do użytkowania
nastąpiło uszkodzenia jednego ze
słupów (ilustracja nr 21). W wyniku uderzenia
pękła 1 tafla z 3, słupa w osi „3” (najbardziej
wytężonego ). Łącznik bez problemu „poradził”
sobie z tą sytuacją. Uszkodzenie miało
miejsce, gdy jeszcze nie było śniegu na dachu.
Z dużym prawdopodobieństwem możemy
stwierdzić, że w przypadku zalegania
śniegu na dachu także nie doszłoby do wystąpienia
stanu awaryjnego.
7. Podsumowanie
Szkło to materiał bardzo często wykorzystywany
przez architektów. Tylko obecnie ma
być nie tylko elementem wypełniającym fasadę,
lecz także pełnić funkcję konstrukcyjną
– nośną. Aby spełnić śmiałe pomysły architektów,
projektanci konstrukcji powinni dysponować
jasnymi wytycznymi w postaci norm, które
będą uwzględniać wszystkie możliwe przypadki
wytężenia konstrukcji szklanych. Takich
samych, jakie zostały już opracowane dla stali,
betonu i drewna.
Autor składa podziękowania
dla Przemysława Sykusa za pomoc
w opracowaniu niniejszego artykułu.
Robert Kocur
STUDIO PROFIL
Tomasz Karwatka Jacek Kucharski S.J.
|
