| Mistral Tower: analiza rozwiązań w celu optymalizacji spoin SSG w szybach giętych na zimno |
| Data dodania: 04.08.21 |
|
Zastosowanie szyb giętych na zimno w zunifikowanych ścianach osłonowych jest obecnie najnowocześniejszą metodą stosowaną w kształtowaniu rozbudowanych przestrzennie fasad.
W ostatnich latach ten globalny trend rzucił wyzwanie konwencjonalnemu projektowaniu i produkcji szyb zespolonych, elementów ram, a także połączeń klejonych stosowanych do szklenia strukturalnego (Structural Sealant Glazing SSG).
Jednocześnie stał się impulsem do badania wytrzymałości materiałów oraz koncepcji obliczeniowych, wykraczających poza dostępne normy i wytyczne.
Rys. 1. Wieża Mistral
W odniesieniu do połączeń SSG badania skoncentrowały się na zaproponowaniu uproszczonych równań do analizy naprężeń powstałych przy gięciu na zimno oraz badaniu relaksacji i pełzania klejów silikonowych w celu wykorzystania wytrzymałości materiału w większym stopniu niż normowe ograniczenia.
Taki proces badawczy pozwala określić, gdzie są możliwości optymalizacji systemów i wyjaśnia, że skutecznych rozwiązań w zakresie gięcia na zimno nie można oddzielić od nowych zasad projektowania, produkcji/ prefabrykacji i montażu.
Budowa Mistral Tower w Izmirze daje możliwość szczegółowej analizy wpływu różnych rozwiązań konstrukcyjnych ram nośnych w połączeniu z różnymi metodami produkcji i montażu oszklenia.
Jest też wykorzystywana do przedstawienia projektantom systemów i producentom elewacji cennych informacji na temat alternatywnych rozwiązań i wytycznych dotyczących efektywnego projektowania silikonów konstrukcyjnych do giętego na zimno oszklenia. Rys. 2. Układ płyty stropowej (piętro 2)
Rys. 3. Układ płyty stropowej (piętro 20)
Wieżowiec Mistral Office Tower
Obiekt ten jest wizytówką panoramy miasta dzięki niezwykłemu kształtowi architektury i dużej wysokości. Niniejszy artykuł koncentruje się na projekcie giętej na zimno szklanej fasady Office Tower, 46-piętrowego budynku o wysokości 180 m. Fasada ta ma budowę dwupowłokową.
Zmienny układ płyt stropów obracających się o pewien kąt poziomie na każdej kondygnacji (rys. 2 i rys. 3) stanowił wyzwanie dla zaprojektowania ekonomicznego rozwiązania dla zewnętrznej powłoki szklanej. Zaawansowana analiza parametryczna w celu optymalizacji wykonania elewacji pozwoliła na zidentyfikowanie w rozwiązaniu gięcia na zimno oszklenia optymalnego sposobu postępowania.
Poprzez zastosowanie niewielkich krzywizn można było zaprojektować pojedynczy prostokątny element elewacji gięty na zimno do wymaganego kształtu w celu wykorzystania doświadczeń dla opracowania całej elewacji budynku.
Podobnie jak w większości międzynarodowych projektów, w których złożona geometria i wyrafinowane układy mają być podkreślone nieskazitelną powierzchnią i przezroczystością, celem było mocowanie szyb formowanych na zimno za pomocą systemów szklenia strukturalnego (w których szkło pełni rolę konstrukcyjną/nośną) – przy czym strukturalne kleje silikonowe zapewniają trwałe, nośne połączenie między ramą a szybami.
Szczegóły systemu i warunki brzegowe
Aby zmaksymalizować przejrzystość, zaprojektowano rozwiązanie z szybami zespolonymi przyklejonymi silikonem strukturalnym Sikasil® SG-500 do profili aluminiowych wzdłuż wszystkich czterech krawędzi szyby.
Przy projektowaniu systemu szklenia strukturalnego obowiązują następujące warunki brzegowe:
Analiza metodą elementów skończonych MES pozwala ocenić wielkość obciążeń przyłożonych w górnym narożniku szyb w celu ich wygięcia na zimno do wymaganego kształtu (rys. 4). W analizie uwzględniono efektywną geometrię szyby zespolonej, jej budowę, właściwości ramek dystansowych oraz sztywność systemu uszczelnienia krawędzi szyby zespolonej IG.
Ftot = 310 N – siła do gięcia na zimno szyby zespolonej (analiza krótkoterminowa) Rys. 4. Siły, przemieszczenia i odkształcenia połączenia klejonego po zginaniu na zimno płaskiej szyby zespolonej
Rys. 5. Projekt systemu szklenia strukturalnego – stan początkowy (przed gięciem na zimno)
Początkowy projekt Pomysł polegał na złożeniu i zainstalowaniu każdego elementu w następujący sposób:
Opierając się na zaprojektowanym początkowym układzie, równanie 1 pozwala obliczyć [2] to, że względu na gięcie na zimno następuje odkształcenie (przemieszczenie różnicowe) spoiny SG (kleju konstrukcyjnego) przy ścinaniu sjoint = 3,2 mm.
Na podstawie takiego odkształcenia równanie 3 pozwala obliczyć, że dla spoiny SG wymagana byłaby minimalna grubość 51 mm.
Wartość tę uzyskuje się biorąc pod uwagę, że wytrzymałość na ścinanie kleju konstrukcyjnego Sikasil®SG-500 jest eksploatowana powyżej typowych limitów/granic określonych przez normy [1] do wartości wytrzymałości przy ścinaniu τ∞,Relax = 0,0315 MPa, uwzględniając zjawisko relaksacji przy stałym i ograniczonym odkształceniu [2].
Natychmiast staje się jasne, że wymagana grubość spoiny SG jest „nierozsądna” (zbyt duża i wywołująca wysokie koszty) – więc należy znaleźć możliwości optymalizacji połączenia.
sjoint = α (ℎs1-b + hs2-b) Równanie 1 α [rad] = 3.2 f⁄(2Lmin) Równanie 2 e = sjoint G⁄τ∞,Relax Równanie 3
sjoint = odkształcenie spoiny SG (różnica przemieszczeń między szkłem a ramą)
Pod tym względem na pewno większy wpływ ma głębokość przekroju profilu aluminiowego. W ten sposób zmniejszenie głębokości klejonego profilu aluminiowej ramy/konstrukcji daje natychmiastową możliwość znacznego zmniejszenia minimalnej grubości spoiny SG.
Na podstawie tych rozważań opracowano i zanalizowano drugi system fasadowy, w którym występują szyby zespolone z cienkimi aluminiowymi profilami adaptacyjnymi o głębokości 6 mm.
W tym sposobie montażu Sekcji 3 (rys. 5) chodziło o złożenie i zamontowanie każdego elementu w następujący sposób:
Nowe podejście projektowe pozwala na dużą redukcję grubości spoiny do 6 mm – z użyciem kleju Sikasil® SG-500. Jest to możliwe, ponieważ odkształcenie (różnicowe przemieszczenie) przy gięciu na zimno, zostało znacznie zredukowane – do wartości sjoint = 0,24 mm.
Biorąc pod uwagę wszystkie obciążenia występujące podczas eksploatacji systemu (sekcja 2) i obciążenia wiatrem 2,50 kPa, wymagane są minimalne wymiary złącza SG 25 mm x 8 mm (długość powierzchni klejonej x grubość) Sikasil® SG-500.
Należy zauważyć, że w systemach gięcia na zimno zastosowanie cienkiego profilu jest cenne, jeśli zapewni się mu swobodę „ślizgania się” i obracania wokół jego środka ciężkości podczas fazy gięcia na zimno. Innymi słowy, nie ma sensu mechaniczne mocowanie płaskiego zespołu do głównej ramy nośnej, jeśli nie jest jeszcze wygięty na zimno.
W konsekwencji pierwsza opcja produkcji i instalacji opierała się na:
W każdym razie, jeśli weźmie się pod uwagę, że zmniejszenie przekroju poprzecznego profilu klejonego ma jedynie na celu zminimalizowanie odległości między osiami gięcia elementu, to okaże się, że produkcję i montaż systemu można uprościć.
Wystarczy tylko zaprojektować mechaniczne połączenie między profilem głównym a wąskim profilem adaptacyjnym, które może zapewnić swobodne przesuwanie się smukłego profilu względem ramy nośnej.
W konsekwencji zastosowanie wąskiej ramy adaptacyjnej przyklejonej do szyby i swobodnie wsuwającej się w ramę nośną (rys. 6) stanowi podstawowy wymóg ograniczenia efektów gięcia na zimno na złączach SG, przy jednoczesnym zminimalizowaniu nakładów na produkcję i montaż.
Fabrycznie płaska smukła rama adaptacyjna, później mocowana/wsuwana do ramy głównej, może być wcześniej przyklejona do płaskiej szyby zespolonej. Po całkowitym utwardzeniu spoin, element można przenieść i zgiąć na miejscu budowy w celu montażu.
Rys. 6. Wąska rama adaptacyjna swobodnie obracająca się i przesuwająca
Bardzo skutecznym sposobem na całkowite zniwelowanie trwałego naprężenia ścinającego w złączu SG z powodu gięcia na zimno jest użycie giętych na gorąco elementów ramy, tak że tylko płaska szyba zespolona musi być gięta na zimno.
Niezależnie od głębokości przekroju profilu ramy, szyba może być gięta na zimno na wstępnie ukształtowanej ramie i tymczasowo mocowana do niej za pomocą urządzeń mechanicznych.
Następnie zostaje nałożony klej konstrukcyjny, który później – po utwardzeniu – przejmuje od urządzeń mechanicznych funkcję utrzymywania wygiętego kształtu i przenoszenie naprężeń (więc zastępuje zastosowane tymczasowo urządzenia mechaniczne).
Po całkowitym utwardzeniu kleju można usunąć urządzenia służące do tymczasowego mocowania mechanicznego. W rezultacie siły rozciągające będą obciążać spoiny, ale nie powstają stałe naprężenia ścinające – co zwykle następuje przy zginaniu na zimno klejonego elementu – ponieważ połączenie ma możliwość ruchu przesuwnego (rys. 7).
W oparciu o konfigurację fasady i obciążenia występujące w okresie użytkowania (sekcja 2), taka procedura produkcyjna pozwala na zmniejszenie wymiarów złącza SG Sikasil® SG-500 do 18 mm x 8 mm, przy maksymalnym obciążeniu wiatrem 2,50 kPa.
Na tym etapie naprężenie ścinające spowodowane elastycznymi przemieszczeniami wstecznymi pomiędzy łączonymi częściami spowoduje naprężenie ścinające w spoinie SG.
Tak czy inaczej, taki wygięty wstępnie element będzie musiał zostać przetransportowany na miejsce budowy i tam ponownie dogięty na zimno podczas ostatecznego montażu.
Oznacza to, że czas trwania naprężeń ścinających zginających na zimno będzie ograniczony tylko do okresu od produkcji (usunięcie tymczasowego mocowania pomiędzy odkształconym szybem zespolonym a ramą) do ostatecznego montażu na budowie.
Natychmiast staje się jasne, że istnieją kryteria kontroli takich ram czasowych w celu zminimalizowania wpływu zginania na zimno na złącza SG:
W systemie stosowanym na Mistral Tower wdrożenie opisanej procedury montażu i gięcia na zimno pozwoliłoby na zmniejszenie wymiarów złączy SG do minimum 18 mm x 8 mm poprzez zastosowanie ramy o głębokości 185 mm. Rozwiązanie to uwzględnia maksymalną temperaturę 50°C dla ramy i szkła oraz zapewnienie elementów składowanych w pozycji poziomej w okresie od usunięcia mocowań tymczasowych do montażu. Takie ramy czasowe musiały być ograniczone do maksymalnie 7 dni.
(kliknij na tabelę aby ją powiększyć)
Optymalizacja połączeń SSG metodami kombinowanymi/łączonymi
Ponieważ do spoiny w wyniku gięcia na zimno wprowadzane są tymczasowe przemieszczenia ścinające, oczywiste jest, że głębokość przekroju wklejanego profilu ma wpływ na wymiary spoiny SG. Naturalnie im krótszy czas przemieszczenia, tym mniejszy wpływ głębokości przekroju poprzecznego na spoinę.
Biorąc pod uwagę te same warunki i procedurę gięcia na zimno, o których mowa w rozdziale 6, ale uwzględniając przesuwną ramę adaptacyjną o grubości 6 mm, można zastosować klej konstrukcyjny firmy Sikasil® SG-500 o minimalnych wymiarach 21 mm x 7 mm, co minimalizuje grubość połączenia.
Istnieją również możliwości zmniejszenia powierzchni styku/klejenia spoiny SG. Typową strategią jest stosowanie trwałych urządzeń mechanicznych do mocowania szyby do ramy (rys. 8), tak aby żadne trwałe siły rozciągające spowodowane gięciem na zimno nie były przenoszone na złącza. Zastosowanie takich urządzeń w Mistral Tower zostało wykluczone ze względu na negatywny estetycznie wpływ na ostateczną elewację.
System opisany w rozdziale 6 został ostatecznie wybrany do zaprojektowania i wykonania zewnętrznego poszycia elewacji. Taka metoda wymagająca silnych ograniczeń w czasie transportu była możliwa dzięki sprzyjającym okolicznościom – zakład produkcyjny znajdował się bardzo blisko miejsca montażu giętych szyb na elewacji.
Rys. 8. Siły, przemieszczenia i odkształcenia spoin/połączeń po gięciu na zimno płaskiej szyby i zastosowaniu urządzeń mechanicznych (przy wstępnym gięciu w warsztacie produkcyjnym)
Rys. 9. Wpływ głębokości przekroju ramy w montażu płaskiej szyby giętej na zimno po nałożeniu spoin
Aby w odpowiedni sposób oszacować naprężenia, zastosowano izotropowy hiperelastyczny model materiałowy dla silikonów strukturalnych Sikasil® SG-500, ponieważ w przybliżeniu przypomina on rzeczywiste relację naprężenie-odkształcenie [3] [4]. Parametry materiałowe podano w [5]
Do obliczeń numerycznych przyjęto następujące założenia:
W celu oszacowania wpływu głębokości przekroju ramy na naprężenia wprowadzane do spoiny SG w wyniku gięcia na zimno, w obliczeniach elementów skończonych zróżnicowano głębokość profilu. Wyniki przedstawiono na rys. 9 i porównano z rozwiązaniem analitycznym równania 1.
Potwierdzono liniową zależność między wysokością profilu a wynikowym naprężeniem. Wzrost naprężeń wstępnych uzyskany w analizie MES dla bardzo małych głębokości profili wynika ze zmniejszenia sztywności na zginanie, która nie została dostosowana do tych obliczeń.
Wyniki symulacji numerycznej są jakościowo i ilościowo zgodne z rozwiązaniem analitycznym. Rozwiązanie analityczne jednak nieco przeszacowuje naprężenie i dlatego jest bardziej bezpieczne dla wymiarowania.
Konstrukcja smukłej ramy adaptacyjnej, która może swobodnie wsuwać się w ramę nośną, stanowi podstawowy wymóg ograniczenia efektów gięcia na zimno przy jednoczesnej minimalizacji nakładów produkcyjnych.
Cenne wyniki optymalizacji połączenia SG można dalej osiągnąć, jeśli możliwe jest klejenie wstępnie ukształtowanej (giętej na gorąco) ramy lub wstępnie ukształtowanej (giętej na zimno) ramy/szyby, ewentualnie jeśli czas trwania naprężenie od wstępnego zginania na zimno (w warsztacie produkcyjnym) można ograniczyć do ograniczonych ram czasowych przez „inteligentną” metodę produkcji w kontrolowanych warunkach.
W odniesieniu do systemu elewacyjnego zastosowanego w Mistral Tower, zaimplementowano zaawansowaną symulację MES w celu oszacowania wpływu głębokości przekroju klejonego profilu na naprężenia w spoinach SG. Zgodnie z zaproponowanymi uproszczonymi równaniami - analiza potwierdza, że istnieje liniowa zależność między głębokością klejonej ramy a naprężeniem na złączach SG.
Wykazuje jednocześnie, że im cieńsza rama klejona, tym mniejsze odkształcenie (przemieszczenie różnicowe) nałożone na spoiny SG i wymagana jest mniejsza grubość spoiny.
Viviana Nardini
Jonas Hilcken
Literatura
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne |
