Kształtowanie architektoniczno-przestrzenne przeszklonych osłon z punktowym mocowaniem szyb

Rozwiązania architektoniczno-budowlane najbardziej wyróżniające architekturę początku XXI wieku to takie, które ze względu na poziom techniki budowlanej stały się możliwe do realizowania dopiero w ostatnich latach. Należą do nich m.in. bezramowe, punktowo mocowane przeszklenia oparte na lekkich, filigranowych konstrukcjach, dające wrażenie niemal pełnej transparentności budynku.

Systemy konstrukcyjne

Dostępne technologie wznoszenia przeszklonych ścian osłonowych z punktowo mocowanym oszkleniem są zróżnicowane przede wszystkim pod względem sposobu rozwiązania konstrukcji wsporczej, na której znajdują się uchwyty do mocowania szyb. Ze względu na pracę tworzących ją pojedynczych elementów można wyróżnić ustroje prętowe, cięgnowe i prętowo-cięgnowe. Odrębną grupę stanowią konstrukcje, w których elementami nośnymi są żebra szklane.

Typ 1. – konstrukcja prętowaJest to najprostszy pod względem technicznym rodzaj konstrukcji. Polega na umieszczeniu elementów mocujących przeszklenie na sztywnych słupach, wykonanych najczęściej z metalowych profili zamkniętych. Stosowany jest przy przeszkleniach o wysokości 6–10 m. Ograniczenie wielkości konstrukcji wynika z ryzyka wyboczenia zbyt smukłych słupów lub zastosowania słupów o nieestetycznie dużych przekrojach. Konstrukcje prętowe mogą być także wykorzystane w przeszkleniach opartych na krzywiznach o niewielkich promieniach i rozpiętościach.Typ 2. – konstrukcja cięgnowaKonstrukcje tego typu przenoszą jedynie siły rozciągające. W przeszklonych elewacjach z punktowym mocowaniem szyb polegają na umieszczeniu elementów mocujących przeszklenie na krzyżujących się, sprężonych linach stalowych. Jest to rozwiązanie stosowane rzadko, ponieważ znaczny stopień wstępnego sprężenia lin wywołuje bardzo duże wartości reakcji podporowych i wymaga przeprowadzania częstych kontroli stanu technicznego konstrukcji.Typ 3. – konstrukcja prętowo-cięgnowaJest to rodzaj konstrukcji oparty na zastosowaniu stalowych prętów ściskanych i rozciąganych cięgien napinających. Pozwala na uzyskanie maksymalnej powierzchni i wysokości przeszklenia, otwierając największe możliwości architektoniczne. Występuje kilka odmian konstrukcji prętowo-cięgnowych, różniących się kombinacją poddawanych ściskaniu prętów i rozciąganych cięgien. Najprostsza polega na zastosowaniu sztywnych pionowych słupów połączonych z poziomymi prętami prostopadłymi do płaszczyzny przeszklenia i stężonych cięgnami.

Odmianą tego typu konstrukcji są analogicznie rozwiązane dźwigary poziome. Tak ukształtowane, pojedyncze elementy konstrukcyjne są zazwyczaj jeszcze stężane między sobą dodatkowymi linami stalowymi. Pozwala to, w zależności od szczegółowych rozwiązań i wymiarów, na wykonywanie przeszkleń o wysokości do ok. 20 m.Odmianą bardziej zaawansowaną technicznie jest konstrukcja, w której rozciągane cięgna zostały wytworzone ze stalowych lin, a poddawane ściskaniu elementy prętowe zredukowane do prostopadłych do płaszczyzny przeszklenia ściskanych prętów poziomych. Konstrukcja taka stanowi formę kratownicy, w której pasy górne i dolne – poddawane siłom rozciągającym – wykonane są z cięgien linowych. Ze względu na duże wartości reakcji podporowych, występujących przy wstępnie naprężanych cięgnach, należy zwrócić szczególną uwagę na odpowiednio sztywną i wytrzymałą konstrukcję podpór. Odmianą systemu z wiązarami w układzie pionowym są analogiczne rozwiązania poziome.

W konstrukcjach prętowo-cięgnowych z zastosowaniem lin stalowych poważny problem eksploatacyjny stanowi konieczność regularnej kontroli naprężenia cięgien, które napinają się pod wpływem niskiej temperatury w zimie, a wiotczeją w lecie na skutek gorąca. Proces ten można ograniczyć, zastępując je pełnymi prętami stalowymi w znacznie mniejszym stopniu reagującymi na obciążenia termiczne.Konstrukcje prętowo-cięgnowe projektowane są zazwyczaj jako elementy konstrukcyjne, w których układy prętów ściskanych i cięgien poddawanych rozciąganiu usytuowane są w jednej płaszczyźnie. Tak ukształtowane wiązary dla usztywnienia w kierunku prostopadłym są dodatkowo stężane cięgnami z wiązarami sąsiednimi. Cięgna rozciągane stosowane są w układzie opasującej soczewki po dwóch stronach prostopadłych do płaszczyzny przeszklenia prętów ściskanych, równoważą siły ssania i parcia wiatru. Najczęściej stosuje się jedną linę kompensującą siłę ssania wiatru i jedną nawietrzną (naciskową) równoważącą siłę jego parcia, przy czym liny te powinny mieć możliwość swobodnego przemieszczania się.

Konstrukcje prętowo-cięgnowe z zastosowaniem lin stalowych projektowane są zazwyczaj do wysokości nieprzekraczającej 20–25 m, ponieważ dla dłuższych cięgien znacznie zwiększa się wymagany stopień ich wstępnego sprężenia, a także wartość reakcji podporowych, obciążających najczęściej krawędzie stropów ponad przeszkloną ścianą. W większych realizacjach systemy wsporcze przeszkleń mogą być włączane w hierarchiczną konstrukcję nośną budynku. Konstrukcja wyższego rzędu dzieli wówczas płaszczyznę elewacji na odrębne pod względem konstrukcyjnym pola.

Typ 4. – konstrukcja szklana na słupach w formie szklanych żeberW tym typie konstrukcji elementem wsporczym są żebra wykonane ze szkła laminowanego folią PVB. Zastępują one słupy metalowe, dając wrażenie maksymalnej transparentności. Zazwyczaj są podwieszane do konstrukcji znajdującej się powyżej nich. Oznacza to, że ciężar przeszklenia i żeber oraz obciążenia wiatrowe przenoszone są przez połączenie znajdujące się przy wierzchołku każdego żebra. Szerokość żeber uzależniona jest od wysokości konstrukcji i zawiera się w przedziale od 40 cm dla przeszkleń wys. 5–6 m do 100 cm dla przeszkleń osiągających 16–20 m. Od wysokości przeszklenia zależy również ilość szyb zespolonych folią PVB.Ze względów technologicznych i transportowych szklane żebra z szyb laminowanych łączone są na wysokości z oddzielnych części długości ok. 4 m. Najczęściej stosowane są żebra jednakowej szerokości, bez stężeń zapobiegających wyboczeniom bocznym, choć znaleźć można również realizacje nietypowe, gdzie różniące się szerokością żebra stężone są między sobą poziomymi cięgnami, opasującymi je z dwóch stron i tworzącymi – dzięki zróżnicowaniu szerokości – kształty równoległych soczewek.

Przeszklenia

W przeszklonych ścianach osłonowych z mocowanymi punktowo szybami najczęściej stosuje się szkło neutralne, tzn. bez powłoki refleksyjnej powodującej efekt zwierciadła. Dzięki temu przezroczyste szyby tworzą – w powiązaniu z bezramowymi połączeniami poszczególnych tafli przeszklenia – wrażenie przestrzenności budynku niespotykane w tradycyjnych słupowo-ryglowych rozwiązaniach ścian osłonowych. W zestawach najczęściej stosowane są pojedyncze szyby laminowane bądź jedno- lub dwukomorowe szyby zespolone. Rodzaj zastosowanego przeszklenia wpływa na techniczne parametry i wygląd estetyczny ściany osłonowej. Zewnętrzna tafla przeszklenia jest zazwyczaj wykonana ze szkła hartowanego termicznie grubości 10, 12, 15 lub 19 mm. Jest to tzw. szkło bezpieczne (o zwiększonej odporności na wstrząsy termiczne i uderzenia mechaniczne), które w przypadku pęknięcia lub stłuczenia rozpryskuje się na drobne odłamki o tępych krawędziach. Zastosowanie folii jako przekładki międzyszybowej do systemu przeszkleń strukturalnych zapewnia większy poziom bezpieczeństwa, ochrony i trwałości.

Szyby laminowane mają podwyższoną wytrzymałość, dzięki czemu mogą być znacząco cieńsze, a co za tym idzie lżejsze od innych rozwiązań, choć nieznacznie obniża to ich jakość wizualną. Do laminowania szyb oraz poprawy wskaźników kontroli nasłonecznienia i hałasu można używać żywicy UV lub specjalnej akustycznej. Dodatkowym elementem, zabezpieczającym szyby zespolone mocowane punktowo przed odspojeniem, jest tzw. złączka obrzeżna, która łączy szybę zewnętrzną hartowaną termicznie z wewnętrzną, laminowaną folią PVB. Minimalizuje to ryzyko odspojenia pierwszej z nich. Dla uzyskania lepszej izolacyjności cieplnej wykorzystuje się szyby zespolone dwu- lub trzykomorowe. Szyby zewnętrzne wykonywane są ze szkła hartowanego termicznie i mają grubość 10, 12, 15 lub 19 mm. W szybie zespolonej do mocowania punktowego od strony wewnętrznej stosowane są szyby laminowane. Dla zapewnienia optymalnej izolacyjności cieplnej przestrzenie międzyszybowe mają szerokość 16 mm. W celu dalszego poprawienia izolacyjności cieplnej szyb zespolonych można użyć szkła niskoemisyjnego, a także wypełnić przestrzeń międzyszybową argonem lub innym gazem szlachetnym. Aby umożliwić przejście śruby przez dwie tafle szkła i przestrzeń międzyszybową oraz przymocowanie całej szyby do konstrukcji, używany jest specjalny element dystansowy.Rozstaw sąsiadujących elementów przeszklenia wynosi zazwyczaj 10–12 mm. Poszczególne płyty uszczelniane są między sobą za pomocą szczeliwa lub specjalnych sznurów. Silikonowe uszczelnienia muszą dawać gwarancję wodoszczelności całej przeszklonej przegrody. W celu podwyższenia komfortu użytkowania stosować można szkło samoczyszczące do przeszkleń strukturalnych.Obciążenia oddziałujące na fasady przeszklone są takie same, jak dla innych systemów elewacyjnych. Główne obciążenia powodowane są wiatrem i śniegiem, a ich wielkości określane są przez strefy wiatrowe. Szczególnej uwagi wymagają podwyższone obciążenia wiatrem na narożnikach budynków. Obiekty wysokościowe lub z nietypowymi formami przestrzennymi mogą wymagać szczegółowej oceny obciążenia wiatrem. Ważnym czynnikiem, w przypadku ścian osłonowych z punktowym mocowaniem szyb, jest także obciążenie termiczne, które wpływa na zachowanie prętowo-cięgnowej konstrukcji wsporczej.

Mocowanie przeszklenia

Do punktowego mocowania przeszklenia stosuje się różnego typu elementy mocujące, począwszy od najprostszych, które łączą cztery sąsiadujące narożniki szyb na zasadzie dwustronnie obejmującego zacisku. Ciągłe unowocześnianie elementów mocowania punktowego pozwala na uzyskanie maksymalnego maskowania okuć, dającego w efekcie wrażenie jednolitej tafli szkła niezaburzonej przez wystające łączniki. Najbardziej zaawansowane technicznie czteroramienne wsporniki utrzymują szyby wyłącznie na połączeniu klejowym.Elementy do punktowego mocowania przeszkleń łączą szyby pojedyncze, zespolone lub laminowane z konstrukcją wsporczą i przenoszą na nią obciążenia wiatrowe oraz wynikające z ciężaru własnego szyb. Obciążenia przenoszone są ze szkła na konstrukcję poprzez systemowe śruby i płytki sprężyste wytwarzane najczęściej ze stali nierdzewnej.Charakterystyczną cechą mocowania szyb za pomocą elementów typu „spider” jest – poza wymaganą odległością umieszczenia mocowań od krawędzi szyby – stosowanie tylko jednego połączenia stałego u góry tafli przeszklenia, drugiego u góry z możliwością przesuwu w kierunku poziomym i dwóch na dole z możliwością przesuwu w dwóch kierunkach. Takie rozwiązanie pozwala na przesunięcia poszczególnych tafli na punktach mocujących na skutek rozszerzalności termicznej, wymaga jednak co najmniej 15-milimetrowych odstępów między poszczególnymi szybami z elastycznym uszczelnieniem połączenia.

Bezpieczeństwo

Ważną zasadę projektowania przeszklonych ścian osłonowych z punktowym mocowaniem szyb stanowi założenie, że zawsze istnieje ryzyko pęknięcia szkła nawet w najlepiej zaprojektowanych przeszkleniach. Energia początkowa potrzebna by rozbić szkło jest bardzo niska i nawet mały wypadek może spowodować jego zniszczenie. Ograniczenia powierzchni i hierarchizacja konstrukcji przy większych elewacjach wynikają więc nie tylko z rosnących (wraz ze zwiększaniem powierzchni) reakcji podporowych, ale również ze względów bezpieczeństwa, na wypadek uszkodzenia mocowanych punktowo tafli. Redundancja, czyli zabezpieczenie na wypadek uszkodzenia jednej lub kilku tafli konstrukcji szklanej ściany osłonowej, polega na uwzględnieniu w obliczeniach statycznych wariantów przenoszenia obciążeńpo usunięciu tych tafli. Gdyby jedna z nich uległa pęknięciu, reszta struktury (elementy mocujące i sąsiadujące tafle przeszklenia) pozostanie bezpieczna. Stąd też konstrukcje ze szkła są zazwyczaj wtórnymi lub trzeciorzędnymi elementami pod względem układu hierarchicznego w budynku, tzn. stanowią składową jego powłoki, ale nie są częścią pierwszorzędowej struktury głównej.

Możliwości architektoniczne

Kształtowanie płaszczyznowe elewacjiPrzeszklenia mocowane punktowo zazwyczaj stosowane są na powierzchniach w kształcie prostokąta. Pojedyncze szyby w układzie pionowym najczęściej także są prostokątami lub kwadratami, a w układzie poziomym przyjmują poza tym kształt rombów, trójkątów itd. Zastosowanie nietypowych kształtów szyb wymaga odpowiedniego doboru elementów mocujących.W przypadku tafli w formie czworoboków elementy mocujące mają cztery ramiona, zaś trójkątne, ze względu na styk w punkcie mocowania sześciu narożników, po sześć. Kształt pojedynczych elementów przeszklenia jest o tyle drugoplanowy, że rysunek ich podziałów nie wyróżnia się w tak dużym stopniu, jak np. w przypadku ścian słupowo-ryglowych. Elewacje w technologii punktowego mocowania przeszkleń można w związku z tym określić jako bezdominantowe.Kształtowanie przestrzenne elewacjiDostępne możliwości przekształceń przestrzennych dotyczą przede wszystkim stosowania narożników prostych, wklęsłych i wypukłych oraz założeń na rzutach centralnych. Zastosowanie elementów mocujących z przegubami umożliwia połączenia pod kątem, choć ograniczają je możliwości zamocowania łączników i wykonania uszczelnień. Pojawiają się jednak pierwsze realizacje na krzywiznach aproksymowanych do kształtu krzywizny szyb płaskich oraz z wykorzystaniem szyb giętych. Największe ograniczenia np. w porównaniu do technologii ścian słupowo-ryglowych, dotyczą możliwości kształtowania przestrzennego dachów szklanych.

Ograniczenia wielkości stosowanych konstrukcjiOgraniczenia wielkości konstrukcji wynikają z przenoszonych przez nie obciążeń – głównie ciężaru własnego przeszklenia wraz z konstrukcją wsporczą oraz od wiatru. Istotne znaczenie powodują obciążenia termiczne, szczególnie w przypadku fasad narażonych na duże nasłonecznienie. W praktyce zwiększenie wysokości powierzchni przeszklonych elewacji powyżej 20–30 m powoduje konieczność podziału konstrukcji na odrębne segmenty i zhierarchizowania jej na główną i drugorzędną. Nadrzędne najczęściej oparte są na stalowych konstrukcjach prętowych o odpowiednio coraz większych przekrojach. Ograniczenia wielkości pojedynczych elementów przeszklenia wynikają z wytrzymałości stosowanych tafli szkła. Najnowsze realizacje wykazały, że wielkość tę można zwielokrotnić poprzez wykorzystywanie tzw. konstrukcji podpiętych, które polegają na wprowadzeniu do konstrukcji dodatkowych prętów, podpierających tafle szklane w środku rozpiętości jedno- lub dwustronnie.

Koszty

Najnowsze realizacje obiektów użyteczności publicznej ze ścianami osłonowymi z punktowym mocowaniem szyb dotyczą głównie projektów prestiżowych, co wynika ze znacznych kosztów budowy takiej przegrody zewnętrznej. Zestawienie w układzie porównawczym dla realizacji europejskich:

• ściana słupowo-ryglowa: koszt = 1,
• ściana słupowo-ryglowa z oszkleniem strukturalnym: koszt = 3,
• ściana z punktowym mocowaniem szyb: koszt = 4.

Rozwój technologii punktowego mocowania przeszkleńTrudno określić możliwości architektoniczne w dziedzinie najnowszych technologii budowlanych, bo ich realizacja przebiega na zasadzie swoistych eksperymentów zainspirowanych koncepcjami architektów, a wykonalność najbardziej awangardowych pomysłów jest weryfikowana jedynie poprzez podejmowanie prób realizacyjnych. Powstające innowacje są badane najpierw na małych, projektowanych tymczasowo budowlach, których proces powstawania jest przejrzysty dla wszystkich uczestniczących w wykonawstwie i które nie stwarzają ryzyka dla użytkowników obiektu w skali długoterminowej. Kierunki prowadzonych badań, dotyczące przeszklonych ścian z mocowanymi punktowo szybami są następujące:

• poszukiwanie optymalnych technik montażu,
• dążenie do standaryzacji i uproszczenia połączeń,
• ograniczenie zużycia materiałów,
• energooszczędność,
• dążenie do zwiększenia elastyczności stosowanych zestawień i przełamywania ograniczeń geometryzacji,
• uzyskiwanie coraz większych rozpiętości przeszklonych przekryć dachowych.

Stan badań i problematyka przeszklonych ścian z mocowanymi punktowo szybami nie znajduje pełnego odzwierciedlenia w publikacjach naukowo-technicznych i dydaktycznych. Specjalistyczne artykuły i opisy dotyczą oderwanych od siebie zagadnień, takich jak: zjawiska fizykalne, bezpieczeństwo, technologia produkcji szkła itp. Ze względu na bardzo szybki rozwój omawianej technologii trudno znaleźć wyczerpujące i aktualne technicznie publikacje. Najnowszą wiedzą dysponują firmy i koncerny specjalizujące się w produkcji systemów przeszklonych ścian z mocowanymi punktowo szybami, jednak ze względu na konkurencję i ochronę licencyjną udostępniają jedynie katalogi z podstawowymi danymi technicznymi.