Ściany osłonowe. Najważniejsze zagadnienia dotyczące ścian osłonowych

2019-01-22 13:42 Prof. dr hab. inż. Wojciech Żółtowski, mgr inż. Maciej Cwyl, na podstawie pracy badawczej nr 504/1082/
Ściany osłonowe
Autor: Getty Images Ściany osłonowe mają najcześciej lekką konstrukcję z profili aluminiowych wypełnionych taflami szkła lub kasetonami z różnego typu materiałów

Ściany osłonowe są jednym z ważniejszym, ale też coraz droższym elementem wysokich budynków. Wymagania architektoniczne i funkcjonalne wymuszają konieczność poszukiwania nowych rozwiązań konstrukcyjnych. Duże trudności generuje również potrzeba stosowania ścian osłonowych na coraz większych wysokościach.

Ściany osłonowe w budynkach wysokich - oczekiwania i wymagania

Przykładami drapaczy chmur, w których zastosowano ściany osłonowe są: wieżowiec Petronas Towers w Kuala Lumpur wysokości 452 m, czy Financial Center w Taipei wysokości 508 m. Te inwestycje są przytoczone nieprzypadkowo. Zrealizowano je w klimacie tropikalnym. Oznacza to, że takie zjawiska jak przegrzewanie czy pełzanie w połączeniach będą występowały ze zdwojoną siłą.

Najważniejsze problemy, na które należy zwrócić uwagę przy projektowaniu choćby najmniejszych detali w fasadzie osłonowej, to przede wszystkim:

  • sprostanie oczekiwaniom architekta odnośnie sposobu mocowania, wyglądu okuć i faktury zewnętrznej ściany,
  • dobra ocena wartości parcia i ssania wiatru na znacznych wysokościach mocowania okładziny (szkło, kamień, tworzywa poliwęglowe; polimerowe),
  • projektowanie konstrukcji z założeniem wieloletniej szczelności i trwałości połączeń pomiędzy elementami okładzinowymi ze względu na wiatr, wilgoć, przemarzanie,
  • uwzględnienie znacznych wychyleń budowli wieżowej, a co za tym idzie - elastyczności połączeń pomiędzy elementami fasady,
  • coraz większa i bardziej czytelna ekspozycja ściany, co jest związane bezpośrednio z atrakcyjnością budynku dla późniejszych najemców czy użytkowników,
  • ograniczanie widocznych na zewnątrz elementów konstrukcyjnych, mocujących zewnętrzną powłokę ściany osłonowej do budynku,
  • zapewnienie odpowiedniej izolacyjności termicznej i akustycznej,
  • funkcjonalność związaną z samozmywalnością, nasłonecznieniem czy gromadzeniem energii,
  • stopień prefabrykacji elementów fasady, a co za tym idzie szybkość montażu (pozwalający w jak najszybszym czasie zamknąć bryłę budynku). 
Warto wiedzieć

Ściana osłonowa aluminiowo-szklana pojawiła się na początku XX wieku. W 1906 roku architekt Francis Plym zaprojektował dwa miedziane profile, które mocno utrzymywały szkło. Profile miały także otwory odprowadzające wodę i wyrównujące ciśnienia. Takie rozwiązanie zapoczątkowało stosowanie konstrukcji fasad doprowadzających większą ilość światła i powietrza do wnętrza budynku. W 1930 roku powstały pierwsze profile aluminiowe z przekładkami termicznymi. Zmienił się także sposób produkcji szkła, które obok dużej wytrzymałości zyskało lepsze parametry cieplne i szeroką gamę kolorów.

Petronas Towers
Autor: Getty Images Wieżowiec Petronas Towers w Kuala Lumpur wysokości 452 m z lekkimi ścianami osłonowymi
Warto wiedzieć

W Polsce lekkie ściany osłonowe zaczęto stosować na przełomie lat sześćdziesiątych. Pierwsze obiekty, w których zastosowano takie rozwiązanie, to m.in. budynek ZSL w Warszawie, budynek MHZ, Uniwersal w Warszawie czy hotel Cracovia w Krakowie.
Często jednak zastosowanie lekkich ścian działowych kończyło się niepowodzeniem; latem następowało przegrzewanie pomieszczeń, zimą - przemarzanie. Szkielet konstrukcji ulegał korozji, niszczały materiały izolacyjne.
Początek lat dziewięćdziesiątych przyniósł prawdziwy przełom w stosowaniu fasad aluminiowych. Duża dostępność i szeroka oferta materiałów, ogromne zapotrzebowanie na trwałe, estetyczne fasady z dużymi, przeszklonymi powierzchniami - to czynniki, które spowodowały szybki rozwój w dziedzinie metalowo - szklanych ścian osłonowych.

Wśród szerokiej gamy rozwiązań konstrukcyjnych najważniejszym w obecnych projektach jest sposób rozwiązania połączenia szkła stanowiącego wykończenie zewnętrzne budynku z pozostałą konstrukcją fasady i budynku.
Wierzchnia faktura budynku powinna mieć gładką powierzchnię, bez zarysowania łączeń pomiędzy poszczególnymi prefabrykatami okładzin, bez okuć. Powinna być także łatwo zmywalna.
Nowoczesne połączenia budowlane to niewidoczne zamocowania, które nie zakłócają efektu gładkości i jednolitości fasady. Są także trwałe, odporne na działanie promieni UV i przegrzewanie oraz na wpływy relaksacji i pełzania.
Biorąc pod uwagę takie kryteria jak funkcjonalność, parametry techniczne i walory wizualne, najbardziej zaawansowane technicznie są ściany z grupy systemów o szkleniu strukturalnym i semistrukturalnym.

Architekci i inwestorzy dążą do maksymalnego ukrycia okuć mocujących ściany; w konsekwencji na rynku pojawiła się szeroka gama połączeń punktowych. Połączenie utrzymujące zewnętrzną okładzinę fasady powinno być małe, trwałe, bezpieczne, odporne na przegrzanie, przemarznięcie. Powinno być także niewidoczne.
Przykładem ciekawego i coraz bardziej popularnego rozwiązania ściany osłonowej aluminiowo - szklanej mocowanej punktowo jest budynek Centrum Giełdowe.
Kolejnym przykładem jest fasada frontowa budynku towarzystwa asekuracyjnego Focus; rozwiązanie zastosowane w tym budynku jest nie tylko jednym z pierwszych zastosowań połączeń punktowych w stolicy, ale także imponującym osiągnięciem - jeśli chodzi o rozpiętości szkła, a co za tym idzie - dużą nośność połączeń punktowych utrzymujących tak ogromne i ciężkie tafle. Rozwiązanie to stało się wzorem i symbolem nowoczesności w połączeniach fasad aluminiowych i zyskało przydomek Megaokna.

Połączenia punktowe funkcjonujące na rynku i utożsamiane z nowoczesnymi rozwiązaniami to ciągle jeszcze połączenia mechaniczne, wymagające obróbki szkła (cięcie, wiercenie, obróbka krawędzi). Wymagają one skręcania na budowie, zakłócają gładkość i czystość powłoki zewnętrznej.
Próby unowocześniania połączeń punktowych prowadzą do jak najlepszego maskowania okuć. Stosuje się różne próby punktowego mocowania okładzin ściennych.
Obecnie na naszym rynku są prowadzone projekty, w których połączenia mechaniczne są zastępowane połączeniami klejonymi. Jednak w wielu sytuacjach połączenia mechaniczne pełnią funkcję pomocniczą lub zabezpieczającą.
Z literatury, a także z przykładów budownictwa europejskiego i światowego wiadomo, że współczesne materiały budowlane dają możliwości stosowania wyłącznie połączeń klejonych jako podstawowych elementów nośnych w połączeniu okładzin zewnętrznych dla fasad metalowo - szklanych.
Ta problematyka jest także przedmiotem badań prowadzonych w Instytucie Konstrukcji Budowlanych na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej.

Wymagania dla ścian osłonowych w konstrukcji słupowo-ryglowej

Wymagania techniczne dla faktur elewacyjnych

Wymagania techniczne dla ścian osłonowych dotyczą poszczególnych elementów składowych ściany (w tym np. faktur elewacyjnych), a także ściany osłonowej jako wyrobu finalnego. Faktura elewacyjna ma trzy podstawowe zadania: 

  • ochronę powierzchni zewnętrznych budynków przed działaniem czynników atmosferycznych,
  • nadanie tym powierzchniom estetycznego wyglądu,
  • wystarczającą trwałość eksploatacyjną.

Faktura spełnia także szereg innych funkcji niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania obiektu. Są to:

  • szczelność na opady deszczowe, a jednocześnie przepuszczalność pary wodnej i powietrza,
  • odporność na spękania od naprężeń występujących w przegrodzie zewnętrznej,
  • odporność na działanie czynników atmosfery przemysłowej,
  • odporność na uszkodzenia mechaniczne,
  • odporność na zabrudzenia pyłami atmosferycznymi i łatwość ich czyszczenia.

Należy także zwrócić uwagę na cechy faktury podczas jej cyklu produkcyjnego (czas trwania procesu produkcyjnego, łatwość wykonania, materiało- i energochłonność). Najbardziej istotne są jednak te cechy, które w sposób decydujący wpływają na trwałość faktury podczas eksploatacji budynku i na jej współpracę z przegrodą zewnętrzną.

Wymagania stawiane lekkim ścianom osłonowym

Konstrukcje tego typu - z uwagi na połączenie funkcji elewacji budynku i samodzielnej ściany osłonowej - mają szerszy zakres wymagań w stosunku do samej faktury zewnętrznej. Wymagania te klasyfikuje się w czterech podstawowych grupach:

  • wymagania ogólnobudowlane,  
  • wymagania w zakresie nośności i sztywności,
  • wymagania techniczno-użytkowe,
  • wymagania bezpieczeństwa pożarowego.

Do wymagań ogólnobudowlanych stawianych ścianom osłonowym zalicza się cechy konstrukcyjne ściany, trwałość, bezpieczeństwo użytkowania i estetykę. Rozwiązania konstrukcyjne powinny umożliwiać rektyfikację konstrukcji nośnej ściany. Mocowanie elementów powinno być takie, aby w przypadku jego uszkodzenia była możliwa jego wymiana. Ściana osłonowa powinna być wykonana z materiałów, które nie stanowią zagrożenia dla otoczenia (takich które nie wydzielają żadnych szkodliwych gazów lub nieprzyjemnych zapachów). W przewidzianym okresie eksploatacji ściana nie powinna zmieniać swoich właściwości użytkowych i technologicznych. Elementy, które nie podlegają wymianie, powinny mieć taką żywotność jak konstrukcja budynku.

Tab. W instrukcji ITB nr 224/1995 ściany zostały podzielone na 4 klasy trwałości:

Cechy, jakim ściana odpowiada

Klasa ściany

Zapewnienie trwałości podstawowych cech wymaga konserwacji

1

Zapewnienie trwałości podst. cech nie wymaga konserwacji

Wygląd nie jest bez konserwacji zachowany

2

Trwałość podstawowych cech zach. bez konserwacji

Wygląd zachowany bez konserwacji

Wymaga ogólnej konserwacji

3

Trwałość podstawowych cech zach. bez konserwacji

Wygląd zachowany bez konserwacji

Nie wymaga ogólnej konserwacji

4

Jeśli chodzi o wymagania związane z nośnością i sztywnością lekkich ścian osłonowych, to w czasie projektowania konstrukcji należy uwzględnić następujące rodzaje obciążeń:

– Obciążenia statyczne, a w szczególności:

  • ciężar własny,
  • obciążenie wiatrem,
  • obciążenia termiczne.  

– Obciążenia dynamiczne, a w szczególności: 

  • obciążenia udarowe,
  • drgania dynamiczne.

Obciążenia statyczne należy przyjmować zgodnie z obowiązującymi normami: 

  • PN-82/B-02001 Obciążenia budowli. Obciążenia stałe,
  • PN-77/B-02011 Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenia wiatrem,
  • Instrukcja ITB Nr 224/95 Wymagania techniczno - użytkowe dla lekkich ścian osłonowych.

Obciążenia dynamiczne udarowe dzielą się na uderzenia bezpieczeństwa i uderzenia eksploatacyjne. Uderzenia bezpieczeństwa to takie, podczas których sprawdzamy stan zapewnienia bezpieczeństwa użytkowników i przedmiotów. Uderzenia eksploatacyjne mają na celu sprawdzenie zachowania się ściany podczas użytkowania.

Zgodnie z instrukcją 336/95 ITB przy uderzeniu bezpieczeństwa dopuszcza się zniszczenie rozpatrywanego elementu, ale pod warunkiem, że element : 

  • nie został przebity, 
  • nie wypadł z obramowania, 
  • nie powstały odłamki, które mogą zranić ludzi,
  • konstrukcja nie uległa zniszczeniu.

Podczas uderzenia eksploatacyjnego właściwości funkcjonalne ściany - w tym jej wygląd zewnętrzny - nie powinny ulec zmianie. Dopuszczalne są takie uszkodzenia, które mogą być usunięte bez przerw w eksploatacji.
Biorąc pod uwagę wymagania techniczno- użytkowe ściany, podstawowym kryterium jest szczelność na przenikanie wody deszczowej; ściana osłonowa to zawsze elementy stałe i rozwierane, więc należy i pod tym względem patrzeć na wymagania dla tych elementów. Za podstawowe kryterium szczelności przyjmuje się nieprzenikanie wody deszczowej przez przegrodę przy polewaniu wodą w ilości 120 litrów na godzinę na metr kwadratowy.

Tab. Wymagania szczelności na przenikanie wody opadowej dla części stałych ściany osłonowej, w zależności od strefy wiatrowej i wysokości budynku.

Strefa obciążenia wiatrem

Różnica ciśnień [Pa] w zal. od wysokości budynku H [m]

 

H<20

H<35

H<50

H<75

I

200

200

200

250

II

200

250

250

350

II-a i III do wys. 400 m n.p.m

250

350

350

350

II-b i III od 400 do 600 m n.p.m

350

350

450

-

III od wys. 600 do 800 m n.p.m

350

450

-

-

III od 800 do 1000

450

-

-

-

Tab. Wymagania szczelności na przenikanie wody opadowej dla okien i drzwi balkonowych w zależności od strefy wiatrowej i wysokości budynku.

Strefa obciążenia wiatrem

Różnica ciśnień [Pa] w zal. od wysokości budynku H [m]

 

H<20

H<35

H<50

H<75

I

120

120

120

150

II

120

150

150

180

II-a i III do wys. 400 m n.p.m

150

180

250

250

II-b i III od 400 do 600 m n.p.m

180

250

250

-

III od wys. 600 do 800 m n.p.m

250

250

-

-

III od 800 do 1000

250

-

-

-

W Polsce opracowano co prawda wymagania odnośnie szczelności, nie opracowano jednak klasyfikacji ścian osłonowych na przenikanie wody opadowej. Klasyfikacja zamieszczona w opracowaniu jest przytoczona z normy europejskiej EN 12154. To, w której klasie znajdzie się dany system, zależy od ciśnienia, przy którym w trakcie badania nastąpił przeciek.

Tab. Klasyfikacja wg EN 12154, na przenikanie wody w ścianach osłonowych.

Ciśnienie [Pa]

Klasa szczelności

150

R1

300

R2

450

R3

600

R4

Powyżej 600

Re (Pmax)

Oprócz przenikania wody ważnym czynnikiem dla tego typu konstrukcji jest infiltracja powietrza. Wymagania infiltracji powietrza, podobnie jak szczelności na wodę opadową, zostały zróżnicowane w zależności od tego, czy mamy do czynienia z częścią stałą fasady, czy z elementami ruchomymi. Części stałe powinny być projektowane z założeniem ich pełnej szczelności. Jako kryterium podaje się współczynnik infiltracji powietrza dla części stałej przegrody; nie powinien on przekraczać 0.1 m3/(m h daPa2/3), przy różnicy ciśnień nie mniejszej niż 200 Pa.

Gdy rozpatrujemy element rozwierane (okna i drzwi), przyjmowane są dwa kryteria przepuszczalności powietrza. Te dwa kryteria uzależnione są od braku lub obecności wentylacji nawiewno - wywiewnej.
Jeżeli okna będą montowane w pomieszczeniach, które mają wentylację mechaniczną, wówczas współczynnik infiltracji powietrza dla okna nie powinien przekraczać 0,3 m3/(mhdaPa2/3), przy różnicy ciśnień nie mniejszej niż 200 Pa. Ponieważ w pomieszczeniach pozbawionych wentylacji mechanicznej należy zapewnić wymianę powietrza, to zamontowane w nich okna powinny charakteryzować się współczynnikiem do 0,5 do 1,0 m3/(mhdaPa2/3). Projekt normy EN 12152 klasyfikuje ściany osłonowe ze względu na infiltrację powietrza w zależności od maksymalnego ciśnienia, przy którym ilość powietrza infiltrująca przez ścianę przekroczyła 1,5 m3/(m2h). Odpowiada to w przybliżeniu współczynnikowi infiltracji 0,1 m3/(mhdaPa2/3).

Tab. Klasyfikacja ścian osłonowych ze względu na infiltrację powietrza.

Maksymalne ciśnienie Pmax [Pa]

Infiltracja powietrza m3/(m2h)

Klasyfikacja

150

1,5

A1

300

1,5

A2

450

1,5

A3

600

1,5

A4

Powyżej 600

1,5

AE

Zagadnienia związane z fizyką budowlaną dla ścian osłonowych są bardzo ważne. Niejednokrotnie decydują one o wyborze konkretnego produktu (fasady). Bardzo ważną cechą jest izolacyjność cieplna. Współczynnik przenikania ciepła k jest regulowany przez Polskie Normy i jest on obowiązujący dla przegród zewnętrznych, w tym fasad aluminiowo-szklanych. Ważna jest także izolacyjność akustyczna (dostosowana do funkcji budynku). Miarą przenoszenia dźwięku jest współczynnik Rw i powinien on wynosić 37 < Rw < 53 dB.

Ściany osłonowe o konstrukcji słupowo-ryglowej traktowane są jako powierzchniowo niejednorodne, w których można wyodrębnić następujące części:

  • układ słupów i rygli,
  • części przeszklone i pełne.

Izolacyjność akustyczna ściany jest składową poszczególnych jej elementów:

Rw,wyp=10lg(100/(x10-0,1Rwi),

Rwi - ważony wskaźnik izolacyjności akustycznej właściwej dla poszczególnych części ściany osłonowej [dB],

Bardzo ważnym wymogiem stawianym wszystkim rodzajom konstrukcji budowlanych. Jest zapewnienie bezpieczeństwa pożarowego. W zależności od odporności pożarowej wyróżnia się pięć klas budynków: A, B, C, D, E.

Ściany osłonowe powinny spełniać wymagania odpowiednie dla klasy budynku, w którym zostaną zastosowane:

  • w budynku klasy A nie stosuje się ścian osłonowych,
  • w budynku klasy B minimalna odporność ogniowa takiej ściany to 30 min. Należy stosować materiały, które nie rozprzestrzeniają ognia,
  • w budynku klasy C minimalna odporność ogniowa wynosi 15 min. Należy stosować materiały, które nie rozprzestrzeniają ognia,
  • w budynku klasy D nie stawia się wymagań odnośnie odporności ogniowej, wymagana jest jednak stosowanie materiałów słabo rozprzestrzeniających ogień.
Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej