Elewacje ze szkła we współczesnym budownictwie

STRESZCZENIE

Artykuł dotyczy najczęściej spotykanych we współczesnym budownictwie typów elewacji ze szkła: ścian osłonowych, elewacji wentylowanych, elewacji typu „podwójna skóra”. Omówiono także zasady oceny technicznej ścian zewnętrznych ze szkła. Przytoczono dokumenty pozwalające na wprowadzenie takich wyrobów do obrotu w budownictwie, omówiono metody oceny technicznej wynikające z przepisów oraz doświadczenia badawczo-eksperckiego ITB. Szczególną uwagę poświęcono zagadnieniom oceny bezpieczeństwa użytkowania elewacji z okładzinami szklanymi.

ABSTRACT

The article presents the types of glass facades most commonly used in modern construction, including curtain walls, ventilated facades and double-skin facades. The principles of technical evaluation of external glass walls have also been discussed. The text presents documents necessary to market such products in construction, as well as analyses technical evaluation methods based on regulations and ITB (the Building Research Institute) research and expertise. Particular attention has been paid to the assessment of suitability and safety of use.

Fot. 1. Rotule do punktowego mocowania szkła (fot. autora)

Coraz częściej elewacje współczesnych budynków wykonywane są ze szkła. Trend ten dotyczy nie tylko budynków biurowych, lecz również mieszkalnych i usługowych. Szklane fasady oprócz funkcji użytkowych i estetycznych mają podkreślić sukces ekonomiczny właścicieli lub użytkowników budynku. Nieprzypadkowo elewacje najwyższych oraz najbardziej zaawansowanych technologicznie budynków (np. 828-metrowy wieżowiec Burdż Chalifa, 632-metrowy wieżowiec Shanghai Tower) zostały wykonane ze szkła. Szklane elewacje budynków nierzadko zmieniają krajobraz i stają się wizytówkami miast (np. wieżowiec Torre Glories w Barcelonie, The Gherkin w Londynie lub warszawskie wieżowce Centrum LIM, Central Tower), świadczą o nowoczesności miasta.

O skali popularności szkła w rozwiązaniach elewacyjnych świadczą następujące liczby: do budowy wieżowca Warsaw Spire zastosowano 52 000 m² szkła (wg serwisu Warszawa w pigułce), ponad 25 000 m² szyb zespolonych wykorzystano w wieżowcu Q 22 w Warszawie (wg serwisu oknonet.pl), do budowy elewacji nowej filharmonii w Hamburgu wykorzystano ponad 21 800 m² szkła, w tym ok. 5000 m² szkła giętego (wg portalu www. infoarchitekta.pl).

Wzrastająca popularność zastosowania szkła na fasadach budynków jest w dużym stopniu związana z nieosiągalnym dla innych materiałów budowlanych efektem – efektem lustra (odbiciem światła widzialnego od szkła). Fasada szklana może pozostawać neutralna dla otoczenia bądź sprawiać wrażenie lustra. Szyby refleksyjne zastosowane na elewacji pozwalają zmieniać wygląd budynku wraz ze zmianą pory dnia, roku, panującej na zewnątrz aury. Efekt lustra nierzadko jest wykorzystywany przez architektów podczas wkomponowywania w istniejącą zabudowę nowych budynków. Oświetlenie wewnątrz budynku w przypadku zastosowania fasad przeziernych również ma wpływ nie tylko na odbiór wizualny budynku, lecz przestrzeni publicznej. Wykonanie budynków z zastosowaniem fasad szklanych wymaga od uczestników procesu inwestycyjnego (projektantów, wykonawców, nadzoru) dużej wiedzy technicznej w zakresie wymagań stawianych tego typu rozwiązaniom elewacyjnym. Pomyłki podczas projektowania elewacji ze szkła mogą mieć fatalny wpływ na trwałość obiektu oraz bezpieczeństwo jego eksploatacji. Celem artykułu jest przedstawienie wybranych właściwości techniczno-użytkowych stawianych rozwiązaniom elewacyjnym ze szkła.

Rys. 1. Schemat ściany osłonowej (źródło: archiwum ITB [3])

Typy fasad ze szkła

Fasady szklane najczęściej występują w postaci:

– Ścian osłonowych. Według [1] są to: ściany zewnętrzne budynku, zazwyczaj wykonane z metalu, drewna, PCV, składające się z elementów pionowych i poziomych szkieletu nośnego, połączonych między sobą i zamontowanych do konstrukcji nośnej budynku, tworząc taką ciągłą osłonę przestrzeni wewnętrznej budynku, która samodzielnie lub wraz z konstrukcją nośną budynku realizuje wszystkie normalne funkcje ściany zewnętrznej poza funkcją nośną.

– Elewacji wentylowanych. Zestaw wyrobów składający się z zewnętrznych okładzin mocowanych do podkonstrukcji oraz materiałów termoizolacyjnych. Według [2] charakteryzują się one obecnością wentylowanej pustki między warstwą termoizolacji a zewnętrzną okładziną.

W przypadku ścian osłonowych szkło może być mocowane do elementów nośnych:

– punktowo – za pomocą tak zwanych rotul (fot. 1);

– liniowo – w tych rozwiązaniach szkło jest łączone z ryglami lub słupami za pomocą klejów strukturalnych lub mechanicznie (poprzez dociskające listwy, specjalne śruby dociskowe). Niekiedy stosowane są połączenia kombinowane.

We współczesnych budynkach w ścianach osłonowych występują fragmenty przezierne oraz nieprzezierne. Przykład konstrukcji współczesnej ściany osłonowej z liniowym mechanicznym mocowaniem szkła przedstawia rys. 1.

W częściach przeziernych budynku, zależnie od stawianych wymagań termoizolacyjnych, używane są szyby pojedyncze (w przegrodach, co do których nie stawiane są wymagania w zakresie termoizolacji) lub zespolone (jedno- lub wielokomorowe). W celu osiągnięcia różnych efektów optycznych oraz zapewnienia właściwego klimatu wewnętrznego na szybach zespolonych często są stosowane różnorodne powłoki (np. przeciwsłoneczne selektywne, ciepłochronne).

Części nieprzezierne zwykle sytuowane są między stropami budynku. Jest to podyktowane nie tylko względami estetycznymi, lecz również względami bezpieczeństwa ogniowego. Pod zewnętrzną szybą nieprzezierną zazwyczaj mieści się warstwa izolacyjna, składająca się z elementów o różnych funkcjach: termoizolacyjnych (np. wełny mineralnej) oraz ogniochronnej (np. płyty gipsowo-włókniste).

Rys. 2. Schemat mechanicznego mocowania szkła w systemach elewacji wentylowanych

W systemach elewacji wentylowanych szkło jest zwykle montowane do podkonstrukcji klejowo lub mechanicznie: za pomocą przelotowych łączników mechanicznych z talerzykową końcówką (rys. 2a) przypominających rotule lub zewnętrznych widocznych wsporników (rys. 2b), na których szkło jest osadzane na specjalnych przekładkach.

Szkło w elewacjach wentylowanych często występuje jako górna warstwa wykończeniowa płyty elewacyjnej (fot. 2). Niekiedy w celu zapewnienia lepszych właściwości akustycznych, stworzenia buforu antywiatrowego, zmniejszenia obciążenia termicznego związanego z promieniowaniem UV są stosowane złożone rozwiązania elewacyjne typu „podwójna skóra” lub „double skin fasade”. Pierwszą warstwę takiego rozwiązania elewacyjnego mogą stanowić elewacje typu BSO (bezspoinowych systemów ociepleń), ściany osłonowe etc. Drugą warstwę (zewnętrzną) stanowi rozwiązanie bazujące na elewacji wentylowanej, składające się z podkonstrukcji oraz okładzin szklanych (fot. 3).

Niekiedy w postaci „drugiej skóry” na elewacjach budynków występują elementy systemów fotowoltaicznych. W takich systemach elewacyjnych szkło występuje w postaci szkła bezpiecznego (klejonego, hartowanego).

Tab. 1. Klasyfikacja odporności ścian osłonowych na uderzenie oponą wg [8]

Wprowadzenie do obrotu w budownictwie systemów elewacyjnych

Ściany osłonowe oraz elewacje wentylowane mogą być wprowadzone do obrotu w budownictwie po weryfikacji ich podstawowych cech funkcjonalno-użytkowych. Zakres właściwości koniecznych do tej weryfikacji określono w:

– Stanowiskach jednostki oceny technicznej (JOT) w przypadku elewacji wentylowanych, fasad typu „podwójna skóra” oraz naściennych systemów fotowoltaicznych. Mimo że ETAG 034 [2] nie obejmuje rozwiązań elewacyjnych ze szklanymi okładzinami, JOT-y często wydają swoje stanowiska na podstawie tego dokumentu. Rozwiązania elewacyjne bazujące na elewacjach wentylowanych ze szklanymi okładzinami od dnia 1 stycznia 2017 r. wprowadzane są do obrotu w budownictwie na podstawie krajowych ocen technicznych.

– Zharmonizowanej normie PN-EN 13830 [4] – w przypadku ścian osłonowych zamontowanych pionowo lub odchylonych o kąt ± 15^o od pionu. Właściwości techniczno-użytkowe ścian osłonowych powinny być zweryfikowane co najmniej w zakresie badań typu wg [4]. Należy zauważyć, że norma [4] nie obejmuje ścian osłonowych z oszkleniem mocowanym za pomocą spoiwa konstrukcyjnego, tego typu ściany osłonowe objęte są ETAG 002 [5] i powinny być wprowadzane do obrotu, opierając się na krajowych lub europejskich ocenach technicznych.

Fot. 2. Elewacja wentylowana z zastosowaniem wielowarstwowych okładzin, w których okładzina szklana występuje jako warstwa górna: a) widok ogólny elewacji; b) płyta elewacyjna z górną warstwą ze szkła

Wybrane właściwości wpływające na bezpieczeństwo użytkowania

Szkło w porównaniu z innymi materiałami budowlanymi stosowanymi do wykonania okładzin elewacyjnych ma kilka specyficznych właściwości, które należy uwzględnić podczas projektowania fasad:

– kruchość,

– wrażliwość na raptowne zmiany temperatury (szok termiczny, oddziaływanie ognia),

– wielokrotna różnica między wytrzymałością na ściskanie a zginaniem.

Wpływ tych właściwości na trwałość i bezpieczeństwo użytkowania systemów elewacyjnych uwzględniany jest podczas oceny laboratoryjnej, m.in. podczas sprawdzania następujących cech elewacji:

– odporności na działanie parcia i ssanie wiatru,

– odporności na uderzenie,

– odporności na szok termiczny. Oczywiście wymienione badania nie wyczerpują katalogu badań typu (określonych w [2, 4, 5]), pozwalających na wprowadzanie wyrobów do obrotu w budownictwie.

Odporność na obciążenie wiatrem

Odporność na obciążenie wiatrem ścian osłonowych jest określana na podstawie europejskiej normy PN-EN 12179:2004 [6], a odporność elewacji wentylowanych – wg ETAG 034 [2].

Dopuszczalne ugięcia ściany osłonowej podczas oddziaływania wiatru przedstawiono w PN-EN 13116:2004 [7]. Maksymalne ugięcia czołowe elementów konstrukcji ściany osłonowej między punktami podparcia lub zakotwienia do konstrukcji budynku wg PN-EN 13830:2015-06 [4] nie powinno przekraczać strzałki ugięcia d:

d ≤ L/200, gdy L ≤ 3000 mm, d ≤ 5 mm + L/300, gdy 3000 mm < L < 7500 mm,

d ≤ L/250, gdy L ≥ 7500 mm, gdzie L – odległość mierzona między punktami podparcia lub zamocowania elementów ściany osłonowej do konstrukcji budynku.

Badając odporność na działanie wiatru ścian osłonowych, obciążenie (parcie lub ssanie wiatru) zwiększa się skokowo – wzrost obciążenia wzrasta cztery razy o 25% aż ciśnienie wiatru nie osiągnie wartości deklarowanej P_max. Następnie fasada poddawana jest badaniu bezpieczeństwa zwanemu niekiedy uderzeniem wiatru. Wartość ciśnienia powietrza przy uderzeniu wiatrem wynosi 1,5x P_max. Podczas oddziaływania wiatru na ścianę osłonową szyby (oraz inne elementy wypełniające) nie mogą ulec uszkodzeniom, np. pęknąć, wypaść.

Elewacje wentylowane, elewacje typu „podwójna skóra”, naścienne elementy fotowoltaiczne w zakresie odporności na działanie wiatru sprawdzane są wg ETAG 034 [2]. Fasada jest poddawana cyklicznemu obciążeniu wiatrem wg schematu przedstawionego na rys. 3. Podczas badań sprawdzany jest (wizualnie) stan techniczny elewacji oraz są odnotowywane maksymalne przemieszczenia okładzin.

ETAG 034 [2] nie określa dopuszczalnych wartości ugięć elewacji wentylowanych poddanych obciążeniom wiatrowym. Elewacja pod obciążeniem wiatrem nie może się uszkodzić lub ulec trwałym uszkodzeniom.

Odporność na działanie wiatru uzyskana laboratoryjnie powinna być uwzględniona podczas projektowania systemów elewacyjnych.

Fot. 3. Rozwiązanie szklanej okładziny typu „double skin fasade”: 1 – okładzina elewacji wentylowanej; 2 – szklana okładzina; 3 – rotule do mocowania szkła w systemie punktowym (fot. autora [3])

Odporność na uderzenia

Okładziny elewacyjne ze szkła mogą być narażone na uderzenia od strony zewnętrznej (w przypadku położenia ich w pobliżu chodników) oraz od strony wewnętrznej (w przypadku ścian osłonowych).

Metody badań elewacji wentylowanych oraz ścian osłonowych są różne. Wymagania stawiane ścianom osłonowym w zakresie odporności na uderzenia sformułowane są w PN-EN 14019:2004 [8], wymagania do elewacji wentylowanych określono w ETAG 034 [2].

Ściana osłonowa powinna bezpiecznie wytrzymywać obciążenia udarowe ciałem ciężkim (oponą o masie 50 kg) i zachować swoją integralność. Metoda badawcza jest określona w PN-EN 13049:2004 [9]. Uderzenia oponą nie powinny spowodować:

– odpadnięcia od ściany żadnego elementu składowego,

– powstania przebić,

– pęknięć,

– trwałych odkształceń.

Tabela 1 zawiera klasyfikację odporności ścian osłonowych na uderzenie oponą.

Norma [4] nie podaje zależności między klasą odporności na uderzenie wyrobu a miejscem jego zastosowania.

Z doświadczenia ITB wynika, że w miejscach dużym natężeniu ruchu pieszych od strony wewnętrznej (np. w galeriach, pasażach dworców) ściany osłonowe powinny spełniać wymagania klasy I3, od strony zewnętrznej ściany osłonowe na poziomie parteru powinny odpowiadać klasie E3.

Przykład zachowania się ściany osłonowej po uderzeniu oponą (50 kg) przedstawia fot. 4.

W przypadku elewacji wentylowanych, elewacji typu „podwójna skóra” lub naściennych systemów fotowoltaicznych miejsca zastosowania wyrobu zależnie od odporności na uderzenie ciałem twardym (kule stalowe o masie 0,5 kg i 1 kg) oraz miękkim (ciała kuliste o masie 3 kg i 50 kg) należy określać na podstawie [2] (zależność przedstawia tab. 2).

Rys. 3. Schemat cyklicznego obciążenia wiatrem wg ETAG 034 [2]

Odporność na wpływy klimatyczne

Ze względu na wrażliwość szkła na nagłą zmianę temperatur i różne rozszerzalności termiczne elewacje z okładzinami szklanymi poddawane są badaniom odporności na działanie cykli klimatycznych.

ETAG 034 [2] przewiduje wykonanie następujących badań:

1. 80 cykli grzanie – deszczowanie. Jeden cykl przywiduje nagrzanie okładziny elewacyjnej do temperatury +70^oC i następne jej schłodzenie wodą o temperaturze +15^oC.

2. Pięć cykli grzanie – chłodzenie. Jeden cykl przewiduje nagrzanie okładziny elewacyjnej do temperatury +50^oC z dalszym jej schłodzeniem do temperatury – 20^oC.

Po oddziaływaniu wymienionych cykli elementy elewacji wentylowanej nie powinny ulec uszkodzeniom (spękaniom, deformacjom etc.).

Norma [4] nie określa wprost metody badawczej określenia okładzin elewacyjnych.

Fot. 4. Ściana osłonowa, zachowanie się szyby po uderzeniu oponą 50 kg

Zagadnienie bezpieczeństwa pożarowego

Elewacje ze szkła powinny być sprawdzane w zakresie szeroko rozumianego bezpieczeństwa pożarowego. Zakres badań omawianych wyrobów określa się w normie wyrobu (w przypadku ścian osłonowych w PN-EN 13830:2015-06) lub ETAG 034 (w przypadku elewacji wentylowanych) oraz w przepisach krajowych.

Z rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, wynika konieczność sprawdzenia, czy:

– Rozwiązania konstrukcyjne przyjęte w budynku zapewniają w trakcie pożaru nośność konstrukcji przez
określony czas, ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i dymu w budynku oraz przenoszenia się pożaru na obiekty sąsiednie, możliwość ewakuacji ludzi znajdujących się w obiekcie oraz zagwarantowanie bezpieczeństwa ekipom prowadzącym akcję ratowniczą.

– Elementy okładzin elewacyjnych są mocowane do konstrukcji budynku w sposób uniemożliwiający ich odpadanie w przypadku pożaru w czasie krótszym niż wynikający z wymaganej klasy odporności ogniowej dla ściany zewnętrznej, odpowiednio do klasy odporności pożarowej budynku, w którym są one zamocowane.

dr inż. Ołeksij Kopyłow
Zakład Inżynierii Elementów Budowlanych
Instytut Techniki Budowlanej

Literatura

1. PN-EN 13119:2009 Ściany osłonowe. Terminologia.
2. ETAG 034 Guideline for European Technical Approval of kits for external wall claddings, Brussel 2010.
3. O. Kopyłow, Elewacje szklane w budynkach infrastruktury dworcowej w kontekście bezpieczeństwa użytkowania, „Autobusy: technika, eksploatacja, systemy transportowe” nr 12/2016.
4. PN-EN 13830:2015-06 Ściany osłonowe – Norma wyrobu.
5. ETAG 002 Guideline for European Technical Approval for structural sealant glazing kits (SSGK), Brussel 2012.
6. PN-EN 12179:2004 Ściany osłonowe. Odporność na obciążenie wiatrem. Metoda badania.
7. PN-EN 13116:2004 Ściany osłonowe. Odporność na obciążenie wiatrem. Wymagania eksploatacyjne.
8. PN-EN 14019:2006 Ściany osłonowe. Odporność na uderzenia. Wymagania eksploatacyjne.
9. PN-EN 13049 Okna. Uderzenia ciałem miękkim i ciężkim. Metoda badania, wymagania dotyczące bezpieczeństwa i klasyfikacja.