Układy konstrukcyjne lekkiej obudowy

Lekką obudowę można podzielić na przegrody zewnętrzne i okładziny elewacyjne. Przegrody zewnętrzne pod kątem konstrukcji można podzielić na:

• jednowarstwowe (nieizolowane termicznie),
• wielowarstwowe (izolowane termicznie),
• szklano-metalowe.

Osobną grupę lekkiej obudowy stanowią okładziny elewacyjne nakładane na istniejącą ścianę [1].

W Polsce lekkie ściany osłonowe w budynkach użyteczności publicznej zaczęto stosować na przełomie lat 60. Pierwsze obiekty, w których zastosowano takie rozwiązanie, to m.in. nieistniejący już budynek ZSL w Warszawie (FOT. 1 i FOT. 2), budynek MHZ Uniwersal w Warszawie (FOT. 3 i FOT. 4), hotel Cracovia w Krakowie (FOT. 5 i FOT. 6) i inne (FOT. 7 i FOT. 8).

Ściany szklano-metalowe

Ściany takie stosowane są do:

• konstruowania przeszkolonych elewacji budynków użyteczności publicznej, takich jak banki, hotele, biurowce, hale sportowe, salony samochodowe itp.,
• wykonywania przestrzennych konstrukcji i przeszkleń dachowych w celu odpowiedniego doświetlenia wnętrz budynków oraz tworzenia w nich właściwego klimatu i komfortu dla użytkowników.

Ściany zewnętrzne budynków dzieli się na dwie podstawowe grupy:

• ściany typu zawieszonego (kurtynowe) (RYS. 1),
• ściany wypełniające (RYS. 2).

Ściana typu zawieszonego (wisząca/kurtynowa) usytuowana jest na zewnątrz obrysu konstrukcji nośnej budynku i przeważnie mocowana jest do czoła stropów (RYS. 1).

Ściana kurtynowa przenosi jedynie ciężar własny i parcie wiatru. Połączenie ściany ze stropami powinno zapewniać możliwość regulacji w trzech kierunkach, a także kompensować przesunięcia ściany spowodowane zmianami temperatury.

Z kolei ściana wypełniająca składa się z segmentów umieszczonych między elementami konstrukcji nośnej budynku, np. stropami (RYS. 2). W tego typu ścianach należy uwzględnić możliwość przekazywania na nie obciążeń pionowych na skutek ugięć końców stropów.

Z uwagi na konstrukcję ściany kurtynowe (zawieszone) dzieli się na:

• słupowo-ryglowe,
• strukturalne,
• mocowane punktowo,
• elementowe,
• membranowe.

Ściany szklano-metalowe ze względu na swoją konstrukcję najczęściej stanowią fasady wentylowane, zwane też podwójną skórą. Są podobne do zimnej fasady, z tym, że przestrzeń między warstwą zewnętrzną a wewnętrzną jest znacznie szersza. Warstwa zewnętrzna pełni funkcję ochronną i estetyczną. Może to być wentylowana od tyłu szyba lub blacha profilowana.

Bardzo często w tego typu rozwiązaniach przestrzeń między warstwami jest wykorzystywana do montowania dodatkowych instalacji przeciwsłonecznych, takich jak lamele lub rolety. Powietrze, które ulega tam ogrzaniu, oraz powstający kondensat pary wodnej wyprowadzane są z poszczególnych kondygnacji lub całej wysokości ściany na zewnątrz do otoczenia.

Ściany słupowo-ryglowe

Ściana osłonowa słupowo-ryglowa jest lekką, samonośną przegrodą budowlaną o prętowej konstrukcji szkieletowej (FOT. 9-14).

Elementami konstrukcji ściany są pionowe słupki (ang. mullions) i poziome rygle (ang. transoms). Słupki mocowane są do konstrukcji nośnej budynku i tworzą pionowe pasy, które podzielone są ryglami na pola przeznaczone do wypełniania. Wypełnienia pól stanowią termoizolacyjne szyby zespolone lub izolacyjne płyty warstwowe.

Konstrukcyjne elementy słupków i rygli wykonane są z kształtowników metalowych o przekroju skrzynkowym z odpowiednim ukształtowaniem ścianek dla mocowania uszczelek, łączników itp.

Słupy i rygle ściany słupowo-ryglowej są systemowo wyposażone w rozwiązania odwodnienia, wentylacji i odprowadzenia kondensatu z wnętrza ściany poprzez odpowiednio wyprofilowane fragmenty kształtowników.

W fasadzie słupowo-ryglowej zawsze na powierzchni szkła widoczne są listwy dociskowe i kryjące.

Ściany strukturalne

Ściany osłonowe zwane strukturalnymi stanowią modyfikację ścian o konstrukcji słupowo-ryglowej. Proces modyfikacji konstrukcji ściany został poglądowo przedstawiony na RYS. 3, RYS. 4, RYS. 5 i RYS. 6.

W wyniku dążenia do uzyskania wielkopowierzchniowej tafli szklanej powstała tzw. ściana strukturalna, tj. ściana, na której nie jest widoczna konstrukcja nośna w formie słupków i rygli. Konstrukcja nośna jest ukryta za taflami szkła (FOT. 15-16, FOT. 17-18, FOT. 19-20).

Szyby zespolone zamocowane są klejem silikonowym wspornikowo (jednostronnie) do elementów nośnych. Na RYS. 7 i RYS. 8 przedstawiono schemat szklenia strukturalnego charakteryzującego się całkowicie gładką powierzchnią.

Ściany ze szkleniem strukturalnym z uwagi na sposób mocowania szyb można podzielić na cztery podstawowe typy [2]:

• system dwustronny, w którym dwa boki zestawu szybowego są klejone do ramy aluminiowej, natomiast pozostałe dwa są mocowane mechanicznie - ystem ten charakteryzuje się tym, że obciążenia statyczne są przenoszone na konstrukcję nośną tylko przez połączenia mechaniczne (np. ramy), natomiast obciążenia dynamiczne są przenoszone zarówno przez połączenia silikonowe, jak i mechaniczne;
• system czterostronny, gdzie wszystkie cztery boki panelu elewacyjnego są przyklejone do ramy aluminiowej za pomocą kleju konstrukcyjnego - w tym przypadku obciążenia statyczne i dynamiczne przenoszone są na konstrukcję nośną wyłącznie przez konstrukcyjny klej silikonowy;
• system sworzniowy klejony, w którym zestaw szybowy mocowany jest do ramy aluminiowej za pomocą specjalnego sworznia przyklejonego bezpośrednio do tafli szkła;
• system żeber szklanych, gdzie elewacja aluminiowo-szklana usztywniona jest żebrami szklanymi, mocowanymi do konstrukcji budynku, a całość fasady jest klejona klejami konstrukcyjnymi do żeber szklanych.

W systemach strukturalnych kluczowym czynnikiem decydującym o trwałości konstrukcji jest dobór parametrów specjalistycznego konstrukcyjnego kleju silikonowego.

Klej ten musi przenieść wszelkie obciążenia: ciężar szkła, obciążenia klimatyczne, drgania oraz posiadać zdolność częściowego przenoszenia przemieszczeń, mieć dobrą przyczepność do szkła i aluminium oraz być odporny na promieniowanie UV.

Również końcowego uszczelnienia elewacji przed wpływami atmosferycznymi i uszczelnień przeciwpożarowych dokonuje się szczeliwami silikonowymi [3].

Aby zwiększyć bezpieczeństwo konstrukcji wspornikowo zamocowanej szyby zespolonej, wprowadzane są różne techniki zabezpieczenia szyb przed odspojeniem i odpadnięciem. Do zabezpieczeń takich należy zamocowanie szyb zespolonych na jej dwóch przeciwległych krawędziach, poziomych lub pionowych.

Pojawiają się ciągłe kształtowniki zabezpieczające, stanowiące na przeszkleniach pionowe lub poziome podziały architektoniczne. Takie modyfikacje techniczne i estetyczne nazwane zostały ścianami osłonowymi półstrukturalnymi lub semistrukturalnymi.

Fasada semistrukturalna wyglądem przypomina fasadę strukturalną - różnica polega na sposobie montażu wypełnienia. W fasadzie semistrukturalnej klej konstrukcyjny podtrzymujący szybę zastąpiono uchwytem mechanicznym. Elementy mocowania szyby są ukryte pod uszczelkami bądź masą silikonową [3].

Ściany mocowane punktowo

Dalszy rozwój systemów lekkich ścian osłonowych w kierunku uzyskania rozwiązań o wielkopowierzchniowym przeszkleniu doprowadził do powstania ścian, które dają efekt jednej tafli przeszklenia, nieprzerywanej żadnymi szczelinami. Są to ściany z punktowym mocowaniem szyb (FOT. 21-23).

Istotnym elementem tego systemu jest sposób zamocowania szyb przeszklenia (pojedynczych i szyb zespolonych) polegający na wprowadzeniu w otwór nawiercony w szybie metalowego sworznia zamocowanego do konstrukcji wsporczej przegrody.

W przypadku, gdy tak mocowana jest szyba zespolona, sworzeń mocujący łączy szybę wewnętrzną i zewnętrzną zestawu. Stanowi tym samym punktowy mostek termiczny.

Nowsze rozwiązania wprowadzają sworzeń mocujący tylko na szybie wewnętrznej, co eliminuje mostek termiczny i wprowadza wspornikowy układ szyby zespolonej (podobnie jak w ścianie strukturalnej). Sworznie mocujące umieszczane są w pobliżu naroży płyt szklanych.

Są mocowane w zestawach z sąsiednimi elementami i tworzą jeden uchwyt mocujący do konstrukcji wsporczej przegrody. Uchwyty te, o charakterystycznej budowie, potocznie nazywane są "pająkami".

Poszczególne płyty szklane lub szyby zespolone usytuowane są na uchwytach mocujących w ten sposób, że nie stykają się ze sobą krawędziami, lecz tworzą szczelinę umożliwiającą swobodną dylatację szyb. Szczelina ta wypełniona jest szczeliwem, zachowującym odpowiednią przyczepność do krawędzi szyb i zapewniającym szczelność.

W Niemczech zgodnie z prawem budowlanym fasady mocowane punktowo zaliczają się do "nieuregulowanych" produktów budowlanych i dlatego wymagają indywidualnej zgody na całą konstrukcję.

Ściany elementowe

Montowane są z gotowych zestawów produkowanych w wytwórni. Szczególnym przypadkiem ścian elementowych są ściany pasmowe (okienno-parapetowe), stosowane w budynkach użyteczności publicznej lub mieszkaniowych, oraz ściany z płyt warstwowych i elementów kasetowych stosowanych w budynkach przemysłowych, handlowych lub magazynowych.

Ściany membranowe

To najnowszy rodzaj przegrody. Cała powierzchnia fasady jest rozpięta na siatce stalowych lin z podziałem zgodnym z rozmiarem szyb (RYS. 9 i RYS. 10).

Punkty węzłowe lin poziomych i pionowych są ustalane zaciskami stanowiącymi jednocześnie uchwyty szyb fasadowych w czterech narożnikach.

Elementy szklane nie muszą być wiercone. Obciążenia działające na fasadę są przenoszone na liny stalowe poprzez zaciski mocujące, a stamtąd na stabilną konstrukcję ramową.

Mocowanie elementów szklanych w narożnikach bez konieczności wiercenia pozwala uniknąć kumulowania się naprężeń i dzięki temu daje większą swobodę przy wymiarowaniu.

Przegrody jednowarstwowe

Przegrody zewnętrzne jednowarstwowe są konstruowane w formie pokrycia z różnego typu stalowych lub aluminiowych blach trapezowych, płyt z tworzyw sztucznych (laminatów, HDPE, plexigals, poliwęglanu [10]), szkła, a dawniej również z płyt azbestowo-cementowych, mocowanych do szkieletu nośnego (metalowego lub żelbetowego). Są to przegrody nieizolowane, które mogą być stosowane na konstrukcje ścian i dachów w niektórych obiektach magazynowych, przemysłowych lub użyteczności publicznej (FOT. 24-26).

Przegrody wielowarstwowe

Z przegród wielowarstwowych mogą być wykonywane zarówno lekkie ściany osłonowe, jak i dachy. Przegrody takie składają się z kilku różnych warstw materiałów, przy czym każda warstwa spełnia inną funkcję.

Zewnętrzna warstwa ścienna w ścianach wielowarstwowych pełni funkcję elewacji oraz funkcję ochronną przed uszkodzeniami mechanicznymi. Zewnętrzna warstwa dachu również pełni funkcję estetyczną oraz ochronną przed działaniem czynników atmosferycznych. Przegrody te mogą być wykonywane jako wentylowane i niewentylowane.

Przegrody niewentylowane

Wykonywane są z pojedynczych płyt warstwowych lub płyt żebrowych (FOT. 27 oraz RYS. 11 i RYS. 12).

W przypadku dachów stosowane są również pokrycia z blach trapezowych z ułożoną na nich warstwą izolacji oraz zewnętrznej warstwy osłonowej (może to być blacha profilowana, membrana z tworzyw sztucznych lub tradycyjnie papa na lepiku).

Przegrody wentylowane

Charakteryzują się konstrukcją umożliwiającą ruch powietrza wewnątrz przegrody (między warstwami) w celu uniknięcia zawilgocenia warstwy izolacji termicznej.

Nagromadzenie wilgoci na skutek skraplania pary wodnej na wewnętrznych powierzchniach poszczególnych warstw prowadzi do zniszczenia przegrody wskutek rozwoju grzybów pleśniowych lub procesów korozyjnych i jednocześnie pogarsza parametry izolacyjności termicznej i akustycznej.

Na RYS. 13-14 przedstawiono przykładowe rozwiązania konstrukcji lekkiej ściany osłonowej ze stalowych kaset ściennych i blachy falistej (RYS. 13) oraz blachy trapezowej mocowanej do stalowych rygli (RYS. 14). Ruch powietrza odbywa się wzdłuż fałd blachy trapezowej (RYS. 14) lub wzdłuż listwy do mocowania falistej blachy osłonowej (RYS. 13). Naturalny przepływ powietrza usuwa wilgoć z izolowanego dachu.

Na RYS. 15-17 przedstawiono zasadę działania wentylacji dachu spadzistego w dachu ocieplonym i nieocieplonym. W takim dachu każda szczelina osusza inną część dachu. Dwie szczeliny należy wykonać wtedy, gdy warstwą wstępną są: papa lub folia na poszyciu, folia niskoparoprzepuszczalna lub antykondensacyjna.

Na RYS. 18 i RYS. 19-20 pokazano zasady działania wentylacji w dachu z dwoma szczelinami, wentylacji w kalenicy oraz izolacji wentylowanej dachu płaskiego na blasze trapezowej.

Okładziny elewacyjne

Okładziny stanowią osobną grupę materiałów osłonowych. Są wytwarzane w różnych kształtach, kolorach, wymiarach i z różnych materiałów w celu wykonywania z nich zewnętrznej warstwy elewacyjnej na ścianie budynku wykonanego z betonu, cegły lub innych materiałów masywnych (RYS. 21-22).

Z uwagi na pozostawianą pustkę powietrzną między materiałem okładzinowym a konstrukcją ściany tego typu rozwiązanie często nazywane jest elewacją wentylowaną, fasadą zimną lub ścianą osłonową nieizolowaną.

Zgodnie z normą PN-EN 13119:2009-11 [5] ściana osłonowa nieizolowana jest to rodzaj ściany osłonowej, w której część zewnętrzna osłania wentylowaną przestrzeń powietrzną, a izolacja termiczna oraz uszczelnienie są na przegrodzie wewnętrznej.

Elementy składowe fasady zimnej (elewacji wentylowanej) to:

• zewnętrzna obudowa (w postaci płyt cementowych, kamiennych, ceramicznych, drewnianych, drewnopochodnych, tworzyw sztucznych, metali, laminatów) mocowana do rusztu;
• ruszt (wykonany z metali lub drewna) przymocowany do ścian zewnętrznych budynku lub konstrukcji szkieletowej;
• elementy mocujące obudowę do rusztu oraz ruszt do ścian;
• materiały izolacyjne (np. wełna mineralna, folia paroprzepuszczalna, wiatroizolacja).

Między warstwami izolacyjnymi a elementami okładzinowymi pozostawiona jest warstwa powietrza.

Konstrukcja elewacji wentylowanej powinna zgodnie z europejskimi wymaganiami wytycznych ETAG 034 [6], [7] spełniać następujące wymagania:

• odległość między elementami obudowy i warstwą izolacyjną lub podłożem (przestrzeń wentylowana) powinna wynosić co najmniej 20 mm. Przestrzeń ta może być zmniejszona miejscowo o 5-10 mm;
• powierzchnia przekroju szczeliny wentylacyjnej w dolnej części budynku oraz przy krawędzi dachu powinna wynosić nie mniej niż 50 cm² na metr bieżący długości.

Elewacje wentylowane należy projektować i wykonywać zgodnie z warunkami technicznymi wykonania i odbioru elewacji wentylowanych [8] wydanymi przez ITB w Warszawie. W budownictwie należy stosować systemy elewacyjne posiadające aktualną Europejską Ocenę Techniczną lub Aprobatę Techniczną.

Literatura

1. M. Cwyl, S. Zawistowski, "Metal - glass facades", Warszawa 2014.
2. "Szklana fasada na miarę trzeciego tysiąclecia", "Świat Szkła", nr 2/2008.
3. M. Rajczyk, Z. Respondek, "Systemy elewacji z zastosowaniem szkła modyfikowanego", Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, nr 7/2010, s. 251–260.
4. A. Bojęś, "Ściany osłonowe nowej generacji w budynkach użyteczności publicznej", "Świat Szkła", nr 11/2006.
5. PN-EN 13119:2009-11, "Ściany osłonowe. Terminologia".
6. ETAG 034, "Zestawy do wykonywania okładzin ścian zewnętrznych. Część 1: Zestawy okładzin wentylowanych wraz z elementami mocującymi"
7. ETAG 034, "Zestawy do wykonywania okładzin ścian zewnętrznych. Część 2: Zestawy zawierające elementy okładzinowe, elementy mocujące, podkonstrukcję oraz wyroby izolacyjne".
8. O. Kopyłow, "Warunki Techniczne Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych. Część B: Roboty wykończeniowe. Zeszyt 14: Elewacje wentylowane", ITB, Warszawa 2015.
9. "GlassTime Podręcznik o szkle", Guardian Industries Corp.
10. D. Kowalski, "Aluminiowo-poliwęglanowe poszycie przekrycia stadionu piłkarskiego w Gdańsku", "Inżynieria i Budownictwo" nr 12/2012, s. 643-646.
11. "Glass handbook”, Pilkington.
12. Strona internetowa: www.aluprof.eu
13. Strona internetowa: www.oknonet.pl
14. Strona internetowa: www.przegrodyb2b.pl
15. Strona internetowa: www.yawal.com
16. Strona internetowa: www.alu-max.eu
17. Strona internetowa: www.jelen.ba
18. Strona internetowa: www.forceal.com
19. Strona internetowa: www.oknaidrzwib2b.pl
20. Strona internetowa: www.kelmetgaraze.pl
21. Strona internetowa: www.fulcosystem.pl
22. Strona internetowa: www.kingspan.pl
23. Strona internetowa: www.budmat.informatorbudownictwa.pl
24. Strona internetowa: www.commercecon.pl
25. Strona internetowa: www.dachy.info.pl
26. Strona internetowa: www.infoarchitekta.pl
27. Strona internetowa: www.izolacje.com.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!