Statické poruchy a posúdenie technického stavu transparentnej fasády
Transparentné fasády sú pomerne rozšíreným trendom v moderných obvodových plášťoch polyfunkčných alebo administratívnych objektov. V snahe docieliť čo najsubtílnejšiu a najvzdušnejšiu nosnú konštrukciu sa realizátori často inšpirujú riešeniami použitými v zahraničí, avšak nevenujú dostatočnú pozornosť správnemu riešeniu konštrukčného (nosného) systému, detailom prípojov a pod., a/alebo nedostatočne pozorne vyhodnotia podstatné technické súvislosti, či okrajové podmienky konkrétneho projektu. Výsledkom môžu byť závažné poruchy takýchto konštrukcií a pri súbehu viacerých nepriaznivých faktorov dokonca aj ich havárie – najmä, ak sa v prípade transparentných obalových konštrukcií jedná o veľmi krehký materiál, akým je sklo.
Konštrukčný systém
Obr. 1 – Celkový pohľad na hlavnú fasádu z exteriéru
Posudzovaná konštrukcia fasády bola riešená ako priestorová oceľová konštrukcia, opláštenie fasády bolo tvorené sklenými panelmi (obr. 1). Vzhľadom na architektonické riešenie objektu sa transparentná fasáda nachádzala na 2 protiľahlých stenách objektu. Zo strany vstupu do objektu vypĺňala transparentná fasáda celú plochu obvodovej steny v šírke cca. 7,2 m (obr. 2, vľavo), v protiľahlej časti budovy tvorila transparentná fasáda v šírke cca. 2,7 m len časť obvodovej steny, pretože budova je v tomto mieste čiastočne napojená na pôvodný (starší) objekt (obr. 2, vpravo). Celková výška transparentnej fasády je pre obidve steny rovnaká, cca. 25,3 m.
Obr. 2 – Riešená transparentná fasáda, pohľad
Obr. 3 – Statický model hlavnej fasády
Nosná konštrukcia fasády bola vytvorená sústavou vertikálnych nosníkov, ktoré sú kotvené na koncoch do železobetónových častí objektu (strešná a podlahová konštrukcia). Vzhľadom na dĺžku nosníkov (celková výška fasády je cca. 25,3 m) bolo rozpätie nosníkov na účinky vodorovného zaťaženia (od vetra) zmenšené cca. na tretiny priehradovou konštrukciou (fasáda šírky 7,2 m), resp. kotvením k priľahlej stropnej konštrukcii (fasáda šírky 2,7 m). Poloha výstužného priehradového nosníka je na obr. 2 vyznačená červenou farbou. Staticky sa tak vertikálne nosníky správali na účinky vodorovného zaťaženia (pôsobiaceho kolmo na priľahlú fasádu) ako 3poľové spojité nosníky. Podopretie nosníkov na koncoch bolo navrhnuté tak, aby vertikálne zaťažovacie účinky pôsobiace rovnobežne s osou nosníkov preberalo kotvenie na ich hornom konci. Kotvenie nosníkov na dolnom konci malo zabezpečovať voľnú vertikálnu dilatáciu. Vzhľadom na takéto konštrukčné usporiadanie podopretia nosníkov bolo pravdepodobne zamýšľané, že vlastná tiaž konštrukcie a sklených panelov je vyvesená do strešnej konštrukcie a samotné fasádne nosníky sú vplyvom uvedených zaťažovacích účinkov namáhané výlučne ťahovou silou, resp. ťahovou silou a ohybovým momentom. Nosníky boli navrhnuté ako pásové, konštantného obdĺžnikového prierezu s rozmermi 12×200 mm. Dĺžkovo boli vyhotovené z 3 dielcov, stykovanie jednotlivých častí bolo zabezpečené preplátovaným skrutkovým spojom. Priestorové usporiadanie hlavnej fasádnej konštrukcie ilustrujú obr. 2 a 3.
Nosná konštrukcia zabezpečujúca vodorovnú podperu vertikálnym nosníkom bola riešená ako priehradový priamopásový nosník, orientovaný vo vodorovnej rovine (obr. 4 a 5). Podopretie priehradového nosníka na vodorovné účinky zabezpečovali tvarované zarážky kotvené do nosných stien objektu prístavby. Zarážky umožňovali vertikálny pohyb konštrukcie a tiež horizontálnu dilatáciu v smere dĺžky priehradového nosníka. Vertikálne zaťažovacie účinky sa preto v mieste kotvenia priehradových nosníkov do obvodových stien (pravdepodobne) neprenášali. Priehradová konštrukcia bola vyhotovená ako celozváraná z 4hranných rúrkových profilov (pásy 60×60×/5,0, diagonály 40×40/4,0).
Obr. 4 – Vodorovný priehradový nosník, pôdorys
Podopretie vertikálnych nosníkov na účinky horizontálneho zaťaženie bolo v prípade fasádnej konštrukcie so šírkou 2,7 m riešené kotvením k priľahlej stropnej konštrukcii v tretinách rozpätia, resp. výšky fasády. Kotvenie bolo navrhnuté tak, že umožňovalo voľný vertikálny pohyb nosníkov.
Obr. 5 – Celkový pohľad na fasádu z interiéru, výstužný priehradový nosník
Obr. 6 – Bodové systémové kotvenie sklených panelov
Sklené panely tvorili tzv. štrukturálne zasklenie a boli k oceľovej konštrukcii pripojené bodovo prostredníctvom systémových prvkov (obr. 6). Sklený panel tvorili 2 vrstvy tepelne tvrdeného skla hrúbky 8 mm vzájomne spojené transparentnou fóliou (pravdepodobne fólia PVB hrúbky 1,52 mm).
Nakoľko sa v konštrukcii nenachádzali žiadne vystužovadlá, bola poloha jednotlivých prvkov a celková stabilita oceľovej konštrukcie fasády zabezpečená pravdepodobne iba vzájomných spolupôsobením jednotlivých prvkov a spolupôsobením so sklenými panelmi.
Predmet činnosti
Posúdenie technického stavu fasádnej konštrukcie bolo vypracované na základe výzvy objednávateľa (majiteľ/prevádzkovateľ objektu), vzhľadom jestvujúce poruchy označené ako poškodenie skleného panela v opláštení fasádnej konštrukcie.
V rámci prehliadky fasádnej konštrukcie bola vykonaná vizuálna kontrola. Prehliadka bola zrealizovaná za účelom posúdenia technického stavu jestvujúcej konštrukcie a doplnenia potrebných podkladov pre účely ďalšej statickej analýzy. Predmetom statického výpočtu bolo posúdenie oceľových nosných častí fasádnej konštrukcie vrátane posúdenia sklených panelov.
Diagnostika konštrukcie
Pri vizuálnej kontrole nosných prvkov konštrukcie fasády a sklených panelov opláštenia a boli spozorované 3 typy porúch:
- poškodenie skleného panela (obr. 7),
- deformácie vertikálnych oceľových nosníkov (obr. 8),
- trhliny v keramickej dlažbe podlahovej konštrukcie v mieste prípoja vertikálnych oceľových nosníkov (obr. 9).
Obr. 7 – Poškodenie skleného panela
Obr. 8 – Deformácia vertikálnych nosníkov
Obr. 9 – Trhliny v podlahovej konštrukcii
Poškodenie 1 ks skleného panela sa nachádza v časti transparentnej fasády šírky 2,7 m v úrovni podlahovej konštrukcie 1. nadzemného podlažia. Sklo bolo porušené iba v jednej vrstve, avšak vzhľadom na charakter porušenia tepelne tvrdeného skla bol panel poškodený v celej ploche. Porucha lokálne ovplyvňovala spoľahlivosť a bezpečnosť konštrukcie.
Deformácie vertikálnych oceľových nosníkov boli spozorované na všetkých častiach fasádnej konštrukcie. Deformácie mali charakter vybočenia (kolmo na mäkkú os prierezu, rovnobežne s fasádou) a boli pozorovateľné voľným okom. Deformácie boli výraznejšie v časti fasády so šírkou 7,2 m, ale nachádzali sa aj pri fasáde so šírkou 2,7 m. Vzhľadom na vykonanú obhliadku a rozsah poruchy nebolo možné jednoznačne určiť, či deformácie vznikli v čase výroby, resp. montáže konštrukcie, alebo ako dôsledok statického pôsobenia konštrukcie. Je však možné konštatovať, že ich výrazná amplitúda presahovala jednak imperfekcie, ktoré sú predpokladané pri bežnom statickom posúdení konštrukcie, a tiež výrobné tolerancie akceptovateľné pri zhotovovaní častí oceľových konštrukcií. Vzhľadom na rozsah, charakter a početnosť tejto poruchy bolo možné predpokladať, že vznikla nesprávnym koncepčným návrhom a/alebo chybnou realizáciou konštrukcie ako celku. Porucha globálne ovplyvňovala spoľahlivosť a bezpečnosť konštrukcie.
Trhliny v keramickej dlažbe podlahovej konštrukcie v mieste prípoja vertikálnych oceľových nosníkov vznikli pravdepodobne v dôsledku nevhodnej realizácie úpravy detailu. Statické vyhotovenie predpokladalo kĺbové pripojenie s voľnou vertikálnou dilatáciou nosníka, avšak keramická dlažba (a pravdepodobne aj ostatné vrstvy podlahy) boli k nosníku lícované pomerne natesno. Nejednalo sa o poruchu nosnej konštrukcie.
Teoretická analýza
Pri statickej analýze konštrukcie bola použitá Metóda Konečných Prvkov (MKP). Na základe idealizovanej geometrie nosnej konštrukcie bol zostavený 3d priestorový model. Aby sa čo najlepšie vystihlo skutočné pôsobenie konštrukcie a porovnali dosiahnuté výsledky bolo vytvorených viacero výpočtových modelov.
Ku nosnej konštrukcii transparentnej fasády neexistovali u objednávateľa podklady, ktoré by mali charakter kompletnej technickej dokumentácie. Preto nebolo možné posúdiť na základe akých technických noriem a výpočtových metód bola konštrukcia navrhnutá tak, aby spĺňala požiadavky na spoľahlivosť a bezpečnosť.
Pevnostná trieda nerezovej ocele pri obhliadke nebola overovaná; v poskytnutých podkladoch nebola uvedená. Pre potreby ďalšej statickej analýzy bola preto uvažovaná bežná konštrukčná nerezová oceľ rady EN 1.4301 a pre skrutky bola uvažovaná nerezová oceľ triedy 50. Kotvenie oceľových častí fasády do priľahlých častí železobetónovej konštrukcie bolo zabezpečené dodatočne osadenými vŕtanými kotvami. Na základe výkresovej dokumentácie bolo možné predpokladať, že sa jednalo o mechanické rozperné kotvy rôznych priemerov, pre účely ďalšej statickej analýzy boli uvažované kotvy HILTI HST.
Z výsledkov vykonaného statického posúdenia vyplýva, že niektoré časti boli vzhľadom na požadovanú spoľahlivosť pravdepodobne poddimenzované, pričom sa jednalo o vertikálny nosník (presnejším výpočtom bola určená miera využitia cca. 150 %) a tiež prvky kotvenia horizontálneho priehradového nosníka (cca. 220 %) a preplátovaného spoja vertikálneho nosníka (cca. 430 %). Keďže bola odolnosť prípoja značne prekročená je nutné poznamenať, že predpoklad spojitého 3poľového nosníka je nepravdepodobný a splastizovaním prípoja by mohlo dôjsť k rozdeleniu statického pôsobenia na 3 ks 1poľových prostých nosníkov a preto výsledky posúdenia vertikálneho nosníka by reálne mohli byť ešte nepriaznivejšie ako je uvedené vyššie.
Predĺženie alebo skrátenie koncov vertikálnych nosníkov pri kotvení v podlahovej konštrukcii vypočítané od účinkov vlastnej tiaže konštrukcie (vrátane sklených panelov) dosahovalo hodnotu cca. 0,6 mm; započítaním rovnomernej zmeny teploty (ohriate alebo ochladenie oceľovej konštrukcie o 20 °C) dosahovalo premiestnenie koncov vertikálnych nosníkov cca. ±8,8 mm. Vzhľadom na projektovanú dĺžku oválneho otvoru v mieste prípoja ±15 mm, by mala byť navrhovaná dilatácia dostatočná a nemalo by dochádzať k významnej zmene statického pôsobenia konštrukcie od účinkov zmeny teploty, avšak skutočný rozkmit teplôt môže byť v konštrukcii aj väčší ako 20 °C.
Faktory ovplyvňujúce vznik nájdených porúch
Vzhľadom na výsledky obhliadky a vykonanú statickú analýzu bolo možné uviesť tieto pravdepodobné príčiny porúch.
Poškodenie skleného panela
Statickým výpočtom sa preukázalo, že porucha skleného panela by nemala byť spôsobená jeho nesprávnym statickým návrhom, resp. preťažením od posudzovaných obvyklých zaťažovacích účinkov. Ako možné príčiny poškodenia skleného panelu je preto možné uvažovať tieto faktory:
- poškodenie skla neodbornou manipuláciou v jeho okolí alebo vandalizmom,
- poškodenia skla neprimeranou deformáciou nosnej konštrukcie objektu bolo možné pravdepodobne vylúčiť, nakoľko samotná fasáda vrátane zasklenia boli konštrukčne navrhnuté tak, aby tieto dva celky mohli voľne dilatovať,
- koncentrácia namáhania v okolí bodového úchytu v dôsledku prekročenia prípustných výrobných a montážnych tolerancií, alt. priamy kontakt skla a telesa bodového úchytu v mieste zapusteného otvoru,
- dosadnutie skiel vplyvom nevhodného riešenia podpernej oceľovej konštrukcie,
- namáhanie skla v dôsledku zmeny teploty vplyvom odlišnej teplotnej dĺžkovej rozťažnosti materiálov a/alebo zabránenej voľnej deformácii,
- samovoľné prasknutie tepelne tvrdeného skla (angl. TTG) vplyvom NiS nečistôt, z poskytnutých podkladov nie je jasné, či boli použité sklá so skúškou prehrievaním, tzv. HST (Heat Soak Test); tento typ poškodenia bol uvažovaný skôr ako nepravdepodobný, nakoľko pri podrobnejšej vizuálnej kontrole poškodených skiel neboli identifikované typické znaky okolia počiatku trhliny v tvare „motýlika“,
- kombinácia vyššie uvedených faktorov a/alebo iné bližšie nešpecifikované príčiny.
Deformácie vertikálnych oceľových nosníkov
Statickým výpočtom sa preukázalo, že vertikálne nosníky môžu byť pri započítaní obvyklých zaťažovacích účinkov namáhané za hranicou ich teoretickej odolnosti. Ako príčiny deformácie vertikálnych nosníkov je preto možné uvažovať tieto faktory:
- deformácie konštrukcie vzniknuté pri výrobe a montáži konštrukcie,
- plastické deformácie vzniknuté pri preťažení a strate stability konštrukcie (ohyb a klopenie),
- deformácie vplyvom zmeny statického pôsobenia vertikálnych nosníkov (tlak a vzper) v dôsledku popustenia kotvenia v úrovni strešnej konštrukcie a/alebo v dôsledku nefunkčného riešenia dilatácie v mieste kotvenia do podlahovej konštrukcie a/alebo v dôsledku predĺženia konštrukcie pri zvýšení okolitej teploty,
- kombinácia vyššie uvedených faktorov a/alebo iné bližšie nešpecifikované príčiny.
Trhliny v keramickej dlažbe podlahovej konštrukcie
Ako možné príčiny vzniku trhlín v podlahovej konštrukcii je možné uvažovať tieto faktory:
- trhliny v dôsledku nevhodnej realizácie úpravy detailu, ktorý neumožňuje voľné pootáčanie a vertikálnu dilatáciu oceľového nosníka,
- priťaženie podlahovej konštrukcie v dôsledku zmeny statického pôsobenia vertikálnych nosníkov (tlak a vzper), pozri vyššie.
Záver
Aj keď na základe vykonanej obhliadky a histórie (porúch) fasádnej konštrukcie bolo možné vylúčiť, že by sa jednalo o prebiehajúci kolaps konštrukcie, závažnosť porúch bola veľmi vysoká a hraničiaca s havarijným stavom konštrukcie, pretože konštrukcia na základe získaných podkladov a výsledkov kontrolného statického posudku významne NEVYHOVOVALA.
Po viacerých koordinačných jednaniach sa objednávateľ rozhodol obidve časti fasádnej konštrukcie kompletne vymeniť. Za týmto účelom bol navrhnutý iný nosný systém fasády tak, aby bola konštrukcia staticky spoľahlivá a umožňovala osadenie izolačných skiel (predtým boli použité jednoduché vrstvené tabule).
Do doby vykonania kompletnej sanácie fasádnej konštrukcie sa objednávateľovi odporúčalo vstupnú časť objektu so sklenenou fasádou vyradiť z prevádzky a/alebo obmedziť pohyb osôb v okolí fasádnej konštrukcie (aj exteriér, aj interiér) a zabezpečiť, ich bezpečný pohyb inštalovaním bezpečnostného prekrytia okolia vstupu (aj exteriér, aj interiér) a vykonať min. 1krát za 3 mesiace preventívnu kontrolnú prehliadku fasádnej konštrukcie.
Literatúra
- structureSS, s.r.o. Statické posúdenie fasádnej konštrukcie v Bratislave, 12/2020
- Vertikal Plus, s.r.o. BODOVÁ FASÁDA, Výkresová dokumentácia, 07/2008
- ADOM.M Studio, s.r.o. Prístavba objektu BSP, Priehradový oceľový nosník presklenej fasády, 05/2008
- STN EN 1990 Zásady navrhovania konštrukcií
- STN EN 1991 Zaťaženia konštrukcií
- STN ISO 13822 Zásady navrhovania konštrukcií, Hodnotenie existujúcich konštrukcií
- STN EN 16612 Sklo v stavebníctve. Stanovenie odolnosti tabuľového skla proti bočnému zaťaženiu pomocou výpočtu
- STN 74 3305 Ochranné zábradlia
Transparent facades are a modern trend in multifunctional or administrative buildings. In an effort to achieve light load-bearing structure possible, developers are often inspired by solutions used abroad, but do not pay enough attention to the correct solution of the structural system and/or connections. Sometimes they do not sufficiently evaluate the essential technical contexts or boundary conditions for a specific project. It can result in a serious malfunctions and when a combination of several unfavorable factors is included, even their crash - especially if, in the case of transparent facades, where a very fragile material such as glass is involved.