Prvky kotvenia moderných fasád a ich elementov – časť 1.
Ilustrační foto moderní fasády Zdroj: Pexels
Opláštenie stavieb má nielen estetickú a architektonickú funkciu, ale tvorí aj veľmi dôležitú ochrannú obálku budovy, ktorá zabezpečuje kvalitu vnútorného prostredia. Opláštenie chráni interiér pred poveternostnými vplyvmi a zároveň musí spĺňať vysoké nároky na tepelnoizolačné vlastnosti. Dôležitým kritériom je aj pevnosť a bezpečnosť kotviaceho systému jednotlivých prvkov fasády k nosnej konštrukcii stavby. Ak tento systém nie je dostatočne pevný, môže dôjsť k roztváraniu spojov, čo naruší vodotesnosť a vzduchotesnosť a spôsobí postupnú degradáciu kvality a vlastností konštrukcie. Pri zlyhaní upevňovacieho systému môže v krajnom prípade dôjsť k vypadnutiu celého fasádneho elementu a ohrozeniu na životoch. Preto aj pevnosť tých najmenších súčastí je veľmi dôležitá. Príspevok sa zaoberá jednoduchými kotviacimi systémovými pracňami, ktoré sa zaháknu do oceľových profilov. Hlavnou problematikou je určenie mechanizmu porušenia a určenie hodnoty zaťaženia, pri ktorom prestane byť spoj funkčný a hrozí vyháknutie okenného profilu z kotviaceho elementu.
Úvod
Moderné ľahké obvodové plášte budov sú zložené z elementov, ktorých nosnú konštrukciu tvoria prevažne hliníkové profily. Najjednoduchším systémom vytvorenia funkčného obvodového plášťa kontaktný zatepľovací systém samotnej nosnej konštrukcie a realizácie okenných výplní do pripravených stavebných otvorov. Výplne otvorov zväčša pozostávajú z rámov z plastových či hliníkových profilov. Rámy sú pevne ukotvené k stavbe prostredníctvom systémových prvkov. Do rámov v sú osadené okenné krídla. Existuje viacero spôsobov, ako kotviť fasádne prvky k nosnej konštrukcii budovy. Najčastejšie sa používajú systémové plechové úchyty (pracne), ktoré sa upevňujú pomocou prelisov do žliabkov v samotnom hliníkovom alebo plastovom profile.
Popis overovaného prvku a jeho zaťaženie
Testované bolo kotvenie hliníkového okenného profilu Schüco pomocou oceľových pracní Schüco P12 (typové označenie 207628). Pracne sa vkladajú do drážky v okennom profile a zaistia sa pootočením (obr. 1). Pracňa sa kotví k železobetónovej nosnej konštrukcii pomocou mechanických rozperných kotiev (obr. 2).
Obr. 1 Pracňa osadená v drážke hliníkového okenného profilu
Obr. 2 Osadená pracňa s polohou mechanickej kotvy do železobetónu
Kľúčovým zaťažením úchytu je zaťaženie vetrom (tlak / sanie), ktoré pôsobí v smere osi pracne. Mechanická kotva a prelisy sú namáhané najmä na strih, zatiaľ čo samotné telo pracne je namáhané kombinácie ťahovej a šmykovej sily v okolí otvorov.
Návrh a popis experimentálneho merania
Experimentálne overenie sa uskutočnilo v laboratóriách Katedry kovových a drevených konštrukcií SvF STU v Bratislave.
Obr. 3 Meracia sústava – silomer
Pri meraní boli použité komponenty meracej aparatúry HBM Spider 8 a silový článok S9 (obr. 3). Fragment hliníkového okenného profilu s dĺžkou 300 mm bol pevne pripojený do koľajnice zaťažovacej dráhy pomocou dvojice závitových tyčí. Tieto tyče pevne ukotvili dvojicu hranatých oceľových tyčí, ktoré boli zasunuté do komory okenného profilu.
Testovali sa dve konfigurácie: E1 – jedna pracňa (obr. 4) a E2 – dvojica pracní vo vzdialenosti 60 mm od seba (obr. 5). Zaťažovanie prebiehalo pomocou reťazovej kladky, na ktorú bol zavesený silomer a oceľové laná, ktoré sa priamo karabínou pripojili do kotevného otvoru pracne (miesto mechanickej kotvy do betónu). Zaťažovanie prebiehalo len pri vyrovnanej pracni, bez simulácie excentricít vo forme ohnutej (pritlačenej) pracne k osteniu otvoru.
Obr. 4 – Konfigurácia experimentu E1 – jedna pracňa
Obr. 5 – Konfigurácia experimentu E2 – dvojica pracní
Obr. 6 Poškodenie pracne a drážky hliníkového profilu
Overované boli nasledovné javy: mechanizmus porušenia spoja. Konkrétne či sa skôr poruší hliníkový profil alebo prelisy na oceľovej pracni, alebo javy nastanú paralelne. Ilustračný záber mechanizmu poškodenia je na obrázku 6, kde je viditeľný mechanizmu porušenia pracne (vyrovnanie háku) aj roztvorenie drážky profilu. Pri cyklickom zaťažovaní sa sledovala funkčnosť prípoja po odľahčení, a to najmä jav, či sa pracňa nevyhákne z drážky po skončení pôsobenia sily. Druhou sledovanou veličinou bola hodnota, pri ktorej sa spoj nevratne porušil a stratil funkčnosť. Pri pôsobení jednosmernej sily sa porušil profil – drážka sa roztvorila a zdeformoval sa hák pracne. Spoj prestal fungovať a pracna sa vytrhla v smere pôsobenia zaťaženia.
Zväčša nastávalo deformovanie hliníkového profilu a až zmena geometrie drážky začala sekundárne deformovať hák oceľovej pracne.
Vyhodnotenie experimentálneho merania
V nasledujúcej časti sú zhrnuté výsledky dvoch sad experimentálnych meraní pre konfigurácie E1 (samostatná pracňa) a E2 (dve pracne vzdialené 60 mm od seba).
Konfigurácia E1 – meranie A celková maximálna odolnosť
Meranou veličinou bola celková odolnosť prípoja. Zaťažovanie prebiehalo v jednom cykle až do porušenia. Testované boli štyri vzorky a pri všetkých meraniach boli dosiahnuté približne rovnaké hodnoty, a to do 2,1 kN. Výsledky sú znázornené v nasledujúcom grafe. Sledovaná bola len hodnota sily, iné veličiny neboli merané.
Pri nižších hodnotách zaťaženia sa začal mierne poškodzovať roh drážky hliníkového profilu otláčaním. S postupným zvyšovaním zaťaženia sa prelisy pracne v kontakte s hliníkovou drážkou začali ohýbať (zmenšovalo sa rozovretie prelisov). Neskôr sa začala poškodzovať aj samotná stena drážky a pracňa bola už len zaháknutá o poškodenú drážku. Po odľahčení ju bolo možné vybrať bez potreby pootočenia pracne do smeru drážky a vyháknutia pracne. Porucha nastala vyšmyknutím pracne, ktorej prelis bol prehnutý v smere pôsobenia sily zo zdeformovanej a poškodenej steny drážky.
Graf; časová závislosť (os X) a meranej sily (os Y)
Konfigurácia E1 – meranie B do vytrhnutia, postupné zvyšovanie zaťaženia
V tomto meraní bola vzorka cyklicky zaťažovaná s postupným zvyšovaním úrovne zaťaženia. Po každom odľahčení bola pracňa manuálne kontrolovaná, či v drážke drží, či je možné vybrať bez pootočenia a akú má v drážke vôľu. Pri poslednom zaťažovacom cykle sa dosiahla hodnota zaťaženia ako pri meraní A a prípoj sa porušil. Testovaných bolo 5 vzoriek. V nasledujúcom grafe je záznam z jednej zo skúšok.
Graf časovej závislosti (os X) a meranej sily (os Y)
V tabuľke 1 sú uvedené hodnoty pri porušení.
| Meranie | 1. | 2. | 3. | 4. | 5. |
| Sila [kN] | 2,067 | 2,094 | 2,022 | 2,106 | 2,067 |
Pri hodnotách nižších ako hodnota porušenia bol prípoj funkčný, pracňa sa bez pootočenia nedala vybrať z drážky okenného AL profilu, ale bol citeľný možný posun – vôľa v drážke. Na základe merania možno zaťažiteľnosť pracne rozdeliť do hladín, ktoré sú vyhodnotené v závere tohto článku.
Konfigurácia E2 – Meranie C – postupné priťažovanie 2 ks pracní 6 cm od seba
V tomto experimentálnom overovaní bolo za cieľ určiť či skupinové pôsobenie pracní v blízkosti od seba viacej nepoškodí najmä hliníkový profil alebo či pracne budú dosahovať výsledky ako pri konfigurácii E1 s rovnakými pevnostnými parametrami.
Podobne ako pri konfigurácii E1 bola overovaná dvojica pracní v osovej vzdialenosti 60 mm od seba. Vyhodnotenie sa taktiež realizovalo podobnou metodikou. Posledný cyklus bol až do porušenia vzorky.
Zde v grafe je záznam z merania, kde hladina zaťaženia bola pri všetkých cykloch na úrovni cca 3,0 kN. Až pri poslednom cykle bolo zaťaženie zvýšené až do porušenia vzorky.
Graf: Časová závislosť (os X) a meranej sily (os Y)
| Meranie | 9. | 10. |
| Sila [kN] | 4,278 | 4,221 |
Cieľom cyklických meraní bolo stanoviť hladiny zaťaženia, pri ktorých sa mení vôľa pracne v drážke hliníkového profilu. Výsledky sú tiež zhrnuté v závere tohto článku.
Záver
Experimentálne overovanie testovalo oceľové pracne Schüco P12 (typové označenie 207628) v hliníkovom profile rovnakého výrobcu. Odolnosť sa zisťovala pri dvoch konfiguráciách:
- Konfigurácia E1 – samostatná pracňa
- Konfigurácia E2 – dvojica pracní vo vzdialenosti 60 mm od seba
Na základe experimentálneho merania boli pre konkrétny typ pracne osadený do konkrétneho profilu v danej konfigurácii určené nasledovné hladiny možného zaťaženia:
Pri konfigurácii E1 – jedna pracňa
- Do hodnoty zaťaženia 0,5 kN neboli viditeľné žiadne poškodenia pracne ani hliníkového profilu. Vôľa prípoja bola minimálna.
- Pri hodnote zaťaženia 1,4 kN sa mierne poškodila hrana drážky hliníkového profilu. Vôľa pracne v smere zaťaženia bola cca 0,5 mm.
- Pri hodnote zaťaženia 1,7 kN bol hliníkový profil značne trvalo poškodený a na pracni bolo vidieť mierne ohnutie sa háčiku.
- Pri hodnote zaťaženia 2–2,1 kN vytrhnutie sa pracne z profilu a trvalé poškodenie pracne aj profilu.
Pri konfigurácii E2 – dve pracne 60 mm od seba
- Do hodnoty zaťaženia 1,0 kN neboli viditeľné žiadne poškodenia pracne ani hliníkového profilu. Vôľa prípoja bola minimálna.
- Pri hodnote zaťaženia 2,4 kN sa mierne poškodila hrana drážky hliníkového profilu. Vôľa pracne v smere zaťaženia bola cca 0,5 mm.
- Pri hodnote zaťaženia 3,8 kN bol hliníkový profil značne trvalo poškodený a na pracni bolo vidieť mierne ohnutie sa háčiku.
- Pri hodnote zaťaženia 4–4,2 kN vytrhnutie sa pracne z profilu a trvalé poškodenie pracne aj profilu.
Za maximálne prípustné návrhové zaťaženie pracne bola braná hodnota, pri ktorej bola deformačná vôľa minimálna do hodnoty 0,5 mm – pri E1 je to 1,4 kN a pri E2 je to 2,4 kN. Tesné umiestnenie pracní vedľa seba mierne znížila výslednú únosnosť, lebo spolupôsobenie síl blízko seba viacej deformovalo drážku hliníkového profilu, a tým zvyšovalo najmä vôlu v kotvení. Celkové pevnosti už boli približne rovnaké.
Z týchto hodnôt je zrejmé, že je pri návrhu detailov tohto druhu zohľadniť nie len výslednú pevnosť, ale aj silu, po ktorej pôsobení detail zostáva naďalej funkčný a bezpečný. Taktiež je vhodné sa vyhýbať veľmi tesnému umiestňovaniu kotviacich elementov, lebo ich skupinové pôsobenie mierne znižuje najmä tuhosť pripojenia a väčšie vôle môžu spôsobiť najmä poškodenie tesnosti systému.
V ďalšej časti článku nasleduje popis postupu experimentálneho overenia odolnosti masívnejšieho typu ťažšieho kotvenia určeného skôr pre predsadené ľahké fasádne systémy.
The cladding of buildings not only has an aesthetic and architectural function, but also forms a very important protective envelope of the building, which ensures the quality of the indoor environment. The cladding protects the interior from the weather and at the same time must meet high requirements for thermal insulation properties. Another important criterion is the strength and safety of the anchoring system of the individual elements of the façade to the building structure. If this system is not sufficiently strong, the joints may be torn apart, which will compromise the watertightness and airtightness and cause a gradual degradation of the quality and performance of the structure. In the extreme case, failure of the fixing system may result in the entire façade element falling out and endangering lives.