Experimentálny a teoretický výskum únosnosti fasádnych panelov

Vonkajšie zasklenie takto konštruovaného plášťa má okrem ochrannej a izolačnej funkcie bezpečne prenášať účinky návrhového zaťaženia. K porušeniu troch transparentných dosiek z jednoduchého 12 mm bezpečnostného kaleného skla systému Pilkington Planar hrúbky 12 mm typu ESG HST Float Blank (Einscheiben – Sicherheitglas) došlo na 33podlažnej administratívnej budove výšky 111 m. Identifikáciu príčin porušenia tohto vonkajšieho zasklenia a spôsob posúdenia spoľahlivosti opláštenia pri extrémnych zaťažovacích stavoch popíšeme v tomto príspevku.

KONŠTRUKCIA FASÁDY
Fasádne dielce mali šírku 1,25 m. Svetlosť podlažia determinovala ich výšku na 3,18 m. Vyrobili ich v dielni. Po dôkladnej výstupnej kontrole dodávateľ dielce dopravoval na stavbu v špeciálne zhotovených stojanoch. Zodpovedal tiež za kvalitné uskladnenie dodávky. Po zdvihnutí do definitívnej polohy boli dielce prichytené na dve horné kotvy, ktoré prechádzali cez oválne otvory, vyvŕtané do skla. Dva kotevné držiaky v strede výšky a zostávajúce dve kotvy pri spodnom okraji na stabilizáciu dielca prechádzali kruhovými otvormi. Tento obvyklý spôsob montáže vyžadoval dodržať predpísané tolerancie. Rozdiel medzi priemerom valcového drieku a kruhovými otvormi bol 1 mm. Napriek tomu dielce na 9., 14. a 19. poschodí sa porušili, uvoľnili a následne spadli z fasády.

EXTRÉMNE STATICKÉ ZAŤAŽENIE FASÁDNYCH DIELCOV
Fasádny sklenený dielec prenáša priečne zaťaženie svojou doskovou tuhosťou. Pri blokovaných posunoch v mieste kotiev sa presadzuje aj jeho stenová tuhosť. Najväčšia návrhová hodnota tlaku vetra na poslednom podlaží má intenzitu 1,3 kN·m-². Na toto priečne zaťaženie vetrom boli nadimenzované aj stĺpiky alumíniového skeletu, ktoré podopierajú fasádu. Výpočet napätí a deformácií pri tomto zaťažení a uložení detailnejšie umožnila metóda konečných prvkov. Diskretizácia na obdĺžnikové a pri podperách aj na lichobežníkové prvky zaistila dostatočnú konvergenciu k výstižnému riešeniu.

Najväčšie ťahové napätia na spodnom povrchu 7,9 MPa sú ďaleko pod limitnou pevnosťou 50 MPa. Výpočtový model, jako aj reálne správanie sa skleneného elementu sme overili statickou zaťažovacou skúškou. Fasádny panel rozmerov 1,25 × 3,18 m, fixovaný v mieste uloženia konzolovými uholníkovými ramienkami Planar typu 902, sme zaťažili vôsmimi vrecami o celkovej hmotnosti 400 kg a vyvodili rovnomerné zaťaženie 1,0 kN·m-². Sklo v horizontálnej polohe prispieva k zaťaženiu vlastnou hmotnosťou 0,12 · 25 = 0,3 kN·m-². Celkové zaťaženie 1,3 kN·m-², simulujúce extrémny vietor podľa STN 73 0035 [1], vyvodilo najväčší priehyb v štvrtine dĺžky 4,69 mm, korešpondujúci teoreticky deklarovanej hodnote 4,23 mm.

Zvislé stĺpiky alumíniového skeletu fasády sú pevne podopreté na koncoch v úrovni stropov. Stredné kotvy sledujú priehyb stĺpikov, ktorý v strede ich dĺžky dosahuje pri extrémnom návrhovom tlaku vetra veľkosť 8,67 mm. Sklenený panel ako steno-dosku sme alternatívne testovali pri podopretí len na štyroch podperách v mieste dvoch vrchných a dvoch spodných kotiev. Najväčšie napätie pritom nadobúda hodnotu iba 15,0 MPa. Priehyb v strede 9,15 mm je v dobrej zhode s nameranou veľkosťou  9,77 mm.

Teplotná napätosť skla predstavuje ďalší zaťažovací stav, dôležitý z hľadiska spoľahlivosti fasádnych dielcov. Najmä pri blokovaných dilatáciách v mieste kotiev sme pokladali za potrebné overiť produkované ťahové napätia. Uvažovalo sa preto náhle ochladenie skla až o ∆T = -45 °C od začiatočnej upínacej teploty. Numerický výpočet akceptuje opäť diskretizáciu na konečné prvky a predpokladá, že všetkých šesť kotiev bráni voľným dilatáciám skla. Najväčšie napätie 20,15 MPa v mieste krajných kotiev nedosahuje ani polovicu ťahovej pevnosti skla 50,0 MPa. Pozdĺžne premiestnenie priečnych okrajov ochladením je iba 0,46 mm. Pozdĺžne hrany medzi podperami sa pritom priečne posunú len o 0,31 mm.

FASÁDNE ELEMENTY PRI DYNAMICKOM NAMÁHANÍ
Reálne sklo obsahuje kryštáliky, submikroskopické oblasti s pravidelným usporiadaním atómov, ktoré plynulo prechádzajú do nepravidelnej siete medzi týmito kryštálikmi. Môže naviac obsahovať štrukturálne defekty a diskontinuity, vznikajúce separáciou mikrofáz a heterogénne nukleácie. Keď sa žeravá sklovina udržuje dlhšiu dobu v oblasti kryštalizačnej teploty, môžu sa vyvinúť aj väčšie kryštály, ktoré zhoršujú optické a mechanické vlastnosti. Nie príliš malé defekty a prípadné poškodenia hrán vo výrobni identifikovala vizuálna kontrola priamym pozorovaním hotového skla. Následná skúška tepelnej akumulácie (Heat Soak Test) každého vyrobeného skla štandardne trvala štyri hodiny. Spočívala v expozícii panela teplote až 290 °C. Náhodne sa doba trvania tejto skúšky predĺžila na osem hodín. Vyvodené teplotné namáhanie malo lokalizovať prípadné imperfekcie skla, ktoré by mohli viesť k jeho zničeniu.

Tabuľové sklá, ktoré uvedenú skúšku prežili, môžu však obsahovať mikrotrhliny a iné defekty podkritickej veľkosti, po skúške paradoxne odlišnej od pôvodných dimenzií. Originálne továrensky dodané sklá sme preto podrobili dynamickým únavovým skúškam. Tabuľové sklo ako mechanický systém s vlastným viskóznym útlmom sa sledovalo pri vynútenom kmitaní harmonicky premennou silou. Tento vonkajší impulz vyvodzoval budič Philips, spojený s generátorom a zosilňovačom. Najväčšiu amplitúdu v štvrtine dĺžky skla tohto ustáleného kmitania pri rezonancii, ktorá nastala po dosiahnutí frekvencie 15 Hz, sme nastavili na 10 mm. Prevyšuje statickým výpočtom deklarovaný maximálny priehyb stĺpika 8,67 mm od extrémneho zaťaženia vetrom.

Vlastné frekvencie a im príslušné tvary kmitania sme zistili numericky opäť metódou konečných prvkov. Tabuľové sklo ako steno-doska sa diskretizovalo na obdĺžnikové konečné prvky, vzájomne prepojené uzlami pri rešpektovaní podmienok rovnováhy a kompatibility. Experiment potvrdil, že 1. tvar kmitania nastal pri frekvencii, blízkej teoretickému riešeniu. Kmitanie fasádnych panelov od dynamickej zložky vetra vo vyšších frekvenciách je málo pravdepodobné. Skôr môže byť vybudené technickou mikroseizmicitou, najmä od dopravy.

Dokončení článku včetně všech obrázků a grafů si můžete přečíst v dubnovém čísle 2/2005.

Autor

• (red)