FASADY ALUMINIOWE w Eurokodzie 9

W artykule przybliżono tematykę obliczania fasad aluminiowych na podstawie Eurokodu 9, wymieniono elementy wchodzące w skład elewacji oraz omówiono zasady wymiarowania tego rodzaju konstrukcji metalowych wraz z uwzględnieniem zjawisk niestateczności elementów aluminiowych, według obowiązujących norm europejskich.

Aluminium (chem. glin) zaliczane jest do metali lekkich. W budownictwie większe zastosowanie mają stopy aluminium, gdyż cechy wytrzymałościowe czystego metalu nie są zbyt wysokie. Niewielka masa przy jednocześnie wysokiej wytrzymałości na rozciąganie czyni aluminium bardzo wartościowym materiałem. Co więcej, aluminium można poddawać wielokrotnemu recyklingowi bez niszczenia jego struktury. Do przetopienia istniejącego aluminium zużywa się zaledwie 5% energii wymaganej do stworzenia go od zera, co realnie pomaga chronić środowisko naturalne. Dodatkowo elementy konstrukcyjne można łatwo transportować i montować.

Elementy konstrukcyjne
Eurokod 9 przewiduje szeroki asortyment wyrobów konstrukcyjnych wykonanych z aluminium, charakteryzujących się I lub II klasą spawalności. Są to m.in. blachy i taśmy oraz wyroby wyciskane: pręty okrągłe i graniaste, rury okrągłe, kształtowniki.

W normie znajdują się informacje o rodzajach stopów oraz metody wytwarzania i kształtowania profili. W projektowaniu konstrukcji ścian osłonowych przyjmuje się schemat statyczny belki dwuprzęsłowej o podporach przegubowych (górnej nieprzesuwnej). Przyjęty układ pozwala niwelować wpływ zginania poprzez występowanie przede wszystkim prętów rozciąganych. Dla zwiększenia sztywności profilu poza dodatkowymi wstawkami z uzupełnionych kształtowników aluminiowych projektuje się np. żebra szklane, dodatkowo podnoszące estetykę ściany metalowo- szklanej oraz zmniejszające ugięcia pojedynczych przęseł elementów fasad.

Warunki projektowe
Przy projektowaniu fasad uwzględnia się następujące oddziaływania: obciążenia od ciężaru własnego ściany osłonowej, na które w znacznej części składa się ciężar oszklenia; parcie oraz ssanie wiatru; obciążenie termiczne; dynamiczne obciążenie poziome, którego wartość charakterystyczna została zdefiniowana w normie [2] jako obciążenie liniowe przykładane na wysokości ścian nieprzekraczającej 1,20 m. Ponadto wszystkie elementy powinny być zdolne do przeniesienia oddziaływań wynikających z odkształceń budynku w określonym przez projektanta zakresie, a także połączeń w konstrukcji.

W przypadku wiatru należy zwrócić uwagę, że wyznaczona wartość obciążenia od działania wiatru powinna uwzględniać współczynnik ciśnienia zewnętrznego Cpe,1, dostosowany do wymiarów elementu. Wartości sił będą inne dla konstrukcji budynku i konstrukcji fasady.

Obciążenie termiczne, które zgodnie z [3] jest oddziaływaniem zmiennym o charakterze pośrednim, ma duże znaczenie przy wymiarowaniu konstrukcji. Z uwagi na fakt, iż aluminium ma znacznie wyższy współczynnik liniowej rozszerzalności termicznej (αT=24·10-6/°C) niż np. stal konstrukcyjna (αT=12·10-6/°C) czy beton zwykły (αT=10·10-6/°C), należy przewidzieć rozwiązania umożliwiające kompensację w wymaganym zakresie powstających odkształceń oraz przeniesienie naprężeń termicznych.

Rys. 1. Przykładowe profile aluminiowe [1]

Po wyznaczeniu oddziaływań, schematu statycznego i przeprowadzeniu obliczeń statycznych należy zweryfikować warunki Stanu Granicznego Nośności oraz Stanu Granicznego Użytkowalności. W pierwszej kolejności należy określić klasę przekroju aluminiowego. Eurokod 9, na wzór Eurokodu 3, definiuje 4 klasy przekrojów, w których występują naprężenia ściskające, ze względu na ich wrażliwość na zjawisko miejscowej utraty stateczności. O klasie całego przekroju decyduje najwyższa klasa jego ścianek.

O klasie każdej ze ścianek decyduje parametr smukłości β. Jest on definiowany oddzielnie ze względu na usztywnienie lub jego brak dla danej ścianki, rozkład naprężeń oraz postać utraty stateczności. Norma [4] wyróżnia 3 postacie niestateczności, polegające na: utracie stateczności ścianki jako całości łącznie z usztywnieniem (rys. 2a), wybrzuszeniu ścianki wspornikowej i subpaneli ścianek użebrowanych jako pasm płytowych obustronnie przegubowo podpartych (rys. 2b), kombinacji 1. i 2. postaci utraty stateczności (rys. 2c).Rys. 2. Postać niestateczności usztywnionych ścianek płaskich [5]

W przypadku przekrojów klasy 4. przekrój nominalny należy zastąpić efektywnym poprzez redukcję grubości nominalnej ściskanych ścianek klasy 4. i dla niego obliczyć charakterystyki przekroju.

W kolejnym kroku sprawdzeniu podlegają wymagania dotyczące nośności danego elementu. Pierwszy z nich to warunek nośności na rozciąganie, mający postać:

Wartość Nt,Rd definiowana jest odrębnie, w zależności od stanu granicznego:
• Uplastycznienie elementu wzdłuż jego osi – jako nośność przekroju brutto:

Wartość fy dla stali została zastąpiona we wzorze parametrem fo, definiowanym jako umowna granica plastyczności przy odkształceniu 0,2%.

• Lokalne zniszczenie przekroju z otworami – jako nośność elementu netto:

Nośność na ściskanie danego elementu aluminiowego określa się, sprawdzając następujący warunek:

Nośność przekroju zdefiniowana została jako:
• Dla przekrojów z otworami niewypełnionymi – nośność graniczna przekroju netto:

W pozostałych przypadkach – nośność plastyczna:

W obu przypadkach należy wziąć pod uwagę wpływ efektu HAZ poprzez przyjęcie efektywnego pola przekroju brutto bądź netto ze zredukowanymi grubościami materiału w strefie zasięgu tego zjawiska. Ponadto dla przekrojów ściskanych, przy wyznaczaniu przekroju efektywnego, uwzględnia się wpływ niestateczności miejscowej ustalonej bez odliczania ewentualnych otworów.

W normie [4] zawarto warunek nośności przekroju obciążonego momentem zginającym MEd. Przypomina on warunek zawarty w [5] i ma postać:

Jednakże na tym podobieństwo się kończy, gdyż nośność przekroju aluminiowego definiowana jest inaczej niż ma to miejsce dla przekroju stalowego. Wartość MRd określona jest następująco:
• Dla przekrojów netto (osłabionych otworami):

W pozostałych przypadkach:

Występujący we wzorze dodatkowy parametr α to uogólniony współczynnik kształtu, określony stosunkiem odpowiednich charakterystyk wytrzymałościowych w zależności od klasy przekroju [4]. Dla przekrojów klasy 3. parametr α zależy dodatkowo od parametru smukłości β, wyznaczonego dla krytycznej ścianki przekroju oraz wartości granicznych β2 i β3. Przy obciążeniu momentem zginającym również należy uwzględnić wpływ efektu HAZ.

Norma [4] podaje także warunki w przypadku jednoczesnego występowania obciążeń różnego rodzaju. W słupkach aluminiowych będzie występowało przede wszystkim  zginanie z udziałem siły podłużnej. Dla przekrojów zamkniętych warunek stanu granicznego ma postać:

Ψ=1,3 dla przekrojów zamkniętych lub dokładniej
Ψ = αyαz, lecz 1 ≤ Ψ ≤ 1,3.

Nowością w stosunku do normy dedykowanej dla konstrukcji stalowych jest parametr ω0. Przyjmuje on wartość równą 1 dla przekrojów bez otworów i lokalnego efektu HAZ. Jeśli któryś z warunków nie jest spełniony, współczynnik konwersji należy wyznaczyć na podstawie rozdziału 6.2.9.3 normy [4]. Współczynniki kształtu αy i αz przy zginaniu względem osi y-y i z-z uwzględniają ewentualny wpływ niestateczności miejscowej oraz efektu HAZ od spoin podłużnych, w zależności od charakterystyk geometrycznych przekroju.

W załączniku krajowym F do normy [4] podano uzupełnienie reguł klasyfikacji przekrojów aluminiowych oraz odpowiadające im warunki SGN. Jest to załącznik jedynie informacyjny. Przedstawiono w nim klasyfikację przekrojów ze względu na zdolność do osiągnięcia danego stanu granicznego.

W analizie mającej na celu przypisanie przekroju do danej klasy rozpatruje się stany graniczne: stateczności, sprężystości, plastyczności i zniszczenia. Klasyfikacja ta może być wykorzystana przy analizie konstrukcji w zakresie pozasprężystym.

Dodatkowo w normie [6] zostały wyszczególnione 4 klasy wykonawstwa, od EXC1 do EXC4, przy czym najostrzejsze wymagania związane są z klasą EXC4. Zasady określania klasy wykonawstwa opisano w [4].

Wpływ wysokiej temperatury
Aluminium to metal o małej odporności na ogień i wysoką temperaturę. W konstrukcjach, w których zachodzi potrzeba łączenia poszczególnych elementów metodą spawania, bardzo ważny jest dobór odpowiedniego stopu oraz dostosowanie technologii spawania. Przykładem są łatwo spawalne stopy serii 5xxx oraz serii 6xxx.

W wyniku procesu spawania w strukturze aluminium zachodzą zmiany wpływające na jego właściwości mechaniczne. Na rys. 3. przedstawiono zmiany twardości i wytrzymałości materiału rodzimego w okolicy spoiny.

W obszarze, gdzie materiał rodzimy ulega zmięknięciu, czyli w strefie aktywnego wpływu ciepła HAZ, parametry mechaniczne materiału rodzimego ulegają zmianie. Wytrzymałość w tym obszarze jest obniżona i wynosi 50–90% wytrzymałości metalu rodzimego, przy czym większa redukcja nośności ma miejsce w przypadku stopów poddanych obróbce cieplnej. Dla serii 6xxx wartość umownej granicy plastyczności i wytrzymałości na rozerwanie spada aż o ok. 50%, zaś dla serii 5xxx utwardzonej zgniotem materiał w strefie przejściowej ulega rekrystalizacji, a jego wytrzymałość spada do poziomu osiąganego w stanie wyżarzonym.

Zasięg strefy HAZ wokół spoiny wynosi maksymalnie 2–4 cm. Poza nią metal zachowuje swoje pierwotne właściwości mechaniczne. Norma [4] nakazuje uwzględnienie spadku wytrzymałości w okolicy spoiny w przypadku stopów utwardzanych mechanicznie lub dyspersyjnie, z wyjątkiem stopów odmiany O (wyżarzanych) i F (elementy niewymagające specjalnej obróbki termicznej lub umacniania zgniotem), przy czym spadek przyjmowany jest jako równomierny
w tym obszarze i uwzględnia się go poprzez:
• zredukowane wartości charakterystyczne
wytrzymałości fo,HAZ lub fu,HAZ;
• redukcję pola przekroju poprzecznego odpowiednich części w strefie HAZ współczynnikami osłabienia materiału po,HAZ lub pu,HAZ.

Norma [1] podaje zasady określania zasięgu strefy HAZ-bHAZ dla stopów serii 3xxx, 5xxx, 6xxx i 7xxx, w zależności od rodzaju spoin, grubości materiału, technologii spawania oraz temperatury warstw pośrednich (jeśli podlega ona ścisłej kontroli).

W tabeli 1. przedstawiono różnicę w przykładowej analizie obliczeniowej elementów ze stopu EN-AW 6060 EP w odmianie T66, bez uwzględnienia i z uwzględnieniem efektu HAZ, poprzez obniżenie granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie. Na podstawie przeprowadzonej analizy można zauważyć, jak duży wpływ na nośność konstrukcji aluminiowych ma spawanie.

Rys. 3. Wpływ spawania na twardość i wytrzymałość aluminium. [6]

Stany Graniczne
Użytkowalności
W normie [4] zawarto dodatkowe wymagania dotyczące ścian osłonowych pionowych i odchylonych od pionu o maksymalnie 15°, w tym fasad z nachylonymi przeszkleniami. Zgodnie z nią maksymalne ugięcie czołowe elementów szkieletu ściany, czyli jej części aluminiowych, wywołane oddziaływaniem wiatru, nie powinno przekraczać L/200 lub 15 mm. Należy przy tym pamiętać, by obliczając sztywność ściany, nie uwzględniać w żadnym zakresie potencjalnego wpływu sztywności szkła. Ponadto graniczne ugięcie pionowe każdego poziomego elementu metalowego, od obciążeń pionowych, nie może być większe niż L/500 i 3 mm. W obu przypadkach wartością graniczną jest mniejsza z obu wartości. Niespełnienie warunków nośności i użytkowalności oraz brak dystansowania pomiędzy elementami pozwalającymi na prawidłową pracę segmentów może spowodować szereg problemów: od wypaczania się elementów nośnych, nieszczelności elewacji, po pękanie i wypadanie paneli szybowych. Takie awarie mogą w ostateczności skutkować odebraniem pozwolenia na użytkowanie obiektu.

Podsumowanie
Obecnie coraz więcej obiektów realizuje się z zastosowaniem metalowo-szklanych ścian osłonowych jako przegród zewnętrznych. W celu nadania konstrukcji pożądanego wyglądu oraz wrażenia „lekkości” maksymalizuje się powierzchnie przeszklone. Jednakże norma PN-EN 1999, dedykowana konstrukcjom aluminiowym, nie wystarczy do prawidłowego zaprojektowania ich ustroju nośnego. Nie ma w niej m.in. wymagań dotyczących kształtowników cienkościennych, które są bardziej podatne na zjawiska lokalnej utraty stateczności od innych typów profili metalowych. Ponadto przy sprawdzaniu Stanów Granicznych Użytkowalności należy wspomagać się dodatkowymi normami wyrobu, zawierającymi bardziej restrykcyjne wymagania, dotyczące m.in. ugięć elementów konstrukcji. Dlatego należy uważnie podchodzić do projektowania ścian osłonowych.

DOI: 10.5604/01.3001.0013.2039

Bibliografia
[1] http://morad.pl/fasady-aluminiowe.html (dostęp: luty
2018).
[2] PN-EN 1991-1-1 Obciążenia – Ciężar objętościowy.
[3] PN-EN 1991-1-5 Obciążenia – Oddziaływania termiczne.
[4] PN-EN 1999-1-1 Projektowanie konstrukcji aluminiowych
– Reguły ogólne.
[5] PN-EN-1993-1-1 Konstrukcje stalowe – Reguły ogólne
i reguły dla budynków.
[6] PN-EN 1090-3 Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji
aluminiowych.

Abstrakt: Elementy aluminiowe są coraz częściej
wykorzystywane przy wykonywaniu fasad
budynków. W artykule przybliżono
tematykę ich obliczania na podstawie Eurokodu
9, wymieniono elementy wchodzące
w skład elewacji oraz omówiono zasady wymiarowania
tego rodzaju konstrukcji metalowych
wraz z uwzględnieniem zjawisk
niestateczności elementów aluminiowych według
obowiązujących norm europejskich.
Zwrócono również uwagę na problem braku
dostatecznych informacji oraz szczegółowych
wymagań w świetle obowiązującej normy
PN-EN 1999 w odniesieniu do aluminiowych
elementów cienkościennych, w tym sprawdzania
ich stateczności miejscowej.
Słowa kluczowe: fasada, aluminium, Eurokod 9