PROJEKTOWANIE ZAMOCOWAŃ DACHÓW I FASAD
z użyciem oprogramowania firmy Marcopol
Zadowalający stan obudowy ściennej i dachowej w założonym okresie jej użytkowania gwarantuje m.in. odpowiednie wykonanie obliczeń wytrzymałościowych podczas projektowania samych połączeń. Niniejsza publikacja stanowi zbiór najistotniejszych spostrzeżeń i wniosków, które pojawiły się podczas projektowania oprogramowania Roof & Fasade Design (w skrócie R&F) wdrożonego w dziale wsparcia technicznego producenta łączników, firmy Marcopol.
Najczęściej spotykanym sposobem doboru połączeń do mocowania obudowy do konstrukcji nośnej jest korzystanie z wyników badań wybranych produktów, które są publikowane w formie katalogów lub bezpośrednio ocen technicznych wydawanych przez instytuty badawcze i jednostki notyfikowane. W pozostałych przypadkach projektanci mogą korzystać z norm przedmiotowych, na przykład PN-EN 1993-1-3 [1]. Dodatkowym problemem jest kwestia ustalenia odpowiednich obciążeń, wybór oraz obliczenie schematu statycznego, zastosowania odpowiednich współczynników bezpieczeństwa, a finalnie zweryfikowanie wytrzymałości danego połączenia. Jeżeli do tych czynności dołączy się kwestie optymalizacji i szacowania ilości potrzebnych łączników do wykonania poszycia wybranej przegrody, to sam proces projektowania staje się złożony. Producent konstrukcyjnych elementów złącznych (w tym łączników do lekkich obudów), firma Marcopol, oferuje bogaty asortyment produktów, odpowiednio przebadanych, a także posiadających wszystkie wymagane oceny techniczne dopuszczające do stosowania w budownictwie (również pomocne w projektowaniu). Istnieje szerokie spektrum zastosowań, na przykład mocowanie do konstrukcji stalowych, betonowych lub drewnianych. Ponadto przeróżne produkty posiadają specyficzne wymagania co do samego podłoża, wymagań korozyjności środowiska, warunków montażu oraz procedur projektowania.
Opisana złożoność procesu projektowania połączeń pokryć dachów oraz fasad, pomimo dużego doświadczenia zespołu projektowego, wymaga często wysokiej koncentracji i poświęcenia dodatkowych zasobów czasowych. Firma Marcopol podjęła więc decyzję o stworzeniu programu komputerowego Roof&Fasade Design, który znacznie usprawni ten proces, a jednocześnie zredukuje ilość potencjalnych błędów projektowych. W niniejszym artykule opisano najważniejsze spostrzeżenia, a także wnioski, które powstały podczas tworzenia aplikacji R&F, stosowanej obecnie przez firmę Marcopol do projektowania łączników oferowanych swoim klientom.
Obciążenia zamocowań pokryć dachów i fasad
Najistotniejszym oddziaływaniem w kontekście doboru zamocowań pokryć dachów i fasad jest obciążenie wiatrem działające prostopadle do płaszczyzny połaci dachowej lub ściany. Obciążenie śniegiem dominuje w przypadku nośności granicznej powierzchniowych elementów nośnych pokrycia (blach trapezowych lub płyt warstwowych) i nie powinno wpływać znacząco na wytężenie połączeń, jeżeli elementy mocowane są dostatecznie sztywne (zapewnione przynajmniej spełnienie warunków SGU). Wpływy temperatury elementów wyeksponowanych redukuje się zaś, stosując odpowiednie podejścia do kształtowania ustroju nośnego powstałej tarczy, np. poprzez ograniczanie rozstawów łączników wzdłuż krawędzi arkuszy w przypadku blach trapezowych lub poprzez odpowiedni dobór typu samego łącznika. W pozostałych przypadkach należy prowadzić szczegółowe analizy związane z odkształcalnością termiczną nieizolowanych pokryć. Wspomniany efekt związany z powstawaniem tarczy w płaszczyźnie poszycia, które może też współdziałać z konstrukcją nośną obiektu budowlanego w formie tężnika, jest odrębnym zagadnieniem. Przy projektowaniu konwencjonalnym, gdzie nie rozpatruje się stabilizującego oddziaływania tarcz, należy zaprojektować konstrukcję budynku w taki sposób, aby zminimalizować ryzyko włączenia się (również w sposób niekontrolowany) obudowy do współpracy z tą konstrukcją [2]. Takie podejście formalizują zapisy w punkcie 2(6) normy PN-EN 1993-1-3 [1] i mieści się ono w zakresie „klas konstrukcyjnych III”. Są to konstrukcje, które projektuje się przy założeniu, że poszycie wyłącznie przenosi obciążenia na układ konstrukcyjny i nie jest uwzględnione w nośności i stateczności całego układu lub pojedynczych jego elementów.
Oddziaływania wiatru na elementy obudowy
Norma PN-EN 1991-1-4 [3] w sposób szczegółowy podaje reguły dotyczące usta-lania obciążenia wiatrem budynków i ich części. Pierwszym, podstawowym krokiem do wyznaczenia obciążeń wiatru na elementy obudowy jest obliczenie wartości szczytowej ciśnienia prędkości wiatru qp(ze) (gdzie zmienną ze jest referencyjna wysokość nad poziomem gruntu). Procedura wyznaczania qp(ze) w odniesieniu do poszycia jest taka sama jak w przypadku obliczania obciążenia wiatrem typowych konstrukcji budynków jako całości. Kolejnym krokiem jest określenie lokalnych oddziaływań wiatru w formie współczynników ciśnienia wewnętrznego i zewnętrznego. W normie PN-EN 1991-1-4 [3] różnicuje się wartości współczynników cpe w zależności od pola A, które jest obszarem konstrukcji zbierającym obciążenie wiatrem z obliczanej sekcji. Stosuje się dwa podstawowe zestawy współczynników – w odniesieniu do pola A = 1 m2 (cpe,1) oraz A = 10 m2 (cpe,10), przy czym zezwala się na interpolację pomiędzy tymi wartościami. Współczynniki cpe,1 są przeznaczone do obliczeń małych elementów i łączników, również o powierzchni mniejszej od 1 m2. W aplikacji R&F można stosować oba typy współczynników. Domyślnie jednak, jak również ze względów bezpieczeństwa, stosowane są współczynniki cpe,1.
Należy też ustalić wymiary i miejsca występowania poszczególnych sekcji na danej przegrodzie. Będzie to miało bezpośredni wpływ przy obliczeniach statycznych potrzebnych do ustalenia wartości reakcji podporowych. W aplikacji R&F zaimplementowano najistotniejsze rodzaje elementów budynków, to jest: dachy płaskie, jednospadowe i dwuspadowe, ściany zewnętrzne budynków na rzucie prostokąta oraz ściany wewnętrzne. Na rys. 1. przedstawiono przykładowy układ obciążeń do obliczeń ścian zewnętrznych budynku. Cyframi od 1 do 6 oznaczono poszczególne schematy, które są uwzględniane przy obliczeniach konkretnego rodzaju obudowy. Każdy ze schematów może być rozpatrywany przez projektanta indywidualnie lub jako element kompleksowej weryfikacji z wykorzystaniem tak zwanych scenariuszy.
Wymiarowanie łączników i wnioski końcowe
Przy analizie wybranego scenariusza, np. ściany szczytowej dla płyt w układzie poziomym, będą analizowane schematy nr 1, 5, 6 (rys. 1.) oraz ich lustrzane odbicia (uwzględnienie przeciwnego kierunku wiatru). Istotne również jest to, że dopuszcza się układ podpór o dowolnych rozstawach i konfiguracjach poszczególnych przęseł. Wartości reakcji podporowych obliczane są bowiem Metodą Elementów Skończonych bez uproszczeń w zakresie rozmiarów przęseł oraz rozkładu obciążeń. W efekcie wyznaczane są wartości reakcji podporowych nad każdą podporą zdefiniowaną przez użytkownika. Dzięki temu możliwe jest zoptymalizowanie ilości łączników w zależności od sekcji obciążenia wiatrem (na przykład w polu A otrzyma się większą ilość łączników niż w polu B, patrz rys. 1.). Wymiarowanie odbywa się na podstawie automatycznego sprawdzenia nośności łącznika w oparciu o wewnętrzną bazę produktów zawartą w oprogramowaniu. W obliczeniach uwzględnia się odpowiednie współczynniki bezpieczeństwa (obciążeń i materiałowych) oraz redukcję nośności (np. z uwagi na występowanie dwóch łączników w jednej fałdzie blachy trapezowej).
Istotnym problemem, który został zidentyfikowany podczas testów oprogramowania, jest nośność połączeń w przypadku mocowania łączników do betonu. R&F umożliwia weryfikację nośności w zależności od tego, czy beton jest spękany czy nie. W przypadku mocowania w betonie spękanym nośności łączników ulegają znacznej redukcji. Uwidacznia się to np. w przypadku łączników do płyt warstwowych MPTC SP [4]. Typowa nośność na wyrwanie z elementu niespękanego wynosi 2,00 kN. Jeżeli mocowanie występuje w strefie zarysowanej betonu, to nośność wynosi już 0,65 kN. Dodatkowo zastosowanie współczynnika bezpieczeństwa γm, zalecanego przez KOT [4], o wartości 2,52, praktycznie eliminuje możliwość mocowania obudowy z płyt warstwowych do elementów betonowych, które uległy zarysowaniu z racji wymaganej nieekonomicznej ilości łączników przypadających na jedną podporę płyty (szczególnie w strefach narożnych budynków). W tej sytuacji zaleca się stosowanie zamiennych lub pomocniczych podpór stalowych, zagęszczanie rozstawów podpór lub takie projektowanie konstrukcji wsporczej, aby zredukować efekty związane z zarysowaniem. W każdym przypadku jednak projektant konstrukcji nośnej obiektu powinien określić projektowany stan konstrukcji betonowej, co stanowi jedną z danych wejściowych do szacowania nośności zamocowań poszycia. W przypadku braku takich informacji częstą praktyką bywa przyjęcie warunków sprzyjających, to jest betonu niezarysowanego, o czym powinno się informować odbiorcę wyników obliczeń. Niniejszy artykuł powinien również służyć podniesieniu świadomości projektantów, kierowników budów i inwestorów w tym zakresie.
Literatura:
[1] PN-EN 1993-1-3 Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-3: Reguły ogólne. Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno.
[2] Gryniewicz M., Roberts M.J., Davies J.M., Testing and analysis of a full-scale steel-framed building including the consideration of structure-cladding interaction, Journal of Constructional Steel Research, Volume 181, ISSN 0143-974X, 2021.
[3] PN-EN 1991-1-4 Eurokod 1. Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-4: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania wiatru.
[4] Łączniki wiercące samogwintujące MPTC SP i MPCX SP do mocowania płyt warstwowych do podłoży betonowych, KRAJOWA OCENA TECHNICZNA ITB-KOT-2020/1406 wydanie 1.
