Zestawienie obciążeń i wpływów oddziałujących na okładziny kamienne

 Dobór elementów mocujących okładzinę powinien opierać się na podstawie dokumentacji projektowej lub w oparciu o dane wytrzymałościowe publikowane przez producentów zamocowań.

Zasadniczym etapem doboru zamocowań w procesie projektowania inżynierskiego jak i doboru zakotwień na podstawie katalogów producentów jest zestawienie obciążeń na poszczególne elementy nośne okładziny. Danymi wyjściowymi są:

-         rodzaj kamienia (ciężar objętościowy, nasiąkliwość materiału kamiennego),

-         wymiary okładzinowych płyt kamiennych wynikające z rozwiązania architektonicznego elewacji,

-         metoda zamocowania okładziny,

-         rodzaj konstrukcji przegrody (ściany) zewnętrznej budowli,

-         położenie zakotwień płyt (mocowanie w spoinach pionowych lub poziomych).

W polskich warunkach wykonawczych najbardziej popularnymi metodami montażu elewacyjnych okładzin z kamienia naturalnego jest metoda montażu „na sucho” oraz montaż płyt na rusztach stalowych. Obie metody montażu opisano w [2] i [3].

Zestawienie obciążeń należy prowadzić zgodnie z obowiązującymi przepisami normowymi. W Polsce dotąd nie opracowano szczegółowych instrukcji dotyczących przeprowadzenia obliczeń przy projektowaniu okładzin z kamienia naturalnego. W Europie Zachodniej obowiązują wytyczne normowe opracowane specjalnie do projektowania elewacji kamiennych (np. DIN 18516), które zawierają zwiększone wymagania podczas zestawienia obciążeń. W kraju w latach 80. opracowano projekt normy branżowej [8] do projektowania elewacji z kamienia naturalnego, która została zatwierdzona do stosowania, lecz dotąd nie wprowadzono jej jako oficjalnego normatywu. Z tych względów zestawienie obciążeń należy prowadzić zgodnie z ogólnymi zasadami projektowania inżynierskiego, przy czym należy mieć świadomość, że ze względu na specyfikę konstrukcji okładzin kamiennych powinny one być projektowane na podstawie zwiększonych obciążeń niż w innych konstrukcjach budowlanych. W artykule zostaną przedstawione zalecenia normy [8] do zestawienia obciążeń na okładziny kamienne.

Okładziny kamienne zewnętrznych ścian budynków narażone są na następujące obciążenia:

-         obciążenie ciężarem własnym,

-         obciążenie wiatrem,

-         obciążenie temperaturą,

-         obciążenie dynamiczne.

Rozkład sił w gnieździe zakotwienia pokazano na rys. 1.

Obciążenia stałe

Należy ustalić rodzaje i układy obciążeń stałych oraz współczynniki obciążenia elementów wg PN 82/B-02001. Podstawowym obciążeniem pionowym elementów kotwiących jest ciężar własny elewacyjnych płyt kamiennych. Ciężar płyt zależy od rodzaju skały, z której zostały wykonane dane płyty, oraz od ich wymiarów. Ciężary poszczególnych rodzajów skał stosowanych na okładziny podawane są na podstawie badań w materiałach publikowanych przez producentów i importerów kamienia. Ciężar wypełnień znajdujących się w spoinie płyty można pominąć. Obciążenie pionowe jest w całości przenoszone na elementy konstrukcyjne budynku przez kotwy nośne.

Płyty elewacyjne mocowane w spoinie pionowej obciążają kotwy nośne według schematu. Ciężar płyty okładzinowej zamocowanej w spoinie poziomej przenoszony jest według schematu rozkładu pól obciążeń na rys. 3. Pojedyncza kotew nośna mocowana w spoinie poziomej zgodnie z zaleceniami [8] powinna być projektowana na przejmowanie obciążeń z całej płyty, ze względu na możliwość występowania w praktyce wadliwego osadzenia kotwi nośnej płyty wyższej. Zalecenie to wprowadzono po szerokich konsultacjach i obserwacjach praktycznych. Współcześnie jednak obserwuje się znaczny wzrost jakości wykonania elewacji kamiennych, dlatego zakotwienie płyt projektowane jest zgodnie z rys. 3.

Obciążenie pionowe jest przenoszone na ruszt analogicznie do schematów powierzchni obciążeń na kotwy mocowanych metodą na sucho, bez uwzględnienia wadliwego zamocowania kotwi płyty wyższej.

Schemat powierzchni obciążeń pionowych przekazywanych na prowadnicę rusztu nośnego dla elewacji z płyt kamiennych pokazano na rys. 4 i 5.

Obciążenie wiatrem

Zgodnie z aktualnymi przepisami projektowanie konstrukcji poddanych działaniu wiatru należy wykonywać według PN-77/B-02011. W elewacjach samonośnych obciążenie wiatrem przejmują kotwie nośne i stabilizujące. Przy projektowaniu węzła kotwiącego zakłada się, że wiatr wieje poziomo z kierunku dającego najbardziej niekorzystne obciążenie okładzin kamiennych ścian. Zgodnie z zaleceniami [8] projektowanie okładzin kamiennych należy prowadzić przy następujących założeniach:

-         wartości charakterystyczne ciśnienia prędkości wiatru q_k zgodnie z [4] zaleca się przyjmować dla strefy I i II takie same jak dla strefy III (q_k = 250 + 0.5H ≥ 350, H – wysokość nad poziomem morza, dla budowli monumentalnych qk zwiększa się o 20%)

-         współczynnik ekspozycji Ce zgodnie z obowiązującą normą

-         Współczynnik aerodynamiczny dla parcia Cp i ssania Cs wg załącznika 1 obowiązującej normy, uwzględniając jego zwiększenie dla obciążeń krawędziowych ścian od ssania wiatru wg zalącznika 1 schemat Z1-16 [4]

-         współczynnik działania porywów wiatru β, ze względu na podatność elementów okładzin kamiennych należy w każdym przypadku przyjmować równy 2.2 [4] (do obliczeń elementów o małej powierzchni nawietrznej oraz w zasięgu obciążeń krawędziowych niezależnie od podatności budowli na dynamiczne działanie wiatru)

-         współczynnik obciążenia dla obciążenia obliczeniowego należy przyjmować γ_f = 1.3.

Zasadę zestawienia obciążeń wiatrem dla elewacji montowanych metodą „na sucho” przedstawiono na rys. 6 i 7.

W elewacjach montowanych na rusztach obciążenie wynikające z parcia i ssania wiatru są przyjmowane przez kotwy nośne i stabilizujące według schematu zestawienia obciążeń przedstawionych na rys. 6 i 7, a następnie przekazywane na prowadnicę rusztu.

Obciążenia temperaturą

Obciążenie termiczne pochodzenia klimatycznego a zwłaszcza promieniowanie słońca wywołuje odkształcenia termiczne płyt kamiennych, w wyniku czego powstają dodatkowe obciążenia elementów samonośnej okładziny kamiennej. Skrępowanie wydłużeń termicznych płyt kamiennych przez elementy kotwiące powoduje powstanie naprężeń termicznych zarówno w płytach jak i kotwach. Największe różnice temperatur na powierzchniach powstają pod wpływem promieniowania słońca. Wszystkie dodatkowe dane potrzebne do obliczenia temperatury na powierzchni zewnętrznej płyt należy przyjmować według PN 86/B-02015. W tej samej normie w.p. 2.2.1 podano sposób obliczania temperatury średniej płyt elewacyjnych dla pory letniej oraz pory zimowej.

W przypadku stosowania połączeń niepodatnych (bez zastosowania kotew rurkowych z tulejami z tworzywa sztucznego) mogą występować naprężenia termiczne zarówno w płytach, jak i kotwach.

Obciążenie termiczne pochodzenia klimatycznego elementów kotwiących można pominąć pod warunkiem podatnego kotwienia płyt na wpływ temperatury.

Polega ono na tym, że podczas montażu stosuje się tuleje z tworzyw sztucznych nakładane na trzpienie kotwi kompensujące wpływ temperatury oraz stosuje się kotwie o przekroju podatnym na odkształcenia w kierunku działania sił pochodzenia termicznego.

Maksymalny rozstaw elementów kotwiących ze względu na wpływ temperatury nie może być większy niż rozstawy podane w [1]. Dla maksymalnego rozstawu kotwi w spoinach poziomych należy stosować elastyczne osadzanie płaskowników kotwi w otworach ściany za pomocą plastycznych obejm znajdujących się przy krawędzi ściany w celu dodatkowej kompensacji wpływu temperatury.

Obciążenie dynamiczne

Budynki narażone na drgania przekazane przez podłoże należy projektować z uwzględnieniem postanowień obowiązującej normy PN-85/B-02170.

Obciążenie budynku wywołane drganiami przekazywanymi na budynek przez podłoże może być w obliczeniach pomijane w tych przypadkach, gdy udział tego obciążenia w całości obciążeń zmiennych działających na konstrukcję jest znikomy.

Przy obliczaniu konstrukcji obciążonej siłami dynamicznymi należy sprawdzić stan graniczny użytkownika z uwzględnieniem wymagań ujętych w normie oraz w razie potrzeby uwzględnić dodatkowo wymagania ograniczenia uszkodzeń nie konstrukcyjnych, wymagania technologiczne i warunki komfortu przebywania ludzi.

Dobór zakotwienia na podstawie katalogów producentów

Na rynku krajowym działa kilku producentów zamocowań elewacyjnych okładzin kamiennych konkurujących z przedstawicielami zachodnich firm wyspecjalizowanych w produkcji zakotwień. Oferują oni szeroką gamę produktów do mocowania okładzin w technologii montażu „na sucho”, zamocowań dyblowych (kołkach rozporowych), jak również w techniką montażu na ruszcie. W celu ułatwienia doboru zakotwienia producenci publikują katalogi oferowanych produktów, wykonują dokumentacje techniczne elewacji lub produkują zakotwienia na indywidualne zamówienie na podstawie rysunków wykonawczych dostarczanych przez klientów.

Najprostszą formą zakupu zakotwień jest dobór na podstawie katalogów producenckich, który wymaga wcześniejszego zestawienia obciążeń na poszczególne węzły kotwiące elewacji. Po sprawdzeniu ciężaru własnego płyty oraz obciążenia wiatrem (niektóre katalogi dla uproszczenia opracowano w taki sposób, że znajomość wartości obciążenia wiatrem nie jest wymagana), jak również parametrów geometrycznych zakotwienia (np. długość wysięgu kotwi), można w prosty sposób skompletować zestaw zakotwienia. Przykład tabeli doboru zakotwienia pokazano na rys. 8 według [9].

Podsumowanie

Zgodnie z obowiązującym prawem budowlanym elewacje z kamienia budowlanego powinny być wykonywane na podstawie dokumentacji projektowej. W przypadkach zastosowania zakotwień dobranych na podstawie katalogu, przy założeniu poprawnego zestawienia oddziaływujących obciążeń na zamocowania poszczególnych płyt elewacyjnych, część odpowiedzialności projektanta przejmuje producent kotwi. Poprawne zestawienie obciążeń zapewni niezawodność eksploatacji elewacji z kamienia naturalnego. Należy również pamiętać, że nie dopuszczalne jest stosowanie zakotwień, które nie posiadają aktualnych aprobat technicznych lub świadectw zgodności z aktualnymi normami.

Literatura

Byrdy A.: Kształtowanie wymiarów i stref zakotwień płyt okładzinowych. Świat Kamienia nr 2/2002

Byrdy A.: Zasady montażu okładzin kamiennych metodą „na sucho”. Świat Kamienia nr 4 i 5 /2002

Byrdy A.: Montaż okładziny kamiennej ścian mocowanej na ruszcie spawanym. Świat Kamienia nr 2/2003

PN-77/B-02011 Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem.

PN-82/B-02000 Obciążenia budowli. Zasady ustalania wartości.

PN-85/B-02170 Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki.

PN-86/B-02015 Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne środowiskowe. Obciążenie temperaturą.

BN.../gr. kat. 0702 Obliczenia konstrukcyjno-wytrzymałościowe węzła kotwiącego okładziny kamiennej.

Katalog informacyjny firmy Lutz. Lutz Ankersysteme. Wertheim 1990

Podpisy pod rysunki

Rys. 1 Schemat układu sił w węźle kotwiącym: P­_x- obciążenie pionowe (ciężar własny płyty), N - obciążenie poziome (parcie lub ssanie wiatru, R- reakcje pionowe w gnieździe kotwiącym, l_w - wysięg kotwi, l_z - długość zakotwienia

Rys. 2 Schemat powierzchni obciążeń pionowych przekazywanych na kotew elewacji mocowanej w spoinie pionowej metodą montażu „na sucho”: P_x - jak na rys. 1, b - szerokość płyty

Rys. 3 Schemat powierzchni obciążeń pionowych (ciężar własny) przekazywanych na kotew elewacji mocowanej w spoinie poziomej metodą montażu „na sucho”: P_x - jak na rys. 1, b - szerokość płyty

Rys. 4 Schemat powierzchni obciążeń pionowych (ciężar własny) przekazywanych na prowadnicę (szynę) rusztu pionowego dla elewacji z płyt kamiennych mocowanych w spoinie pionowej: jak na rys. 2

Rys. 5 Schemat powierzchni obciążeń pionowych (ciężar własny) przekazywanych na prowadnicę (szynę) rusztu pionowego dla elewacji z płyt kamiennych mocowanych w spoinie poziomej: jak na rys. 2

Rys. 6 Schemat powierzchni obciążeń poziomych (obciążenie wiatrem) przekazywanych na kotew elewacji mocowanej w spoinie pionowej metodą montażu „na sucho”: N_s - obciążenie ssaniem wiatru, N_p. - obciążenie parciem wiatru, b - szerokość płyty.

Rys. 7 Schemat powierzchni obciążeń poziomych (obciążenie wiatrem) przekazywanych na kotew elewacji mocowanej w spoinie poziomej metodą montażu „na sucho”: N_s, N_p, b - jak na rys. 6. Rys. 8 Tablica do doboru zakotwienia płyt kamiennych mocowanych w spoinach poziomych metodą montażu „na sucho” dla podłoża z cegły pełnej [9]: F_v - maks. obciążenie pionowe (ok. 20 kg), FHD - maks. obciążenie poziome od parcia wiatru, FHZ - maks. obciążenie poziome od ssania wiatru, DD - średnica trzpienia kotwi, DL - długość trzpienia kotwi, C - szerokość spoiny płyt, A - wysięg kotwi, S - grubość płaskownika, E - głębokość zakotwienia, F - długość obejmy podatnej na odkształcenia, f - średnica gniazda zakotwienia.

• « poprz.
• nast. »