Конструкції планарних фасадів
Технологія планарного скління була розроблена нещодавно і стала однією з найдосконаліших і передових фасадних технологій, невіддільних від архітектурного стилю HI-TECH. Цей напрямок, що народився в Англії з першими спорудами архітекторів Лондонської школи Річарда Роджерса, Нормана Фостера і Ренцо Піано, естетизував фасадну конструкцію як витвір будівельного мистецтва і досі залишається найперспективнішим. В Україні поки не існує ліцензованих проектувальників цих конструкцій.
На сьогоднішній день існує дві основні технології планарного скління.
Система засклення на затискачах складається з опорних консольних деталей для спирання скла, яке зовні фіксується планками. Така система не вимагає свердління скла, і тому вона проста у монтажі та відносно недорога у виготовленні.
Просторові конструкції планарних фасадів
пірамідальна шпренгельна структура
вантова або стрижнева плита
"Спайдерна" система є другою, більш новою та найбільш застосовуваною. Поняття "Спайдер" походить від англійського Spyder - павук та відображає павукоподібну форму консольного елемента кріплення. Скління на спайдерах реалізується точковим опирання скла на круглу головку через силіконові прокладки. Ця технологія вимагає свердління скла, що надає конструкції більшої ефектності, проте створює фактор місцевої концентрації напруги. Існує два типи головок: головки з гайкою у площині зовнішньої поверхні скла та конічними отворами, а також головки із зовнішніми гайками та циліндричними отворами. Останні вважаються більш надійними, так як у них при вітрових навантаженнях локальний тиск від скла на головку передається через площину,площу якої можна варіювати діаметром головки. Конструкції спайдерів відрізняються кількістю можливих регулювань.
Внаслідок різних коефіцієнтів лінійного розширення скла та металу при великих розмірах фасаду можливе замикання скла у металевій структурі та його розрив у зоні отворів. Вирішити цю проблему дозволяє шаровий шарнір у точковому кріпленні спайдера, що компенсує можливі перекоси при монтажі. Передбачено регулювання головок у площині скління за рахунок рухливості головки у спайдері та з площини скління за рахунок занурення шпильки у спайдер. Розмір швів між склом також повинен гарантувати відсутність їх замикання при перегріві. У зоні отвору виникає концентрація напруги, яка може бути причиною руйнування скла. В отворі за допомогою силіконових прокладок має бути виключено його контакт із металом.
Діаграма розтягування-стискування скла
Для планарних засклення серед інших видів використовується загартоване скло.
Загартування дозволяє підвищити несучу здатність скла. При загартуванні скло нагрівається до +6400С і миттєво охолоджується. Зовнішня поверхня охолоджується швидше, ніж ядро, і відбувається обтискання зовнішніх шарів та розтягування внутрішніх. У цьому напруги перебувають у рівновазі. Завдяки гарту розрахунковий опір скла на вигин становить 50 Мпа (37,5 Мпа при нанесенні емалі). При навантаженні на загартоване скло відсутні пластичні деформації в місцях концентрації напруг. Скло має лінійну діаграму розтягування-стискання аж до точки руйнування. Внаслідок крихких властивостей міцність на розтягування та стиснення скла суттєво різниться та знижується при незначних пошкодженнях поверхні. Розрахунок точково-опертого скла на міцність та жорсткість єЗавдання теорії пружності і виробляється методом кінцевих елементів за допомогою ПК. Розрахунок скла проводиться як розрахунок тонкої пластини з опиранням в кутах і полягає у визначенні прогинів у центрі прольоту та вирішенні контактної задачі теорії пружності для обчислення напруги в зоні отвору.
Найважливішим як функціональним, так і архітектурно-виразним елементом планарного фасаду є сталева структура, що несе. Металеві конструкції фасаду можуть бути плоскими та просторовими.
Плоськими конструкціями, що несуть, служать сталеві трубчасті ферми, вертикальні стійки, стрижневі і вантові попередньо-напружені ферми або вертикально натягнуті канати-струни. Даний ряд конструкцій побудований в порядку зменшення жорсткості системи. Загальна жорсткість структури внаслідок уразливості скла є головним критерієм її якості. Плоскі конструкції, що є первинними несучими елементами, вимагають стабілізуючих зв'язків для стійкості у площині їхньої роботи. Зв'язки та розпірки не включені в статичну роботу, а також важко враховуватись при наближених розрахунках. У найпростіших планарних плоских фасадах стійкість елементів забезпечується склінням як діафрагмою жорсткості.
Просторовими конструкціями є пірамідальні шпренгельні структури або стрижневі плити, які економічніші завдяки рівномірному розподілу зусиль та взаємної стабілізації елементів. Перерізи стрижнів просторових структур підбираються виходячи з діючих зусиль, а другорядні зв'язки відсутні. При розробці просторової конструкції необхідний замкнутий опорний контур для сприйняття зусиль на периметрі всього фасаду або покриття.
Стрижневі та вантові ферми є конструкціями планарних фасадів, що найбільш застосовуються. Вантовіферми складаються з двох параболічно вигнутих тросів або стрижневих поясів. Жорсткість системи характеризується стрілою прогину чи максимальної висотою ферми у центрі прольоту, що становить від 1/8 до 1/12 його величини, і навіть модулями пружності основних елементів поясів. Модуль пружності канатних елементів в 1,5 рази нижчий від стрижневих, так як в них окремі дроти працюють під кутом сплетення і вимагають додаткового витягування для обтиснення між собою. Також недоліком тросових систем на малих прольотах є релаксація напруг та необхідність регулярного контролю зусиль. Ці фактори повністю компенсуються в 4-5 разів більш високою міцністю тросів і можливістю їх більшої попередньої напруги.
Статична робота несучої конструкції фасаду ділиться на сприйняття власної ваги скла (вертикальні троси-підвіски) та сприйняття вітрового тиску (система поясів та решітки). Особливістю вантових та стрижневих систем є необхідність попередньої напруги при монтажі, і вертикальний розпір, який сприймається жорстким каркасом будівлі. Попередня напруга встановлюється з умови виключення стискаючих зусиль у всіх елементах при найгірших комбінаціях навантажень, тому що ванти не здатні зберігати геометричну незмінність без натягу.
Остання розробка німецьких інженерів – система вертикально натягнутих канатів – є найлегшою та мінімалістичною за дизайном, але найбільш податливою системою, що вимагає високої попередньої напруги та потужного опорного контуру.