Купольные конструкции - практика изготовления

Дубчак Л. Купольные конструкции - практика изготовления // Витрина. 2002 . №3. C. 8-13

Сегодня мы все чаще становимся свидетелями использования архитектурного стекла в качестве конструкционного материала. Новые и реконструированные здания центральных улиц Киева, а также других больших городов оформляются современными светопрозрачными конструкциями. Среди разработок ведущих архитекторов появляются новые объекты с применением фасадного остекления. Можно смело утверждать что роль стекла в этих решениях от второстепенной переходит к главенствующей.

Этот фактор определяет важность распространения опыта сооружения остекленных конструкций. Специалистам это необходимо для изучения новых технологий, выбора лучших решений или же учета допущенных ошибок. Для начинающих переработчиков не осведомленных в нюансах производства и монтажа подобных объектов этот опыт полезен поскольку позволяет разобраться во многих деталях и вопросах.

В связи с этим журнал "Витрина" открывает новую рубрику в которой будет освещаться опыт изготовления фасадного остекления или сложных остекленных конструкции.

В этой статье мы рассмотрим особенности остекления следующих объектов построенных в г. Киеве:

- цилиндроидальный фонарь перекрытия бассейна в гостинице "Премьер-Палац" по бульвару Шевченко 5



- сферический цилиндроидальный ( и конусоидальный фонари дневного света на майдане Незалежности;

- сферический фонарь на Бессарабской площади.

Прежде всего приведем их размеры:

А) цилиндроидальный фонарь дневного света бассейна гостиницы "Премьер-Палац"

R = 5290 мм - радиус арки;

h = 2190 мм - высота сегмента;

l= 19200 мм - длина цилиндроида;

f = 8350 мм - проем хорды;

Б) сферический фонарь на майдане Незалежности

где

R = 3204 мм - радиус арки;

h = 1350 мм - высота фонаря;

f = 6000 мм - проем хорды;

В) сферический фонарь на Бессарабской площади

где

R = 18000 мм - радиус арки,

h = 2300 мм - высота сегмента,

f = 1 2000 мм - проем хорды,

Г) конусоидальный фонарь на майдане Незалежности

h = 5500 мм - высота конуса;

d = 3200 мм - диаметр основания.

Общим для всех представленных конструкций является комбинированный метод структурного остекления - так называемая "четырехсторонняя система", при которой крепление стеклопакета со всех сторон осуществляется при помощи конструкционного клея (герметика) (согласно классификации, предложенной Томашем Вежговским, см журнал "Витрина" № 4(14), 2001) с использованием механического внутреннего крепления - внутреннего замка



Этот метод имеет ряд преимуществ Во-первых, использование специального конструкционного клея обеспечивает полную герметизацию конструкции, а во-вторых, использование механического внутреннего замка в креплении стеклопакета к несущему каркасу обеспечивает возможность надежной первоначальной установки, поскольку угол наклона ее большей части превышает 30?.

Однако на практике встречаются случаи, когда при установке конструкций в точках стыка несущего каркаса и стеклопакета обнаруживаются некоторые отклонения, т е конструкция несущего каркаса не стыкуется со стеклопакетом. В таком случае, к образовавшимся зазорам подбираются опорные столики, которые смогут обеспечить стык





Несущие каркасы представленных конструкций выполнены из черного металла (конструкции на Майдане Незалежности и Бессарабской площади) или нержавеющей стали (фонарь дневного света над бассейном гостиницы "Премьер-Палац").

Выбор материала несущего каркаса определялся, исходя из экономических соображений и конструкционных требований к объектам в целом.

Основным материалом в производстве светопрозрачных конструкций продолжает оставаться алюминий. Однако его стоимость выше, чем стоимость "чёрного" металла и нержавеющей стали. Поэтому в ряде случаев, не требующих применения сложных системных профилей, которые можно изготовить только с помощью экструзии алюминия, появляется возможность использовать несущие элементы, выполненные из альтернативных металлов (чёрного металла или нержавеющей стали). Это стало реальным в связи с освоением производства конструкционного клея -герметика, который позволяет связать стекло с металлом, что существенно снижает стоимость самой конструкции и является привлекательным с экономической точки зрения.

Следует отметить, что экономический фактор при выборе материала несущей конструкции не является приоритетным. Определяющим оказался расчёт прочностных характеристик несущего каркаса. Несущий каркас должен выдерживать:

а) собственный вес конструкции,

б) вес стеклопакетов,

в)снеговую нагрузку, которая согласно требованиям нашей климатической зоны составляет минимум 88 кг (80 кг снега плюс дополнительных 10% за счёт намокания на 1 кв. м). По данным некоторых конструкторов эту величину следует принимать равной 1 20 кг.

Таким образом, если бы алюминий использовали при изготовлении фонарей больших габаритов (см. фото 1, 2, хорда 8350 мм и фото 3, хорда 6000), всё равно необходимо было бы подводить дополнительный металлический каркас, что увеличило бы громоздкость конструкции, а также привело бы к возрастанию её стоимости. В то же время, предложенное техническое решение позволяло обойтись без применения алюминиевых профилей.

Отметим, что при выборе материала несущих каркасов также необходимо учитывать особенности функционального предназначения объекта. Например, фонари дневного света сооружаются над бассейнами. Но на сегодняшний день не все бассейны оснащены современными системами очистки. Как известно, в соответствии с правилами поддержания чистоты и выполнения санитарно-гигиенических требований, в таких бассейнах проводится специальная обработка согласно определенному регламенту (раз в неделю, в месяц и т.д.). Как правило, при такой обработке образуются пары агрессивных веществ (хлор, фтор, озон), которые, испаряясь из воды, собираются под купольным пространством, что существенно усиливает коррозию. Нержавеющая сталь, обработанная специальной антикоррозионной и пожароустойчивой краской - это металл, который гораздо более устойчив к окислению и, следовательно, лучше защищен от коррозии, чем обычная сталь. Таким образом, нержавеющая сталь является в этом случае правильным решением при выборе материала для конструкции купола бассейна.

В других же объектах, где не предполагается наличие агрессивной атмосферы, применение нержавеющей стали, значительно более дорогой, чем чёрный металл, является нецелесообразным. Поэтому вместо нее может использоваться чёрный металл. В этом случае получается менее дорогостоящий несущий каркас.

Важным элементом всех представленных светопрозрачных конструкций является гнутый стеклопакет. Для примера приведем характеристики стеклопакета в конструкции фонаря над бассейном гостиницы "Премьер-Палац".

Формула стеклопакета в цилиндрическом фонаре над бассейном в гостинице "Премьер-Палац" - (6-ПВБ-4К)-12-(4К)-12-(4-ПВБТ-6). Это двухкамерный стеклопакет с тремя видами стекла (среди них два триплекса), общая толщина 48 мм, где (6-ПВБ-4К) - верхнее стекло (триплекс), толщиной 10 мм, ПВБ - поливинилбутиральная плёнка, Т- тонирующая плёнка Trosifol.

Предназначение объекта подразумевает использование в стеклопакете двух триплексных стёкол, как наружного, так и внутреннего, чтобы обеспечить безопасность людей даже при непредвиденной нагрузке (удар или падение тяжёлого предмета).

Стекло типа 4К, которое применяется в стеклопакете дважды обеспечивает теплозащитные свойства стеклопакета Наличие двух энергосберегающих стекол обусловлено тем, что в наклонных конструкциях с углом несущего каркаса близким к 0? (именно они преобладают в структуре куполов) сопротивление теплопередаче ниже, чем в конструкциях с вертикальным остеклением (см журнал "Витрина", № 1 О, с 16-23).

Тонирующая пленка стеклопакета Trosifol, расположенная в верхнем триплексе, обеспечивает вид тонирования светопрозрачной конструкции. Именно она придает небесно-голубой оттенок куполу над бассейном гостиницы "Премьер-Палац".

Таким образом, выбранный тип стеклопакета удовлетворяет всем эксплуатационным требованиям к объекту.

Однако известно, что стекло - это достаточно "капризный" материал. С одной стороны, оно очень хрупкое, с другой - очень тяжелое. Создавая остекленные конструкции тем более, используя изогнутое стекло, архитекторы стремятся к минимизации непрозрачных элементов, увеличивая размер стеклопакета до максимума. Поэтому возникает вопрос, каким может быть максимальный размер стеклопакета?

В общем случае, его размер определяется следующим образом:

1 Оптимизация раскроя. Размер стекла должен быть равен части, получаемой при разрезе на одинаковые отрезки стандартного листа. Оптимальный раскрой - это всегда компромисс между замыслом архитектора, техническими возможностями производителя и эксплуатационными требованиями.

2 Реальный вес. Размер стеклопакета должен соответствовать техническим возможностям его монтажа. Например, присоски используемых в большинстве случаев приспособлений способны поднять только плоские и цилиндрические стекло-пакеты с большим радиусом кривизны, и абсолютно непригодны для поднятия объекта сферической формы, т е гнутой в двух плоскостях сферы.

Кроме того, большой вес стеклопакета повышает риск разбить его при малейших неаккуратных движениях.

3 Геометрия конструкции. Необходимо было разделить длину арки на нечетное количество проемов, заполняемых стеклопакетами для избежания образования зенитного стыка между стеклопакетами, где может задерживаться вода (см фото. 1).

Учитывая эти требования, несущий каркас фонаря над бассейном гостиницы "Премьер-Палац" был секционирован на 1 8 арок, радиус которых - 5290 мм. Вдоль арок уложено 7 рядов стеклопакетов, при этом размер стеклопакета составил 1100 мм в ширину и 1375 мм в длину при весе 90 кг.

Главной проблемой в решении изготовления всех светопрозрачных конструкций всегда остается проблема герметизации поскольку ее игнорирование сводит на "нет" все достоинства конструкторских усилий.

В описании метода комбинированного структурного остекления мы упомянули, что стекло (одиночное стекло, стеклопакеты, триплексы) и несущий каркас склеивались особым герметиком. В данных конструкциях использовался клей - герметик фирмы "Sika AG" (Швейцария).

Химические характеристики клея Sika AG:

Однокомпонентный полиуретан; механизм полимеризации - воздействие влаги воздуха; продолжительность липкого состояния - 50 минут; скорость полимеризации - зависит от температуры и влажности; изменение объёма - 6 %; твердость по Шору - 40; прочность на отрыв - 1,8 н/мм2; прочность на разрыв - 6,00 н/мм2; относительное удлинение при разрыве - > 600 %; критическая точка потери эластичности - 62%; температурная стойкость - от - 40? С до +90? С; срок хранения - 1 2 месяцев при температуре от + 5? С до + 35? С.

Однако наличия лишь одного, хотя и высококачественного клея недостаточно для обеспечения полной герметизации светопрозрачной конструкции. Всегда необходимо проводить предварительную обработку элементов конструкции.

Во всех указанных объектах сначала с помощью очистителя Sika Haftreiniger 205 были тщательно очищены и подготовлены необходимые поверхности для нанесения грунтовки (праймера) Sika Primer 206 J. Далее с помощью последней были обработаны все поверхности стеклопакетов в местах последующего контакта с герметиком (грунтовка улучшает адгезию клея к стеклу и защищает его от воздействия ультрафиолетовых лучей). И лишь после этого все элементы конструкции купола склеивались клеем Sika flex 265, а герметизирующие швы между стеклопакетами обрабатывались герметиком Sika flex 22 1, который отличается особой стойкостью к ультрафиолету.

Высокое качество герметизации несущего каркаса достигалось и благодаря большой площади склеивания. Для надёжного клеевого соединения и герметизации, например, в куполе бассейна гостиницы "Премьер-Палац", толщина стеклопакета 48 мм является вполне достаточной. Наличие клея по всей толщине стеклопакета и в примыкающей части с ригелем обеспечивает герметичность купола.

Обобщая опыт изготовления рассматриваемых объектов, приведём примеры решения конструкционных узлов









Обращаем внимание читателей на схему открывания верхнего стеклопакета купола с гидравлическим приводом, (рис. 6, фото 6). Необычное решение конструкционного узла в механизме подъёмного элемента стало новшеством в сфере производства светопрозрачных конструкций. Подъёмный элемент открывает принципиально новые возможности решения проблемы проветривания помещения и