Stal nierdzewna w kształtowaniu fasad budynków miejskich

Ze względu na różnorodność pełnionych funkcji elewacje są najtrudniejszą do zaprojektowania przegrodą budowlaną [1]. Uzyskanie oczekiwanej przez inwestora funkcjonalności często prowadzi do wykluczających się wzajemnie rozwiązań lub takich, w których pole do kompromisu jest bardzo niewielkie.

Opracowanie rozwiązania spełniającego wielokryterialne wymagania zmusza projektantów nie tylko do poszukiwania nowych materiałów, technologii i rozwiązań konstrukcyjnych, lecz także najbardziej optymalnego wykorzystania kombinacji tych trzech czynników.

Projektowanie fasad budynków w zabudowie miejskiej może stwarzać wiele problemów wynikających zarówno ze specyfiki lokalizacji, jak i cech otaczającego środowiska, takich jak:

• konieczność wykonywania przeszkleń o dużych rozpiętościach w obiektach wielkokubaturowych,
• duże stężenie zanieczyszczeń w powietrzu,
• utrudniona i kosztowna konserwacja elewacji,
• brak możliwości lub silne ograniczenia w kształtowaniu zieleni wokół budynku.

Zalety stali nierdzewnej

Stal nierdzewna jest materiałem obecnym w budownictwie od blisko 90 lat, a jej cechy techniczno-użytkowe predestynują ją do wykorzystania w konstrukcjach fasad budynków.

Materiał ten może być stosowany jako okładzina zewnętrzna fasad, m.in.: jako elewacje z profili kształtowanych na zimno, blachy profilowanej, płyt, kasetonów itp.

Jednak najbardziej twórcze i innowacyjne rozwiązania otrzymuje się wtedy, gdy stal nierdzewna nie pełni wiodącej roli w kształtowaniu fasady, lecz poprzez synergię swych cech z innymi, znanymi od dawna elementami, takimi jak pustka powietrzna, szkło, roślinność itp. umożliwia opracowanie nowoczesnych rozwiązań o znacznie korzystniejszych lub wręcz niespotykanych wcześniej cechach techniczno-użytkowych.

Do zalet stali nierdzewnej, oprócz wysokiej odporności na korozję, zaliczyć należy m.in. [2]:

• dużą trwałość,
• dostępność licznych gatunków o zróżnicowanych właściwościach fizycznych i mechanicznych,
• łatwość obróbki, formowania i łączenia elementów,
• różnorodność produktów i wyrobów hutniczych,
• bogaty wybór rodzajów wykończenia powierzchni,
• łatwość utrzymania w czystości, w tym możliwość ich naturalnego czyszczenia przez czynniki pogodowe.

Zalety stali nierdzewnej sprawiają, że od wielu lat jest ona materiałem chętnie wykorzystywanym zarówno do kształtowania fasad budynków nowoprojektowanych, jak również podczas renowacji lub przebudowy obiektów istniejących.

Postęp w dziedzinie technologii wytwarzania wyrobów stalowych oraz obróbki metali, m.in. nowe gatunki stali, technika trójwymiarowego kształtowania blach, ulepszone metody barwienia i cięcia stali, spowodował, że zastosowanie stali nierdzewnej staje się ekonomicznie uzasadnione nie tylko dla dużych realizacji, lecz także małych, unikatowych projektów.

Zastosowanie stali nierdzewnej jako elementu elewacji budynku pozwala połączyć walory estetyczne z wymaganiami funkcjonalnymi. Pod względem wizualnym stal nierdzewna doskonale współgra z innymi materiałami (szkło, beton, drewno), natomiast bardzo dobre właściwości mechaniczne pozwalają na minimalizację przekrojów nośnych ścian osłonowych, co jest istotne w przypadku konieczności doświetlenia wnętrza budynku.

Nie bez znaczenia dla rosnącej popularności stali nierdzewnej jest istotna dzisiaj kwestia zrównoważonego rozwoju. Stal nierdzewna, której produkcja w ok. 60% opiera się na surowcach pochodzących z recyklingu, pozwala na oszczędzanie energii w związku z ograniczeniem procesów produkcyjnych, co doskonale wpisuje się w powyższy trend [2].

Właściwości użytkowe fasad

Fasada to główna, efektowna elewacja budynku, o szczególnie dużej dekoracyjności, pełniąca funkcję reprezentacyjną [3]. Fasadą jest zazwyczaj elewacja frontowa, jednak w niektórych realizacjach funkcję tą mogą pełnić dwie, trzy lub nawet wszystkie elewacje.

Przegroda zewnętrzna budynku powinna spełniać następujące wymagania funkcjonalno-użytkowe:

• trwałości, w tym odporności na korozję biologiczną, promieniowanie UV oraz akty wandalizmu,
• estetyki, z uwzględnieniem istotnej w warunkach miejskich funkcji informacyjnej,
• izolacyjności termicznej, w tym również ochrony przed nadmiernym nasłonecznieniem,
• izolacyjności akustycznej,
• inne, związane ze specyfiką użytkowanego obiektu, np. pełnić funkcję ekranu elektromagnetycznego.

Fasady, w których stal nierdzewna stanowi okładzinę lub konstrukcję wsporczą współpracującą z innymi materiałami albo roślinnością, doskonale spełniają te wymagania.

Fasady wentylowane

Fasadę wentylowaną (FOT. 1 i FOT. 2) na ścianie nośnej tworzy: podkonstrukcja, warstwa izolacji termicznej oraz okładzina zewnętrzna, która może być wykonywana w postaci kaset lub podłużnych ­paneli z nierdzewnej blachy stalowej albo kompozytu stal - tworzywo sztuczne.

Pomiędzy okładziną a powierzchnią izolacji termicznej ukształtowana jest wentylowana pustka powietrzna. Ruch powietrza w przestrzeni wentylowanej umożliwia odparowanie wilgoci z wnętrza przegrody, co polepsza jej izolacyjność cieplną oraz chroni fasadę przed rozwojem grzybów i pleśni. Pustka powietrzna fasady może również pełnić funkcję kanału czerpnego, dogrzewając powietrze pobierane do systemu wentylacji mechanicznej obiektu.

Fasady szklane

Rozwój technologii wytwarzania szyb zespolonych z napylanymi warstwami izolacji przeciwsłonecznych umożliwił realizację fasad całoszklanych o wymaganym poziomie izolacyjności termicznej. Fasady tego typu są często stosowane w wielkogabarytowych budynkach użyteczności publicznej, np. terminalach lotniczych, biurowcach, galeriach handlowych itp. Konstrukcję wsporczą takich fasad często stanowią prętowo-cięgnowe ruszty wykonane ze stali nierdzewnej. Wysoka granica plastyczności stali sprawia, że przekroje poprzeczne elementów rusztu mogą mieć małe wymiary, dzięki czemu nie ograniczają dostępu światła słonecznego, zwłaszcza jeśli dodatkowo zostanie zastosowana technika sprężania ustroju nośnego (FOT. 3).

Fasady siatkowe

Wykonywane są ze sprężyście napiętych gęstych siatek prętów i cięgien ze stali nierdzewnej, tworzących powierzchnie płaskie albo trójwymiarowe powłoki na elewacjach budynku [4] (FOT. 4). Uzyskany efekt estetyczny jest niezwykle atrakcyjny. Jednolita połyskująca metalicznymi refleksami powierzchnia o teksturze zbliżonej do tkaniny nadaje elewacji efekt głębi, który jest chętnie wykorzystywany przez architektów. Siatka stalowa nie stanowi szczelnej membrany, może jednak pełnić funkcję swoistego rodzaju filtra ograniczającego wpływy środowiska na budynek, redukując oddziaływania hałasu, wody opadowej, nasłonecznienia i wiatru. Fasada siatkowa może także pełnić dodatkowe funkcje, np. ekranu elektromagnetycznego czy ochrony przed aktami wandalizmu.

Fasady zielone

Wykorzystanie roślinności jako elementu kształtującego elewację budynku jest współczesnym nurtem architektonicznym zmierzającym do zmodyfikowania sztucznego środowiska i przybliżenia człowieka do natury. Realizacja fasady zielonej polega na rozpięciu na elewacji budynku siatki linek ze stali nierdzewnej zamocowanej do krótkich wsporników kotwionych w ścianie nośnej oraz nasadzeniu i pielęgnacji roślin.

Siatka stanowi osnowę umożliwiającą rozrost pnączy i może być wykonywana w postaci ortogonalnego układu linek o rozstawie nie większym niż 1,5 m lub stanowić siatkę spinaną drobnymi klemami.

Zarówno wsporniki, jak i linki wykonywane są najczęściej z kwasoodpornej stali nierdzewnej gatunku 1.4401. W innych rozwiązaniach stosuje się ramy z kształtowników zamkniętych albo specjalne panele z blach perforowanych.

Rośliny tworzą na elewacji naturalną, półprzepuszczalną warstwę i chronią ją przed wpływami środowiska: działaniem zacinającego deszczu, wiatru i nadmiernym nasłonecznieniem (FOT. 5). Zacienienie ścian budynków klimatyzowanych może spowodować redukcję zużycia energii na ten cel o 50% do 70%. W przypadku, gdy pokrywę liści tworzy bluszcz zimozielony, możliwe jest również ograniczenie strat ciepła budynku o 15% do 30%.

Zagadnienia konstrukcyjne fasad szklanych

Fasady szklane są typem przegrody zewnętrznej, w której funkcja użytkowa najsilniej wpływa na kształtowanie zarówno ogólnej koncepcji konstrukcyjnej, jak i rozwiązań detali. Materiałem często stosowanym na konstrukcje wsporcze fasad tego typu jest stal nierdzewna, choć nierzadko musi ona konkurować w tej roli z innymi tworzywami: stalą węglową, aluminium, szkłem czy kompozytami, zwłaszcza w zakresie małych i średnich rozpiętości przeszkleń.

Podstawową funkcją fasady szklanej jest wprowadzenie do wnętrza budynku jak największej ilości światła dziennego. Transparentność konstrukcji, rozumiana jako stosunek powierzchni przeszklenia do powierzchni konstrukcji wsporczej fasady, jest miarą stopnia przepuszczalności światła dziennego. Im jest on większy, tym lepsze jest doświetlenie pomieszczeń.

Ze względu na sposób mocowania tafli szklanej do konstrukcji wsporczej wyróżnia się dwa systemy:

• ramowy - umożliwiający liniowe podparcie krawędzi tafli,
• bezramowy - wymagający podparcia punktowego.

Stal nierdzewna ze względu na jej stosunkowo wysokie wartości granicy plastyczności i modułu sprężystości oraz praktycznie brak konieczności konserwacji jest materiałem, który doskonale spełnia wymagania stawiane konstrukcjom wsporczym fasad szklanych w obydwu powyższych systemach mocowania.

Uzyskanie jak największej transparentności konstrukcji wsporczej wymaga zastosowania elementów o jak najmniejszych gabarytach przekroju poprzecznego, szczególnie tych mierzonych poprzecznie do kierunku padania promieni słonecznych. Kryterium to w połączeniu z wysoką, ok. 5-krotnie większą ceną stali nierdzewnej w porównaniu ze stalą węglową, stawia projektanta przed trudnym do zrealizowania zadaniem.

Spełnienie warunków bezpieczeństwa konstrukcji budowlanej wymaga bowiem zwiększania gabarytów i masy przekroju przy rosnącej rozpiętości elementu. W rozwiązaniu tego problemu może pomóc kilka zasad kształtowania układów nośnych elewacji szklanych:

• należy konstruować układy o jak największej liczbie elementów rozciąganych,
• jeżeli zachodzi konieczność zastosowania elementów ściskanych, to ich długość i liczebność powinna być jak najmniejsza, nawet kosztem zwiększenia liczby elementów rozciąganych,
• wysokość konstrukcyjną przekroju w płaszczyźnie działania obciążenia należy zwiększać na tyle, na ile jest to tylko możliwe ze względów użytkowych,
• elementy rozciągane należy projektować ze stali o możliwie wysokiej granicy plastyczności,
• elementy ściskane należy projektować ze stali o wysokiej granicy plastyczności tylko w przypadku małych smukłości prętowych.

Wybór najbardziej korzystnego układu konstrukcji wsporczej fasady szklanej uzależniony jest od jej rozpiętości oraz stosunku wymiarów gabarytowych otworu, rodzaju i stopnia krzywizny powierzchni elewacji, nośności i sztywności elementów zasadniczej konstrukcji budynku oraz oczekiwań i możliwości finansowych inwestora.

Na RYS. 1-11 przedstawiono podstawowe, najczęściej spotykane formy konstrukcyjne ustroju nośnego fasady szklanej.

Najprostszą formą konstrukcji wsporczej jest ustrój słupkowy (RYS. 1-3), który jest efektywny przy stosunkowo niewielkich rozpiętościach przeszkleń. Zwykle podparcie słupków stanowią stropy sąsiednich kondygnacji albo dźwigar dachowy lub okapowy i belka podwalinowa ściany elewacyjnej przy prętowej konstrukcji budynku.

Jeśli pozwala na to nośność i sztywność górnego stropu, to korzystnie jest ukształtować słupki w formie wieszaków, które na strop kondygnacji niższej przekazują jedynie reakcję poziomą (RYS. 1). Słupki stają się wtedy elementami rozciąganymi, co przyczynia się do znacznego zmniejszenia ich masy i gabarytów przekroju poprzecznego [5].

Jeśli te warunki nie są spełnione, to słupki należy oprzeć na stropie kondygnacji niższej. Możliwe są przy tym dwa rozwiązania różniące się sposobem przekazania ciężaru własnego tafli szklanych na główną konstrukcję nośną budynku. Jeśli pozwala na to nośność i sztywność górnego stropu, to równolegle do słupków można zastosować cięgno linowe, przekazując na górny strop wyłącznie ciężar własny tafli (RYS. 2). Dzięki temu słupek obciążony jest jedynie oddziaływaniami poziomymi oraz ciężarem własnym. W przypadku, gdy górny strop lub dźwigar dachowy ściany elewacyjnej nie jest w stanie przejąć żadnego dodatkowego obciążenia, wszystkie obciążenia pochodzenia grawitacyjnego powinien przejąć węzeł podstawy słupka, a w głowicy przekazana zostaje jedynie reakcja pozioma (RYS. 3).

Zwiększanie rozpiętości przeszklenia sprawia, że gabaryty i masa przekrojów słupków jednogałęziowych nadmiernie rosną, a ich stosowanie staje się nieefektywne.

Zaletą słupków kratowych (RYS. 4) jest mniejsza od słupków jednogałęziowych masa własna oraz możliwość uzyskania dużej nośności i sztywności przy stosunkowo niewielkich gabarytach przekroju pasów. Nie sprawia również problemu ekonomicznie uzasadnione dostosowanie wysokości konstrukcyjnej przekroju tego typu słupków do przebiegu momentów zginających. Przedział efektywnego stosowania słupków kratowych zawiera się zazwyczaj w zakresie ok. 9-20 m.

W przypadku, gdy architekt nadaje powierzchni elewacji szklanej oryginalny kształt powłoki jedno- lub wielokrzywiznowej, czego nierzadko dodatkowym efektem jest brak symetrii i bardzo niski stopień powtarzalności elementów konstrukcji wsporczej, to użyteczną formą konstrukcji może być rama lub kratownica przestrzenna, względnie połączenie tych dwóch typów konstrukcji.

Jeżeli wymiar przeszklenia przekracza 20 m, ekonomicznie uzasadnione staje się ukształtowanie słupków w postaci sprężonych płaskich ustrojów cięgnowo-prętowych, w których trasa cięgien kształtowana jest stosownie do przebiegu charakterystyki momentów zginających. W zależności od nośności i sztywności elementów konstrukcji zasadniczej budynku mogą być stosowane dwa podstawowe typy ustrojów: pręt cięgnowy (RYS. 5) i słup sprężony (RYS. 6). Niezbędna siła sprężenia cięgien umożliwiająca właściwą pracę ustrojów jest przekazywana w postaci reakcji na konstrukcję zasadniczą budynku albo (gdy nie jest to możliwe) na centralnie usytuowany sprężony rdzeń trzonu, najczęściej w postaci profilu zamkniętego. Jeśli jest to tylko możliwe, to w obydwu przypadkach warto zastosować dodatkowe cięgno przejmujące ciężar własny tafli szklanych.

Jeśli stosunek wymiarów otworu, który ma być przeszklony nie przekracza proporcji 1:2, a także pozwala na to nośność i sztywność elementów konstrukcji zasadniczej budynku tworzących obramowanie otworu, to układ słupkowy można zastąpić rusztem ramowym lub kratowym, wykorzystując sztywność przestrzenną układu płaskich ustrojów prętowych (RYS. 7).

W przypadku kształtowania przeszkleń dużych rozpiętości lub konieczności jednoczesnego przeszklenia fasady i dachu powierzchniami płaskimi, można stosować kratownice przestrzenne tworzące przekrycia strukturalne (RYS. 8). Dwu- lub wielowarstwowa struktura prętów takiej konstrukcji może jednak stanowić niekiedy zbyt dużą barierę ograniczającą dopływ światła dziennego.

Powłoki prętowe charakteryzują się znaczną elastycznością w kształtowaniu jedno- i dwukrzywiznowych powierzchni fasad. W przypadku powłok prostokreślnych można uzyskać dużą transparentność i sztywność konstrukcji (RYS. 9). Słupkowo-ryglowy ustrój stężony cięgnami w układzie kratowym pozwala na uzyskanie stosunkowo dużych wymiarów modułowych siatki przeszkleń. Ze względu na kłopotliwą regulację siły naciągu cięgien podczas montażu jest to rozwiązanie raczej rzadko stosowane.

Siatki cięgnowe są formami konstrukcyjnymi zapewniającymi obecnie największą możliwą transparentność i rozpiętość konstrukcji wsporczej fasady szklanej. Siatki cięgnowe mogą być stosowane przy kształtowaniu elewacji o powierzchniach płaskich (RYS. 10) lub powłok o podwójnej krzywiźnie. Ze względu na specyfikę kinematyki cięgna można jednak uzyskać jedynie dwukrzywiznowe powłoki antyklastyczne, tj. o ujemnej krzywiźnie Gaussa (RYS. 11). Konstrukcje wsporcze tego typu są najdroższe w wykonaniu, wymagają dużej nośności elementów konstrukcyjnych tworzących ramę nośną obramowania oraz wymagają skomplikowanej i precyzyjnej procedury naciągu w trakcie montażu konstrukcji. Spektakularnym przykładem fasady tego typu jest fasada budynku New Beijing Poly Plaza w Pekinie o wymiarach przeszklenia 90,0×60,m (FOT. 6), gdzie cięgna i ich zakotwienia wykonano ze stali nierdzewnej: auste­nitycznej 1.4401 i austenityczno-ferrytycznej (duplex) 1.4462.

Podsumowanie

Stal nierdzewna daje projektantom możliwość tworzenia fasad, które cechują się wysokimi walorami wizualnymi, niespotykaną wcześniej trwałością i właściwościami użytkowymi, jak np. fasady szklane, fasady współpracujące z instalacją wentylacji mechanicznej budynku, fasady -ekrany przeciwsłoneczne, fasady - ekrany elektromagnetyczne, fasady medialne czy współczesne fasady zielone.

Zalety fasad tworzonych przy użyciu stali nierdzewnych są szczególnie istotne w przypadku budynków usytuowanych w zwartej zabudowie miejskiej, przy silnie zanieczyszczonym powietrzu atmosferycznym.

Duża trwałość i estetyka tego typu elewacji jest cechą umożliwiającą rozwiązywanie problemów związanych z eksploatacją budynków miejskich, jakimi są np.:

• ograniczenia lub brak możliwości kształtowania zieleni wokół budynku,
• realizacja informacyjnych funkcji fasady: instalacja szyldów, reklam, iluminacji itp.,
• możliwość zanieczyszczenia elewacji podczas remontów lub wyburzeń budynków w najbliższym otoczeniu,
• utrudnienia w prowadzeniu prac konserwacyjnych, m.in. ze względu na dużą wysokość budynku,
• konieczność częściowego lub całkowitego zajęcia chodników itd.

Dzięki różnorodności gatunków, bogatemu wyborowi rodzajów wykończenia powierzchni, szerokiej palecie produktów oraz możliwości łączenia z innymi materiałami budowlanymi, stal nierdzewna pozwala na tworzenie trwałych i oryginalnych projektów architektonicznych, często stających się wizytówką miasta lub regionu.

Literatura

1. A. Aksamija, "Sustainable facades. Design methods for high­‑performance building envelopes", John Wiley & Sons, Hoboken 2013.
2. K. Kuchta, I. Tylek, "Application of stainless steels in building structures", "Technical Transactions. Civil Engineering", 3-B/2013:19-42.
3. W. Szolginia, Architektura, Sigma NOT, Warszawa 1992.
4. W. Celadyn, "Zastosowania siatek stalowych na elewacjach", "Czasopismo Techniczne. Seria Architektura", Z.4-A/2007:9-18.
5. J. Gierczak, "Konstrukcje wsporcze fasad szklanych", "Świat szkła", nr 2/2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!