Odporność okien na obciążenie wiatrem.

Okno zamontowane w budynku poddawane jest działaniu wiatru, czyli siłom parcia i ssania. Konstrukcja okienna musi być tak zaprojektowana, wykonana i zamontowana aby w trakcie jej użytkowania, na skutek działania sił parcia i ssania wiatru, nie doszło do: 

  • nadmiernej przepuszczalności powietrza,
  • przecieków wody opadowej,
  • pękania szyb.

Zachowanie zasad: 

  • montażu, dotyczących ilości i rozmieszczenia punktów mocowań, 
  • wytycznych dostawcy systemu w zakresie wielkości skrzydeł oraz rozmieszczeń punktów zaryglowań i 
  • wytycznych dostawcy szyb  
    gwarantuje odpowiednią sztywność ram ościeżnic i skrzydeł. Problematyka statyki dotyczy elementów swobodnie podpartych występujących praktycznie w każdym oknie. Elementy swobodnie podparte to w praktyce wszystkie słupki i poprzeczki, łączniki oraz górne poziomy ościeżnicy, nad którymi zamontowane są skrzynki rolet, w oknach dwu i wielodzielnych. Wartości działających na okno sił zależą od prędkości wiatru jakie występują na danym terenie. Zgodnie z normą EN 1991-1-4 „Eurokod 1, Odziaływania na konstrukcje, Część 1-4: Oddziaływania ogólne, Oddziaływania wiatru”, załącznik krajowy NA „Postanowienia krajowe dotyczące oddziaływania wiatru” obszar danego kraju podzielony jest na tzw. „Strefy obciążenia wiatrem”.  Teren Polski podzielony został na trzy strefy obciążenia wiatrem, co przedstawia rys. 1. W przypadku np. Niemiec podział na strefy wiatrowe obrazuje rys. 2.

mapka

Poza strefami obciążenia wiatrem norma EN 1991-1-4 definiuje cztery kategorie terenu, na którym usytuowany jest budynek:

0 – Obszary brzegowe i przybrzeżne wystawione na otwarte morze
I – Jeziora lub tereny płaskie, ¬poziome, o nieznacznej roślinności i bez przeszkód terenowych.
II – Tereny o niskiej roślinności, takiej jak trawa, i o pojedynczych przeszkodach (drzewa, budynki) oddalonych od siebie na odległość równą co najmniej ich 20 wysokościom.
III – Teren regularnie pokryty roślinnością lub budynkami albo o pojedynczych przeszkodach, oddalonych od siebie najwyżej na odległość równą ich 20 wysokościom (takie jak wsie, tereny podmiejskie, stałe lasy).
IV – Tereny, których przynajmniej 15% powierzchni jest pokryte budynkami o średniej wysokości przekraczającej 15m. 
Na podstawie powyższych oraz całego szeregu dodatkowych danych można obliczyć ciśnienie jakie wywiera wiatr na okna zamontowane w określonym budynku, usytuowanym w konkretnej strefie obciążenia wiatrem, na terenie o określonej kategorii.  
Odporność okien na obciążenie wiatrem wyraża się w klasach, które definiuje norma EN 12210. Zgodnie z nią rozróżnia się sześć klas odporności na wiatr ze względu na ciśnienie (Tabela 1) i trzy klasy ze względu na ugięcie elementu ramy (Tabela 2).

tabele

Po obliczeniach obciążenia wiatrem na obszarze Polski, wg EN 1991-1-4, dla różnych stref wiatrowych i kategorii terenu, oraz dla najbardziej niekorzystnej pozycji okna w bryle budynku, zamontowanego na wysokości 10m można stworzyć ogólne zestawienie klas obciążenia wiatrem – Tabela 3.

tableka5

Klasyfikacja wg wartości względnego ugięcia czołowego oznacza, że np. słupek w oknie dwudzielnym, o wysokości 1800mm może się ugiąć pod naporem wiatru, maksymalnie do wartości:

klasa A – 1800 / 150 = 12mm

klasa B – 1800 / 200 = 9mm

klasa C – 1800 / 300 = 6mm
Polskie przepisy nie definiują maksymalnego dopuszczalnego ugięcia czołowego. Przyjęło się stosować zapis z aprobat technicznych Instytutu Techniki Budowlanej, który mówi, że maksymalne, dopuszczalne ugięcie czołowe, względne najbardziej odkształconego elementu okien i drzwi balkonowych nie powinno być większe niż 1/300 długości tego elementu, co odpowiada klasie C wg normy EN 12210. W Niemczech na przykład obowiązuje klasa B a w Słowacji, dla budynków mieszkalnych klasa C. 

Odporność okien na obciążenie wiatrem stanowi tzw. właściwość mandatową i wchodzi w skład badań typu w procedurze oceny zgodność z normą EN 14351-1+A1 „Okna i drzwi, Norma wyrobu, właściwości eksploatacyjne, Część 1: Okna i drzwi zewnętrzne bez właściwości dotyczących odporności ogniowej i/lub dymoszczelności”. W badaniach tych, w sposób doświadczalny, wyznaczana jest odporność okien na obciążenie wiatrem. Jeżeli dane okno w badaniach uzyskało np. klasę C3 to oznacza to, że maksymalne ciśnienie, przy którym ugięcie czołowe elementu ramy nie przekroczyło wartości 1/300 jego długości, wynosi 1200Pa. Należy jednak pamiętać, że zgodnie z normą EN 14351-1+A1, wyniki badań odporności na obciążenie wiatrem, uzyskane podczas wstępnych badań typu mają zastosowanie (mogą być deklarowane) dla okien o szerokości i wysokości 100% mniejszej od badanego okna.

Istnieje również możliwość wykonania tzw. obliczeń statycznych, których wynikiem jest minimalna, wymagana wartość momentu bezwładności Ix dla projektowanego słupka, poprzeczki , łącznika lub górnego poziomu ościeżnicy pod skrzynką rolet. Zgodnie z wcześniej opisaną zasadą, na podstawie normy EN 1991-1-4 należy wyznaczyć ciśnienie wiatru, które będzie oddziaływać na konstruowane okno. Obliczenia minimalnej wartości Ix wykonuje się przy użyciu następującego wzoru:

 Ix=  (w*b)/(1920*E*f)*〖(5*H^2- 4* b^2)〗^2

gdzie:
w – obciążenie wiatrem w N/cm2
b – szerokość pola obciążenia wiatrem w cm
E – moduł sprężystości Younga, który dla stali wynosi 21000000 N/cm2
f – maksymalne dopuszczalne ugięcie obliczanego elementu o strzałce ugięcia =H/300 cm
H – długość obliczanego elementu w cm
Przeanalizujmy proces obliczeń na trzech przykładach:
Okno ze słupkiem lub łącznikiem pionowym – rys. 3
Okno z poprzeczką lub łącznikiem poziomym – rys. 4
Okno z roletą – rys. 5

oknozeslupkiem

oknozpoprzeczka
oknozroleta

Przyjmijmy, że nasze okna będą zamontowane:
w 1 strefie obciążenia wiatrem, 
w Poznaniu – 80m n.p.m. 
na obszarze o kategorii terenu IV – Tereny, których przynajmniej 15% powierzchni jest pokryte budynkami o średniej wysokości przekraczającej 15m. 
na wysokości 10m
Dla takich danych, obciążenie wiatrem jakiemu poddane będą okna wynosi :
w = 0,045 N/cm2 (454Pa), co odpowiada klasie 2 klasyfikacji wg wartości obciążenia wiatrem.
Wartości obciążeń b wyznacza się kreśląc pola w postaci trapezów lub trójkątów, których boki poprowadzone są z punktów mocowania obliczanego elementu, pod kątem 45o, do połowy szerokości / wysokości leżących przy nim kwater (trapez) lub do momentu skrzyżowania (trójkąt). Wysokość trapezu lub trójkąta stanowi wartość b szerokości pola obciążenia wiatrem.
Dla naszych przykładów wartości b oraz pozostałych danych wynoszą odpowiednio:
Okno ze słupkiem lub łącznikiem pionowym – rys. 3
b1 = 75cm

b2 = 40cm
H = 150cm
f = 150 / 300 = 0,5cm
Okno z poprzeczką lub łącznikiem poziomym – rys. 4
b1 = 90cm
b2 = 40cm
H = 200cm
f = 200 / 300 = 0,7cm
Okno z roletą – rys. 5
b = 70cm
H = 180cm
f = 180 / 300 = 0,6cm
Znając już wszystkie potrzebne dane możemy przystąpić do obliczania wartości minimalnego, wymaganego momentu bezwładności Ix.
Dla przypadku 1:
Ix1=  (0,045*75)/(1920*21000000*0,5)*〖(5*〖150〗^2- 4* 〖75〗^2)〗^2=1,36〖cm〗^4
Ix2=  (0,045*40)/(1920*21000000*0,5)*〖(5*〖150〗^2- 4* 〖40〗^2)〗^2=1,01〖cm〗^4
Ix = Ix1 + Ix2 = 1,36 + 1,01 = 2,37cm4
Dla przypadku 2:
Ix1=  (0,045*90)/(1920*21000000*0,7)*〖(5*〖200〗^2- 4* 〖90〗^2)〗^2=4,23〖cm〗^4
Ix1=  (0,045*40)/(1920*21000000*0,7)*〖(5*〖200〗^2- 4* 〖40〗^2)〗^2=2,51〖cm〗^4
Ix = Ix1 + Ix2 = 4,23 + 2,51 = 6,74cm4
Dla przykładu 3:
Ix=  (0,045*70)/(1920*21000000*0,6)*〖(5*〖180〗^2- 4* 〖70〗^2)〗^2=2,64〖cm〗^4
Teraz dobierzmy, dla naszych trzech przykładów odpowiednie rozwiązanie konstrukcyjne, które będzie się charakteryzować momentem bezwładności Ix równym lub większym od wartości uzyskanych w obliczeniach. Należy w tym miejscu wspomnieć, że przy doborze rozwiązania konstrukcyjnego nie uwzględnia się sztywności profili PVC. Pod uwag brane są tylko stalowe kształtowniki wzmacniające.

Przyjmijmy, że okno z przykładu 1 posiada po lewej stronie kwaterę stałą a po prawej skrzydło rozwierne. Dla takiego przypadku przekrój poziomy przez słupek przedstawia rys. 6. 
przekrojpoprzeczny

W profilu słupka i skrzydła zastosowane zostały wzmocnienia stalowe, dla których Ix wynosi odpowiednio 2,8 i 2,3cm4. Suma tych wartości spełnia warunek: 2,37 < 5,1    (2,8 + 2,3)

Taka konstrukcja gwarantuje zachowanie odpowiedniej sztywności pod wpływem obciążenia wiatrem. 
Okno z przykładu 2 posiada na dole kwaterę stałą a nad poprzeczką skrzydło uchylne. W tym przypadku wymagana z obliczeń minimalna wartość Ix wynosi 6,74cm4. Zastosowanie rozwiązania jak w poprzednim przypadku nie spełni wymaganego warunku. W tej sytuacji konieczne jest użycie kształtowników stalowych, które charakteryzuje się większymi wartościami momentu bezwładności Ix. Jednym z możliwych rozwiązań jest podział okna na dwie osobne ościeżnice, dolne okno stałe i górne uchylne, oraz połączenie ich w poziomie specjalnym łącznikiem. Przykład takiego rozwiązania przedstawiony jest na rysunku 7.

przekrojpoprzeczny

W tym przypadku suma momentów bezwładności, użytych w tym przekroju wzmocnień stalowych, wynosi 27,5cm4. Takie rozwiązanie spełnia warunek statyczny z bardzo dużym zapasem.

6,74 < 27,5    (2,3 + 2,4 + 20,4 + 2,4). Ostatni przykład to okno z roletą. Mocowanie takiej konstrukcji do ściany budynku, w górnym poziomie jest utrudnione a wielu przypadkach całkowicie niemożliwe. Z tego względu górny poziom ościeżnicy ten należy traktować jako element swobodnie podparty, uginający się pod wpływem działania wiatru. Wymagana z obliczeń, dla tego przypadku wartość Ix to 2,64cm4. Zastosowanie w ościeżnicy wzmocnienia stalowego o przekroju zamkniętym, z blachy o grubości 2mm, zapewnia uzyskanie odpowiedniej sztywności – Rys. 8.

przekroj

Przeanalizujmy jeszcze kolejność obliczeń w przypadku konstrukcji okiennej, która posiada jednocześnie np. 2 słupki pionowy i poprzeczkę – Rys. 9.
oknozesluplkiem

W pierwszej kolejności bierzemy pod uwagę słupki (elementy swobodnie podparte), które przebiegają w całości przez całą wysokość lub szerokość okna. W tym przypadku są słupki o długości 180cm. Jeżeli, tak jak to jest w tym oknie, słupki rozstawione są w równych odstępach, obliczenia możemy przeprowadzić tylko dla jednego elementu. W pozostałych występują takie same obciążenia, w związku z czym ich konstrukcja musi być identyczna. Do wyznaczenia pola obciążeń bierzemy pod uwagę kwatery leżące po obu stronach obliczanego elementu. Czyli w przypadku lewego, pionowego słupka jest to kwatera położona pomiędzy lewym pionem ościeżnicy a słupkiem oraz kwatera druga położona pomiędzy słupkami.  Po wykonaniu obliczeń i wyborze odpowiedniego rozwiązania konstrukcyjnego dla pionowych elementów, można dopiero zająć się się poprzeczką, która zamocowana jest do ościeżnicy i do wcześniej zaprojektowanego, odpowiednio sztywnego słupka.
Podsumujmy w punktach tok postępowania przy obliczeniach statycznych:

  • Wyznaczenie obciążenia wiatrem na podstawie szeregu informacji dotyczących usytuowania budynku oraz pozycji zabudowy okna, zgodnie z EN 1991-1-4.
  • Obliczenie wymaganej minimalnej wartości momentu bezwładności Ix.
  • Dobór rozwiązania konstrukcyjnego, które spełnia warunek: Ix ≥ Ixobliczeniowe

Mamy nadzieję, że artykuł ten będzie pomocny w zrozumieniu niejasnych w tym zakresie polskich przepisów, które nie precyzują wielu kwestii a inne zamieszczone są w wielu oddzielnych  dokumentach. 

Znajdź producenta okien