Inženýrství strukturálního zasklení

Architekti prestižních budov, ať už pro oblast kultury, politiky, či podnikání, sklo vždy používali coby designový prvek. Dnešní funkční budovy však mají tvary, jež dalece překračují pouhou účelnost, a sklo je tedy stále častěji používáno coby strukturální podpůrný prvek.

Mezi historické příklady tohoto jeho použití v 19. století patří skleníky v Kew Gardens v Londýně a v bruselském Laekenu – jde o skelné inženýrství nejvyšší úrovně staré neuvěřitelných 130 let. Tehdy bylo sklo stále ještě poměrně drahým stavebním materiálem. Otevřené skleníky byly pro veřejnost ukázkou technicky špičkového inženýrství 19. století a zároveň demonstrovaly bohatství jejich majitele.

Tyto příklady však zároveň ukazují, že sklo napomáhá v šikovné integraci budovy do okolního prostředí, jehož vzhled tak zůstává bez narušení. Sklo zvětšuje prostor a vytváří propojení mezi vnitřkem a vnějškem.

Sklo má symbolickou moc

Renomovaný architekt Frank Gehry v nedávné době navrhl výstavní budovu pro Nadaci Louise Vuittona v Paříži, jež byla otevřena v roce 2014 a je ukázkou způsobu, jak lze soudobé skelné inženýrství uplatnit na nejvyšší úrovni. 12-dílná střešní struktura stavby umístěné v bohatství zeleně na okraji Boulogneského lesíka evokuje dvě navzájem se překrývající plachty. Gehry, jenž se vyznal ze své záliby v plachtění, chtěl vytvořit dojem plachetnice po-hybující se kupředu se plnou rychlostí.

Skleníky v královském paláci v Laekenu, Brusel, Belgie.
Foto: Royal Palace – Christian Lambiotte

Celková plocha, která je tvořena sklem, činí 13.300 m² a sestává z 3.600 tabulí, z nichž žád-ná není zcela stejná. Každá tabule je zakřivená v jiném úhlu, počínajíc plochou až po zaoblení o průměru 3 m.
Stavební materiál navíc musel splňovat všechny příslušné technické bezpečnostní parametry stanovené francouzskou legislativou.

Gehry se proto rozhodl použít laminované bezpečnostní sklo (LSG) ve spojení s odolnou, vysoce pevnou mezivrstvou o síle 1,52 mm vyrobenou z ionoplastu SentryGlasut1^® výrobce Kuraray Europe GmbH. Samotné sklo je kalené a má podobu tabulí o síle 6–8 mm. Aby byly splněny náročné normy strukturálního inženýrství, muselo být LSG volně tvarované v modifikovaných ohýbacích pecích.

6milimetrová vnitřní tabule byla potažena reflexní vrstvou s bílým keramickým potiskem s 50% nepropustností světla, což byla důležitá vlastnost pro ochranu cenných exponátů před přímým slunečním světlem. Vzniká tak navíc příjemný efekt osvětlení, které neoslňuje.

Palmový dům v Kew Gardens, jihozápadní Londýn,
Spojené království. Foto: RBG Kew – Royal Botanic Gardens Kew

K zajištění celkového nenarušeného vizuálního působení jednotlivých plachet zvolili konstruktéři a architekti lepené spoje mezi LSG a kostrou a ty byly použity též jako výplň širokých dilatačních závěr. K danému účelu byla použita těsnicí hmota značky Dow Corning.

S použitím vhodných materiálů byla celá konstrukce navržena jako trvanlivá a bezpečná. Přece jen bude budova patřit Nadaci Louise Vuittona ještě 48 let do doby, než bude předána státu.

Systém VISS SG z ocelových dílů společnosti Jansen AG byl vsazen do skleněné fasády, čímž umožnil v ní vytvořit velké otvory. VISS SG je systém společnosti Jansen pro strukturální zasklení fasád. Foto: Jansen AG

Sklo s nosnou funkcí

Jak je ukázáno na této pařížské budově, sklo má svoji nosnost, a může tak být ve strukturál-ním inženýrství použito k právě tomuto účelu. To znamená, že ploché sklo je vhodné coby prvotní, nikoli jen druhotný materiál. Nejsou v něm žádné rušivé nosníky či metalické odrazy – jen samotné sklo.

Nosnost skla lze navíc zesílit, což je další vlastnost, která se ukázala na budově Nadace Louise Vuittona. Ta umožňuje zvýšit nejen běžnou nosnost skla, ale též jeho zbytkovou nos-nost po potenciálním rozbití. Pokud je použita vhodná strukturálně účinná fólie, dokáží nyní výrobci vyrobit laminované sklo, jež po rozbití unese hmotnost člověka, a to přes své téměř 30% zeslabení.

V budoucnu parametry nosnosti – smykový modul uvedené fólie – budou zaujímat ještě dů-ležitější postavení ve strukturální analýze součástí ke stavebním účelům. Uvedený koeficient poskytuje informace o lineární pružnosti, například vůči smykové síle.

Skleněná fasáda pro věž se schody se skládá z bodově montovaného izolačního skla chránícího před slunečním zářením s potiskem a úchytkami, jež je vyrobené ze skladováním za horka tvrzeného bezpečnostního skla; z temperovaného a částečně tvrzeného skla je střecha. Bodově uchycená izolační skla až do rozměru 2,0 m x 4,0 m jsou spojena podpěrnou ocelovou konstrukcí pomocí tzv. pavouků. Výrobce: Hunsrücker Glasvered & Co. Foto: ISOLAR® Group

Strukturální skelné inženýrství stojí a padá s metodou upevnění, která je u materiálu použita vůči podstavci. Profesor Ulrich Knaack z Technické univerzity v Darmstadtu a Delftské tech-nické univerzity to shrnuje následovně: „Inženýrství fasád je pokročilou technologií na stavbě.“

Nejběžnější druh zasklení obnáší lineární upevnění. Hlavními součástmi jsou při této variantě horizontální a vertikální vnější sloupkově-příčková konstrukce s vnitřními tlakovými lištami a pružnými podpěrami, vyrobenými např. ze silikonu. Výsledkem je hladká silueta.

Součástí bodově uchycené konzoly jsou nerezové fixační šrouby, jež skleněnou tabuli udržují na místě bez potřeby jejího rozdělení. Aby tomu tak mohlo být, sklo musí být provrtáno, čímž dojde k tvorbě vysoce koncentrovaného napětí v místě vyvrtaného otvoru.

Divadlo a koncertní sál Kilden, Kristiansand, Norsko. Panoramatická fasáda se zahnutými okraji proniká zakřiveným designem střechy. Byla realizována pomocí vysoce přesných laserově svařovaných ocelových dílů Jansen VISS Ixtra. Foto: Jansen AG

Z toho důvodu je u běžných bodových montáží možné použití pouze kaleného skla (tedy temperovaného bezpečnostního skla či částečně tvrzeného skla).
Vedle metody provrtání tabulí provětrávaná fasáda též umožňuje použití upínacích držáků na hranách a ve spojích, jež tabuli drží na místě.

Tzv. podříznutá kotva plní stejnou funkci jako šroub s provrtaným bodovým uchycením.  Pro-vrtaný otvor má však kónický, nikoli válcový tvar. To vede k tomu, že je skleněná fasáda zvnějšku zcela hladká a snáze se čistí.

Kulturní prostor je viditelný z velké dálky z moře. Je otevřený směrem k nábřeží prostřednictvím skleněného průčelí sahajícího od země až po strop. Skleněná fasáda se prolíná s dřevěným designem, převážně rovná je však u koncových hran mírně zaoblena. Foto: Jansen AG

Strukturální a kompozitní zasklení

Během posledních 15 let byly skleněné tabule na fasádu pevně lepeny a k tomuto účelu se převážně používaly dvě metody. V obou z těchto metod se tabule lepí na podpěrnou kon-strukci pomocí trvanlivého, povětrnostně odolného silikonového lepidla. Zatímco však při strukturálním zasklívání (SG) může být podpěrná konstrukce vyrobena z materiálů, jako je např. hliník, plast či dřevo, kompozitní zasklívání vyžaduje výhradně sklolaminát (GRP).

K poměrně značnému vývoji došlo též u lepených tabulí. Zatímco jednotlivá skla byla dříve spojená v tabulích k podpěrné konstrukci, ať už bodovým uchycením, nebo sloupkově-příčkovou konstrukcí či přilepením, nyní má samotná tabule příslušné nosné vlastnosti.  Ně-mecká společnost Sedak tuto novou metodu krásně ukázala na konstrukci krychle společ-nosti Apple na 5. avenue v New Yorku.

Luxusní budova společnosti Apple, krychle na 5. avenue, 2006, USA, New York. Když Bohlin Cywinski Jackson dokončil v roce 2006 svůj první projekt, získal si okamžitě celosvětovou pozornost. Již tehdy inovativní skleněné výrobky společnosti Sedak na tomto mistrovském díle vedly k předefinování hranic technické proveditelnosti v strukturálním skelném inženýrství. Foto: ©sedak GmbH & Co. KG

Tato stavba je čistě skleněnou krychlí, která přesto plní všechny nezbytné nosné funkce, a to bez jakýchkoli rámů, rušivých sloupků nebo příček. Každá ze stran krychle sestává pouze ze tří tabulí laminovaného bezpečnostního skla v pěti vrstvách se smykově odolnými mezivrstvami z ionoplastu o velikosti 3,3 m x 10,3 m.

Bylo to poprvé, kdy bylo titanové spojovací kování zalaminované do LSG. Ve spojení s analogovou střešní konstrukcí, jež je pevná a samonosná, to umožnilo vytvoření pláště, který je celý vy-tvořen ze skla, a je tudíž jak průhledný, tak minimalistický. Sedak, zpracovatel povrchu skla, tabule během procesu laminace též zakřivil tak, aby po nich snáze stékala dešťová voda.

Asi o pět let později společnost Sedak opět posunula hranice – tentokrát inovativní skleněnou krychlí, jež využila nejnovější vynálezy a vývoj ve skelném inženýrství. Návrh z roku 2011 ukazuje do té doby nepředstavitelnou úroveň průhlednosti, přičemž krychle funguje coby dokonale minimalistický skleněný plášť. Každá z fasád se skládá z pouze tří LSG skel (namísto předchozích osmnácti) a je velmi rozsáhlá – 3,3 m x 10,3 m. Je to poprvé, kdy bylo titanové kování, jímž jsou tabule připojeny ke dvěma průběžným skleněným křídlům v místě dvou vertikálních spojů, ve skutečnosti zalaminováno do skel. Výsledkem je, že téměř není viditelné. Foto: ©sedak GmbH & Co. KG

Kladné vedlejší účinky strukturálního inženýrství skla

Za několik posledních let vývoje fasádních konstrukcí vznikla a změnila se řada dalších vý-robků, které s fasádami přímo nesouvisí. Například roste oblíbenost sloupkového zábradlí s nosnými vlastnostmi. Lze je nalézt na vyhlídkových terasách, v restauracích na střechách a v elegantních střešních bytech – tedy v místech, kde je důležitý nezacloněný výhled a též za-jištění bezpečí. Vedle toho, že rozšiřuje návrhovou svobodu architekta, přináší sklo řadu dal-ších stavebních výhod – a ty nejsou pouze vizuální.

Příklad strukturálního skelného inženýrství na schodišti v centrále společnosti Sedak v Gersthofenu. Foto: ©se-dak GmbH & Co. KG

Předtvarované dělené skleněné prvky lze na stavbu dopravit požadovaným způsobem a lze je rovnou použít. Schválené stavebnicové skleněné stavební prvky pro lesklá skleněná zábradlí je možné do podpůrné konstrukce zaklapnout na stavbě, kde je lze variabilně uzpůsobit tak, že jsou připraveny k přímému pou-žití. Šetří se tím cenný čas, a často i peníze, při plánování velkých stavebních projektů.

Bodově uchycená fasáda Devere Hall, Univerzitní college v Corku, Irsko. Foto: Rainer Hardtke

Architekti a inženýři však potřebují přesné specifikace a důkladné výpočty pro to, aby mohli splnit přísné normy DIN a EN stanovené zákonem za účelem zajištění bezpečí a strukturální stability. Potřebují též výrobce a zpracovatele skla se špičkovou technikou – což je segment, ve kterém má německý sklářský průmysl dobré postavení. Malé a střední podniky z těchto příležitostí těží nejvíce a stále více se soustředí na sofistikované nadstandardní výrobky.

Strukturální sklo na fasádě kopírovacího centra v Irsku.
Foto: Rainer Hardtke

„Osvětlení strukturálním zasklením“ u soukromých zakázek

Ačkoli dnešní lepené skleněné tabule v soukromých domech nemají parametry skutečných výrobků strukturálního skelného inženýrství, jsou nicméně technicky inspirovaným vedlejším produktem této disciplíny. Aktuálně roste poptávka po úzkých dílech lepených okenních skel, a to nejen u zimních zahrad a venkovních přístřešků. Atraktivní jsou proto, že vyžadují méně nosných prvků, a to znamená méně vizuálně rušivých elementů.

Vnitřek bodově uchycené fasády s nosnými skleněnými podpěrami. Foto: Rainer Hardtke

Stavitelé soukromých domů pochopitelně též chtějí ve svých stavebních projektech využívat výhod, jež toto pokročilé in-ženýrství přináší. I u stávajících budov dochází k rozšiřování okenních ploch, tabule se vklá-dají až do úrovně podlahy a krabicové rámy v dřevěných rámových domech jsou vyplňovány sklem.

Vnitřek bodově uchycené fasády s nosnými skleněnými podpěrami. Foto: Rainer Hardtke

„Existuje zřejmý trend směrem k vyšší kvalitě rekonstrukcí a nových staveb v porovnání s tím, jak tomu bylo před několika lety,” uvedl Martin Langen ze společnosti B+L Marktdaten na konferenci, kterou před dvěma lety uspořádalo německé sdružení pro zajištění kvality systémů plastových oken (GKPF). Díky mimořádným tepelným vlastnostem a pevným okenním dílům je možné vytvořit ve zdivu pro okna velký prostor.

Kancelářská budova poblíž Dublinu, Irsko, vybavená plně okenním systémem GlasWin. Foto: profine Group

Trh zareagoval pozoruhodnými výrobky. Velká okna a posuvné dveře lze dělit pomocí klasic-kého sloupkově-příčkového členění při viditelné šíři rámu 50 mm. Ještě užší variantu – o šířce pouhých 15 mm – nabízí společnost GIP Glazing při současném dosažení tepelného koe-ficientu 0,90 W/(m²K).

Příležitost pro odvětví výroby oken

Systémy lepených oken stále více pronikají na trh, kde jejich podíl vzrostl z 2,9 % v roce 2010 na dnešních více než 11 %. V tomto odvětví se objevila mezera na trhu, která těmto výrobcům umožnila získání konkurenční výhody před levnými dodavateli z východu. Někteří výrobci oken na tento nový výrobek převedli celé své výrobkové řady, čímž si každý z nich získal své jedinečné místo na trhu. Netřeba podotýkat, že lepená okna mají celou řadu skvě-lých výhod.

Kancelářský komplex Vanguardia v Chile se systémem GlasWin. Foto: profine Group

Zvláště s ohledem na současnou diskuzi okolo čtyřvrstvých izolačních skel vítají výrobci a montážníci oken skutečnost, že okna s lepenými skly o vhodné velikosti tabulí a různé síle jsou o 20 % lehčí než běžná klínová řešení. Další pozitivní vlastností je daleko nižší potřeba údržby. Lepené izolační sklo má vyšší pevnost, přenos zatížení a trvanlivost.

Bývalá továrna na výrobu obuvi Rheinberger Pirmasensu, památkově chráněná budova, byla vybavena okny systému GlasWin. Foto: profine Group

Také dodací lhůty jsou kratší, hodnoty tepelné prostupnosti zasklením (Ug) byly zlepšeny prostřednictvím lepších izotermických vzorců a okenními křídly neprostoupí vůbec žádný vítr.
Tyto vlastnosti pak společně představují pro koncového zákazníka důležité argumenty vzhledem ke skutečnosti, že lepená okna vyžadují odlišné výrobní metody, a proto jsou často finančně náročnější.

TEXT: Daniel Krauss
FOTO: Glasstec

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb 1/2017.