1. Wstęp
Szklany dach i fasada na obiekcie: Muzeum i Centrum Ruchu Harcerskiego w Krakowie [fot. 1] są nierozerwalnie związane z fortem pancernym 52a Łapianka [zwanym też Jugowice]. Powstał w latach 1896–1902. Był jednym z fortów Twierdzy Kraków. Wzmacniał obronę południowej flanki twierdzy.
Jego głównym uzbrojeniem były cztery wieże pancerne wyposażone w armaty. W ręce cywilne przeszedł w 1958 r. Powstał tam wówczas zakład produkcji win owocowych, co silnie zdewastowało budynek i jego otoczenie [fot.2 i fot.3]. Następnie właścicielem fortu zostało miasto Kraków.
W latach 2008–2010 Zarząd Budynków Komunalnych miasta Kraków wykonał częściową rewitalizację fortu [fot. 4 i fot. 5]. Po jej zakończeniu powstała bardzo atrakcyjna przestrzeń, którą postanowiono wykorzystać.
W 2011 roku ogłoszono konkurs na koncepcje architektoniczną Muzeum przy forcie pancernym 52a Łapianka. Konkurs wygrała Pracownia Architektoniczna FERDZYNOWIE.
Tylko ta koncepcja zakładała połączenie istniejącego budynku fortu z nowoprojektowaną kubaturą. Łącznikiem między istniejącym fortem, a częścią nową miał być całkowicie przeszklony hall.
Fotografie nr 6 i 7, przedstawiają wizualizację zwycięskiej koncepcji, a rys. 1 przedstawia
dźwigary]. Całość tworzy transparentną
przestrzeń. Niestety rzeczywistość ową
transparentność odrobinę „zaciemniła”. Zastosowano
wyższe kratownice z gęstszym
wykratowaniem [w układzie „X”].
Wprowadzono także dodatkowe cięgna
stabilizujące pasy kratownic [stężenia],
niezbędne w każdej konstrukcji cięgnowej.
W prezentowanej wizualizacji zostały one
pomięte.
2. Podstawowe problemy z realizacją konstrukcji cięgnowej wg koncepcji architektonicznej
Główne zasady kształtowania konstrukcji
cięgnowych. Teoria.
a. Szklane dachy cięgnowe powinny mieć
prosty kształt i obrys [koło, prostokąt,
kwadrat].
b. Powinny mieć wcześniej specjalnie przygotowaną
konstrukcje dla przejęcia bardzo
dużych sił naciągu lin.
c. Wysokość dźwigarów cięgnowych [H] powinna
być dobierana z warunku H ≥ L/8
[gdzie L – rozpiętość].
d. Powierzchnia przekrycia szklaną konstrukcją
cięgnową nie powinna przekraczać
~200 m2. Przy większych powierzchniach
należy stosować dylatacje, które
niestety komplikują konstrukcję.
Szklany dach cięgnowy na Muzeum.
Realia projektu, który znacząco odbiegał
od teorii.
a. Kształt dachu jest bardzo skomplikowany.
Występują 2 połacie o różnych nachyleniach
i obrysach zbliżonych do trapezów.
Ten kształt był konsekwencją zachowania
tzw. „równi ogniowej” . Powierzchnia
szklanego dachu powielała nachylenie
skarp nasypów ochronnych przy forcie
[rys. 2].
b. Koncepcja architektoniczna Pracowni
FERDZYNOWIE od samego początku zakładała
połączenie nowego obiektu ze
starym fortem. To prawdopodobnie zdecydowało
o wygraniu tej propozycji.
Projektanci mają świadomość, jakie problemy
konstrukcyjne rodzi łączenie nowej
substancji budowlanej ze starą. W przypadku
konstrukcji cięgnowych te problemy
są jeszcze większe. Bardzo duże siły
zakotwienia dźwigarów cięgnowych należało
przekazać do ścian ponad 100-letniego
fortu. To było największe wyzwanie
w projekcie szklanego dachu. Maksymalnie
ograniczono siły naciągu poprzez
zastosowanie dźwigarów z pełnym skratowaniem
[każde pole kratownicy ma po
2 krzyżulce w układzie „X”]. Pomimo tych
zabiegów maksymalne siły naciągu i tak
wynosiły ponad 100 kN. Niestety nie można
było zastosować najprostszego sposobu
redukcji sił naciągu – zwiększenia
wysokości kratownic Jawertha [więcej
w podpunkcie „c”]
Obecnie nie ma żadnych wytycznych
oraz norm dotyczących zakotwień w starych
murach ceglanych. W 2011 roku ukazał
się w Zeszytach Naukowych Politechniki
Krakowskiej artykuł Pana Arkadiusza
Kwietnia: „Praca kotew stalowych wklejanych
w mur zabytkowy na sztywnych
i podatnych warstwach adhezyjnych”.
Cenne wnioski z tego artykuły stanowiły
podstawę do zaprojektowania zakotwień
w murach fortu.
c. Wysokość kratownic Jawertha została narzucona
przez uwarunkowania architektoniczne
– z niekorzystanym wpływem na
siły naciągu. Na rys. nr 3 znajduje się przekrój
poprzeczny w obszarze hall’u [połać
nr 2]. Aby zapewnić „światło” hall’u ~3,7 m
całkowita wysokość konstrukcji dachu nie
mogła przekroczyć 1,2 m. Wysokość kratownic
musiała być oczywiście mniejsza
i ostatecznie wyniosła 88 cm. Dla najdłuższej
kratownicy 13-polowej [rys. 4] stosunek
wysokości do rozpiętości wynosi H/L
= 0,88 / 14,30 = ~1/16. Zalecana proporcja
wynosi 1/8, została więc przekroczona
dwukrotnie. Aby zminimalizować siły
naciągu tak niskiej kratownicy wprowadzono
„gęste” skratowanie. Niestety takie
rozwiązanie odbiegało od pierwotnej
koncepcji konkursowej, gdzie kratownica
miała „rzadkie” skratowanie i wglądała bardzo
delikatnie.
d. Całkowita powierzchnia dachu wyniosła:
A = 114 + 231 = 345 m2. Jest więc
większa od granicznej wartości 200 m2.
Wprowadzono 2 dylacje. Pierwsza dylatacja
znajduje się w linii styku 2 połaci.
Jej obecność jest bezdyskusyjna. Zawsze
w miejscach zmiany „wrażliwej” geometrii
obiektów wprowadza się dylatację.
Natomiast druga była konsekwencją dużej
powierzchni połaci. Wprowadzono ją
w połowie długości tej połaci.
3. Kształtowanie i optymalizacja kratownic Jawertha
Połać 1 [~29,5 x 3,9 m ] [rys. 5]
Rozpiętość dźwigarów dachowych
w tym obszarze wynosi 3,93 m. Wysokość
dźwigarów dobrano z warunku H = 1/9 x L
= 1/9 x 3,93 =~0,44 m = 44 cm [rys. 7]. Dźwigary
są ustawione prostopadłe zarówno do
stalowej belki kotwiącej [IPE 400] od strony
fortu, jak do i belki żelbetowej znajdującej
w nowym budynku Muzeum.
Ze względu
na to, ze kratownice mają optymalną wysokość,
rozstaw węzłów dobrano z warunku
a = 3 x H. Także rozstaw kratownic dobrano
z tego samego warunku. W tym obszarze
można było zrezygnować ze skratowań. Ze
względu na drugi obszar, w którym musiały
być bezwzględnie użyte – celem ujednolicenia
wyglądu konstrukcji – zostały jednak
zastosowane. Dopuszczono tylko „ostrzejsze”
kąty pomiędzy krzyżulcami a pasami.
Wspomniany obszar składa się 23 dźwigarów
cięgnowych [Jawertha] w rozstawie
1,32 m. Rozstaw węzłów w dźwigarze wynosi
1,31 m.
Elementy składowe:
n Pas górny dźwigara – lina jednozwita
średnicy 8 mm
n Pas dolny dźwigara – lina wielozwita średnicy
8 mm
n Słupki [pałki] – rura okrągła średnicy
50 mm
n Skratowania – pręt średnicy 8 mm
n Stężenia – lina jedno zwita średnicy
8 mm [stabilizują dźwigary z płaszczyzny]
n Skratowania stężeń – pręt średnicy 8 mm.
Połać 2 [~23,7 x 3,9-15,5 m] [rys. 6]
Sposób kształtowania kratownic i układ
konstrukcji dachu został całkowicie zdeterminowany
przez wysokość konstrukcyjną
dachu w obszarze hall’u. Jak pokazano na
poprzednich rysunkach, maksymalna wysokość
dźwigarów cięgnowych mogła wynieść
zaledwie H = 88 cm [rys. 8]. Rozstaw
słupków – tzw. pałek w kratownicach wynosi:
a = (1,3 do 1,5) x H. Tak dobrany rozstaw
gwarantował kąty nachylenia krzyżulców
do pasów w granicach 40°–50°. Natomiast
rozstaw kratownic dobrano z warunku
b = 1,25 x H. Taki rozstaw, podobnie
jak w kratownicach pozwolił osiągnąć
kąt pomiędzy krzyżulcami, a pasami stężeń
w przedziale 40° – 50°.
Obszar ten składa się 22 dźwigarów cięgnowych
[Jawertha] w rozstawie 1,22 m do
dylatacji oraz 1,12 m poza dylatacją. Rozstaw
węzłów w dźwigarze wynosi 1,16 do
1,31 m. Rozstaw węzłów: 1,31 m był nawiązaniem
do rozstawu węzłów w kratownicach
z połaci 1 i stanowił ich kontynuację.
Dzięki temu zyskano efekt ciągłości
konstrukcji. 21 kratownic jest ustawionych
prostopadle do linii budynku nowego Muzeum.
Została tam przygotowana belka żelbetowa
o takiej nośności, aby przejąć siły
naciągu. Tylko pierwsza kratownica nie jest
prostopadła. Pokrywa się z krawędzią pomiędzy
połacią 1 i połacią 2.
Po drugiej stronie kratownice łączą się
z belką stalową [IPE 400]. Kąt pomiędzy kratownicami
a wspomnianą belką jest stały
i wynosi: 65°.
Elementy składowe:
n Pas górny dźwigara – lina jednozwita
średnicy 8, 10, 12, 14, 16 mm
n Pas dolny dźwigara – lina wielozwita średnicy
8, 10, 12, 16 mm
n Słupki [pałki] – rura okrągła średnicy
50 mm
n Skratowania – pręt średnicy 8, 10, 12,
14, 16 mm
n Stężenia – lina jednozwita średnicy 8 mm
[stabilizują dźwigary z płaszczyzny]
n Skratowania stężeń – pręt średnicy 8 mm
Aby pierwsze trójkątne pola kratownic
nie były zbyt „ostre” skrajne słupki są niższe
niż wewnętrzne. Słupki te mają wysokość
44 lub 66 cm. Takie podejście gwarantowało
łagodne „przejście” liny pasa dolnego od
zakotwienia do jej ostatecznego dolnego
położenia. Chodziło o unikanie tzw. nadmiernego
zagięcia lin. Z tego względu na
pasy dolne zastosowano liny wielozwite –
mniej sztywne od jednozwitych, z których
wykonano pasy górne.
Fasada wejściowa [rys. 9]
W tym obszarze cięgna są mocowane
do nowo projektowanej konstrukcji żelbetowej
- dołem do płyty fundamentowej,
górą do podciągu. Nad drzwiami wejściowymi
znajduje się dodatkowa belka stalowa
RK 200 x 8, do której jest przymocowana
dołem najmniejsza, dwupolowa kratownica
cięgnowa. Okrągłe słupy betonowe (podpierające
pociąg) znajdują się wewnątrz
konstrukcji cięgnowej. Wysokość kratownic
wynosi 44 cm [rys. 10]. Drzwi wejściowe,
przesuwne są mocowane do portalu wykonanego
z rur kwadratowych 120x8.
Fasada wejściowa składa się 9 dźwigarów
cięgnowych [Jawertha] w rozstawach
[od lewej 2 x 1,58 m; 2 x 2,35 m; 4 x 1,41 m].
Rozstaw węzłów w dźwigarze wynosi [od
dołu 2 x 1,59; 0,4 do 1,7m – fragment pod
belką żelbetową]
n Pas wewnętrzny dźwigara – lina wielozwita
średnicy 12mm
n Pas zewnętrzny dźwigara – lina wielozwita
średnicy 12 mm
n Słupki – rura okrągła średnicy 50 mm
n Skratowania – pręt średnicy 12mm
n Stężenia – lina jednozwita średnicy 10 mm
[stabilizują dźwigary z płaszczyzny]
n Skratowania stężeń – pręt średnicy
10 mm
4. Materiały
Szkło
Na dach i fasadę zastosowano szkło zespolone
2-komorowe firmy Saint-Gobain.
Dach: ESG Cool-Lite 10 mm/12 mmAr/
ESG Planiclear 8 mm/12 mmAr/VSG-TVG 66.2
Prawie wszystkie arkusze dachowe mają
kształt kwadratowy. Maksymalny wymiar
arkuszy wynosi 1300 x 1310 mm [zgodnie
z rozstawem węzłów w kratownicach Jawertha].
Ich schematem statycznym była
płyta o zastępczej grubości oparta punktowo
w narożach.
Fasada wejściowa: ESG Cool-Lite
10 mm/16 mmAr/ESG Planiclear 8 mm/
16 mmAr/VSG-TVG 66.2
Arkusze fasadowe mają kształt kwadratowy
i prostokątny. Maksymalny wymiar
arkusza wynosi: 1590 x 1580 mm [zgodnie
z rozstawem węzłów w kratownicach
Jawertha]. Identycznie, jak w przypadku arkuszy
dachowych, ich schematem statycznym
był płyta o zastępczej grubości oparta
punktowo w narożach.
Liny
Liny, pręty w stężeniach „X” oraz pozostałe
elementy systemu cięgnowego dostarczone
przez firmę Jakob Rope Systems
zostały wykonane ze stali nierdzewnej
austenitycznej gatunku: 1.4401 (AISI 316)
Rotule
Rotule zaciskowe oraz słupki wykonano
ze stali nierdzewnej austenitycznej gatunku:
1.4301 (AISI 304). Wszystkie elementy
poddane zostały później piaskowaniu.
Wyprodukowane je w firmie PROFIL Władysław
Budek jako prototypy.
Zakotwienia
Na zakotwienia użyto stali S355JR.
Wykonała je podobnie, jak rotule firma
PROFIL Władysław Budek.
Elementy złączne
Elementy złączne [śruby, wkręty itp.]
zamówiono w gatunku A2- 80.
5. Montaż konstrukcji cięgnowej i szkła
Należy zwrócić uwagę na to, że kratownica
Jawertha charakteryzuje się tym, że
w jej pasach występują tylko siły rozciągające.
Z pasem dolnym nie mamy problemu,
bo jest rozciągany. Oczywiście zostanie
napięty, ale dużo mniejszymi siłami
niż pas górny.
Rys. 10.
Rys. 8.
Rys. 11.
Rys. 9.
W pasie górnym występują siły ściskające.
Musi więc zostać tak napięty, aby siły
naciągu dla każdej kombinacji obciążeń
przewyższały siły ściskające.
c 1. Przygotowanie podkonstrukcji
Od strony nowego budynku muzeum
– podciąg żelbetowy z zabetonowaną szyną
Halfen. Od strony fortu – belka stalowa
IPE 400 [fot. 8]
2. Montaż konsol, lin, skratowań „X” [fot.
9, 10]
3. Kotwienie belek IPE 400 do fortu [fot. 11]
4. Wstępny naciąg kratownic. Etap 1 [fot.
12]
Po napięciu kratownica uzyskuje tzw.
strzałkę odwrotną [przemieszcza się
w górę]. Siła wstępnego naciągu jest tak
dobierana, aby po montażu szkła całkowite
deformacje były bliskie „0”. Pozwala
to poprawnie zmontować konstrukcję –
kontrolując jej geometrię.
6. Montaż rotuł [fot. 13]
7. Szklenie [fot. 14]
8. Ostateczny naciąg kratownic – Etap 2
9. Fugowanie, montaż górnych talerzy
rotuł [fot. 15, 16, 17]
6. Próbne obciążenie dachu
Inwestor do końca miał ograniczone
zaufanie do dachu cięgnowego. Aby zademonstrować
jego nośność przeprowadzono
próbne obciążenie dachu. Nie polecam
tej formy, ale byłem absolutnie pewien
projektu i perfekcyjnego montażu, w wykonaniu
firmy PROFIL Władysław Budek. Było
to ekstrawaganckie, ale bardzo efektowne.
Na dach weszło kilkadziesiąt osób, wpinając
się po skarpie, która sięga aż do samego
dachu [fot. 18 i 19]. Osoby wchodzące
na dach założyły miękkie, czyste obuwie.
Normalnie powinno użyć się worków z piaskiem.
W niniejszym obiekcie dach nie pełni
funkcji pomostu spacerowego!
Osoby przebywające na dachu wygenerowały
zastępcze obciążenie od śniegu.
Próbne obciążenie zakończyło się pomyślnie.
Także próba wzbudzenia dynamicznego
zakończyła się pozytywne. Drgania bardzo
szybko wygasały.
Koniec części pierwszej.
Zapraszam do zapoznania się z drugą częścią,
która ukaże się niebawem. Zostaną omówione
w niej następujące zagadnienia:
– analizy statyczne dźwigarów cięgnowych,
– detale konstrukcyjne i zakotwienia ze szczególnym
uwzględnieniem tych w murach fortu,
– parametry techniczne systemu cięgnowego
firmy Jakob.
Zamieszczone będą także zdjęcia dachu
i fasady po zakończeniu wszystkich prac wykończeniowych.
Podziękowania dla:
1. firmy FERDZYNOWIE za zaufanie, jakim mnie
obdarzyli powierzając mi projekt szklanych
konstrukcji cięgowych,
2. firmy PROFIL Władysław Budek za wzorową
prefabrykację i późniejszy perfekcyjny montaż
konstrukcji cięgnowych i szkła.
Robert Kocur
