Płyty warstwowe

Obudowę wielu obiektów architektury i budownictwa, najczęściej hal, wykonuje się z płyt warstwowych w sztywnych okładzinach. Płyty warstwowe są stosowane w budownictwie już od lat 40-tych  (McIntosh, 2008), a  w Polsce od lat 60-tych XX wieku (Kowal, Petlic, 1974), choć idea ich stosowania została zdefiniowana teoretycznie już w 1820 roku przez Delau. Zależnie od potrzeb stosowane są następujące rodzaje płyt warstwowych: 1) ścienne elewacyjne z wymaganą warstwą izolacji cieplnej oraz odpornością pożarową, 2) ścienne bez wymogu izolacyjności cieplnej – stosowane  wewnątrz obiektu, lub ścienne o podwyższonych własnościach izolacji termicznej stosowane w chłodnictwie i mroźniach, 3) dachowe. Typowe obiekty wznoszone z zastosowaniem płyt warstwowych to (Sawicki, 2010): 1) obiekty użyteczności publicznej (urzędy, sądy, biurowce, administracyjno-socjalne, służby zdrowia itp), 2) budowle sportowe i wystawowe (hale widowiskowo-sportowe, pływalnie, kina itp), 3) obiekty usługowo-handlowe ( hiper i super-markety),  4) hale i hangary (przemysłowe, magazynowe, produkcyjne), 5) stacje paliw i budynki przemysłowe, 6) infrastruktura komunikacyjna ( terminale lotnisk, dworce, itp), 7) budownictwo mieszkaniowe, 8) budownictwo rolnicze( obiekty mieszkalne, inwentarskie – obory , stajnie, magazyny, produkcyjne – spichlerze, szklarnie, silosy itp), 9) obiekty gospodarcze ( chłodnie, mroźnie, przetwórnie spożywcze, przechowalnie itd). Przykładem ważnego obiektu architektonicznego obudowanego płytami warstwowymi jest budynek telewizji chińskiej CCTV w Pekinie (rys. 1.). Na rys. 2 pokazano elewacje dużej hali produkcyjno-magazynowej Zakładu Produkcji Płytek Ceramicznych Cersanit w Wałbrzychu (Chodor, 2000).

Siedziba CCTV Pekin [ architekt: Koolhaas R., Scheeren O. (2004)]

Rys.1. Siedziba CCTV Pekin [ Architekt: Koolhaas R., Scheeren O. (2004)]

Cersanit nocą

Rys.2. Zakład Cersanit w Wałbrzychu [ Projekt : BPB Chodor-Projekt (2000)]

Idea i zalety płyt warstwowych

Płyty warstwowe są uosobieniem zalet jakie niesie ze sobą stosowanie kompozytów wielomateriałowych w strukturach wielowarstowowych.

Rys.1. Schemat płyty trójwarstowej

Rys.3. Schemat płyty warstwowej

Na rys.3. pokazano model typowej płyty warstwowej (Nogowczyk, 2009). Płyta taka jest typowym kompozytem, czyli utworem wytworzonym z co najmniej dwóch składowych o różnych właściwościach fizycznych. Wymieszanie cech (zalet) różnych materiałów, w różnych miejscach i z różnym nasyceniem umożliwia  utworzenie struktury (nowego materiału)  o wymaganych właściwościach będących wypadkową cech materiałów składowych. Materiał kompozytowy składa się z osnowy (np. metal, polimery czy ceramika) oraz zbrojenia (np. włókna, cząsteczki lub włókna krótkie). Celem osnowy jest utrzymanie kompozytu w postaci zwartej, osłona zbrojenia i przeniesienia na nie obciążenia. Rolą zbrojenia jest podwyższanie wytrzymałości kompozytu jako całości materiału, zmieniając jej stan odkształceń. Ze względu na usytuowanie zbrojenia, materiał kompozytowy jest niejednorodny lub anizotropowy. Teoria i technologia  laminatów była i jest przedmiotem wielu prac i jest nadal burzliwie rozwijana.Wiąże się to przede wszystkim z rozwojem inżynierii materiałowej. Szeroka gama materiałów daje możliwość łącznia ich ze sobą nadając konstrukcji wymagane cechy, sztywność, opór cieplny, akustyczny, pożarowy, dynamiczny przy stosunkowo małym ciężarze.
Standardowe konstrukcje trójwarstwowe zbudowane są z okładzin, wykonanych z materiału konstrukcyjnego o dobrych parametrach wytrzymałościowych (stal, dural, tworzywa sztuczne, materiały kompozytowe itp.), oddzielonych warstwą wypełniającą (aluminium, tworzywa sztuczne, materiały organiczne itp.) o o dobrych własnościach termicznych, charakteryzującej się jednak własnościami anizotropowymi. Zadaniem tej warstwy jest zapewnienie konstrukcji sztywności. Standardowym zabiegiem jest wykonanie rdzenia z  lekkiego materiału od warstw nośnych, co obniża masę konstrukcji i polepsza własności termiczne , a przez nadanie  większej odległości  między okładzinami zapewniana jest wymagana wytrzymałość i sztywność giętna.
Uproszczoną analizę zalet konstrukcji trójwarstwowych przedstawiono w tab.1. Analizę wykonano przy założeniu, warstwy są materiałem liniowo sprężystym, a rdzeń jest wykonany z materiału jednorodnego. Widoczna jest wyraźna tendencja silnie nieliniowego wzrostu sztywności i wzrostu wytrzymałości na zginanie wraz z potęgową wzrostu grubości płyty, przy praktycznie niezmiennej masie płyty.

Tab.1. Porównanie cech płyty warstwowej dla różnych grubości rdzenia (HEXCEL Composites, 1999)

Opis płytySzkic płytySztywnośćWytrzymałośćMasa
Płyta lita:
grubość
okładzin
t
Plyta lita
111
Rdzeń
grubość
+ 1xt
Plyta 2t73,51,03
Rdzeń
grubość
+ 3xt
Plyta 4t379,21,06

Zalety płyt i powłok warstwowych (przekładkowych) są anstępującee (Nogowczyk, 2009):

  • dobry stosunek masy do przenoszonego obciążenia,
  • duża sztywność , którą można zwiększać poprzez zastosowanie odpowiedniego wypełniacza (rdzenia),
  • możliwość uzyskania dobrej termoizolacji i wibroizolacji,
  • możliwość stosowania nowych materiałów: tworzyw sztucznych, kompozytów, zastępujących metale, co prowadzi do dalszego wzrostu zalet struktury,
  • odporność na obciążenia o charakterze zmęczeniowym,·
  • obszar do prowadzenia instalacji użytkowych, w warstwie wypełniającej,
  • brak stref spiętrzenia naprężeń, co występuje w konstrukcjach wzmacnianych żebrami.

Do wad konstrukcji przekładkowych należy zaliczyć:

  • dość skomplikowane modele matematyczne opisujące utratę stateczności i konieczność prowadzenia złożonych analiz numerycznych MES
  • duża wrażliwość na utratę stateczności, związaną z cienkościennością oraz występowaniem imperfekcji
  • trudna i kosztowna technologia wykonania,
  • niewielka odporność na obciążenia skupione,
  • podatność na zmiany temperatury tzn. różne współczynniki wydłużeń termicznych każdej z warstw mogą doprowadzić do rozwarstwień
  • występowanie wielu form zniszczenia konstrukcji, trudnych do opisania i stosunkowo mało zbadanych

Materiały stosowane na płyty warstwowe

Metalowa płyta trójwarstwowa z rdzeniem z wełny mineralnej

Rys.4. Płyta warstwowa z rdzeniem z wełny mineralnej i okładzinami z lekko profilowanych blach metalowych

Materiały na rdzeń płyt warstwowych

W płytach  warstwowych rdzeń (p. rys.4) jest najważniejszą częścią struktury i można go przydzielić do jednej z grup:

  • pianka (komórkowa) lub drewno balsa,
  • plaster miodu (ang. honeycomb) najczęściej pięciokątny, ale również falisty,
  • wełna mineralna.

Najważniejszą cechą jaką powinna posiadać warstwa wypełniająca (rdzeń)  jest mała gęstość, która zaskutkuje małym ciężarem płyty. Pomimo, że siły poprzeczne tworzą małe naprężenia to jakikolwiek spadek grubości warstwy może spowodować zmniejszenie sztywności na zginanie, stąd poprzeczny moduł Younga powinien być wysoki. Rdzeń głównie jest poddawany ścinaniu, które powoduje globalne deformacje i naprężenia ścinające. Wypełniacz dobieramy w taki sposób, aby po przyłożeniu siły poprzecznej, moduł ścinania spełniał wymagania sztywności na ścinanie. Krytyczne obciążenia zginające zależą zarówno od modułu Younga i modułu ścinającego wypełnienia. Inne funkcje zależą głównie od grubości warstwy (izolacja cieplna, czy akustyczna). Reasumując właściwości podstawowe rdzenia zależą przede wszystkim od rodzaju zastosowanego materiału ( gęstości, modułu odkształcalności postaciowej, wytrzymałości na ścinanie), a także od sztywności struktury w kierunku prostopadłym do powierzchni.

Rdzenie porowate (pianki polimerowe i balsa)

Lekkie rdzenie porowate wykonuje się z różnych polimerów: poliuretanowe, poliakrytylowe, polimidowe, fenolowo – formaldehydowe, z ekspandowanego polistyrenu i polichlorku winylu oraz poliolefinowe. Można je otrzymywać w różnoraki sposób np.: z gotowych płyt porowatych, wycinanie z bloków lub też metodą in situ.

  • Pianki poliuretanowe (PUR)

Konstrukcje sandwiczowe z rdzeniem z pianki poliuretanowej wykonywane są metodą in situ. W efekcie pomiędzy warstwami nośnymi powstaje poliuretanowy rdzeń lekki o strukturze pianki o porach częściowo zamkniętych i otwartych, o gęstość i twardości zależnej od receptury producentów i zastosowania technologii. Termoodporność wynosi do około 150°C.

  • Polistyren ekspandowany – styropian (PS)

Materiał ten może być używany w postaci płyt lub też bloków jako gotowy wypełniacz. Należy jednak wiedzieć, że zawarty w żywicach poliestrowych styren rozpuszcza polistyren, więc konieczne jest zabezpieczenie polistyrenu. Rdzeń z ekspandowanego polistyrenu jest mikroporowaty o porach zamkniętych. Pianki polistyrenowe mają małą gęstość (ok 40 kg/m3) . Stosuje się je do konstrukcji o niewielkich obciążeniach, ze względu na słabe właściwości mechaniczne. Wykonuje się również pianki SAN z kopolimeru styrenu – akrylonitrylu.

  • Pianki polichlorku winylu (PVC)

Wypełniacze porowate PVC znajdują zastosowanie w konstrukcjach sandwiczowych, zewzględu na swą niską cenę, stosunkowo dobre właściwości mechaniczne, strukturę porów zamkniętych i dość trudną palność. Występują dwa typy tych materiałów tzn. termoplastyczny liniowe (Airex) i dosieciowane izocyjanianami (Klegecell) twardsze, lecz bardziej kruche.

  • Pianki polimidowe (PMI)

Pinaki PMI charakteryzują się dużą termoodpornością (od -195 do +180°C), trudopalnością jak i bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi. Przykładem takich pianek jest produkt firmy UBE Industries o nazwie Upilex – Foam, której odporność cieplna wynosi ok. 400°C. Pianka polimetakryloimidowa PMI o nazwie Rohacell, znalazła zastosowanie w kadłubach samolotów. Jej gęstość pozorna wynosi 50 kg/m3 , posiada drobne pory całkowicie zamknięte. Posiada bardzo dobre właściwości mechaniczne, szczególnie udarność, wytrzymałość zmęczeniową , dobrą odporność zapłonową i termiczną.

  • Drewno balsa

Materiał przekładkowy produkowany ze specjalnego, komorowo suszonego drewna balsa. Właściwości balsy stanowią idealną podstawę do budowy kompozytów warstwowych. Balsa posiada bardzo wysoką wytrzymałość i sztywność przy bardzo niskiej wadze. Cechuje się doskonałą kompatybilnością ze wszystkimi typami żywic i klejów i jest odpowiednia dla wszelkich procesów produkcyjnych. Balsa jest odporna na zmiany temperatury, na ogień czy chemikalia, takie jak styren. Wadą jest wrażliwość na wilgoć, właściwości tego materiału znacznie spadają wraz ze wzrostem zawartości wody. Balsa posiada dobre właściwości mechaniczne w stosunku do większości innych struktur komórkowych z tworzyw sztucznych. W tab.2 zestawiono właściwości rdzeni porowatych i drewna balsa.

Tab.2. Właściwości mechaniczne i fizyczne wypełniaczy piankowych i drewna balsa (Zenkert, 1997)

WłaściwościPUR PSPVC PMBalsa
Gęstość [kg/m³]30 ÷ 50015 ÷ 30030 ÷ 40030 ÷ 300do 130
Moduł sprężystości
[MPa]
10 ÷ 12 8 ÷ 6020 ÷ 40075 ÷ 3601000 ÷
8000
Moduł przy ścinaniu
[MPa]
3 ÷ 4 4,5 ÷ 2013 ÷ 10819 ÷ 290100 ÷ 500
Wytrzymałość na
rozciąganie
[MPa]
0,3 ÷ 0,4 0,5 ÷ 1,2 0,9 ÷ 8,81,6 ÷ 10do 75
Wytrzymałość na
ściskanie
[MPa]
0,2 ÷ 0,35 0,3 ÷ 0,90,3 ÷ 5,8 0,8 ÷ 163,5 ÷ 27
Przewodność cieplna λ W/(mK)0,025

0,028 ÷
0,035
0,022 ÷
0,048
--- 0,3 ÷ 0,07
Zakres termiczny
stosowania
do 250 °C
do 80 °Cdo 100 °C -195 do
+180°C
-80 do
120 °C

Rdzeń struktury plastra miodu

Plaster miodu jest to rdzeń typu lekkiego (ang. honeycomb). Zazwyczaj ścinki plastra miodu układane są w kształt sześciokąta foremny, choć mogą też mieć inny kształt. Struktura zapewnia dużą sztywność i lekkość konstrukcji sandwiczowej (tab3). W tab.4 podano właściwości mechaniczne struktury plastra miody, wykonanej z aluminium, włókna szklanego, włókna węglowego, a dla porównania również ze stali.

Tab.3. Masa płyt warstwowych z rdzeniem plastra miodu  (Królikowski, 2012)

Grubość płytyMasa płyty kg/m²
mmBlacha aluminiowaAramidPolipropylen
124,6
3,10,9
255,8 4,21,2
508,17,53,6

Tab.4. Właściwości mechaniczne i fizyczne struktur plastra miodu (Zenkert, 1997)

WłaściwościAluminiumStalWłókno szklaneWłókno węglowe
Gęstość [kg/m³]26 ÷ 152125 ÷ 18635 ÷ 19272 ÷ 96
Wielkość komórki
[mm]
3,2 ÷ 7,6 4,8 ÷ 9,63,2 ÷ 9,64,8 ÷ 9,6
Moduł przy ściskaniu
[MPa]
130 ÷ 3300---89 ÷ 1700690 ÷ 700
Wytrzymałość na
ściskanie [MPa]
0,62÷ 122,6 ÷ 8,0 1,3 ÷ 175,8 ÷ 6,7
Wytrzymałość na
ścinanie na długości
[MPa]
0,58 ÷ 7,91,5 ÷ 3,41,4 ÷ 6,42,7 ÷ 4,1
Wytrzymałość na
ścinanie na szerokości
[MPa]
0,34 ÷ 4,4

0,96 ÷ 2,40,44 ÷ 4,21,8 ÷ 2,4
Przewodność cieplna λ
[W/(mK)]*
3,9 ÷ 14,4
3,9 ÷ 14,40,066 ÷ 0,1140,066 ÷ 0,114
Zakres termiczny
stosowania
do 180 °Cdo 180 °Cdo 180 °Cdo 180 °C

Zwykle rdzenie te są wytwarzane z papieru impregnowanego najczęściej żywicami fenolowoformaldehydowymi, z tkanin szklanych z żywicami epoksydowymi, z włókien metaaramidowych Nomex i paraaramidowych Kevlar, z polipropylenu, poliwęglanów i z blachy aluminiowej. Można je także wypełnić sztywnymi polimerami porowatymi o porach zamkniętych, co widocznie poprawia ich wytrzymałość, zabezpiecza przed penetracją wody, zwiększa właściwości cieplne i dźwiękowe a także poprawia związki adhezyjne z żywicą zewnętrznych warstw nośnych struktur przekładkowej. Płyty komórkowe mogą być zginane na płaszczyznach o różnym promieniu w zależności od rozmiarów płyty, wymiarów komórek czy rodzaju materiału. Mogą być również w postaci nierozciągniętej i nieutwardzonej. Rdzenie są zazwyczaj dostępne w płytach o grubości od 8do 50 mm lub w blokach.

Dość dużym problemem jest łączenie płyty komórkowej z okładzinami. Płyty te są wykonywane z polipropylenu i cienką warstwą pokrycia zgrzewaną ze strukturą komórkową. Warstwa ta jest wykonana z tkaniny hybrydowej np.: włókien z polipropylenu i innych włókien. Włókna PP zapewniają złączenie zgrzewane z płytą komórkową , inne natomiast zapewniają powiązanie adhezyjne z warstwami nośnymi sandwicza.

Rdzeń z wełny mineralnej

Rdzeń z wełny mineralnej ma jedna podstawową zaletę – jest niepalny i NRO , która powoduje, że płyty z takim rdzeniem są często stosowane, szczególnie w budynkach średniowysokich lub wysokich.

Tab.5. Właściwości mechaniczne i fizyczne  rdzenia z wełny mineralnej (Rockwool, 2015)

ParametrGrubość płyty
mm
Rockwool
Conrock Q3
Rockwool
Conrock Q5
Rockwool
Conrock Q7
Przewodność cieplna λ W/(mK)
30-2000,0420,0430,046
Wytrzymałość na rozciąganie
kPa
30-120
121-160
161-200
60
50
40
70
60
40
90
70
50
Moduł przy rozciąganiu
MPa
30-120
121-160
1,8
2,5
2,5
3,0
3,5
3,5
Wytrzymałość na ściskanie
kPa
30-120
121-160
161-200
60
50
40
70
60
40
90
80
60
Moduł przy ściskaniu
MPa
30-120
121-160
1,8
2,5
2,5
3,0
3,5
4.0
Wytrzymałość na ścinanie
kPa
30-120
121-160
50
40
60
50
80
60
Moduł przy ścinaniu
MPa
30-120
121-160
3,0
2,5
3,5
3,0
5,0
4,5
Normalna gęstość
kg/m3*
30-180100110135
Klasa odporności ogniowej (Euro)30-200A1A1A1
Odporność ogniowa30 do >120 minut. Zależy od konstrukcji sandwicza. Rockwool oferuje badania kompletnych panneli.
Dopuszczalna temperatura-25 do 90 °C-25 do 90 °C-25 do 90 °C-25 do 90 °C

Inne rdzenie

Wraz z rozwojem inżynierii materiałowej, na rdzenie płyt warstwowych specjalnych stosuje się coraz częściej spienione aluminium  (Alucomposites, 2014).

W początkach stosowania płyt warstwowych występowały jeszcze inne rodzaje rdzeni (Kowal, Petlic, 1974): wata szklana, płyta paździerzowa, płyta trzcinowa, suprema, gazobeton, pianizol, sfalowana sklejka.

Okładziny płyt warstwowych

Najczęstszym rodzajem okładzin płyt warstwowych są blachy metalowe, zarówno płaskie jak i profilowane, ale stosuje się również okładziny niemetaliczne z włókien szklanych, aramidowych lub węglowych.

Okładziny metalowe

Wyróżnia się trzy główne materiały należące do rodziny metalicznych okładzin, używanych w konstrukcjach sandwiczowych tj. stal, stal nierdzewna i stopy aluminium. Rzadziej stosuje się okładziny miedziane. Wraz ze wzrostem wymagań dotyczących jakości produktów budowlanych, dawniej stosowane na okładziny tańsze gatunki blach są wypierane przez stale co najmniej zwykłej jakości.

Głównymi zaletami okładzin metalowych  są: wysoka sztywność i wytrzymałość, niski koszt, dobre wykończenie powierzchni, wysoka odporność na uderzenia. Wadami tego rodzaju okładzin są: wysoka gęstość i trudności w wykonaniu struktury sandwiczowej ( np. problem przy produkcji paneli przekładkowych z podwójną krzywizną).

Okładziny niemetaliczne

  • Włókna szklane

Najczęściej stosowanymi materiałami wzmacniającymi używanymi jako warstwy nośne konstrukcji przekładkowych są włókna szklane E. Posiadają dobre właściwości mechaniczne i są odporne na agresje środowiska, ale ich konkurencyjność jest głównej mierze związana z ceną. Występują również inne rodzaje włókien szklanych o oznaczeniach S i R, które mają lepsze właściwości od włókien szklanych typu E, jednak ich cena jest również większa.

  • Włókna aramidowe

Ten rodzaj wzmocnienia włóknami jest prawdopodobnie bardziej znany pod nazwą Kevlar, lecz dziś jest już dużo produktów wyprodukowanych z włókien aramidowych. Pochodzi od aromatycznych polamidów, posiadają małą gęstość, wysoki moduł oraz dużą wytrzymałość. Włókna te mają wysoki stosunek wytrzymałości na rozciąganie do wagi (wytrzymałość właściwa), natomiast dużo niższą wytrzymałość na ściskanie.

  • Włókna węglowe

Włókna węglowe są zbudowane z długich węglowo-węglowych łańcuchów molekularnych o dużej sztywności włókien. Obecnie występuje trzy typy włókien tzn.: wysokiej wytrzymałości i mniejszym module (HT),   dużym module i niższej wytrzymałości (HM),   średnim module i średniej wytrzymałości. Włókna węglowe mają niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoką twardość i są niemagnetyczne. Ich główną wadą jest cena, oraz kruchość.

Systemy i detale płyt warstwowych

Aspekt architektoniczny

Kolorystyka płyt

Płyty warstwowe są produkowane z rozmaitym wykończeniem powierzchni i w dużej gamie kolorystycznej. Wymogi Architekta  stwarzają czasami konieczność produkcji płyt dwukolorowych. Na rys. 5a pokazano obiekt z rys.2 w trakcie budowy z widocznym efektem „gór”, uzyskanym przez nałożenie wzoru w odcieniach błękitu już w wytwórni płyt.

Rys.3. Elewacja Zakładu CERSANIT w trakcie budowy

Rys.5a. Elewacja Zakładu CERSANIT w trakcie budowy (2001)

W projekcie obiektu rozważano różne warianty kolorystyczne, np. pokazane na rys. 5b.

Rys.3b Wariant Projektowy fragmentu elewacji Cersanit w Wałbrzychu [Architekt: Ewa Kowal, Chodor-Projekt (2000)]

Rys.5b Wariant projektowy elewacji Cersanit w Wałbrzychu [Architekt: Ewa Kowal, BPB Chodor-Projekt (2000)]

Faktura i tekstura płyt

Współczesne potrzeby architektoniczne są wyzwaniem do produkowania płyt warstwowych o rozmaitej strukturze i fakturze: profilowanych pionowo, poziomo, fałdowanych, nakrapianych itd.

Połączenie warstw oraz płyt, czyli rozwiązania systemowe

Poszczególne warstwy płyty warstwowej najczęściej łączy się obecnie in-situ lub przy użyciu kleju poliuretanowego dwuskładnikowego, zależnie od rodzaju użytych materiałów, stosowanego procesu technologicznego i ogólnie systemu płyt warstwowych.  Również od systemów zależne są stosowane rodzaje połączeń między płytami (tak zwane zamki) i inne detale płyt. W tabeli 6 zestawiono najważniejsze współczesne systemy płyt warstwowych i podano specyficzne informacje o stosowanych zamkach i innych detalach.

Tab.5. Systemy obudowy z płyt warstwowych

Tab. 7 Systemy obudowy płytami warstwowymi

Producent
Strona www
Systemy KatalogZamek systemuPrzykład detalu
Barda
barda.pl
EPS BARD
Płyty z rdzeniem PUR
Katalog technicznyZamek BardaDetal Barda
Balex Metal
www.balex.eu
BALEXTHERM-PU (PUR)
BALEXTHERM-MW (wełna)
PWS i PWD (styropian)
katalogi,
cenniki,
rysunki CAD, informacje
Zamek BalexDetal Balex
EuropanelsPOLTHREMA CS (PUR- chłodnictwo)
POLTHREMA DS (PUR- ścienna)
POLTHREMA MD (PUR- dachowa)
foldery, tabele obciązeń, atesty, katalogi detali, itd
Blachy Pruszyński
www.pruszynski.com.pl
PWS, PWD (wełna)
PWS-S / PWJ-S / PWD-S (styropian)
Foldery
Cenniki
Instrukcje montażu
Programy (aplikacje)
Zamek pruszynski
IzoPanel
www.izopanel.pl

IzoWall (PIR)
IzoWall (PUR)
IzoWall EPS (styropian)
IZoWall MWF (wełna)
katalogi produktów
katalogi techniczne tabele
Zamek IZoPanelDetal IZoPanel
Kingspan
plyty-warstwowe.kingspan.pl
KS1000 AWP (PUR)
AWP flex (IPN)
KS1150 TF
KS1150 TL
KS1000 RW
(PUR lub IPN)
KS1000/1200 FR
KS1000 FH (wełna)
KS10001200 FA
(wełna akustyczna)

katalogi
specyfikacja materiałów
detale techniczne
karty produktowe
tabele obciązeń
program (aplikacja)
detale konstrukcyjne dwg
Zamek KingsopanDetal KIngspan
Królczyk
www.krolczyk.pl
Płyta ścienna ze styropianem
Płyta ścienna z wełną
płyta dachowa ze styropianem
płyta dachowe z wełną
Współczynniki przenikania ciepła
Zagadnienia wytrzymałościowe
Zalecenia dotyczące transportu
Rozwiązania montażowe
Obróbki blacharskie
zamek KrólczykDeta lKrólczyk
Panel-Metal

GOLBUD-PANEL (styropian)
z rdzeniem PUR
z rdzeniem z wełny
Paneltech
www.paneltech.pl
z rdzeniem styropianowym (PWS)
z rdzeniem z wełny mineralnej (PWW)
z rdzeniem poliuretanowym:
(PW PUR, PW PIR i PW PIR SOFT)
katalogiZamek  PaneltechDetal PanelTech
PAROC
PAROC SMOOTH (wełna, gładka)
PAROC SHADOW (wełna, cieniowana)
PAROC LINE (wełna,liniowana)
PAROC MICRO (wełna, zagęszczone linie)
PAROC DOT (wełna, wciskane punkty)
PAROC ACOUSTIC (wełna, perforowana)


Rozwiązania izolacyjne
Właściwości paneli- jakość AST
Instrukcje projektowe
Projekt architektoniczny

Zalety płyt Paroc:
1.Ponadstandardowa wytrzymałość - gwarancja zachowania minimalnej siły spojenia rdzenia z okładzinami >100kN/m2 (technologia AST)
2. Optymalizacja rozkładu płyt na ścianie budynku – można zastosować różne typy płyt różniące się ceną w strefach krawędziowych i pośrednich
3. Współczynnik przenikania ciepła przy danej grubości (dotyczy produktu AST L)
4. Możliwość obciążania płyt siłami pionowymi do 45kg/m2 (system Paroc Built-on)
RUUKKISP2D W ENERGY (wełna)
SPF PU (PUR)
SP2C (PIR/PU)
RUUKKI FORMA
COR-TEN
tablice obciążeń, rysunki szczegółowe, itd
Dokumentacja Ruukki Corten
RUUKKI Forma Instrukcja projektowania
Ruukki Forma
Trimo
www.trimo.pl
(Qbiss)
Trimoterm
FTV, Power, Power T-FTV, Power S-FTV, TTV Invisio, FTV HL, Multivario FTV, Acoustic
Qbiss One
broszuryZamek Trimo
Włozamot Panel
wlozamot.pl
PolTherma™ (PUR, PIR)
rdzeń styropian
katalogZamek WłozamotDetal Włozamewet

Wymagania techniczne i projektowe

Wymagania techniczne

Wymagania techniczne dla  płyt warstwowych są obecnie znormalizowane. W aktualnym wydaniu normy (PN-EN 14509, 2013) określono wymagania dotyczące produkowanych fabrycznie samonośnych płyt warstwowych z obustronnymi okładzinami z blachy przeznaczonych do układania nieciągłego w następujących zastosowaniach : a) dachy i pokrycia dachowe, b) ściany zewnętrzne i okładziny ścienne, c) ściany (w tym ściany działowe) i sufity wewnątrz budynku. Norma objęła następujące materiały przeznaczone do stosowania w obrębie rdzenia : sztywny poliuretan(PUR) i poliizocyjanuran (PIR), styropian, polistyren ekstrudowany, piankę fenolową, szkło komórkowe i wełnę mineralną. Norma dotyczy paneli z różnymi rozwiązaniami krawędzi w obrębie materiału rdzenia izolacyjnego, a także obejmuje panele stosowane w chłodniach magazynowych. Panele wprowadzone na rynek jako element chłodni, budynku i / lub zestaw obudowy budynku są objęte Wytycznymi ETA 021 Zestawy do budowy chłodni magazynowych.  Norma nie obejmuje płyt warstwowych z deklarowaną przewodnością cieplną rdzenia izolacyjnego w temp 10 ° C o wartościach powyżej 0,06 W/mK, oraz produktów z rdzeniem termoizolacyjnym wielowarstwowym tzn. składającym się z dwóch lub więcej wyraźnie określonych warstw różnych materiałów, a także paneli z okładzinami perforowanymi i paneli w kształcie krzywizny.

Zagadnienie projektowe

 Wprowadzenie

Istotą pracy mechanicznej sandwicza (rys.1.) jest nadanie jasnej roli poszczególnym składowym przekroju:

  1. okładziny stanowią pasy przekroju sandwich i przenoszą naprężenia normalne,
  2. rdzeń przenosi naprężenia styczne (ścinające) oraz utrzymuje stały dystans między okładzinami.

W projektowaniu należy uwzględnić różnorodność form zniszczenia płyt warstwowych , a także aspekty pełzania spienionych tworzyw sztucznych,  który jest istotny w przypadku działania długotrwałych obciążeń poprzecznych. Ze względu na istotny wpływ pełzania na zachowanie płyt warstwowych – tradycyjne płyty trójwarstwowe ze spienionych tworzyw sztucznych nie są zalecane do stosowania na płyty dachowe. W przypadku zastosowania takich płyt w układzie poziomym, należy wprowadzić specjalne użebrowanie zapobiegające pełzaniu.

Model obliczeniowy płyty

W  normie (PN-EN 14509, 2013) zdefiniowano model obliczeniowy płyty warstwowej w sposób pokazany na rys. 6a i 6b.

Rys.4a Model obliczeniowy płyty warstwowej lekkoprofilowanej

Rys.6a Model obliczeniowy płyty warstwowej lekkoprofilowanej [ rys. E1a , PN-EN 14509: 2013 ]

PN-EN Model 2

Rys.6b Model obliczeniowy płyty warstwowej profilowanej [ rys. E1b , PN-EN 14509: 2013 ]

Analizę obliczeniową płyt warstwowych przeprowadza się dla oddziaływań obliczeniowych Ed (obliczeniowych wartości kombinacyjnych zgodnie z Eurokod 0 ) dla stanu granicznego nośności oraz dla oddziaływań charakterystycznych Ek dla stanu granicznego użytkowania , przy czym obciążenie śniegiem należy przyjmować jako długotrwałe , a także uwzględniać   kolor okładziny na obciążenia termiczne płyt. Grubość obliczeniową blachy stalowej okładzin td przyjmuje się  z foruły td=tnom-tzinc-0,5 ttol, gdzie tnom – nominalna grubość blachy deklarowana przez Producenta, tzinc – gubość łączna powłok ochronnych (np cynkowej), ttol – normalna lub specjalna tolerancja zgodnie z normą (PN-EN 10143, 2008).

Formy zniszczenia płyt warstwowych

Zniszczenie płyt warstwowych może przyjmować wiele form i każda z tych form powinna być uwzględniona przy projektowaniu, ewentualnie wspomaganym badania eksperymentalnymi. Płyty warstwowe mogą ulec utracie  stateczności w wielu postaciach:

  • globalna utrata stateczności konstrukcji sandwicza,
  • delaminacja połączona z lokalnym wyboczeniem okładzin,
  • lokalne wgłębienia powierzchni lub wyboczenie pojedynczej komórki ( dotyczy
    rdzenia o strukturze siatkowej)
  • utrata stateczności lokalnej (zmarszczenie) okładziny w przęśle lub nad podporą

Ponadto mogą wystąpić klasyczne mechanizmy zniszczenia:

  • płynięcie okładziny metalowej lub inna forma zniszczenia charakterystyczna dla materiału okładziny,
  • zniszczenie okładziny na podporze przez interakcję z dociskiem siły skupionej,
  • ścięcie rdzenia
  • zgniecenie rdzenia
  • uszkodzenie elementu w połączeniu

Najtrudniejsze jest wyznaczenia wiarygodnych wartości naprężeń krytycznych elementów.  Analizy doświadczalne i teoretyczne systematycznie wykazują mniejsze wartości naprężeń krytycznych odpowiadających globalnemu wyboczeniu konstrukcji i lokalnemu wyboczeniu okładzin w porównaniu do metod klasycznych ( przy założeniu Bernoulligo w teorii belek lub Kirchoffa-Love’a w teorii płyt) (Muc, Nogowczyk, 2005), (Hop, 1980). Wiarygodne wartości uzyskuje się z badań eksperymentalnych lub przy zastosowaniu teorii wyżego rzędu z uwzględnieniem podatności rdzenia na odkształcenia poprzeczne teoria Timoshenko belek, Mindlina płyt).

W związku ze stosowaniem uproszczonych modeli obliczeniowych dla różnych form zniszczenia (PN-EN 14509, 2013) przewiduje zwiększone współczynniki materiałowe stosowane jako częściowe współczynniki bezpieczeństwa w podejściu Eurokodów do parametrów materiału przy sprawdzaniu odpowiednich mechanizmów zniszczenia płyt warstwowych (tab. 6).

Zniszczenie poprzez delaminację oraz ścinanie rdzenia

Zniszczenie rdzenia przez delaminację  jest ważnym mechanizmem zniszczenia płyt warstwowych (Muc, Nogowczyk, 2005). Polega on na rozwarstwieniu okładziny od rdzenia(rys.7b) szczególnie obserwowane przy rdzeniach z wełny mineralnej.

Rys. 7 Mechanizm zniszczenia płyty warstwowej przez: a) ścięcie rdzenia, b) delaminację (Vinson, Gladwell, 2010)

Znaczne ograniczenie delaminacji w płytach z rdzeniem uzyskał PAROC poprzez wprowadzenie technologii i jakości AST.

Dopuszczalne ugięcia

Zgonie z najnowszym podejściem do projektowania- w sposób bezwzględny nie normuje się  dopuszczalnych ugięć elementów, pozostawiając Projektantowi obowiązek określenia wartości dopuszczalnych ugięć i przemieszczeń. Projektant w każdym indywidualnym przypadku powinien wziąć pod uwagę  aspekty funkcjonalne, przejawiające właściwym współdziałaniem ze związanymi elementami obiektu, np. odkształcalnością kruchej obudowy, zabudowanymi mechanizmami. Ważne są również tradycyjne aspekty użytkowe,  przejawiające się odczuciami osób przebywających w pomieszczeniu i odczuwających dyskomfort przy nadmiernych ugięciach lub przemieszczeniach.

W przypadku braku ograniczeń funkcjonalnych i użytkowych, zaleca się, by ugięcia płyt warstwowych pod obciążeniem krótkotrwałym nie  przekroczyły wartości  fdop= L/150, a z uwzględnieniem obciążeń długotrwałych  fdop= L/200, gdzie L jest rozpiętością przęsła, a ogólniej długością odcinka, na którym oceniane jest ugięcie. Zwracamy uwagę na odróżnienie ugięcia od przemieszczenia. Ugięcie jest przemieszczeniem względnym na rozpatrywanej odcinku, czyli maksymalnym przemieszczeniem pomniejszonym o przemieszczenia końców odcinka (najczęściej podpór).

Alternatywa dla płyt warstwowych – kasety

Alternatywą dla obudów z płyt warstwowych jest obudowa z kaset metalowych. Tradycyjne systemy kasetowe generowały mostki w duzej mierze na skutek zleżenia wełny w kasecie, co dyskwalifikowało rozwiązanie ze warunku energooszczędności , choć ekonomicznie kasety były rozwiązaniem korzystniejszym od płyt warstwowych. W ostatnim czasie pojawiło się kilka systemów, w których tę wadę w zasadzie usunięto.

Ciekawym system jest system austriacki Domico (Domico, 2015). Na rys. 8 pokazano charakterystyczny detal systemu Domico, wskazujący na sposób wyeliminowania mostków cieplnych.

Domeco ściennyRys.8 Mocowanie kaset obudowy hal w systemie Domico (Domico, 2015)

Firma TRIMO produkuje panele QBISS ONE, które integrują w sobie płyty warstwowe i kasety ścienne. System pokazano na rys. 9

Rys.9. Podstawowe składowe systemu QBISS ONE

Długość paneli QUBIS ONE (od rowka do rowka) może wynieść max 6,5 m, a szerokość wynosi standardowo 1,2 , ale po dopłacie może być 0,6n do 1,0 co 0,1 m. Najlepsze efekty architektoniczne uzyskuje się dla 0,6 m. Blacha okładzin jest lakierowana w hucie lakierem PRISMA 50 μm (do korozyjności środowiska C5i). Lakier prod. TATAStell (Indie, Niemcy) daje ciekawe efekty architektoniczne- zmienia kolor w zależności od kąta podania oświetlenia. W rokach połączeniowych możliwe jest zastosowanie diod LED. Parametry techniczne paneli QBISS ONE podano w tab. 6. Współczynniki termiczne U wyznaczono dla zintegrowanych (łącznie z mostkami termicznymi) paneli.

Tab.6 Parametry techniczne paneli QBISS ONE, prod TRIMO

Również RUUKKI wprowadziła energoszczędjny system z kasetami typu Liberta. Schmat ideowy systemu pokazno na rys. 10

Rys.10. Podstawowe składowe systemu Ruukki Forma z kasetami Liberta

W sysstemie RUUKKI na płyty warstwowe RuukkiEnergy układa się profile montażowe , a do nich mocuje panele (kasetony) typu Liberata. Na rys. 11 pokazano kaseteon Liberta Cor-TEN , które są wykonane ze stali Cor_ten o podwyższonej odporności na korozję, wyowołaną pokryciem powierzchni tlenkami miedzi (patyną) o charakterystycznym rudym odcieniu.

Rys.11. Panel elewacyjny Lamella Cor-Ten (Ruukki)

Literatura

Alucomposites. (2014). Lekkie płyty kompozytowe. Retrieved September 4, 2015, from http://www.alucomposites.pl/lekkie-plyty-kompozytowe
Chodor, L. (2000). Projekt konstrukcji przekrycia Fabryki Płytek Ceramicznych CERSANIT 1  w Wałbrzychu. Biuro Projektów Budownictwa Chodor-Projekt, sp. z o.o.
Domico. (2015). DOMICO. Kreatives Bauen mit Metall. Retrieved October 4, 2015, from https://www.domico.at/startseite.html
Domico. (2015). Domico. Fasady z charakterem. Kreatywne budownictwo z metalu. Veklmarkt, Austria.
HEXCEL Composites. (1999). HexWe.  Honeycomb Attributes and Properties A comprehensive guide to standard Hexcel honeycomb materials, configurations, and mechanical properties. International: Hexcel.
Hop, T. (1980). Konstrukcje warstwowe. Warszawa: Arkady.
Kowal, Z., & Petlic, P. (1974). Płyty warstwowe. Wrocław: Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej.
Królikowski, W. (2012). Polimerowe kompozyty konstrukcyjne. Warszawa: PWN.
McIntosh, J. (2008). Learning from Hurricane Katrina:  The Case for Structural Insulated Panel Systems. Victoria University of Wellington. Retrieved from http://www.researchgate.net/publication/228754681_Learning_from_Hurricane_Katrina_The_Case_for_Structural_Insulated_Panel_Systems
Muc, A., & Nogowczyk, R. (2005). Formy zniszczenia konstrukcji sandwiczowych z okładzinami wykonanymi z kompozytów Kompozyty, nr. Kompozyty, (4/2005), 31–35.
Nogowczyk, R. (2009). Zastosowania programowania symbolicznego do analizy stateczności i drgań struktur sandwiczowych (doktorska). Politechnika Krakowska, Kraków. Retrieved from https://suw.biblos.pk.edu.pl/resources/i3/i4/i7/i3/r3473/NogowczykR_ZastosowanieProgramowania.pdf
PN-EN 10143. Blachy i taśmy stalowe powlekane ogniowo w sposób ciągły -- Tolerancje wymiarów i kształtu (2008).
PN-EN 14509. Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową -- Wyroby fabryczne -- Specyfikacje (2013).
Rockwool. (2015). Technical product sheet. Conrock. Sandwich panels. Rockwool. Retrieved from http://www.willich.com.ar/doc/ROCKWOOL-CONROCK.pdf
Sawicki, J. (2010). Płyty warstwowe w sztywnych okładzinach metalowych. Przewodnik dla inwestorów, architektów i wykonawców (I). Warszawa: Dom Wydawniczy MEDIUM.
Vinson, J. R., & Gladwell, G. M. L. (2010). Behavior of Shells Composed of Isotropic and Composite Materials. Dordrecht: Springer Netherlands. Retrieved from http://public.eblib.com/choice/publicfullrecord.aspx?p=3568445
Zenkert, D. (1997). The Handbook of Sandwich Construction (North European Engineering and Science Conference Series). Oslo.

Comments : 0
O autorze
* dr inż. Leszek Chodor. Architekt i Inżynier Konstruktor; Rzeczoznawca budowlany. Autor wielu projektów budowli, w tym nagrodzonych w konkursach krajowych i zagranicznych, a między innymi: projektu wykonawczego konstrukcji budynku głównego Centrum "Manufaktura" w Łodzi, projektu budowlanego konstrukcji budynku PSE w Konstancinie Bielawa, projektów konstrukcji "Cersanit" ( Starachowice, Wałbrzych, Nowograd Wołyński-Ukraina). Autor kilkudziesięciu prac naukowych z zakresu teorii konstrukcji budowlanych, architektury oraz platformy BIM w projektowaniu.

Wyślij

Translate »