Montaż w warstwie ocieplenia - przenoszenie obciążeń.

W pogoni za energooszczędnością okna PCV robią się coraz cieplejsze i... coraz cięższe. Większa masa sprawia, że przez cały okres eksploatacji oddziałują na nie siły o dużej wartości i niszczącym charakterze będące przyczyną wielu usterek. Ochrona przed ich negatywnym wpływem polega na sposobach montażu przenoszących siły z okna na konstrukcję budynku. Jak to zrobić prawidłowo, chroniąc okno przed uszkodzeniami o tym będzie nasz artykuł.

Montaż okien i przenoszenie obciążeń

Ostatnie lata przyniosły w budownictwie wzrost popularności rozwiązań technicznych związanych z ograniczaniem strat ciepła. W dziedzinie montażu okien widomą tego oznaką jest rosnące zainteresowanie inwestorów tak zwanym montażem w warstwie ocieplenia.

Mimo, że pojawia się sporo publikacji na ten temat, to koncentrują się one raczej na zagadnieniach przepływu ciepła przez przegrody i różnych sposobach wykonania uszczelnień traktując po macoszemu nie mniej istotne zagadnienia związane z techniką montażu, a w szczególności jego cześć mechaniczną. W naszej opinii to dość ryzykowne bowiem błąd popełniony w sposobie połączenia okna z murem prędzej, czy później zakończy się usterką konstrukcji albo wadą w obrębie styku ramy z ościeżą niwecząc efekty nawet najlepiej wykonanych uszczelnień. Dlaczego?

Zadaniem prawidłowo wykonanej mechanicznej części robót montażowych jest przeniesienie na bryłę budynku wszelkich sił pochodzących od obciążeń oddziałujących na okna wraz z jednoczesnym zapewnieniem, że żadne siły pochodzące od obciążeń z budynku nie będą przenoszone na ich konstrukcję.

Opisana zasada nie dotyczy wyłącznie samego „momentu montażu” lecz obowiązuje również przez cały okres użytkowania okien, dlatego jedną z przesłanek wydłużenia okresu ich bezawaryjnego użytkowania jest z pewnością poprawność i staranność wykonania mechanicznej części robót montażowych.

Siły oddziałujące na konstrukcję okna powstają z następujących obciążeń:

• ciężaru własnego okna,
• naporu wiatru,
• elementów ruchomych konstrukcji, np. skrzydeł okiennych,
• ciężaru dodatkowego wywołanego elementami dobudowanymi, np. roletami,
• obciążenia śniegiem i lodem na elementach nachylonych, (okna dachowe, oszklenie dachowe),
• obciążeń eksploatacyjnych powodowanych przez użytkownika, (racking - PN-EN 13115:2002).

Siły oddziałujące na okno pochodzą nie tylko od różnych obciążeń, ale również działają w różnych kierunkach i są przenoszone na konstrukcję budynku przy użyciu różnych środków w zależności od jego położenia montażowego.

Pionowe i poziome obciążenia od sił działających w płaszczyźnie okna, na przykład ciężaru własnego konstrukcji, ciężaru elementów dobudowanych, obciążeń eksploatacyjnych powodowanych przez użytkownika przenoszone są na konstrukcję budynku przez klocki podporowe, (klocki nośne). W przypadku ścian wielowarstwowych (3W), w których okna wbudowane są w płaszczyźnie izolacyjnej, albo montażu okien poza obrysem ścian konstrukcyjnych w ścianach dwuwarstwowych (2W), potocznie nazywanym „montażem w warstwie ocieplenia”, siły te muszą być przenoszone na ścianę nośną za pomocą odpowiednio zwymiarowanych kątowników metalowych, wsporników lub łączników użytych zamiast klocków podporowych, (nośnych).

Klocki podporowe, (nośne), montuje się w obszarze narożników ram, słupków okiennych i ślemion, w zależności od rodzaju otworu, w taki sposób, aby były obciążone jedynie w wyniku działania nacisku i zabezpieczone przed obsunięciem. Muszą być tak rozmieszczone, aby uniknąć naprężeń ramy. W polskich źródłach, wymagany sposób rozmieszczenia klocków podporowych dla kilku podstawowych konstrukcji okien został przedstawiony w Warunkach Technicznych Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych część B, zeszyt 6, „Montaż okien i drzwi balkonowych”, czyli dokumencie określanym potocznie jako instrukcja 421 ITB. Prezentowany poniżej schemat rozmieszczenia klocków podporowych przedstawiono w jej najnowszym wydaniu z roku 2011.

Choć ITB o tym nie wspomina, instrukcja niemieckiego stowarzyszenia jakości RAL w przypadku okien balkonowych od szerokości 1 m zaleca również centralne usytuowanie klocka podporowego pod dolną częścią ramy ościeżnicy. Nie od rzeczy będzie przytoczyć tu również jej zalecenie, co do sposobu przenoszenia obciążeń w progach drzwi balkonowych i drzwi zewnętrznych, po których będziemy chodzić. Powinny być one podbudowane konstrukcją wytrzymałą na dodatkowe obciążenia, (chodzenie), na całej szerokości otworu.

Szerokość klocka podporowego, (nośnego), musi być tak dopasowana do głębokości ramy ościeżnicy i wymiarów szczelin dylatacyjnych, aby następujące potem prace izolacyjne mogły przebiegać bezproblemowo. Materiał z którego powinny być wykonywane klocki podporowe musi zapewniać długotrwałą stabilność ich kształtu oraz charakteryzować się niską przewodnością cieplną.

Do wytwarzania klocków podporowych najlepiej nadają się na przykład tworzywa duroplastyczne oraz wytrzymałe gatunki drewna. Inwestorzy nadzorujący prace związane z montażem okien powinni zapamiętać, że kliny służące podczas montażu do pozycjonowania, a właściwie unieruchomienia ramy okna w ościeży należy koniecznie usunąć po zakończeniu robót.

Nie są one właściwym substytutem klocków podporowych oraz w żaden sposób nie mogą ich zastąpić podobnie zresztą jak dyble, kotwy lub pianki montażowe, które również uznaje się za elementy niewystarczające do przenoszenia obciążeń oddziałujących w płaszczyźnie okna.

Wartości i stosunki sił od obciążeń oddziałujących w płaszczyźnie okna

Podkreślając rolę i znaczenie jakie dla prawidłowego wykonania mechanicznej części montażu okna odgrywają klocki podporowe warto zapoznać się ze stosunkiem sił pochodzących od obciążeń działających w jego płaszczyźnie, sposobem ustalania ich wartości oraz obliczonymi przykładowymi wartościami.

Znajomość tych zagadnień może być szczególnie przydatna wszystkim, którzy w przyszłości zamierzają instalować okna poza obrysem ścian konstrukcyjnych planując „montaż w warstwie ocieplenia”, niezależnie od tego, czy będzie się odbywał w ścianach 3W lub 2W. W obu przypadkach zastosowanie klasycznych klocków podporowych nie wchodzi w rachubę ze względu na wysuniętą względem ściany konstrukcyjnej pozycję okna w ościeży.

Funkcję klocków podporowych muszą przejąć kątowniki, wsporniki i sztywne łączniki od odpowiedniej wytrzymałości zdolne przenieść na konstrukcję budynku siły pochodzące od wszelkich obciążeń. Aby dokonać optymalnego wyboru środków i sposobów mocowania okna w ościeży poza murem konstrukcyjnym warto wiedzieć z jaką wartością sił obciążających przyjdzie podporom mierzyć się na co dzień.

Główne siły działające w płaszczyźnie okna pochodzą od obciążeń pochodzących od ciężaru własnego okna albo jego elementów konstrukcyjnych oraz obciążeń eksploatacyjnych powodowanych przez użytkownika. Mówiąc o obciążeniach powodowanych przez użytkowników trzeba odwołać się do wytrzymałości mechanicznej okna i normy klasyfikacyjnej PN-EN 13115:2002.

W obliczeniach wartości sił działających przy otwartym oknie uwzględnia się, w zależności od wymogów, dodatkowy napór osoby na ramy skrzydła, (np. przy myciu okna), w płaszczyźnie pionowej od strony zamykania ciężarem o wartości 200, 400, 600, 800 N, (klasy 1 do 4 wg PN-EN 13115).

Podstawowym zadaniem dla określenia obciążeń przejmowanych przez podporę jest ustalenie ciężaru własnego konstrukcji w Niutonach (N). Z reguły finalny użytkownik nie wie jaki jest dokładny ciężar podstawowych komponentów, z których wykonane zostało jego okno, dlatego instrukcja RAL podaje ich przybliżoną, uśrednioną wagę, która pozwala szacunkowo wyznaczyć ciężar własny konstrukcji. Dla okien PCV można przyjmować następujące wartości:

• kształtownik PVC bez zbrojenia – 2,5 kg na 1 mb
• kształtownik PVC ze zbrojeniem stalowym – 3,5 kg na 1 mb
• szkło – 2,5 kg na 1 m² szkła o grubości 1 mm

Kolejne zadanie to ustalenie stosunku i wartości sił pochodzących od obciążeń działających w płaszczyźnie okna. Biorąc za przykład jednodzielne okno rozwierane należy rozpatrywać stosunki sił oddziałujących na podporę zarówno dla przypadku gdy jest ono zamknięte jak i wtedy gdy jest lekko otwarte. Na ilustracjach poniżej pokazujemy stosunek sił w oknie rozwieranym przy zamkniętym i minimalnie otwartym skrzydle oraz wzory pozwalające określić ich wartość. Warto w tym miejscu podkreślić, że w zależności od rodzaju otworu okiennego oraz stanu otworu nie zawsze zachodzi symetryczne wprowadzenie obciążenia w podporę.

Stosunek sił dla okna rozwieranego zamkniętego	Stosunek sił dla okna rozwieranego lekko otwartego

gdzie:

• s, h szerokość okna, wysokość okna albo szerokość skrzydła, wysokość skrzydła
• G_okna obciążenie wynikające z ciężaru okna w N
• G_skrzydła obciążenie wynikające z ciężaru skrzydła w N
• P pionowe obciążenie użytkowe (200/400/600/800 N, według danych dotyczących wytrzymałości mechanicznej konstrukcji okna w odniesieniu do obciążenia pionowego wg PN-EN 13115)
• V_n siły podpory pionowo w płaszczyźnie skrzydła
• H_n siły podpory poziomo w płaszczyźnie skrzydła, wartość H₁ i H₂ niezależnie od szerokości otworu

Przykład oszacowania sił oddziałujących

Przykładowe obliczenie dla okna PCV rozwieranego o wymiarach:

• wymiar całkowity - 1300 x 1500,
• wymiar skrzydła - 1200 x 1400,
• wymiar szyby - 1100 x 1300 złożenie pakietu 4/16/4/16/4.

Krok 1. Oszacowanie ciężaru własnego konstrukcji

Krok 2. Ustalenie sił oddziałujących w płaszczyźnie okna

2.1. Oddziaływanie w wyniku ciężaru własnego przy zamkniętym skrzydle:

V₁ = V₂ = G_okno / 2 = 0,79 kN / 2 = 0,4 kN

2.2. Oddziaływanie w wyniku ciężaru własnego i pionowego obciążenia użytkowego przy minimalnie otwartym skrzydle po stronie zawiasów:

V₁ = G_skrzydło + P = 0,6 kN + 0,8 kN = 1,4 kN

H₁ = H₂ = s / h x (G_skrzydło / 2 + P) = 1,2 m / 1,4 m x (0,6 kN / 2 + 0,8 kN) = 0,95 kN

Ten nieskomplikowany przykład obliczeniowy po pierwsze całkowicie wyjaśnia ewentualne niejasności, które mogłyby się pojawić w odczytaniu schematów rysunkowych, a po drugie i najważniejsze powinien uświadomić czytelnikom z siłami o jak znacznej wartości oddziałującymi pionowo i poziomo w płaszczyźnie okna na podpory i łączniki możemy mieć do czynienia po zamontowaniu choćby takiej niewielkiej konstrukcji jak okno o wymiarach 1300 x 1500 mm w sytuacjach wystąpienia skrajnych wartości obciążeń.

Stosunek sił przy montażu wspornikowym

Podobne obliczenia możemy przeprowadzić dla okien montowanych w warstwie ocieplenia, w którym rolę klocków podporowych przejmują kątowniki lub podpory i sztywne łączniki systemów dedykowanych dla tego typu rozwiązań montażowych, na przykład SFS JB-D. Poniżej przedstawiamy schemat rysunkowy przedstawiający rozłożenie i kierunek działania sił na podporę wraz z odpowiednimi wzorami pozwalającymi ustalić ich wartość. Warto zwrócić uwagę na to, że w tym przykładzie uwzględniono również działanie sił skręcających oznaczonych na schemacie i we wzorach jako M_s.

Wartości i stosunki sił od obciążeń oddziałujących prostopadle do płaszczyzny okna

Siły oddziałujące pod kątem prostym, (prostopadle), do płaszczyzny okna są przenoszone na nośną konstrukcję ścienną za pomocą mocowania mechanicznego, (kotwy, dyble, wsporniki boczne itp). Dokonując wyboru środków mocowania mechanicznego należy uwzględniać wartość sił pochodzących od obciążeń:

• z ciężaru własnego i pionowego obciążenia użytkowego, (PN-EN 13115), przy skrzydle otwartym do kąta 90°,
• wynikających z naporu wiatru, (PN-EN 1991-1-4:2008/A1:2010),
• z poziomych obciążeń użytkowych, (DIN 1055-3 brak polskiego odpowiednika),
• z ruchów zależnych od materiału konstrukcyjnego.

Oddziaływanie ciężarem własnym i pionowym obciążeniem użytkowym przy skrzydle otwartym do kąta 90°	Oddziaływanie parcia i ssania wiatru	Oddziaływanie poziomym obciążeniem użytkowym

gdzie:

• s, h szerokość okna, wysokość okna lub szerokość skrzydła, wysokość skrzydła,
• G_skrzydło obciążenie wynikające z ciężaru skrzydła w N,
• P pionowe obciążenie użytkowe (200/400/600/800 N, według danych dotyczących wytrzymałości mechanicznej konstrukcji okna w odniesieniu do obciążenia pionowego wg PN-EN 13115,
• V₁ siła podpory w N pionowo w płaszczyźnie okna,
• H_nsiły podpory w N poziomo, wartość H₁ i H₂ niezależnie od szerokości otworu
• w napór wiatru (nacisk wiatru i ssanie wiatru) w kN/m2 (PN-EN 1991-1-4:2008/A1:2010),
• q poziome obciążenie użytkowe w elementach sięgających poniżej wysokości muru podokiennego w obszarach zagrożenia ruchu o wartości 0,5 kN/m (z wyłączeniem istotnego ruchu pieszego) lub 1,0 kN/m (z uwzględnieniem istotnego ruchu pieszego) lub 2,0 kN/m (użytkowanie specjalne) wg DIN 1055-3.

Obciążenie w wyniku naporu wiatru stanowi zasadniczo największe oddziaływanie pod kątem prostym, (prostopadle), do płaszczyzny okna i determinuje ilość punktów mocowania i ich odległość od siebie. Ustalenie naporu wiatru na przegrodę odbywa się według normy (PN-EN 1991-1-4:2008/A1:2010) i co do zasady powinno być określane przez projektanta budynku. Jeśli jednak nie zostały podane żadne wymagania obiektowe w celu oszacowania sił podpory stosownie do naporu wiatru można przyjąć dla uproszczenia dwa następujące przypadki:

Przypadek A

Montowane okno PCV nie jest podzielone słupkiem ani ślemieniem oraz jest przymocowane do muru ościeży czterostronnie, a punkty mocowania są w jednakowych odstępach. W takim przypadku można przyjąć, że obciążenie powierzchniowe powstałe w wyniku działania wiatru rozdzieli się równomiernie na ilość punktów mocowania i obliczyć je w następujący sposób:

gdzie: PM - punkt mocowania w - napór wiatru w kN/m2 s - szerokość okna h - wysokość okna

Przypadek B

Montowane okno PCV nie jest podzielone słupkiem ani ślemieniem oraz jest przymocowane do muru ościeży dwustronnie, a punkty mocowania są w jednakowych odstępach. W takim przypadku można przyjąć, że maksymalne oddziaływanie sił na podpory wystąpi w podporach środkowych i ustalić siłę podpory z uwzględnieniem tego niekorzystnego oddziaływania w następujący sposób:

gdzie: PM - punkt mocowania w - napór wiatru w kN/m2 b - odległość mocowania s - szerokość okna h - wysokość okna

Zalecenia dla montażu mechanicznego i rozmieszczenia punktów montażowych

Instrukcja montażu RAL formułuje kilka podstawowych zaleceń, których stosowanie jest niezbędne dla prawidłowego wykonania czynności montażowych w jego części mechanicznej:

• W przypadku montażu okien albo drzwi zewnętrznych w otworach fasadowych należy, co do zasady planować czterostronne mocowanie mechaniczne elementu za pomocą odpowiednich środków montażu przestrzegając szczegółowych zaleceń ich producenta dotyczących stosowanego systemu montażu.
• W przypadku skrzyń roletowych, (nie dotyczy rolet montowanych na murze), górna część ramy okna, która nie może zostać przymocowana mechanicznie, powinna zostać zwymiarowana pod względem statycznym wolnonośnie i odpowiednio przymocowana po bokach. Podobny sposób postępowania zaleca się przyjmować montując ramy wolnonośne oraz mocując poszczególne elementy w przypadku okien umieszczonych w otworach poziomych i pionowych.
• Stosować i prawidłowo rozmieszczać odpowiednie klocki podporowe (nośne) i dystansowe, jeżeli są one konieczne dla danego systemu montażu, ewentualnie kątowniki, wsporniki lub łączniki w montażu wspornikowym przed nośną konstrukcją ściany budynku.
• Ustalić i zachować prawidłową odległość pomiędzy punktami mocowania oraz odstęp od kątów wewnętrznych.

Okna PCV - zalecane odległości pomiędzy punktami mocowań

Aby uwzględnić wydłużanie się, (zmiana długości na skutek rozszerzalności cieplnej), kształtowników PVC użytych do konstrukcji ram należy przestrzegać odległości pomiędzy punktami mocowania, a przede wszystkim odstępów punktów mocowania od narożnika wewnętrznego. Jeżeli po oszacowaniu sił na podporze i wyborze środków montażu okaże się, że ilość punktów montażowych musi zostać zwiększona, możliwe jest zmniejszenie odstępów montażowych z uwzględnieniem możliwości wydłużania się materiału elementów montowanych. W przypadku montażu okien przed nośną konstrukcją ściany budynku należy przewidzieć również punkty montażowe w miejscu klocków nośnych.

Odległość punktów mocowania – okna jednodzielne

Odległość punktów mocowania okna wielorzędowe, wielodzielne

Sposób określania odległości od kąta wewnętrznego

Co ma wisieć...

Okna wiszące w powietrzu, zamontowane byle jak i przy użyciu byle czego, to ciągle jeszcze szara montażowa rzeczywistość. Kto by tam kojarzył późniejszą usterkę okna, pękanie zgrzewu, czy też trwałe odkształcenie profilu z brakiem klocka podporowego, kotwą zrobioną z blachy po puszce od konserwy albo łącznikiem wkręcanym w... pustkę? Mało kto, stąd nasz artykuł pokazujący i dowodzący, że co ma wisieć... niech sobie wisi, ale co ma być podparte niech zostanie podparte, a co ma być przykręcone, niech przykręcone zostanie. Raz, a dobrze. Solidnie i zgodnie z zasadami wiedzy technicznej.

OKNOTEST.PL

Opracowano na podstawie Wolfgang Jehl „Leitfaden zur Planung und Ausführung der Montage von Fenstern und Haustüren“
wyd. marzec 2010