Okna z PVC. Statyka i termika - kombinacje.

Czy profile białe i kolorowe różnią się odkształcalnością? Jak szyba wklejana wpływa na sztywność skrzydła z PVC, a w konsekwencji na jego dopuszczalne gabaryty? Co zyskujemy eliminując z kształtowników stalowe wzmocnienia? Zobacz konkretne przykłady.

Zalecana maksymalna wysokość białych okien z PVC to najczęściej 240-250 cm, w przypadku okien kolorowych jest to o 10-20 cm mniej. Powszechnie spotykana wartość współczynnika przenikania ciepła okien U_w do niedawna wynosiła 0,9-1,1 W/(m^2.K), obecnie, wskutek zaostrzenia przepisów, nie powinna przekraczać 0,9 W/(m^2.K). Jeśli nasze potrzeby mieszczą się w tych typowych granicach, okna znajdziemy prawdopodobnie u każdego producenta, a o tym, które wybrać, zdecyduje estetyka bądź cena. Co się jednak dzieje, jeśli potrzebujemy okien trochę większych niż standardowe albo szukamy rozwiązań energooszczędnych, do tego w rozsądnej cenie? Czy są sposoby, żeby takie okna wyprodukować i zagwarantować, że będą bezpieczne? Obliczenia jasno pokazują, że tak.

Jak poprawić statykę okien

Pojęcie statyki jest ściśle powiązane ze sztywnością skrzydła. W rozwiązaniach typowych, gdzie szyba osadzana jest na podkładkach (pisaliśmy o tym w poprzednim odcinku cyklu – zobacz artykuł) sztywność definiowana jest przez szerokość kształtowników– im jest większa, tym okno stabilniejsze – i przez ich stalowe wzmocnienia. Warunek sztywności narzuca pewne ograniczenia wymiarowe, stąd wspomniane wcześniej maksymalne zalecane gabaryty skrzydła. Aby je „przeskoczyć”, trzeba skrzydło wzmocnić. Można to zrobić na dwa sposoby. Pierwszy to zwiększenie szerokości profili i udziału stali, co niestety nie jest korzystne ani z punktu widzenia estetyki (dąży się raczej do zwężania ram) ani termiki (stal wychładza profile). Drugi sposób to zastosowanie szyby wklejanej i wykorzystanie jej funkcji nośnej. Przy konwencjonalnym sposobie szklenia, na podkładkach, szyba jest jedynie wypełnieniem skrzydła i nie przejmuje obciążeń. Tymczasem szyby wklejane wspomagają stolarkę, znacząco poprawiając statykę. Dzięki temu kształtowniki ulegają mniejszym odkształceniom, a konstrukcja może być większa.

Dzisiejsza architektura promuje energooszczędną wielkogabarytową stolarkę okienną o jak najwęższych ramach - pogodzenie tych potrzeb zmusza systemodawców do szukania coraz bardziej zaawansowanych rozwiązań konstrukcyjnych (fot. STUDIO GRAVITE MATEUSZ OBAREK)

Zagadnienia statyki dość obrazowo przedstawiają schematy obliczeniowe systemodawców (korzystamy z IDEAL firmy Aluplast). Mówiąc w dużym uogólnieniu, wynika z nich, że z pozbawionych wzmocnień kształtowników skonstruujemy skrzydło o wymiarach do 90 x 110 cm (profile białe, szyba na podkładkach). Tyle jest w stanie „udźwignąć” PVC bez wsparcia w postaci stali. Natomiast jeśli zastosujemy szybę wklejaną, to sztywność diametralnie się zwiększa i pomimo braku wzmocnień jesteśmy w stanie wykonać okno o wymiarach np. 140 x 150 cm lub 110 x 205 cm! Wniosek jest prosty – chcąc skonstruować okno o ponadstandardowych rozmiarach, można zastosować szybę wklejaną zamiast tradycyjnej (dla uproszczenia nie wnikamy w kwestie montażowe). W przypadku profili ze stalowymi wzmocnieniami efekt zastosowania szyby wklejanej nie jest już tak spektakularny, ale nadal znaczący.

Szyba wklejana a statyka i termika skrzydła

Na poniższych przykładach zaprezentowano wpływ sposobu szklenia na statykę i termikę jednoskrzydłowych okien białych i kolorowych w popularnych systemach: klasycznym IDEAL 4000 i energooszczędnym IDEAL 8000. Wymiary skrzydeł bazowych, ze szkleniem tradycyjnym, przyjęto w kontekście osiągnięcia maksymalnej wysokości przy założeniu szerokości ok. 90 cm. Następnie przeanalizowano, o ile większe mogą być rozmiary skrzydła przy zastosowaniu szyby wklejanej. W obu rozwiązaniach zastosowano standardowe wzmocnienia stalowe i dwukomorowy pakiet szybowy o grubości 48 mm i o współczynniku Ug = 0,5 W/(m^2.K).

Rys. 1. Przykładowe obliczenia dla skrzydła w kolorze białym (Grzegorz Kuligowski)

Rys.2. Przykładowe obliczenia dla skrzydła w kolorze ciemnym (Grzegorz Kuligowski)

Okna kolorowe mogą być szersze niż białe, ale nie dorównują im maksymalną wysokością – wynika to z ich większej podatności na odkształcenia. Jak jednak widać, zastosowanie szyby wklejanej w obu rozwiązaniach pozwoliło na uzyskanie skrzydła o wyraźnie większych gabarytach – 15 cm wyższego i szerszego w przypadku okien białych oraz 15 cm wyższego i aż 27,5 cm szerszego w przypadku okien kolorowych. Wyraźnie też poprawił się współczynnik przenikania ciepła U_w.

Dwa pojęcia termiki

Producenci okien podają zawsze wartość współczynnika przenikania ciepła U_w dla okna o wymiarach referencyjnych. I ten parametr większość projektantów i inwestorów uważa za wystarczający (pomijamy kwestie montażu). Co bardziej zaangażowani zerkną w przenikalność cieplną szyby U_g, a tylko nieliczni zainteresują się profilami i ich współczynnikiem U_f oraz sposobem osadzenia szyby. Takie podejście jest nie do końca słuszne. Rzeczywiście, kompleksowy współczynnik przenikania ciepła U_w najłatwiej jest nam zweryfikować. Warto jednak wiedzieć, że jego składowe – a więc między innymi U_g i U_f oraz występujący wzdłuż połączenia szyby z ramą strumień przenikania ciepła Ψ – biorą udział nie tylko w zachodzących w obrębie okna zjawiskach cieplnych, ale również wilgotnościowych. I to, w jakiej pozostają wobec siebie relacji, wpływa na nasz komfort termiczny i higieniczny. Właśnie komfort termiczny jest drugim pojęciem, które powinniśmy uwzględniać w rozmowach o termice okna.

Przykład: aby okno o wymiarach referencyjnych 123 x 148 cm miało współczynnik przenikania U_w = 0,9 W/(m^2.K), możemy zastosować różne rozwiązania profili i szklenia:

Współczynnik U_w w obu przypadkach jest taki sam. Ale widać, jak duża rozbieżność występuje w relacjach między U_g i U_f – w rozwiązaniu na systemie IDEAL 8000 parametry szyby i ramy są dość zbliżone, podczas gdy w IDEAL 4000 szyba jest prawie trzykrotnie cieplejsza niż rama. Co to powoduje? W rozwiązaniu IDEAL 8000 wyższe będą wartości tzw. oporów wejścia i temperatura ramy, korzystniejszy też będzie rozkład wykresu wilgotnościowego. Tymczasem w zestawieniu dla IDEAL 4000 może wystąpić ryzyko kondensacji pary wodnej czy szronienia krawędzi szyb. Pomimo iż U_w jest identyczny! Szczególnie istotne jest to przy dużych oknach, gdzie w profilach zazwyczaj dużo jest stali.

Wszystko to pokazuje, dlaczego systemodawcom zależy na eliminowaniu stalowych wzmocnień z profili i dlaczego szukają alternatywnych sposobów na poprawę sztywności (kolejnym powodem jest znaczne uproszczenie procesu produkcji okien). Jednym z udanych rozwiązań jest system energeto 8000 firmy Aluplast. Wyeliminowano tu z kształtowników stalowe wzmocnienia, zastępując je termoplastycznymi wkładkami Ultradur High Speed, a statykę zrekompensowano wstawieniem szyby wklejanej. Oto, jak wpłynęło to na termikę okna:

Rys.3. Porównanie termiki okna przy zastosowaniu różnego szklenia (Grzegorz Kuligowski)

Na uwagę zasługuje nie tylko obniżony współczynnik U_w, ale przede wszystkim fakt, że udało się go osiągnąć przy zachowaniu optymalnego bilansu parametrów elementów składowych – i komfortu termicznego, o czym pisano wcześniej.

Efekt bardziej spektakularny uzyskuje się w oknach o mniejszych rozmiarach, gdzie procentowy udział ram okiennych w powierzchni całego okna jest większy, zależało nam jednak na jednoczesnym zestawieniu termiki ze statyką: okno pozbawione stali może być i ciepłe, i duże.

Obliczenia i konsultacje: Grzegorz Kuligowski, inżynier produktu oraz technolog produkcji w zakresie okien i drzwi – głównie w technologii PVC i aluminium. Zajmuje się opracowywaniem i wdrażaniem do produkcji nowych profili z PVC i aluminium oraz wzmocnień stalowych. Autor publikacji w prasie branżowej oraz twórca szkoleń specjalistycznych w zakresie efektywności energetycznej okien i drzwi, efektywności energetycznej montażu i zabudowy okien i drzwi oraz statyki dużych przeszkleń. Jako niezależny konsultant współpracuje z producentami okien, ich partnerami handlowymi i grupami montażowymi oraz z dostawcami systemów okiennych. Wspiera architektów i deweloperów przy doborze okien w procesie ich zamawiania i nadzoru nad montażem.