Navrhování velkoformátového zasklení lehkého obvodového pláště

Požadavky na mechanickou odolnost a stabilitu

Stavební konstrukce musí být navrženy a provedeny tak, aby odolaly předvídatelným vlivům v souladu s příslušnými normami. Jedná se především o normy definující zatížení staveb a jejich konstrukcí. Na fasádní plášť působí zatížení užitné, zatížení tlakem a sáním větru, případně zatížení sněhem. Skleněné výplně musí být samostatně posouzeny na odolnost proti změnám klimatu, tedy střídání zimních a letních teplot.

Požadavky na ochranu zdraví a životního prostředí

Prosklený fasádní plášť musí mít takové vlastnosti, aby bylo zajištěno požadované osvětlení denním světlem a naopak, aby byla zajištěna ochrana proti přehřívání nadměrným osluněním a zajištění optimálních podmínek pro užívání interiéru. Dále musí fasádní plášť chránit proti vnějšímu hluku a zajistit požadovanou úroveň akustického tlaku v interiéru podle norem. Samozřejmostí je zajištění tepelné ochrany budovy podle platných předpisů.

Požadavky na bezpečnost

Lehký prosklený fasádní plášť musí zajistit ochranu proti propadnutí a proti pádu z otevřené okenní výplně podle platných technických norem. Prosklený fasádní plášť musí být navržen spolu s dalšími protipožárními opatřeními tak, aby budova splnila požadavky příslušných norem o ochraně proti požáru.

Zatížení působící na skleněnou výplň

Skleněné výplně lehkého obvodového pláště musí být navrženy tak, aby odolaly všem uvažovaným zatížením, která mohou na tyto výplně působit během provozu budovy. Zatížení skleněné výplně nesmí překročit hodnoty, při kterých by došlo k překročení meze napětí ve skle nebo k překročení mezního průhybu uprostřed tabule. Např. norma ČSN EN 16612 stanoví jako nejvyšší přípustnou deformaci skla 1/65 kratšího rozměru tabule. Podrobněji se problematikou povolených průhybů zasklení zabývá budoucí Eurocode 10 – Návrh skleněných aplikací, který bude uveden v platnost v roce 2026.

Mezní napětí skla se liší podle způsobu tepelného zpracování skla. Pro nejběžnější sklo float (sklo hladké, bez potisku) jsou limity dovoleného napětí nastaveny dle tabulky níže.

způsob tepelného zpracování	charakteristické napětí [MPa]
Základní sklo chlazené	45
Sklo tepelně zpevněné	70
Sklo tepelně tvrzené	120

Zatížení větrem se určuje podle normy ČSN EN 1991-1-4. Pro výpočet zatížení skleněné výplně není rozhodující jen větrná oblast a typ terénu, jak se určí podle národní přílohy normy, ale samozřejmě také výška objektu, tvar budovy a poloha výplně na fasádě. Obecně platí, že nejvyšších absolutních hodnot je dosaženo při sání větru na nároží budovy.

Užitné zatížení je definováno normou ČSN EN 1991-1-1 jako lineární vodorovné zatížení svislé konstrukce ve výšce přibližně 1 metr nad podlahou. Velikost tohoto zatížení je v národní příloze pro obytné prostory určena hodnotou 0,5 kN/m a pro ostatní prostory vyjma ploch, kde může dojít k velké koncentraci lidí, hodnotou 1,0 kN/m. Jestliže není prosklená plocha přerušena v uvedené úrovni mezi 0,8 až 1,2 metru nad podlahou pevnou příčkou, která by dané zatížení přenesla do stavební konstrukce, musí tomuto zatížení odolat samotná skleněná výplň.

Kombinace zatížení užitného a od sání větru je stanovena např. v normě ČSN EN 16612. Při výpočtu deformací a napětí ve skle se uvažuje poměr spolupůsobení sání větru a užitného zatížení v poměru 1:0,7 nebo 0,6:1 a uvažuje se vyšší zatížení skla. Při výpočtu tabulí izolačního skla se zatížení, působící přes dutinu izolačního skla, násobí koeficientem 0,3. Je samozřejmé, že se musí posuzovat obě tabule (vnější i vnitřní). Spolupůsobení se uvažuje právě při sání větru, kdy obě zatížení, tedy od sání větru a užitné, působí stejným vektorem.

Klimatické zatížení skleněných výplní se projevuje změnou tlaku v dutině izolačního skla. Změna tlaku plynu v dutině vyvolá průhyb skleněných tabulí. V případě asymetrické tloušťky tabulí nebo rozdílné kompozice tabulí (monolitické a vrstvené sklo) působí změna tlaku více na sklo s menší tuhostí. Jestliže jsou ve fasádě použity úzké skleněné výplně (asymetrické rozměry, kdy je poměr stran větší než přibližně 3:1), mají skleněné tabule v kratším rozměru velkou tuhost a může dojít vlivem rozdílného tlaku v dutině k překročení mezního napětí ve skle a tabule může prasknout. Pro úzké tabule může vycházet výpočtově od užitného zatížení a od zatížení větrem slabší sklo, ale tlak plynu v dutině může být násobně vyšší než uvedená zatížení, protože tvar tabule neumožňuje dostatečný bezpečný průhyb skla.

Samostatnou problematikou klimatického zatížení je přehřívání neprůhledných izolačních skel v parapetech a izolačních skel v tzv. shadow-boxech, tedy neprůhledných výplních, které jsou tvořeny transparentním izolačním sklem, za nímž je několikacentimetrová vzduchová dutina a lakovaný plech tepelně izolovaného panelu. Použití izolačního skla vyvolává extrémně zvýšenou teplotu na vnitřním skle a také na hraně izolačního skla. Tato teplota překračuje maximální přípustnou teplotu chlazeného skla, ale i skla tepelně zpevněného a musí být vždy pro vnitřní tabuli použito sklo tepelně tvrzené. Teplota v hraně skla mnohdy překračuje dovolené teploty použitých těsnících materiálů, zvláště butylového tmelu těsnícího izolační dutinu skla. Proto je vždy nutné provést u takových skleněných výplní analýzu tepelného zatížení.

Skleněné výplně lehkých obvodových plášťů obvykle plní funkci zábradlí, zasahují-li níže, než je stanoveno pro výšku parapetu pod oknem. Tyto výplně, nejsou-li přerušeny příčkou v požadované výšce, musí odolat výše uvedenému užitnému zatížení a také být odolné proti nárazu měkkým těžkým tělesem, jak je určeno v příloze B normy ČSN 74 3305. Odolné proti nárazu musí být také skleněné výplně pod příčkou, mají-li minimální výšku 500 mm.

Je-li do lehkého obvodového pláště osazena otevíravá okenní výplň, musí být horní hrana příčky ve výšce, která je stanovena v § 34 vyhlášky č. 146/2024 Sb., o požadavcích na výstavbu.

Zatížení nárazem z vnějšku se musí při návrhu skleněných výplní uvažovat v případě, že je na budově instalován přístupový systém pro údržbu ve formě montážní závěsné plošiny. Toto zatížení není závazně stanoveno, nicméně se může při návrhu postupovat podle normy ČSN EN 14019 a jako kritérium odolnosti stanovit vhodnou třídu odolnosti E1 – E5.

Bezpečnost a stabilita

I když se provede správný výpočet tlouštěk skleněných výplní podle uvažovaných zatížení, může dojít k prasknutí skleněné tabule z jiných příčin a při použití skla ve vyšších polohách nad vnější pochozí plochou je určité, byť velmi malé riziko vypadnutí střepů z výplně.

Základním předpokladem je správné uložení skleněných výplní podle zásad daného systému a obecných principů uložení skla do rámu. Konstrukce lehkého obvodového pláště musí být natolik tuhá, aby žádné zatížení nebo deformace nebyly přenášeny do samotné skleněné výplně.

Riziko tepelného šoku může způsobit prasknutí chlazeného skla, které má nejnižší dovolené napětí a nejnižší odolnost na rozdílné teploty v ploše tabule (čímž vznikne v tabuli nadměrné napětí). Tepelný šok vznikne obvykle nestejnoměrným ohřátím venkovní tabule zvláště po chladných nocích, kdy je část skleněné tabule stíněna sluneční clonou, částí budovy nebo jinou budovou, lešením nebo nevhodně aplikovaným polepem tabule. Teplotní rozdíl chladné části a náhle osluněné části způsobí překročení meze napětí ve skle a k tzv. termickému lomu. Obvykle nedojde k rozbití tabule na menší střepy, které by mohly vypadnout.

Riziko tepelného šoku lze do jisté míry eliminovat zabroušením všech hran skleněné tabule, protože tím se omezí koncentrace napětí na ostře lomené hraně skla a v místech možného poškození hrany při manipulaci. Ovšem optimální je použití tabule tepelně opracovaného skla, které má výrazně vyšší odolnost vůči rozdílnému tepelnému namáhání.

Riziko samovolného prasknutí tepelně tvrzeného skla vlivem inkluze sulfidu niklu ve sklovině je velmi nízké a dále se dá řádově snížit následnou tepelnou úpravou skla tzv. popouštěním. Tepelně tvrzené sklo je znovu v peci ohřáto na teplotu 250–270 °C a následně zchlazeno. Případné mikroskopické inkluze krystalů sulfidu niklu, které se v povrchové vrstvě skla mohou objevit, mají větší tepelnou roztažnost než samotná sklovina a jejich rozpínáním dojde k překročení napětí v povrchové vrstvě a k prasknutí tabule. Procesem popouštění se eliminuje většina kontaminovaných tabulí (v celém výrobním procesu se jedná o nízké jednotky procent) a na stavbu se dostávají skla s téměř nulovým rizikem samovolného prasknutí, nicméně riziko v promile případů stále existuje.

Riziko pádu střepů se vznáší kolem všech vyšších budov proskleným fasádním pláštěm. Nicméně stejné riziko existuje i u vícepodlažních bytových domů s obyčejnými okny, kde se používá sklo o tloušťce 4 mm bez jakýchkoliv výpočtů a posouzení. Případy, kdy došlo k vysypání skleněné výplně formou střepů a nebylo to způsobeno přímým lidským působením, jsou statisticky zanedbatelné. Do rizika poranění padajícími střepy lze jen těžko zahrnovat pojistné události typu nehody nebo výbuchu, případně přečiny způsobené násilným konáním člověka.

Je-li oprávněný zájem omezit riziko úrazu padajícími střepy osob pohybujících se pod prosklenou fasádou, je vhodné použít vnější tabuli izolačního skla ze skla vrstveného, které stoprocentně zajistí stabilitu rozbitého skla a jeho setrvání v rámu.

Tepelná izolace

Vzhledem k platným právním předpisům a navazujícím technickým normám a požadavkům na úsporu energií při provozu budov, je téměř nevyhnutelné používat pro zasklení lehkých obvodových plášťů izolační trojskla. V současnosti je technický limit součinitele prostupu tepla dvojskla na hodnotě 1,0 W/m²K a trojskla na hodnotě 0,5 W/m²K při plnění dutin izolačního skla argonem.

Použití velkoformátových trojskel v lehkém obvodovém plášti má svá úskalí, která je nutné vždy zahrnout do návrhu. Na rozdíl od běžných oken, kde se nejčastěji objevuje trojsklo se třemi tabulemi o tloušťce 4 mm, se pro velkoformátové zasklení používají výrazně silnější tabule. Při výpočtu zatížení vnější a vnitřní tabule nehraje prostřední sklo trojskla podstatnou roli, nicméně musí být dimenzováno tak, aby odolalo rozdílným tlakům v dutinách a bylo technologicky manipulovatelné. Dále je pro dosažení ideálního součinitele prostupu tepla nutné dodržet šířku obou dutin alespoň 16 mm. Z toho vychází o přibližně 20 mm silnější sklo než u dvojskla a hmotnost vyšší o 13 kg/m² (při použití střední tabule tlusté 5 mm).

Pro dosažení požadovaného součinitele prostupu tepla izolačního dvoj – nebo trojskla je rozhodující použité pokovení a šířka meziskelní dutiny. Tloušťka tabulí má minimální vliv a tepelné zpracování skla nemá na výslednou tepelnou izolaci žádný vliv.

Akustická izolace

Zvuk se šíří prostředím (a materiály) mechanickým vlněním a jeho útlum mezi zdrojem a přijímačem závisí zjednodušeně na tuhosti (hmotnosti) materiálů a na vhodných tlumicích vrstvách. Jednoduché tabulové sklo funguje z hlediska šíření zvuku jako pružná membrána. Pro dosažení lepšího útlumu zvuku se aplikuje mezi dvě tabule meziskelní fólie, která působí jako tlumič. Izolační dvojskla pak dosáhnou ještě lepších výsledků díky tlumící plynové výplni dutiny. Kombinace různých tlouštěk tabulí ve dvojskle dále sníží šíření zvuku díky rozdílným frekvencím těchto tabulí. Trojsklo při shodných tloušťkách vnější a vnitřní tabule nemá zpravidla lepší zvukový útlum než adekvátní dvojsklo. Také tepelná úprava tabulí (skla tepelně zpevněná nebo tvrzená) nemá žádný vliv na zvukový útlum.

Akustické vlastnosti izolačních skel se zkouší na normovém rozměru vzorku 1,23 × 1,48 m. Stejně tak i extrapolované hodnoty pro kompozice, které nebyly fyzicky zkoušeny, se vztahují k tomuto rozměru tabule, aby byly hodnot pro různá složení porovnatelné. Výrazně větší skleněné výplně lehkých obvodových plášťů mívají nižší neprůzvučnost než malé laboratorní vzorky, a to i o více než 5 dB. Proto je vždy nutná korekce a extrapolace na velký rozměr a určitá rezerva při stanovení požadavku na skleněnou výplň.

Požadavky na neprůzvučnost fasádního pláště stanovené technickou normou vychází z nejčastějšímu hluku z pozemní dopravy. Má-li převažující hluk odlišné spektrální složení, použijí se pro korekci faktory přizpůsobení spektru (C, C_tr), které mají záporné hodnoty a požadovanou váženou vzduchovou neprůzvučnost snižují.

Faktor C_tr, vyjadřuje korekci neprůzvučnosti pro hluk o nízkých a středních frekvencích, nejčastěji se jedná o městský hluk tramvajové dopravy, automobilové dopravy o nízké rychlosti a v blízkosti křižovatek. Izolační skla mají hodnotu faktoru C_tr poměrně velkou a může se pohybovat až v hodnotách −6 až −8 dB, z čehož plyne, že relativně výkonné sklo s váženou vzduchovou neprůzvučností Rw = 49 dB může mít výsledný útlum jen 41 dB po přičtení záporné hodnoty C_tr. Proto je vhodné využívat tuto korekci velmi obezřetně.

Při uvážení ekonomicky a technicky racionálních tlouštěk tabulí izolačního skla a aplikaci všech technologických možností, tedy použití vrstvených skel a akustickou fólií a staticky použitelnou asymetričností tlouštěk tabulí je možné dosáhnout u dvojskla i trojskla maximální vážené vzduchové neprůzvučnosti do přibližně 52 dB.

Radiační vlastnosti

Mluvíme-li o radiačních vlastnostech skla, máme na mysli prostup (denního) světla pro osvětlení interiéru a prostup celkového slunečního záření (včetně IR složky), tedy energie měnící se v teplo ať už ve skle nebo na površích v interiéru.

Prostup denního světla (parametr označovaný L_t) je důležitý pro osvětlení pobytových místností a pracovišť. Zvláště u kancelářských budov s tzv. open-space kancelářemi je dosah požadovaného normou stanoveného osvětlení do hloubky interiéru důležitý. Nic na tom nemění skutečnost, že většina kancelářské práce se v současnosti odehrává na monitoru, a proto i místa v blízkosti proskleného pláště se zastiňují, aby byla práce na monitoru pro zrak příjemná. Prostup světla skrz izolační sklo je ovlivněn mimo jiné celkovou tloušťkou skloviny, kdy každý milimetr tloušťky ubere pár desetin procenta a rozdíl mezi celkovou tloušťkou okenního skla 3×4 mm a fasádního skla například 10+5+10 mm jsou 3 %. Tomuto často nežádoucímu efektu lze předejít u velkoformátových fasádních skel návrhem zasklení ze skel se sníženým obsahem železa, které vnáší do běžného skla jeho typický nazelenalý nádech.

Zásadní vliv na prostup viditelného světla má počet vrstev a typ pokovení v izolačním skle. Rozdíl mezi dvojsklem 4-16-4 s jednou vrstvou nízkoemisivního pokovení a Ug = 1,0 W/m²K a trojsklem 4-16-4-16-4 s dvěma vrstvami nízkoemisivního pokovení a Ug = 0,5 W/m²K dosahuje 12 %. Je-li požadováno sklo s protisluneční ochranou (činitel prostupu sluneční energie, označovaný g) pro snížení teplené zátěže interiéru, může být ztráta na procházejícím viditelném světle dalších 10–15 %.

Proto je důležité si předem stanovit požadované hodnoty součinitele prostupu světla podle výpočtů denního osvětlení interiéru a činitele prostupu sluneční energie, který se kombinuje s účinností vnějšího stínění, podle výpočtu tepelných zisků v letním období, ze kterého následně vyjde případně požadavek na chlazení. Podle těchto požadavků lze následně v kombinaci se zohledněním tlouštěk skla nalézt vhodný typ pokovení. K tomu slouží konfigurátory skla, softwarové nástroje, které poskytují výrobci izolačních skel.

Komplexnost návrhu skleněných výplní LOP

Jak je zřejmé z výše uvedených požadavků na vlastnosti zasklení lehkého obvodového pláště, je optimální návrh složení, tlouštěk a typu pokovení izolačního skla výsledkem kompromisů, kdy se musí brát zřetel na pevně dané priority a variabilní parametry.

Při návrhu je prioritou jednoznačně stabilita a bezpečnost skleněné výplně, které určí minimální tloušťky a případně způsob tepelného zpracování. Návrh lze ovlivnit vhodným technickým řešením lehkého obvodového pláště, například zmenšením skleněných tabulí, vložením pevné příčky v úrovni výšky zábradlí nebo zvýšením spodní hrany prosklení do úrovně běžného parapetu, protože prosklení pod touto úrovní nemá vliv na osvětlení interiéru, ale naopak zvyšuje solární tepelné zisky.

Dalším krokem jsou pevně dané vlastnosti jako součinitel prostupu tepla, kdy lze volit mezi dvojsklem (je-li použitelné vzhledem ke stanoveným cílům úspory energie) a trojsklem.

Požadavky na zvukový útlum by měly vycházet z reálného měření hluku v dané lokalitě a neměly by být stanoveny zbytečně vysoké, zvláště s ohledem na vliv faktoru přizpůsobení spektru Ctr. Je také vhodné se zabývat využitím vnitřních chráněných ploch s ohledem na hlukovou zátěž konkrétní fasády.

Poslední a nejvariabilnější jsou radiační vlastnosti skleněné výplně, tedy prostup světla a prostup celkové sluneční energie. Tyto vlastnosti se dají ovlivnit volbou vhodného typu pokovení z velké škály, kterou každý výrobce stavebního skla nabízí.

Až nakonec přichází v úvahu posoudit vizuální aspekty navrženého izolačního skla jako je vnější a vnitřní reflexe nebo barevné zabarvení z exteriéru. Index podání barev v interiéru je obvykle pro trojskla a vysokým prostupem světla nad 95 %. Tyto charakteristiky by neměly nikdy být upřednostňovány před výše uvedenými.

Projektant, navrhující budovu s proskleným lehkým obvodovým pláštěm by měl vždy úzce spolupracovat se zkušeným statikem, který umí navrhovat stavební sklo a dále konzultovat vhodné složení se specialistou, který má přehled o technologických možnostech stavebního skla a umí využívat softwarové nástroje pro konfiguraci skleněných výplní.