Awaria szklanej elewacji

Na konferencji w Międzyzdrojach (organizowanej przez Politechnikę Szczecińską), poświęconej awariom budowlanym, jeden z referatów wygłosił autor zachodni (acz Polak - Ryszard Kowalczyk, reprezentujący University of Beira Interior). Omówimy ten ciekawy tekst ze względu na jego "przystawalność" do tematyki, jaką z definicji zajmuje się OKNO. Drugi, chyba nie mniej istotny powód jest taki, że owa prezentacja została utrzymana w anglosaskim stylu; tj.
z dbałością o atrakcyjność podawanego zagadnienia, jakże odmienną od "kontynentalnego" stylu uprawiania nauki, który to styl zbytnio jest zapatrzony na niemieckie wzorce.

Przedmiotem rozważań R. Kowalczyka był słusznych rozmiarów wysokościowiec (60 kondygnacji) w Bostonie, nazwany John Hancock Tower. Dłuższy jego bok mierzył 90 metrów; wysokość wynosiła 241 metrów, konstrukcyjnie wspierał się na szkielecie ramowym, natomiast jego elewacja była lustrzana; we wspomnianej posłużono się szklanymi panelami, w postaci podwójnie szklonych szyb o wymiarach 1,35 na 3,45 metra.

Zaczęto go budować prawie 30 lat temu; niestety, w styczniu 1973 r., nad miastem pojawiła się potężna nawałnica (John Hancock Tower nie był jeszcze ukończony). Szybkość wiatru sięgała 120 km na godzinę! Panele szklane wypadały jeden po drugim, burza zabrała ich aż sześćdziesiąt pięć, na domiar złego, w następnych tygodniach, choć burzy już nie było, okna wypadały dalej. W efekcie wieżowiec zaczął straszyć czarną dyktą, którą wstawiano w miejsce wybitych szyb. Zniszczeniu uległo - dane z kwietnia 1973 r. - aż cztery tysiące metrów kw. szklanej elewacji, co nadało mu cokolwiek trumiennego wyglądu!
Sprawa stała się głośna, zaczęły krążyć po mieście najbardziej niestworzone historie, których pożywką było utajnienie przyczyn awarii, co stało się w wyniku porozumienia sądowego. Jak podaje
R. Kowalczyk:
"Zawarto umowę sądową, że wszyscy uczestniczący w wyjaśnianiu zagadki zachowania się budynku nie podadzą do publicznej wiadomości rzeczywistych kłopotów i zagrożeń budynku John Hancock. Dopiero w 1988 roku ukazały się pierwsze publikacje w tej sprawie, analizujące kłopoty budynku i podające pierwsze ogólne wnioski w tej sprawie. Natomiast autorzy wnikliwej analizy, eksperci zaproszeni do oceny zachowania się budynku, a mianowicie Prof. Bruno Thurlimann i Prof. Alan Davenport nie mogą się wypowiedzieć publicznie z uwagi na obowiązującą ich umowę milczenia nakazaną przez sąd".

Stare polskie przysłowie powiada: "Co kraj, to obyczaj" - i wychodzi na to, że jest ono trafne.

Ponieważ problemy z budynkiem wystąpiły już w trakcie kopania fundamentów - osiadał grunt, zagrażając np. sąsiedniemu zabytkowemu kościołowi - wieść gminna w tym upatrywała powód wypadania okien.

Pomiary badawcze skoncentrowały się na odkształceniach budynku wywołanych działaniem wiatru. Okazało się, że istotnie wychylenia są zbyt duże, lecz nie one były głównym winowajcą, choć niewątpliwie przyczyniały się do powstawania dyskomfortu u bywalców najwyższych kondygnacji.

"Ruchy budynku przypominały taniec kobry, ponieważ do wychyleń dodawały się jeszcze ruchy skrętne. Częstość drgań liniowych była bardzo bliska częstości drgań skrętnych i oba te zjawiska, nakładając się równocześnie się wzmacniały".

Wyjaśnienie zagadki wypadania szkła okazało się absolutnym zaskoczeniem. Próbki paneli stosowanych do budynku Hancock zostały szczegółowo przebadane w tunelu aerodynamicznym w Ontario. Okazało się, że problem tkwi w konstrukcji samych paneli okiennych.
"Każdy panel był konstrukcją warstwową: dwie warstwy szkła, oddzielone warstwą powietrza, zostały utwierdzone w metalowej ramie. W celu wyeliminowania odblasku i ciepła słońca, położono chromową warstwę odblaskową na wewnętrznej powierzchni szyby zewnętrznej (Warstwa ta miała nadawać elewacji efekt lustrzany). Tafle szklane były uszczelnione i zamocowane do ramy okiennej za pomocą ołowiu i dodatkowo lutowane do warstwy chromu. W czasie badań okazało się, że pękanie szkła rozpoczynało się od mikroskopijnej rysy w narożu zewnętrznej szyby. Połączenie za pomocą lutowania i ołowiu było tak mocne i tak sztywne, że nie pozwalało na jakikolwiek ruch. Szkło okienne zawsze musi mieć swobodę ruchu, odkształca się wraz ze zmianami temperatury i drga pod wpływem wiatru. Sztywne połączenie powodowało zmęczenie i powstanie drobnej rysy, która propagując przez szybę rozpoczynała proces jej zniszczenia.
Efektem tych badań była konieczność wymiany wszystkich 10 344 podwójnie szklonych paneli okiennych na pojedyncze tafle ze szkła hartowanego. Producent paneli pokrył koszt wymiany, który wnosił 7,0 milionów USD. Częścią ugody było uzgodnienie, że sprawa pozostanie utajniona".

Po wymianie szklanej elewacji autor projektu zwrócił się do niezależnego (i bardzo słynnego) eksperta z pytaniem, czy budynek jest całkowicie bezpieczny. Ocena tego eksperta była jeszcze bardziej zaskakująca niż zagadka wypadania okien. Budynkowi mogło grozić zawalenie przy pewnego rodzaju uderzeniach wiatru, a katastrofa mogła "nastąpić w kierunku podłużnym".

"John Hancock" ma wygląd smukłej tarczy, długość elewacji podłużnej znacznie przewyższa szerokość budynku; w takiej sytuacji uwaga konstruktora z natury rzeczy koncentruje się na kierunku poprzecznym. I tutaj sztywność budynku była dobra. Gorzej - z kierunkiem podłużnym, jak to pokazały obliczenia zespołu ekspertów.
Problem polegał na tym, że poza ramami zewnętrznymi, konstrukcja wewnętrzna budynku, to układy słupowo-belkowe z przegubowym połączeniem między słupami i ryglami. Jednak zgodnie z ówczesnymi normami traktowano te konstrukcje jako szereg podłużnych ram. Działające obciążenia to działanie wiatru na krótsze ściany budynku oraz obciążenia pionowe. Wskutek przegubowego połączenia rygli ze słupami w ramach wewnętrznych, odkształcenia poziome wywołane wiatrem były większe niż przy założeniu pełnej sztywności wszystkich ram.

W efekcie tej oceny dokonano wzmocnienia konstrukcji przez zastosowanie usztywnień w pewnej liczbie ram za pomocą krzyżulców. Koszt tej operacji, która wymagała zastosowania do wzmocnień 1500 ton stali, wynosił 5 milionów USD.

Okazało się w rezultacie, że nie było winnych kłopotów związanych z budynkiem John Hancock. Projekt był zgodny z ówczesnymi normami. Koniecznością stało się nie tylko usztywnienie samego budynku, ale także usztywnienie norm. W oparciu o te wyniki, przepisy amerykańskie dotyczące stateczności konstrukcji zostały zmienione i zaostrzone. Omawiany wysokościowiec stał się jednym z najbezpieczniejszych wieżowców, wyróżniających się do tego urodą.

Jerzy Grundkowski