Każde okno wbudowane w ściany budynku poddawane jest nieustannemu działaniu różnych obciążeń, które wpływają na jego trwałość. Można je podzielić na dwie grupy. Obciążenia własne, pochodzące od ciężaru własnego, np. ciężaru oszklenia, ciężaru kształtowników oraz obciążenia użytkowe powodowane przez użytkownika albo zjawiska zewnętrzne, na przykład wiatr lub śnieg. Przy projektowaniu i wymiarowaniu standardowych okien PVC z reguły nie bierze się pod uwagę obciążeń własnych. Warto, a na nawet trzeba na nie zwrócić uwagę w przypadku fasad albo zastosowania w konstrukcji okiennej elementów bezpośrednio obciążanych przez oszklenie, na przykład ślemion w oszkleniach stałych. Wśród obciążeń użytkowych wpływających na pionowe konstrukcje okienne szczególnie istotną rolę odgrywa obciążenie siłami parcia i ssania wiatru. Niezależnie jednak od źródła pochodzenia sił obciążających powinny być one w odpowiedni sposób przenoszone z okna na konstrukcję budynku lub budowli.

Skutkiem oddziaływania na okno obciążeń pochodzących od parcia i ssania wiatru, jest odkształcanie elementów jego konstrukcji. Instytut Techniki Budowlanej w udzielanych przez siebie aprobatach technicznych wydawał w tym względzie następujące zalecenie: „Ugięcie czołowe względne najbardziej odkształconego elementu okien i drzwi balkonowych pod obciążeniem wiatrem według PN-77/B-02011 nie powinno być większe niż 1/300 (klasa C według wartości względnego ugięcia czołowego wg PN EN 12210:2001)”. Uzupełniając, to zalecenie ITB dodamy, że przy wymiarowaniu konstrukcji okiennych i określaniu wartości maksymalnych dopuszczalnych ugięć warto sprawdzić, czy przy maksymalnym odkształceniu kształtowników nie zostanie przekroczone dopuszczalne ugięcie szyby. Producenci szyb z reguły przyjmują, że nie powinno być większe niż 1/200 lub 8 mm. W przypadku oszkleń stałych i okien stałoszklonych można przyjmować, że dopuszczalne ugięcie dla najbardziej odkształconego elementu o długości wynoszącej do 1m powinno wynosić maksymalnie 3 mm, a w przypadku elementów o długości od 1 m do 3 m ugięcie obliczeniowe nie powinno być większe niż 1/500. Ze względu na konieczność zagwarantowania funkcjonalności skrzydeł okiennych można również przyjmować, że dopuszczalne ugięcie pól skrzydeł nie powinno przekroczyć 3 mm.

Zapobieganie nadmiernym lub trwałym odkształceniom okien PVC wymaga stosowania dodatkowych wzmocnień. W większości systemów okiennych taką rolę pełnią stalowe profile wzmacniające dostosowane kształtem do konstrukcji komór poszczególnych kształtowników okiennych z PVC i grubości ścianek wynikającej z obliczeń statycznych, umieszczane na całym obwodzie ram, niezależnie od wymiaru okna. Ze względu na sposób łączenia profili stalowych z profilami PVC oraz niektóre techniki montażu okien, zgodnie z zaleceniem ITB, kształtowniki stalowe powinny być zabezpieczone przed korozją powłoką cynkową, o grubości co najmniej 275g/m². Powszechnie uznawana konieczność wzmacniania okien z tworzyw sztucznych odpowiednimi kształtownikami ze stali wynika bezpośrednio z małej wytrzymałości PVC. W statyce rozróżnia się pojęcie wytrzymałości na rozciąganie oznaczanej literowo „EA” i wytrzymałości na zginanie oznaczanej literowo „EI”. Dla projektowania i wykonywania konstrukcji okiennych istotne są wartości w zakresie wytrzymałości na zginanie. Literą E oznacza się wartość modułu odkształcalności liniowej albo inaczej modułu sprężystości nazywanego w skrócie modułem Younga. Podawany jest w jednostkach siły na powierzchnię, na przykład kN/cm², N/mm². Pod pojęciem sprężystości należy rozumieć właściwość wszystkich ciał stałych polegającą na cofaniu się odkształcenia powstającego pod wpływem siły zewnętrznej po zaniku obciążenia. Jeżeli zmiana kształtu jest trwała po zaniku obciążenia mamy do czynienia z plastycznym zachowaniem materiału.

Moduł Younga jest współczynnikiem zależnym od temperatury i określanym na podstawie badań materiałowych. Im większa wartość współczynnika E, tym mniejsze są odkształcenia ciała pod działaniem danego obciążenia. Poniżej prezentujemy tabelę z przykładowymi wartościami modułu sprężystości dla kilku wybranych materiałów.


Tabela pokazuje, że PVC, jest materiałem o wytrzymałości ponad 87 razy mniejszej od stali. Z tego też powodu wartość modułu Younga dla PVC ma marginalne znaczenie w obliczeniach statycznych związanych z projektowaniem i wymiarowaniem okien oraz ustalaniem rodzaju wzmocnień niezbędnych do zapewnienia odpowiedniej sztywności elementom konstrukcji poddawanym działaniu obciążeń pochodzących od sił zewnętrznych. Nie mniej warto wiedzieć, że istnieją również metody obliczeń statycznych, w których uwzględnia się również wytrzymałość kształtowników okiennych z PVC. Znajomość wartości współczynnika E nie daje jeszcze żadnej informacji o nośności konkretnego przekroju kształtownika PVC, czy też kształtownika stalowego, pozwala jedynie porównywać wytrzymałość materiałów. Podczas ugięcia wytrzymałość konstrukcji, na przykład słupka stałego w oknie, zależna będzie od jego geometrii (kształtu przekroju), wymiarów oraz umieszczenia względem działającej siły. Dobrym przykładem wyjaśniającym powyższe zależności jest prosty eksperyment, który każdy może przeprowadzić w warunkach domowych, polegający na... próbie ugięcia linijki kreślarskiej wykonanej z PVC. Bez problemu można ją ugiąć w kierunku przekroju o małej wysokości, „na płasko”, ugięcie w kierunku przeciwnym „na sztorc” przy użyciu takiej samej albo nawet sporo większej siły jest praktycznie nie możliwe. Co jest przyczyną tego zjawiska? Skrajnie różna wartość momentu bezwładności. Co to takiego? Momenty, w których uwzględniane są kształt i geometria przekroju, oznaczane są jako momenty powierzchniowe. W statyce rozróżnia się momenty powierzchniowe pierwszego, drugiego i wyższego stopnia. W projektowaniu konstrukcji okien, wystarcza uwzględnienie momentu powierzchniowego 2 stopnia, czyli „momentu bezwładności”. Symbolem określającym moment bezwładności jest litera „I” od łacińskiego pojęcia „Inertia ignavia”, a jednostką miary jest 4 potęga dowolnej jednostki długości, na przykład cm4. W zależności od kierunku działania siły obciążającej w indeksie dolnym symbolu I pojawiają się również litery x albo y, co pokazujemy na poniższych ilustracjach.


Na rysunku z lewej strony widoczny jest schemat przekroju kształtownika słupka stałego systemu Deceuninck Eforte z zaznaczonym kierunkiem działania sił obciążających. Z naciskiem należy podkreślić, że takie położenie osi jest umowne i odmienne od statyki w budownictwie oraz przyjmowane w tej postaci wyłącznie dla potrzeb projektowania okien. Po prawej stronie widoczne są dwa schematyczne przekroje profili stalowych stosowanych jako wzmocnienia tego określonego słupka stałego z obliczoną dla nich wartością momentu bezwładności I w osi x. Znając wartość modułu sprężystości dla stali i wartości momentu bezwładności w osi x obu kształtowników możemy obliczyć ich wytrzymałość na zginanie według wzoru EI = E * Ix.

Dla stalowego kształtownika nr 1 - EI = 21.000 * 14,8 = 310.800 kNcm²
Dla stalowego kształtownika nr 2 - EI = 21.000 * 13,2 = 277.200 kNcm²

Wybraliśmy ten dość charakterystyczny przykład ponieważ idealnie pokazuje jak geometria przekroju kształtownika wpływa na wartość obliczonego dla niego momentu bezwładności, a przez to na wytrzymałość na zginanie, a przy okazji obala pewien mit krążący po rynku okien. Wielu mniej doświadczonych sprzedawców przekonuje inwestorów, że zastosowanie w oknie wzmocnień o przekroju zamkniętym jest najkorzystniejsze dla poprawy wytrzymałości konstrukcji. Nie zawsze okazuje się być to prawdą, co ilustruje wybrany przez nas przykład. Wartość obliczonego momentu bezwładności dla obu stalowych kształtowników pokazuje, że mimo grubszej ściany (2,5mm) i teoretycznie „korzystnego” kształtu, profil (nr 2) o charakterystyce zamkniętej ma mniejszą wytrzymałość na zginanie w osi x oraz niższą wartość momentu bezwładności Ix od kształtownika otwartego (nr 1), o cieńszej ścianie, ale zdecydowanie bardziej skomplikowanej geometrii. Nasz przykład potwierdza tezę, że tylko właściwa geometria kształtownika stalowego i grubość jego ścian zapewnią oknu odpowiednią sztywność, a co za tym idzie trwałą odporność na działanie możliwych do przewidzenia niekorzystnych zjawisk zewnętrznych. Im wyższe momenty bezwładności posiadają kształtowniki stalowe zastosowane jako wzmocnienie elementów konstrukcyjnych okna, tym bardziej jest ono odporne na trwałe odkształcenia pod wpływem działających na nie, dających się przewidzieć sił parcia i ssania wiatru.

Konieczność uwzględniania wymagań statyki w produkcji stolarki okiennej z PVC jest jednym z najistotniejszych zagadnień dla zapewnienia trwałości i funkcjonalności konstrukcji okiennych. Z różnych względów wielu producentów popełnia jednak nadal wiele błędów przy doborze i stosowaniu kształtowników stalowych jako czynnika podwyższającego wytrzymałość elementów konstrukcyjnych okna. Do najpowszechniejszych trzeba zaliczyć:
- Brak obliczeń statycznych dla konstrukcji okiennych.
- Stosowanie najcieńszych wzmocnień stalowych o momentach bezwładności całkowicie niedostosowanych do konstrukcji okna oraz możliwych do przewidzenia sił działających na okno.
- Stosowanie takich samych wzmocnień stalowych niezależnie od wielkości konstrukcji okiennych, ciężaru skrzydeł, miejsca wbudowania okien oraz sposobu łączenia konstrukcji okiennych w zestawy.
- Brak stosowania łączników statycznych do połączeń konstrukcji okiennych w zestawy bez względu na wielkość konstrukcji.
- Stosowanie tylko fragmentów wzmocnień stalowych w miejscach mocowania zawiasów skrzydeł lub innych miejscach uznanych przez producenta za newralgiczne ze względu na konstrukcję okna.
- Całkowity brak wzmocnień we wszystkich konstrukcjach okiennych mimo obowiązku ich stosowania.

Powszechność występowania wyżej wymienionych błędów zdaje się wynikać głównie ze źle pojętej oszczędności i sprzedaży okien w cenach zmuszających w konsekwencji do nadmiernego i nieuzasadnionego technicznie cięcia kosztów materiałowych. Konstrukcja okienna o zbyt małej wytrzymałości w stosunku do wielkości możliwych do przewidzenia obciążeń z pewnością będzie bardziej podatna na odkształcenia, a przez to awaryjna. Oszczędzając „na stali” warto zastanowić się jakie mogą być koszty serwisu okna o wadliwej konstrukcji. Wydaje się, że już koszt tylko jednego dojazdu na plac budowy w celu usunięcia usterki przekroczy wartość poczynionych „oszczędności”, a nie wolno zapominać, że okno o wadliwej konstrukcji będzie ulegało powolnej, ale nieuchronnej degradacji technicznej, co w ostateczności może zakończyć się jego wymianą w ramach udzielonej przez producenta gwarancji jakości.