Miejsce mocowania szkła w metalowej ramce jest bardzo wrażliwe na inicjację procesu zniszczenia. Należy zatem zwrócić szczególną uwagę na przebieg jego projektowania i montażu. W latach 90. ub. w., wraz z pojawieniem się dużej liczby systemowych przeszkleń na terenie Polski, zaczęto forsować rozwiązania mocowań tafli szklanych bezpośrednio w metalowych okuciach. Osadzane w ten sposób tafle szklane współpracowały z metalowymi ramkami poprzez bezpośredni docisk stopowych profili do szkła.

 

Dodatkowo, by powiązać elementy ustroju fasadowego, w detalach tych stosowano punktowe spinki i wkręty dociskające listwy aluminiowe do płaszczyzny tafli szklanej. W ten sposób konstruowano nowe rozwiązania systemowe i zmieniano systemy wykorzystywane na terenie zachodniej Europy, zmniejszając koszty montażu i materiałowe adaptowanych przeszkleń. Mniejsza ilość przekładek dystansowych, uszczelek, pozwalała na łatwiejszy montaż, dawała niższą cenę gotowego produktu i upraszczała proces prefabrykacji – szczególnie w rozwiązaniach ścian elementowych.

 

Podstawą zaprezentowanego rozumowania były fakt zbliżonych parametrów modułu odkształcenia postaciowego E (Moduł Younga), który dla szkła wynosi ok. 70–75 GPa, dla stopów aluminiowych 69–80 GPa. 

 

Szybki napływ rozwiązań przeszkleń metalowoszklanych do kraju przed rokiem 2005 spowodował konieczność uzyskiwania dla nich Aprobat Technicznych umożliwiających stosowanie ich na rynku krajowym. Zabudowy szklane na terenie Polski, w odróżnieniu od pierwowzorów, posiadały mniejsze liczby uszczelek, przekładek, często zmieniane i upraszczane rozwiązania profili metalowych. W kraju rozwiązania te przechodziły podstawowe badania związane z nośnością i parametrami użytkowymi. W procesie uzyskiwania Aprobat Technicznych mniej uwagi zwracano na procesy starzenia się systemowych rozwiązań, aspekty montażowe i procesy związane z pracą przeszkleń na ścianach nasłonecznionych.

 

Zakres prowadzonych prac badawczych opisanych w przedmiotowym artykule został podjęty ze względu na występujące awarie opisanych rozwiązań, pękanie i wypadanie szyb, rozszczelnienia i przecieki fasad wykonywanych bez stosowania dystansujących wkładek elastycznych. 

 

Przykłady opisanych rozwiązań okuć systemowych, w których stosuje się bezpośrednie doleganie tafli szklanej do stopowego profilu metalowego pokazano na rys. 1 i 2.

2014 9 12 1

Rys. 1. Przykład zastosowania odmiany systemowego rozwiązania bez elastycznych wkładek pomiędzy szkłem a metalem

2014 9 12 2

 

Rys. 2. Jedno z systemowych rozwiązań połączenia paneli szklanych z profilem metalowych bez zastosowania elastycznych wkładek

 

 

 

 

 

Ocena stosowanych rozwiązań

 

Punktem odniesienia do przedstawionych na rys. 1 i 2 rozwiązań są klasyczne sposoby osadzenia tafli szklanych w profilach metalowych przy zastosowaniu wkładek gumowych. Pośrednimi rozwiązaniami są również systemy z osadzeniem tafli przy zastosowaniu elastycznych mas klejowych, np. Dow Corning, Proventus. Elementy wymiennych wkładek gumowych posiadają wymiar 4-8 mm. Rozwiązania z zastosowaniem mas klejowych, elastycznych posiadają grubość warstwy klejowej od 0,2 do 4 (6,0) mm. 

 

Przykład sposobu mocowania tafli szklanej w detalu z zastosowaniem wkładek gumowych pokazano na rys. 3.

2014 9 14 1

Rys. 3. Jedno z systemowych rozwiązań połączenia paneli szklanych z profilem metalowym z zastosowaniem elastycznych wkładek – wkładki oznaczone strzałkami

 

 

Przy stosowaniu rozwiązań systemowych z pominięciem elastycznych wkładek gumowych pomiędzy szkłem a metalowym profilem nie wzięto pod uwagę zagadnienia odkształcalności obydwu łączonych materiałów, nie komentując różnic we współczynniku Poissona, który dla szkła wynosi do 0,18 do 0,23 (wartość bezwymiarowa) a dla aluminium 0,33.

(...)

Również udarność szkła i stopów albuminowych wykazuje znaczące różnice. Te czynniki w połączeniu z generowaniem punktowych miejsc koncentracji naprężeń, wynikających z miejsc docisku listew konstrukcyjnych poprzez wkręty i działanie czynników zewnętrznych obciążających przeszklenia (obciążenia wiatrem, obciążenia termiczne), doprowadzają do szeregu uszkodzeń, pęknięć, wyszczerbień, tafli szklanych. 

 

By wykazać różnice w sposobie pracy dla tafli szklanej mocowanej bezpośrednio w gnieździe profili metalowych i w gnieździe z zastosowaniem uszczelek posłużono się modelowaniem numerycznym detali połączeń. Wyniki zaprezentowano w postaci przekrojów przez profil i taflę szkła, co najlepiej obrazuje różnicę w rozkładach i wartościach odkształceń i naprężeń. 

 

Przedstawiony na rys. 4 model numeryczny składał się z dwóch zasadniczych części: panelu szklanego i profilu aluminiowego stanowiącego podparcie dla tafli szklanej. Szkło obciążono ciśnieniem wiatru, zaś w obrębie profilu przyjęto jeden ze schematów obciążenia, a mianowicie docisk śrubą do listwy utrzymującej szkło. Taki schemat generowania sił od dokręcenia śruby pozwala na pokazanie, jak istotne było właściwe kontrolowanie poprawności w mocowaniach szkła. 

 

 

2014 9 14 2

Rys. 4. Widok modelu przyjętego do analizy numerycznej. Model bez uwzględnienia uszczelki (po lewej) oraz z uszczelką (po prawej)

 

 

Geometrię modelu komputerowego stworzono za pomocą szeroko rozpowszechnionego systemu metody elementów skończonych ABAQUS CAE. Gęstość stopu aluminiowego przyjęto o wartości 2750 kg/m3, gęstość szkła 2500 kg/m3. Moduł Younga dla stopu aluminiowego E=70 GPa, dla przeziernych paneli szklanych – 80 GPa. Współczynnik Poissona dla profili aluminiowych n = 0,3, a dla paneli szklanych n = 0,2. 

 

Model w obu wariantach podzielono na około 2000 elementów skończonych, połączonych w 6400 węzłach. Jako przybliżenie wybrano ośmiowęzłowe elementy skończone o funkcjach kształtu opisanych wielomianami drugiego stopnia i całkowaniu zredukowanym. W dokumentacji ABAQUS’a elementy te oznaczane są symbolem CPE8R. Co prawda, zastosowanie takich elementów sprawia, że zadanie jest trudniejsze obliczeniowo, ale poprawia dokładność wyników szybciej, niż zagęszczanie siatki podziału. Spodziewana zmienność stanu naprężeń w przekroju elementów metalowego i szklanego jest znaczna. Stąd zamierzenie o zbadaniu przyrostu stanu naprężeń wewnątrz przekroju poprzez zastosowanie funkcji przybliżających wyższego rzędu. Warunki brzegowe realizowano odbierając odpowiednim węzłom zlokalizowanym na dolnej i górnej krawędzi modelu (profile metalowe) możliwość przemieszczeń pionowych i poziomych. Panel szklany oraz profile połączono poprzez zapewnienie jednakowych przemieszczeń w węzłach elementów na ich styku. Schematy analizowanego okucia pokazano na rys. 4. 

 

Dokonując porównania pracy elementu bez uszczelki i z uszczelką, stwierdzono, że uszczelka znacznie zmniejsza niekorzystne wartości naprężeń przekraczających dopuszczalne. Ogranicza możliwość wystąpienia inicjacji pęknięcia szkła, zwiększa bezpieczeństwo szklenia. Na rys. 5 pokazano rozkład odkształceń głównych w przekroju profilu aluminiowego. Zastosowanie przekładki z elestomeru nie zmienia znacznie schematu pracy profilu metalowego. Ma jednak duży wpływ na koncentracje naprężeń na styku aluminium i szkła. Usunięcie jej w wydaniu systemu dedykowanego dla rejonu Polski było błędem. System zamontowany bez przedmiotowych uszczelek, jest systemem wadliwym z samego założenia. Na kolejnych rysunkach pokazano wpływ tego elementu na sposób rozkładu naprężeń w przekroju tafli szkła. 

 

 

2014 9 14 3

Rys. 5. Porównanie rozkładu odkształceń głównych ściskających w modelu z zastosowaniem uszczelki (z prawej) i bez zastosowania uszczelki gumowej (z lewej)

 

Na rys. 6 pokazano rozkład naprężenia głównego ściskającego tylko w przekroju tafli szklanej. Rozkład naprężeń w przekroju z uszczelką jest bardziej równomierny, pól z zagrożeniami przekroczenia stanu dopuszczalnego naprężenia nie zaobserwowano. W przekroju bez uszczelki, dla normowego obciążenia wiatrem panelu tafli szklanej o wymiarach 2,10x0,9 m na wysokości ~20 m ponad poziom terenu (budynek mieszkalny w rejonie Warszawy), zaobserwowano miejsca koncentracji naprężeń w przekroju tafli szklanej o wartości 58-84 MPa. Wartość obliczeniowa dopuszczalnych naprężeń dla szkła hartowanego nie powinna przekraczać 50 MPa. Dla tych samych wartości obciążenia ciśnieniem wiatru tafli szklanej w przekroju z uszczelką gumową (wsp. Poissona 0,46, grubość uszczelki 3,0 mm) zarejestrowano wartości naprężeń do wartości 38 MPa, dla tych samych miejsc koncentracji naprężeń (porównanie na rys. 6). Potencjalnie niebezpieczna koncentracja naprężenia, w miejscu, gdzie mógł powstać lokalny karb i zainicjowane pękniecie, została skompensowana dzięki elastycznemu elementowi gumowemu (por. rys. 6).

 

2014 9 15 1

Rys. 6. Rozkład naprężeń głównych ściskających [MPa] w szybie (punkty ściskane). Model bez uszczelki (po lewej) oraz z uszczelką (po prawej)

 

 

Uszczelka w pełni sprężysta, po zdjęciu obciążenia przyłożonego na taflę szklaną powróciła w 100% do swej pierwotnej postaci. Taką samą funkcję w prezentowanych przekrojach spełniają masy klejowe układane dla utrzymania tafli szklanej. Kompensują one stan odkształcony pojawiający się lokalnie w miejscach karbu naprężeniowego, niwelują lokalne zaburzenia i wzrost naprężeń w kruchych przekrojach tafli szklanych, dystansują elementy szklane przy przenoszeniu przez metalowy szkielet fasady obciążeń udarowych, uderzeniowych. Zwiększają również szczelność i trwałość fasad.

 

Bezzasadne było zatem usuwanie elementów dystansowych z materiałów gumowych w rozwiązaniach fasad, w detalach utrzymujących tafle szklane. Rozwiązania stosowane obecnie jako rynkowe, bez gumowych elementów utrzymujących tafle szklane i izolujących profile metalowe względem szkła, powinny zostać uzupełnione o te uszczelki. W sytuacjach, gdy w profilach nośnych nie przewidziano gniazd montażowych dla uszczelek dystansowych, należy stosować masy klejowe, konstrukcyjne o grubościach 0,5–3,0 mm, zależnie od stosowanej powierzchni przeszklonej i wymiarów tafli szklanej. Dystansowanie elastycznymi przekładkami tafli szklanych względem profili metalowych zwiększa ich nośność nawet do 30%, redukując miejsca koncentracji naprężeń i przekroczenia lokalne dopuszczalnych wartości naprężeń głównych w panelach szklanych.

 

mgr inż. Rafał Michalczyk
Politechnika Warszawska
Wydział Inżynierii Lądowej

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 9/2014

Literatura
[1] PN-EN 13830:2005 Ściany osłonowe. Norma wyrobu.
[2] Cwyl M.: Rozwój konstrukcji powłokowych fasad metalowo-szklanych. „Świat Szkła” 1/2012.
[3] Cwyl M.: Podstawowe wymagania normowe współczesnych ścian metalowo-szklanych. „Inżynieria i Budownictwo” 6/2013.
[4] Żółtowski W., Zbiciak A., Król P.A.: Modelowanie numeryczne pełzania połączeń klejowych w konstrukcjach metalowych. W: Problemy Naukowo-Badawcze Budownictwa, tom II Konstrukcje Budowlane i Inżynierskie, s. 555-562. Wydawnictwa Politechniki Białostockiej, Białystok 2007.
[5] Abaqus Analysis User’s Manual, Ver. 6.12. DassaultSystemes 2012.
[6] Zienkiewicz O. C., Taylor R. L.: The finite element method: Solid mechanics. Vol. 2. Butterworth-Heinemann, 2000.

 

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.