Newsletter

Login Form



Aktualne wydanie

Okladka 01-2018

20180123-BANNER-160X600-V1-PL-FENSTERBAUEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

baner-2-krzywe

baner konferencja 12 2017

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

FF18 750x150px PL NEUGIERIG 

swiat szkla 750x100 2

 

 Swiat-Szkla 480x120 26163

 inoutic 480x120-s

ERD480x100-en 

Ankieta

Czy montują Państwo lustra u klienta za pomocą kleju silikonowego?
 
Czy uważają Państwo, że klej do luster LAKMA jest lepszy od innych klejów dostępnych na rynku?
 
Czy stosują Państwo klej do luster firmy LAKMA?
 
Obciążenia eksploatacyjne w szybach wielokomorowych Część 4: wyrównywanie ciśnienia w komorach
Data dodania: 31.01.18

Jak już opisywano w poprzednich częściach artykułu („Świat Szkła” 6/2017, 10/2017 oraz 11/2017), szczelne komory w szybach zespolonych generują pewne, specyficzne dla tych konstrukcji, wielkości statyczne związane z obciążeniami klimatycznymi.

 

W ostatnich latach pojawiły się koncepcje zastosowania elementów dających możliwość wyrównywania ciśnienia między komorami szyby zespolonej lub między komorami a otoczeniem.

 

Niniejsza część poświęcona będzie analizie tych koncepcji przede wszystkim w kontekście działających na szyby składowe obciążeń klimatycznych. Model obliczania wielkości statycznych w szybach wielokomorowych, jak również symbole, indeksy oraz parametry bazowego zestawu szyb opisano w częściach poprzednich. 

 

 

Zmiany w standardzie szyby zespolonej

 

Od wielu lat w większości okien budynków mieszkalnych stosuje się jednokomorowe szyby zespolone z komorą wypełnioną argonem, z zastosowaniem na jednej z wewnętrznych powierzchni szkła cienkiej powłoki niskoemisyjnej.

 

Tak skonstruowana szyba zespolona posiada współczynnik przenikania ciepła na poziomie Ug=1,1 W/m2K. Standard ten utrzymywał się, ponieważ przez długi czas wymagania techniczne [1] dotyczące izolacyjności cieplnej okien (rys. 1) nie nadążały za rozwojem technologii.

 

Należy przy tym pamiętać, że wymagania dotyczą współczynnika Uw, który odnosi się do całego okna, to znaczy uwzględnia przenikanie ciepła przez ramę okienną i wpływ liniowych mostków termicznych.

 

Można w przybliżeniu przyjąć, że wartość Uw dla okna jest o ok. 0,2-0,3 W/m2K wyższa niż Ug dla szyby (wartość Ug jest często w eksponowana materiałach reklamowych, co może prowadzić do niewłaściwej interpretacji wymagań) – wymaganie dla okien przekłada się zatem na odpowiednio ostrzejsze wymaganie dla wypełniających je przeszkleń.

 

 

2018 01 30 1

Rys. 1. Zmiany dopuszczalnych wartości współczynnika Uw dla okien w budynkach mieszkalnych, na podst. [1]

 

 

W kontekście obowiązujących przepisów od 2017 r. koniecznością wydaje się zmiana stosowanego od lat standardu „Ug=1,1” na szyby o wyższej izolacyjności termicznej. Jednym za sposobów osiągnięcia tego celu jest zastosowanie zespolonych szyb dwu- i trójkomorowych.

 

Szyby wielokomorowe dają możliwość znacznego obniżenia współczynnika Ug, jednak z ich eksploatacją związane są pewne problemy, przede wszystkim: 

 

  • zwiększenie ciężaru i grubości zestawu szyb powodujące trudności na etapie jego produkcji, transportu i montażu [2, 3]; 
  • nagrzewanie się szyb usytuowanych wewnątrz zestawu w czasie nasłonecznienia mogące prowadzić do konieczności stosowania szkła o podwyższonej wytrzymałości [3]; 
  • większenie sumarycznej grubości warstw gazu w komorach powoduje większe obciążenie szyb składowych zestawu, poddawanego działaniu zmian ciśnienia atmosferycznego i temperatury, natomiast zmniejszenie grubości komór w większości wypadków pogarsza izolacyjność cieplną przegrody.

 

 

Urządzenia wyrównujące ciśnienie gazu z otoczeniem

 

Koncepcja zastosowania w konstrukcji szyby zespolonej urządzeń wyrównujących ciśnienie gazu z otoczeniem, jak również prowadzone w związku z tym badania były opisane w artykułach publikowanych w„Świecie Szkła” [4, 5]. Rozwiązania te nie są stosowane jeszcze na skalę masową. Brane są pod uwagę dwie możliwości: jednorazowe wyrównanie ciśnienia oraz ciągłe lub powtarzalne wyrównywanie ciśnienia w okresie eksploatacji szyb.

 

Jednorazowe wyrównanie ciśnienia może być zasadne, jeżeli wynikające na przykład z wysokości nad poziomem morza, średnie ciśnienie atmosferyczne w miejscu wbudowania szyb różni się znacznie od ciśnienia w miejscu ich produkcji. Zabieg ten pozwala na ustalenie nowych warunków początkowych ciśnienia i temperatury gazu (p0, T0) adekwatnych do warunków klimatycznych miejsca eksploatacji i korzystnie wpływa na obciążenie eksploatacyjne szyb.

 

W nawiązaniu do powyższego należy zwrócić uwagę na możliwość częściowego samoczynnego dostosowania się parametrów początkowych gazu – rozumianych jako stan bez obciążenia szyb składowych – do lokalnych warunków eksploatacji.

 

Połączenie szyb składowych na obrzeżach nie jest całkowicie szczelne w dłuższym okresie czasu. Stosowane w konstrukcji szyb masy uszczelniające przepuszczają zarówno argon jak i parę wodną.

 

Dotyczy to zwłaszcza stosowanych powszechnie w fasadach strukturalnych szczeliw silikonowych, dla których przepuszczalność tych gazów jest wielokrotnie większa niż dla polisiarczków lub poliuretanów [6]. Ustalenie warunków początkowych w rzeczywistych szybach w trakcie eksploatacji jest więc trudne do oszacowania, dlatego stosowne wydaje się przyjmowanie do obliczeń wartości granicznych.

 

 

(...)

Ciągłe lub powtarzalne wyrównywanie ciśnienia w trakcie eksploatacji szyby powinno odbywać się w sposób kontrolowany, ponieważ: 

 

  • należy liczyć się z ubytkiem w komorach szyby argonu i zastąpienie go powietrzem, co obniży izolacyjność szyby – wątpliwa jest przez to zasadność wypełniania komór argonem, co stanowi dużą wadę tego rozwiązania (spada termoizolacyjność szyby); 
  • wprowadzenie w trakcie eksploatacji szyby zbyt dużej ilości pary wodnej pochodzącej z powietrza zewnętrznego może doprowadzić do wykraplania się jej wewnątrz szyby i korozji powłoki niskoemisyjnej, co prowadzi do utraty przez szybę podstawowych cech użytkowych; w związku z tym postuluje się [4] zwiększenie ilości środka osuszającego (większa wysokość ramki), tak aby ilość ta była wystarczająca dla założonego okresu trwałości szyby, np. 25 lat; 
  • w przypadku szybkiego wyrównania ciśnienia między komorami szyby a otoczeniem parcie lub ssanie wiatru będzie obciążać w zasadzie tylko zewnętrzną szybę zestawu – zminimalizowana zostanie korzystna współpraca szczelnych komór w przenoszeniu tego typu obciążeń.

 

Wmontowanymi w ramkę dystansową urządzeniami do wyrównywania ciśnienia mogą być kapilary lub zawory.

 

Kapilary mają formę cienkich rurek, przez które wymiana gazów odbywa się w sposób ciągły lecz powolny. Tempo tej wymiany zależy od chwilowej różnicy ciśnienia między komorą a otoczeniem, od średnicy wewnętrznej i długości kapilary (długość kapilary można zwiększyć przez „wtopienie” jej w materiał uszczelniający przy krawędzi szyby) oraz konstrukcji i wielkości szyby zespolonej. Ważne jest również ciśnienie cząstkowe pary wodnej w otaczającym powietrzu, gdyż od tego zależy ilość dostającej się do komory pary wodnej. W lokalizacjach o dużej zawartości wilgoci w powietrzu zaleca się z tego względu zwiększenie ilości środka osuszającego w konstrukcji szyby. Wyrównywanie ciśnienia przez kapilary jest więc procesem posiadającym pewną bezwładność w czasie – ugięcie i naprężenie w szybach składowych nie są całkowicie niwelowane, lecz ich amplituda jest znacząco mniejsza niż w przypadku komór szczelnych. Można przypuszczać, że chwilowe wartości parametrów początkowych (p0, T0) oscylują wokół pewnych wartości wynikających z warunków klimatycznych w miejscu wbudowania w pewnym okresie czasu.

 

Zawory są wmontowanymi w obrzeże szyby elementami punktowymi, pracującymi na zasadzie działającego w obie strony bezpiecznika ciśnieniowego. Wymiana gazu z otoczeniem odbywa się więc w sposób okresowy, powtarzalny – zawory otwierają się, kiedy różnica ciśnienia między komorą a otoczeniem zwiększa się do wartości „zaprogramowanych” jako niebezpieczne dla konstrukcji szyby. W czasie, gdy zawór jest otwarty chwilowe wartości parametrów początkowych (p0, T0) ustalają się na poziomie niedopuszczającym do nadmiernego ugięcia i naprężenia w szybach składowych. Ponieważ zawory w przedziale wartości ciśnienia uznanych za bezpieczne są zamknięte wymiana gazów między komorą a otoczeniem jest mniejsza, niż w przypadku kapilar, co skutkuje dużo mniejszą ilością potrzebnego środka osuszającego [4].

 

 

Wyrównywanie ciśnienia gazu między komorami

 

Rozwiązaniem pośrednim między całkowitą szczelnością komór a możliwością wyrównywania ciśnienia z otoczeniem jest wyrównywanie ciśnienia między komorami zestawu. Można to zrealizować przez zastosowanie ramki dystansowej o nazwie handlowej Swisspacer-Triple [7, 8] w kształcie obróconej litery B (rys. 2). Ramka ta przeznaczona jest do łączenia szyb w zestaw dwukomorowy w taki sposób, ze środkowa szyba umieszczona jest w wycięciu między elementami ramki wypełnionymi sitem molekularnym. Połączenie między komorami nie jest szczelne. Taka konstrukcja ma za zadanie zachowanie zalet zestawu szczelnego przy jednoczesnej redukcji obciążenia działającego na szybę środkową, przez co bezpieczniejsze jest zmniejszenie grubości tej szyby nawet do 2 mm.

 

 

2018 01 30 2

Rys. 2. Ramka dystansowa umożliwiajaca wymianę gazu między komorami [7]

 

 

W celu analizy wielkości statycznych w tak skonstruowanym zestawie porównano klasyczną szybę ze szczelnymi, przekazującymi nawzajem obciążenia komorami oraz szybę przy założeniu natychmiastowego wyrównania ciśnienia między komorami obciążonego zestawu. W tym drugim przypadku założono, że: 

 

  • szyba środkowa nie jest obciążona, pomijając pewne wpływy niezależne, takie jak ugięcie termiczne spowodowane zróżnicowaniem temperatury na powierzchniach szkła [9], czy ugięcie pod ciężarem własnym przy niepoziomym usytuowaniu szyby – wpływy te nie mają jednak wpływu na przekazywanie obciążeń między szybami; 
  • szyby skrajne ex i in zachowają się jak w zestawie jednokomorowym, z komorą o grubości będącej sumą grubości komór w szybie o wyrównanych ciśnieniach; 
  • za ekwiwalentną eksploatacyjną temperaturę gazu do obliczeń przyjęto wartość średnią ważoną, gdzie wagą jest grubość danej komory.

 

Wyniki obliczeń modelowych przedstawiono w tabelach 1 i 2. Analizowano zestawy o parametrach bazowych: wymiary 80x120 cm, grubość komór 12 mm. Przyjęto następujące układy grubości szyb: dwukomorowy 4-2-4 oraz dwukomorowy z pogrubieniem szyby ex 8-2-4. Przyjęto 4 rożne typy obciążeń – „liniowy spadek temperatury w komorach” oznacza obciążenie opisane w przykładzie 7, w części 2. W tabelach podano wyniki obliczeń dla każdej szyby składowej zestawu.

 

 

 Tabela 1. Wielkości statyczne w szybie dwukomorowej 4-2-4 o wymiarach 80x120 cm

2018 01 31 1 1

 

 

Tabela 2. Wielkości statyczne w szybie dwukomorowej 8-2-4 o wymiarach 80x120 cm

2018 01 31 2 2

 

 

Na podstawie wykonanych obliczeń stwierdzono, że: 

 

  • eksploatacyjne wyrównanie ciśnień między komorami w zestawach z wewnętrznymi szybami o zredukowanej grubości odciąża te szyby; zauważalny wzrost ugięcia i naprężenia w szybach skrajnych występuje dla obciążenia wiatrem zastawu 4-2-4 – dla pozostałych analizowanych przypadków wielkości te pozostają na tym samym poziomie; 
  • w zestawach szczelnych szyby sztywniejsze przejmują co prawda większą cześć obciążenia, ale w przypadku szyb o grubości zredukowanej do 2 mm nawet niewielkie obciążenie może spowodować znaczące ugięcie (nawet o wartości przekraczającej grubość szkła) i naprężenie, co uwidacznia zalety nowej konstrukcji ramki.

 

Oczywiście, w zestawach rzeczywistych wyrównanie ciśnienia między komorami nie zachodzi natychmiastowo. Można przypuszczać, że na przykład w przypadku silnych, zmiennych podmuchów wiatru szyby wewnętrzne nie są całkowicie odciążone. W lokalizacjach narażonych na silne obciążenie wiatrem zestawy 4-2-4 i podobne należy więc stosować rozważnie. Na przykład, w zestawie szczelnym 4-4-4 przy obciążeniu „wiatr z lewej 0,3 kN/m2” maksymalne ugięcie i naprężenie wynosi: w = 0,85 mm, σx = 2,00 MPa. Są to wartości o 27,8% mniejsze niż dla szczelnego zestawu 4-2-4 i o 32% mniejsze niż dla takiego zestawu z wyrównanym ciśnieniem.

 

 

Wyrównywanie ciśnienia w konstrukcjach fasad

 

Przykładem konstrukcji posiadającej możliwość wyrównywania ciśnienia w szczelnych komorach jest jeden z systemów fasad podwójnych zwany CCF (closed-cavity façade) opisanych w „Świecie Szkła” w artykule [10]. Fasada taka składa się z dwóch przeszkleń: szyby zespolonej (jedno- lub dwukomorowej) od strony pomieszczenia i grubszej szyby pojedynczej (np. laminowanej) od zewnątrz. Przestrzeń między tymi przeszkleniami tworzy dodatkową szczelną komorę o grubości kilkakrotnie większej niż wewnętrzna szyba zespolona. Szczelność tej przestrzeni, wypełnionej suchym powietrzem, utrzymywana jest z uwagi na zmniejszenie kosztów eksploatacji – brak konieczności mycia powierzchni wewnętrznych. Zaletą tego systemu jest dobra izolacyjność cieplna (chociaż przy dużej grubości przestrzeni międzyszybowej może występować wzmożona konwekcja), duże możliwości kształtowania parametrów świetlnych i energetycznych oraz dobra izolacyjność akustyczna [10].

 

 

2018 01 32 1

Rys. 3. Schemat konstrukcji fasady typu CCF, na podst. [10]

 

 

Taki układ konstrukcyjny jest korzystny w przypadku działania wiatru – sztywna i wytrzymała szyba zewnętrzna przejmuje większość tego obciążenia, duża grubość szczelnej przestrzeni nie ma w tym wypadku większego znaczenia. Jednak zmiany zewnętrznego ciśnienia i temperatury mogłyby doprowadzić do powstania znacznego naprężenia i ugięcia szyb składowych lub ich rozszczelnienia na obrzeżach. Powyższe, jak również konieczność zapobieżenia wykraplaniu się pary wodnej na powierzchni szkła, wymuszają konieczność stosowania systemów wyrównywania ciśnienia i dostarczania osuszonego powietrza z zewnętrznego zbiornika.

 

 

Podsumowanie

 

Przedstawione w artykule koncepcje nie są, z różnych względów, stosowane jeszcze powszechnie. Wszystkie mają swoje zalety i wady, ale stanowią próbę spojrzenia na kwestie zastosowania szyb zespolonych w budynkach z punktu widzenia redukcji skutków potencjalnie niebezpiecznych obciążeń klimatycznych, związanych z eksploatacją szyb zespolonych. Szczególnie w przypadku szyb wielokomorowych mamy często do czynienia z potrzebą pewnego rodzaju kompromisu między parametrami cieplnymi a mechanicznymi. Stosowanie rozwiązań pozwalających na kontrolę lub wyrównywanie ciśnienia w komorach szyb prowadzi więc niekiedy do pogorszenia parametrów cieplnofizycznych przegród, ale może być interesującą alternatywą, pod warunkiem upowszechnienia tego typu konstrukcji.

 

 

 

 Zbigniew RESPONDEK
Politechnika Częstochowska
Wydział Budownictwa

 

 

Literatura

[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz. U. nr 75, poz. 690 (z późniejszymi zmianami).

[2] Makarewicz M.: O potrzebie i możliwości zmniejszenia ciężaru okien z szybami dwukomorowymi. „Świat Szkła” 7-8/2012.

[3] Demel M.: Szyby zespolone izolacyjne 0.4. Kaprys czy innowacyjność? „Świat Szkła” 9/2017.

[4] Rose A.: Zmiana ciśnienia wewnątrz szyb zespolonych (IGU). Wyniki badań, praktyczna realizacja i perspektywy. „Świat Szkła” 1/2017.

[5] Prosty sposób na wyrównanie ciśnienia w szybie zespolonej. „Świat Szkła” 2/2016.

[6] Wirpsza Z.: Masy uszczelniające do szyb zespolonych. „Świat Szkła” 4/2010.

[7] http://www.swisspacer.com/pl/produkty/swisspacer-triple

[8] Dwa w jednym. „Świat Szkła” 12/2016.

[9] Respondek Z.: Wpływ termicznego ugięcia tafli szklanych na obciążenia eksploatacyjne w szybach zespolonych. „Materiały Budowlane” 10/2017. 

[10] Nowa koncepcja szklanej fasady - bardziej szczelna? „Świat Szkła” 5/2013.

 

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 01/2018

 

 

 

 

 

01 chik
01 chik