Czytaj także -

Aktualne wydanie

okladka ss-06-2018

20180123-BANNER-160X600-V3-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

 

 

konferencja 12 kwietnia 2018 1a

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

 RODO

RODO baner1

 aby móc przekazywać Ci informacje o nowych wyrobach, technologiach i wydarzeniach

 

 

z branży szklarskiej, okiennej i fasadowej

 

 

zgodnie z nowymi przepisami o ochronie danych osobowych RODO - WIĘCEJ INFORMACJI

 

25575923 

 

20180633kongres ppoz 750x150

 

480x100px RFT18 engl

 

abs banner 480x120 English

 

glass2018 480x120  

 

 

Zwiększona integralność strukturalna balustrad ze szkła laminowanego
Data dodania: 26.02.18

Balustrady szklane są powszechnym zastosowaniem szkła laminowanego, w którym szklany panel działa jak element konstrukcyjny, przenoszący obciążenia boczne, zgodnie z przepisami budowlanymi. 

 

Rosnąca świadomość bezpieczeństwa związanego z użyciem szkła, zainicjowana występującymi wypadkami z powodu uderzenia człowieka w elementy szklane, jest czynnikiem decydującym o ewolucji przepisów bezpieczeństwa dotyczących używania szkła w budynku.

 

Władze budowlane Singapuru szukają rozwiązania, które spełnia najbardziej rygorystyczne kryteria bezpieczeństwa, ograniczające wywoływanie ugięcie w wolnostojącej balustradzie, w przypadku gdy „wszystkie warstwy szkła popękały” aby określić granice, która jest uważana za bezpieczną bo jeszcze „chroni przed upadkiem”.

 

Badanie wytrzymałości na obciążenia statyczne balustrady laminowanej z warstwą pośrednią (laminującą) z jonomeru wykonano u wiodącego dostawcy systemu balustrad. Test wykazał, że szklana balustrada może być zaprojektowana do przenoszenia obciążeń projektowych, nie tylko w stanie „przed pęknięciem”, ale również w stanie „po pęknięciu”, zapewniając w ten sposób bardzo wysoką nadmiarowość w stosunku do tego co konieczne w konstrukcji balustrady.

 

Wstępną wytrzymałość na złamanie można przewidzieć z uzasadnioną dokładnością dzięki programom komputerowym opartym na MES (metoda elementów skończonych), który umożliwia użytkownikowi wprowadzanie właściwości mechanicznych warstw pośrednich lepkosprężystych wraz ze szkłem. Pomaga to w różnicowaniu strukturalnym wytrzymałości strukturalnej przed pęknięciem i optymalizacji projektu. Jednak wytrzymałość szkła na pękanie jest wciąż mało znanym obszarem, ponieważ modele analityczne stosowane do tej pory są niejednoznaczne, a zatem badanie niszczące jest jedynym niezawodnym rozwiązaniem.

 

 

Jonomery to tworzywa termoplastyczne, które po raz pierwszy pojawiły się na rynku w 1964 roku. Otrzymuje je się przez kopolimeryzację niepolarną z polarnym monomerem. Wiązania polarne odpychają krystalizację i prowadzą do „sieciowania jonowego”. W porównaniu z konwencjonalnymi tworzywami termoplastycznymi, jonomery mają tę zaletę, że działają w nich zarówno drugorzędne siły walencyjne, jak i wiązania jonowe. Te wiązania jonowe są szczególnie silne i nadają folii jej charakterystyczne właściwości. Pomimo wiązań jonowych jonomery są prawdziwymi termoplastami, ponieważ topią się w temperaturze 290-330°C.

 

 

Szkło laminowane jest powszechnie stosowane w zastosowaniach wiążących się z potencjalnym ryzykiem zranienia ludzi. Typowa laminowana konstrukcja szklana składa się z dwóch lub więcej tafli szklanych połączonych ze sobą warstwą pośrednią (folią laminującą), taką jak standardowa folia PVB, folia jonomerowa, sztywna PVB lub folia EVA (octan etylen-winyl).


Szkło laminowane stało się szczególnie interesujące w zastosowaniach strukturalnych po przyjęciu „metody efektywnej grubości” według ASTM E 1300 w 2009 r. Coraz więcej inżynierów zajmujących się konstrukcjami szklanymi i fasadami zdaje sobie sprawę z lepkosprężystego zachowania warstw pośrednich. Tak więc rozważają temperaturę i czas obciążenia jako jeden z ważnych czynników, które wpływają na wytrzymałość strukturalną laminowanej konstrukcji szklanej. Oprogramowania oparte na MES, takie jak przykładowo MEPLA, może modelować szkło laminowane jako materiał kompozytowy poprzez uwzględnienie właściwości warstw pośrednich zależnych od czasu i temperatury. Pozwala to inżynierom na rozróżnienie między parametrami strukturalnymi laminatów a różnymi typami warstw. Jednak w przypadku wytrzymałości po pęknięciu nadal muszą opierać się na metodach badania siły niszczącej. Wytrzymałość resztkowa po rozbiciu szkła jest wynikiem niektórych złożonych parametrów, które do tej pory trudno jest analitycznie modelować. Za pomocą niszczących badań udarnościowych dla konstrukcji laminowanych podjęto próbę porównania jakościowych wartości wytrzymałości szczątków laminowanych paneli szklanych.


Szkło laminowane oferuje znaczną poprawę wytrzymałości na uderzenie w porównaniu do szkła monolitycznego. Fragmenty szkła przylegają do warstw pośrednich (folii laminujących), dzięki czemu uzyskuje się pewną pozostałą wytrzymałość resztkową, gdy szklane fragmenty blokują się wzajemnie na swoim miejscu. Ta zdolność zależy od rozdrobnienia szkła i wzrasta wraz ze wzrostem rozmiaru fragmentów rozbitego szkła. Dlatego laminowane elementy szklane osiągają szczególnie wysoką resztkową wytrzymałość strukturalną, gdy są wytwarzane ze szkła odprężonego lub wzmacnianego termicznie, które rozbija się na duże fragmenty. Zachowanie po pęknięciu zależy ponadto od materiału międzywarstwowego. Najczęściej stosowaną warstwą pośrednią jest PVB, którego właściwości mechaniczne są silnie uzależnione od temperatury i czasu trwania obciążenia. W temperaturze pokojowej PVB jest miękki, z wydłużeniem przy zerwaniu powyżej 250%. Wyższe temperatury i dłuższy czas przenoszenia obciążenia ma duży wpływ na wytrzymałość na ścinanie. Niska sztywność międzywarstwy PVB daje „efekt koca” – pęknięta tafla „zwija się”, gdy tylko szkło pęknie nawet w przypadku zastosowań pionowych, ze względu na własny ciężar panelu, zwłaszcza w przypadku dużych rozmiarów paneli i minimalnych podpór. Folie jonomerowe (np. SentryGlas® jonoplast) zostały opracowane w celu osiągnięcia wyższej sztywności, odporności na temperaturę i odporności na rozerwanie w punktach mocowania dodatkowych elementów. Pomaga to w osiągnięciu wyższej wytrzymałości po pęknięciu i osiągnięcie większego współczynnika bezpieczeństwa w projekcie.


Balustradę można zdefiniować jako system zaprojektowany w celu powstrzymania ludzi od wpadnięcia (w większości przypadków nieumyślnego) na obszary niebezpieczne (np. upadek z niebezpiecznej wysokości) lub przed wyjściem „poza wyznaczone granice”. Większość miejsc publicznych jest wyposażona w barierki ochronne, które chronią przed przypadkowymi upadkami z wysokości. Każda nagła zmiana wysokości kturze  (gdzie wyższa część jest dostępna) umożliwia upadek. Ze względu na tę odpowiedzialność i ciężar finansowy, balustrady są umieszczane w celu ochrony osób korzystających z lokalu/terenu. Zgodnie z większością norm budowlanych, balustrady są zwykle wymagane w przypadku różnicy wysokości spadku o 762 mm lub więcej.

 

 

(...)

Istnieje wiele rodzajów balustrad ochronnych w budynku. Są one obowiązkowe według przepisów budowlanych w wielu okolicznościach. Balustrady wzdłuż schodów są powszechne, a balkony są również nimi otoczone. Ponieważ obecnie szkło staje się coraz bardziej integralnym elementem każdego nowoczesnego budynku, to szklane balustrady właśnie zapewniają widok, jednocześnie gwarantując bezpieczeństwo, podobnie jak w Grand Canyon Skywalk w USA.

 

W zależności od warunków podparcia szkło może działać tylko jako materiał wypełniający lub jako element konstrukcyjny. Ilekroć szkło działa jako element konstrukcyjny, inżynier musi zapewnić w projekcie rozsądnie wysoki stopień współczynnika bezpieczeństwa. Ryc. 1 (a), (b) i (c) ilustruje typowe typy balustrad, w których szkło działa jako element konstrukcyjny do przeniesienia określonych w przepisach obciążeń bocznych [1].

 

 

2018 02 14 1

Rys. 1a. Balustrada szklana, zamocowana tylko na dolnej krawędzi

 

 

2018 02 14 2

 Rys. 1b. Balustrada szklana z ochronną szyną górną, zamocowana tylko na górnej krawędzi

 

 

2018 02 14 3

Rys. 1c. Szklana balustrada z przykręcaną poręczą, zamocowana przy górnej krawędzi

 

 

2018 02 15 1

 Ryc. 2. Retencja szkła w balustradach

 

 

Globalne standardy dotyczące balustrad

 

Główne kraje, takie jak USA, Wielka Brytania, Australia, Niemcy i inne kraje UE, mają odpowiednie normy dotyczące projektowania balustrad. Inne stosują się do kryteriów ustanowionych przez te kraje lub mają ustalone na ich podstawie normy. Wszystkie te normy określają minimalne obciążenie boczne, które powinno być przenoszone przez balustradę i oczekiwaną wytrzymałość, gdy jest poddawana obciążeniom udarowym.

 

 

ASTM - E2353 - 06

 

Norma wymaga badań przy użyciu worka wypełnionego śrutem, testu wahadła, poziomych i pionowych prób statycznych dla balustrad.

 

Wytrzymałość panelu ze szkła laminowanego na uderzenie klasyfikuje się w następujący sposób: 

 

  • Nierozbite szkło 
  • Rozbite szkło i element próbny zatrzymany 
  • Rozbite szkło i element próbny niezatrzymany

 

Norma wymaga, aby potłuczone szkło laminowane było jeszcze wystarczająco mocne (wytrzymałość resztkowa), aby nie dopuścić do przejścia stalowej kuli o średnicy 75 mm, gdy została popchnięta siłą 18 N.

 

 

AS 1288-2006

 

Australijska norma dopuszcza stosowanie wspornikowych balustrad, które mają do górnej krawędzi zamontowaną ciągłą poręcz. Poręcz ta nie przenosi obciążeń, chyba że nastąpi pęknięcie jednego z paneli szklanych. Poręcz ta stanowi połączenie z sąsiednimi panelami ze szkła lub ze ścianą budynku. Wymagana jest wtedy, gdy sąsiednie panele szklane mają szerokość co najmniej 1000 mm, a trzy lub więcej tafli szkła tworzy balustradę. Jeśli jakikolwiek panel ulegnie uszkodzeniu, wówczas pozostałe panele i poręcz muszą wytrzymać obciążenia określone w projekcie [2].

 

Władze budowlane w Australii dopuszczają balustrady „wolnostojące” (bez wzajemnego łączenia poręczami) tylko w odniesieniu do projektu, w którym zostało to zatwierdzone jako „alternatywne rozwiązanie” według przepisów budowlanych Australii (Building Code of Australia BCA – 2015). Również w BCA 2016, to samo znane jest jako „nowoczesne rozwiązanie”, które wymaga rygorystycznych metod oceny [3]. Także w Singapurze obowiązuje podobna regulacja dotycząca balustrad całoszklanych, bezramowych.

 

 

Niemieckie wytyczne TRAV - 2003

 

Niemcy mają wytyczne TRAV dla balustrad (obecnie zamienione na serię norm DIN 18008 do projektowania szklanych elementów konstrukcyjnych – przyp. red.). Wytyczne te nie pozwalają na stosowanie balustrad wspornikowych całoszklanych bez konstrukcyjnej poręczy nałożonej na górną krawędź balustrad. Dla balustrad bez górnej, nakładanej poręczy wymagany jest specjalny scenariusz zatwierdzenia i badań. Podobnie jak w Australii, kryteria zatwierdzenia zależą od projektu i lokalnych władz (mogą się różnić w zależności od landu).

 

 

BS 6180 – 2011

 

W zależności od przeznaczenia budynku, Brytyjska Norma ma różne wymagania dotyczące odporności na obciążenie projektowe barier (balustrad szklanych).

 

  • Równomiernie rozłożone obciążenie powierzchniowe 0,5 kN/m2, 1,0 kN/m2 i 1,5 kN/m2
  • Obciążenie rozłożone liniowo 0,36 kN/m, 0,74 kN/m, 1,5 kN/m i 3,0 kN/m 
  • Skoncentrowane (punktowe) obciążenie 0,25 kN, 0,5 kN i 1,5 kN

 

Dodatkowo norma wymaga, aby szkło było szkłem bezpiecznym klasy A. Nie ma jednak kryteriów dotyczących wytrzymałości resztkowej po pęknięciu paneli szklanych [4].

 

Przegląd powyższych ważnych norm i przepisów budowlanych pokazuje, że Australia i Singapur mają szczególnie rygorystyczne podejście do balustrad wolnostojących (całoszklanych), bez wzajemnego łączenia górną poręczą. Podejście to podkreśla troskę władz o bezpieczeństwo ludzi. Oczywistym jest, że celem władz jest zapewnienie najwyższego poziomu bezpieczeństwa w scenariuszu po pęknięciu tafli szkła.

 

 

Badanie wytrzymałości resztkowej po pęknięciu panelu ze szkła laminowanego

 

Czy szkło laminowane wykazuje wytrzymałość resztkową po pęknięciu tafli szklanej? Wszystko zależy od tego, jaki rodzaj szkła i folii laminującej (warstwy pośredniej) wybrano do konstrukcji laminatu i jego warunków brzegowych (typu podparcia na krawędziach tafli). Konstrukcja z laminowanego szkła hartowanego z przekładkami z folii PVB w zastosowaniu balustradowym może mieć pożądaną wytrzymałość strukturalną, ale ma słabą wytrzymałość po pęknięciu, określaną jako „efekt koca”.

 

 

2018 02 15 2

Ryc. 3. Zestaw testowy do testu wytrzymałości na zrywanie

 

 

Uzasadnia to obawy dotyczące bezpieczeństwa, jakie mają władze budowlane w Australii i Singapurze. Przekładka w szkle laminowanym z folią jonomerową właściwie rozwiązuje ten problem, nie tylko zwiększając sztywność konstrukcji z laminatu szklanego, ale także oferując dodatkowe korzyści z bardzo wysokiej stabilności krawędzi w porównaniu ze standardową folią PVB. Władze budowlane w Singapurze oczekują podniesienia standardów bezpieczeństwa balustrad, wymagając aby pęknięty panel ze szkła laminowanego był zdolny wytrzymać projektowane obciążenie z bezpiecznym ugięciem wynoszącym maksymalnie 150 mm, gdy obciążenie projektowe wynosi 1,5 kN/m, przy wszystkich uszkodzonych warstwach szkła.

 

 

W 2015 r. firma Kuraray przeprowadziła próbę wytrzymałości po pęknięciu na balustradzie z laminowanym szkłem hartowanym o gr. 2x12 mm i warstwą pośrednią (folią jonomerową) o łącznej grubości 2,28 mm.

 

 

2018 02 15 3

Ryc. 4. Balustrada z trójwarstwowego szkła laminowanego z międzywarstwą z jonomeru sztywno zamocowaną w podstawie

 

 

Badanie przeprowadzono w temperaturze otoczenia 33°C, w TUV Singapore. W badaniach pęknięty panel z hartowanego szkła laminowanego zapewniał wystarczającą wytrzymałość resztkową (po pęknięciu szkła) zabezpieczając przed „złamaniem się”. Jednak pęknięta szklana konstrukcja nie była wystarczająco mocna, aby spełnić wymagania przepisów budowlanych określonych przez władze budowlane (Building Construction Authority - BCA) w Singapurze, ponieważ ugięcie górnej krawędzi znacznie przekroczyło 150 mm, gdy obciążenie 1,5 kN/m zostało przyłożone do górnej krawędzi.

 

Chociaż badania te zakończyły się niepowodzeniem, dostarczyły one dwóch kluczowych informacji:

 

  • Laminat ze szkła hartowanego nie ma wymaganej wytrzymałości resztkowej po pęknięciu. 
  • Mocowanie balustrady musi być idealnie sztywne, aby złagodzić podstawowe problemy z mobilnością obserwowane w elemencie montażowym o przekroju w kształcie U, przytrzymującym szklany panel.

 

 

W roku 2016 wspólnie firmy Kuraray i Q-Railings opracowały rozwiązanie, które spełnia oczekiwania nie tylko architektów, ale także władz budowlanych (BCA), a także w Singapurze. Ten sam test powtórzono w laboratorium testowym Q-Railings w Bombaju w Indiach. Wm jego wyniku stwierdzono, że panele ze szkła laminowanego mające w składzie warstwy pośrednie z folii wykonanej z jonomeru oraz tafle szklane ze szkła wzmacnianego termicznie (tzw. półhart) mogą osiągnąć bardzo wysoką wytrzymałość strukturalną, zdolną do bezpiecznego przeniesienia obciążeń projektowych w razie pęknięcia wszystkich tafli szklanych.

 

Podstawa z metalowego elementu (z przekrojem w kształcie U), z przekładkami/klinami z ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene - kopolimer akrylonitrylo-butadieno- styrenowy) służącymi do mocowania tafli szklanych w kształtowniku, zapewniała idealnie sztywne zamocowanie balustrady w podstawie. Konstrukcja szklana została wykonana teraz z trójwarstwowego szkła laminowanego z taflami ze szkła wzmocnionego termicznie zamiast stosowanego poprzednio szkła hartowanego, z nadzieją, że środkowa warstwa szkła spajająca zewnętrzne warstwy szkła poprawi wytrzymałość resztkową po spękaniu tafli szklanych.

 

Szczegóły budowy paneli ze szkła laminowanego: tafle szklane ze szkła wzmocnionego termicznie o grubości 8 mm + warstwa pośrednia (folia laminująca) z jonomeru gr. 3,04 mm + szkło wzmocnione termicznie o grubości 8 mm + warstwa pośrednia z jonomeru gr. 3,04 mm + szkło wzmocnione termicznie o grubości 8 mm.

 

 

Metodologia badań

 

Do szklanego panelu przyłożono poziome obciążenia liniowe za pomocą siłownika hydraulicznego, jak pokazano na rys. 5. Cały test przeprowadzono w środowisku z temperaturą w zakresie 33-35°C.

 

 

2018 02 16 1 

 Ryc. 5. Przekrój zestawu testowego

 

 

2018 02 16 2

 Ryc. 6. Obciążenie liniowe wysokości 1,5 kN/m przyłożone do pękniętego panelu ze szkła laminowanego

 

 

Aby zapewnić liniowy rozkład obciążeń, obciążenie zastosowano w dwóch miejscach na górnej krawędzi. Zastosowano czujniki zegarowe do pomiaru odchylenia panelu szklanego na górze i w środku oraz na górze elementu mocującego sztywnie wspornikowo szkło. Obciążenie stopniowo zwiększało się od zera do 1,5 kN/m.

 

Jeden egzemplarz (numer 2) na trzy miał nieoczekiwane zerwanie przy 1,5 kN/m. Odchyłki rejestrowano dla obciążenia 1,5 kN/m i 3,0 kN/m. Obciążenie stopniowo zwiększało się do ostatecznej nośności panelu. Po pęknięciu tafli szklanych, przyłożono obciążenie liniowe o wartości 1,5 kN/m, a ugięcia rejestrowano po minucie. Wyniki badań podano w tabeli poniżej. Egzemplarz nr 2 miał nieoczekiwane pęknięcie, prawdopodobnie ze względu na mniejsze wstępne naprężenia powierzchniowe (uzyskiwane w procesie wzmacnianie termicznego).

 

Ugięcia w próbkach nr 1 i 2 w warunkach pękania wstępnego dla 1,5 kN/m były trochę na wyższe, ponieważ nie można uzyskać pełnej sztywności mocowania dolnej krawędzi w przypadku niestandardowej grubości szkła w połączeniu z dwoma różnymi rodzajami klinów z ABS. W przypadku próbki nr 3 sztywność podstawy zwiększono z pomocą firmy Q-Railings, stosując nieco grubsze kliny ABS, co spowodowało znaczne zmniejszenie ugięć górnej krawędzi panelu w stanie przed i po pęknięciu panelu szklanego [5].

 

 

2018 02 17 1

Tabela 1. Pomiary ugięć dla 3 różnych próbek w stanie przed pęknięciem szyby laminowanej i po pęknięciu 

 

 

Wnioski 

 

  • Nowoczesne konstrukcyjne warstwy pośrednie, takie jak folia jonomerowa, stosowane w trójwarstwowym panelu laminowanego szkła złożonego z tafli ze szkła wzmacnianego termicznie, zwiększają konstrukcyjną integralność szklanych balustrad na tyle, by wytrzymać obciążenia projektowe również w stanie po pęknięciu szkła, spełniając tym samym najbardziej rygorystyczne normy bezpieczeństwa ustanowione przez kraje takie, jak Singapur i Australia. 
  • Badania przeprowadzono tylko dla laminatów wykonanych z warstwą pośrednią z jonomeru. Laminaty z warstwą pośrednią ze standardowej folii PVB, choć nie były testowane, mają niewielką szansę, aby spełnić wymagania dotyczące odporności na pękanie uzyskane w badaniach, ponieważ wartość modułu na ścinanie dla PVB wynosi prawie jedną setną wartości dla jonomeru. Ponieważ sztywna folia PVB ma moduł ścinania porównywalny do folii monomerowych do temperatury 30°C, przyszłe badania mogą mieć na celu sprawdzenie, w jaki sposób działają laminaty, w skład których wchodzi sztywna folia PVB, w porównaniu z warstwami pośrednimi z jonomeru.

 

 

 

Malvinder Singh Rooprai , Ingo Stelzer
Kuraray

 

 Artykuł opiera się na wykładzie prezentowanym
Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2017,która
odbyła się 28-30.06.2017 w Tampere, Finlandia

Podziękowanie
Autorzy chcieliby szczególnie podziękować
Vijayowi Sawantowi, szefowi działu technicznego
Q-Railings India Pvt. Ltd. i jego zespołowi za wsparcie
w przeprowadzeniu wytrzymałości resztkowej
po rozbiciu szkła w ich zakładzie.

 

 

Bibliografia

[1] ASTM E 2353 Wytrzymałość szkła w ciągłych systemach szklanych barier, osłon i balustrad

[2] AS 1288 - 2006 Szkło w budynkach - dobór i montaż

[3] Australijski Kodeks Budowlany - 2015, 2016

[4] BS 6180 - 2011 Bariery w budynkach i wokół budynków. Zasady postępowania

[5] Badania szklanego systemu balustrad, wolnostojących, bez poręczy i z poręczą Q-Railing India wykonane dla Kuraray India Pvt. Ltd.

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 02/2018

 

 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik