Login Form



Aktualne wydanie

Okladka SS-04-2018

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

 

swiat szkla 750x100 2

 

sacroexpo 468x60 

Hybrydowe dźwigary szklane Przegląd badań i realizacji
Data dodania: 29.03.14

Wiele materiałów uznawanych za niekonstrukcyjne, po dokładnym przeanalizowaniu ich właściwości, może być wykorzystanych do budowy nowoczesnych, bezpiecznych i trwałych obiektów budowlanych lub ich elementów. Jednym z takich materiałów jest szkło, które – oprócz niezaprzeczalnych wartości, takich jak przezierność – charakteryzuje się trwałością i wytrzymałością.

 

Do wad szła należy przede wszystkim jego kruchość: po przekroczeniu stanu granicznego nośności (po przeciążaniu) szkło, bez żadnego ostrzeżenia, pęka na drobne fragmenty o bardzo ostrych krawędziach. Inną wadą jest ogromna dysproporcja w wytrzymałości szkła na ściskanie i rozciąganie, co nie pozwala w pełni wykorzystać jego wytrzymałości. Jest to szczególnie istotne w przypadku elementów szklanych pracujących na zginanie. Poza tym, szkło jest bardzo wrażliwe na koncentracje naprężeń, stąd konstruowanie połączeń między elementami powoduje wiele trudności.

Rozwój nowoczesnych technologii sprawił, że znacznie wzrosła rola szkła we współczesnej architekturze, w tym również jako materiału konstrukcyjnego. Tradycyjne podejście do projektowania elementów konstrukcyjnych wykonanych ze szkła polega przede wszystkim na:

  • wykorzystaniu szkła hartowanego, o prawie trzykrotnie wyższej wytrzymałości na rozciąganie od szkła zwykłego;
  • laminowaniu kilku tafli razem w celu zminimalizowania prawdopodobieństwa całkowitego zniszczenia elementu;
  • stosowaniu bardzo wysokich współczynników bezpieczeństwa.

 

Często stosowane są dodatkowe szklane tafle w celu ochrony nośnego trzonu laminatu. Konserwatywne podejście do tego materiału jest więc nieekonomiczne i nie w pełni wykorzystuje potencjał szkła.

Przez ostatnią dekadę w kilku europejskich ośrodkach naukowych były prowadzone badania nad kompozytami zbudowanymi z połączenia szkła z innymi materiałami w taki sposób, aby zniwelować jego wady i stworzyć nowy, bardziej wydajny i ekonomiczny produkt. Obserwuje się tendencję do wyeliminowania kruchego zniszczenia szklanych belek oraz szukania nośności poawaryjnej, czyli sytuacji, kiedy nawet po utracie nośności przez szklany środnik (zarysowaniu) nie dochodzi do całkowitego zniszczenia elementu, a więcej element taki jest dalej w stanie przenosić obciążenia. Omówione wyniki prac badawczych i przykłady realizacji bazują na publikacji Hybrid glass beams. Review of research projects and applications (ACEE Journal, 2012) [14].

Przedmiotem badań są dwie grupy elementów: szklane belki wzmocnione innym materiałem oraz wielomateriałowe hybrydowe belki szklane. Koncepcja wzmocnienia szklanych belek polega na wprowadzeniu innego materiału w strefie naprężeń rozciągających – najczęściej stali [1÷4], włókien węglowych [5] czy szklanych [6]. Idea hybrydowych belek szklanych polega na kombinacji szklanego środnika z półkami wykonanymi ze stali [7÷8], betonu [9] oraz drewna [10÷13, 23÷27].

 

2014-03-08-1

 

Własności szkła

Szkło charakteryzuje się zbliżoną gęstością do betonu oraz sztywnością bliższą aluminium. Jest materiałem izotropowym, kruchym oraz idealnie sprężystym. Nie posiada strefy plastyczności i dlatego, tak jak wszystkie materiały kruche, jest bardzo wrażliwe na koncentracje naprężeń. Ponadto w przypadku szkła występuje bardzo duża dysproporcja między wytrzymałością na ściskanie i rozciąganie. Najważniejsze fizyczne cechy szkła zostały przedstawione w tabeli 1.

Wytrzymałość szkła może być zwiększona w procesie hartowania, który polega na wprowadzeniu powierzchniowych naprężeń ściskających w procesie obróbki termicznej szklanych tafli. Jeśli naprężenia rozciągające, powstające jako wynik obciążenia zewnętrznego, nie zrównoważą powierzchniowych naprężeń ściskających, nie dochodzi do otwarcia rysy i utraty nośności przez element. Dlatego szkło hartowane, w przeciwieństwie do szkła niehartowanego zwanego dalej szkłem płaskim, rozpada się na drobne kawałki o tępych krawędziach i z tego powodu nazywane jest szkłem bezpiecznym.

Siatka spękań elementu szklanego jest ściśle uzależniona od procesu hartowania, a dokładniej od wartości powierzchniowych naprężeń ściskających.

 

Przegląd badań i zastosowań

Szklane belki wzmocnione stalą

Porównując wyniki nośności szklanych belek o różnej budowie (laminowane, warstwowe oraz wzmocnione stalą) Veer [1] dowiódł, że nawet niewielka ilość stali przyklejonej do dolnej części próbki polepsza diametralnie nośność szczątkową belki. Po przekroczeniu nośności przez szkło (pojawieniu się rysy) belka jest w stanie dalej przenosić obciążenia. Belki o długości 3 m wzmocnione kątownikiem 3x3x1 mm, wykonanym ze stali nierdzewnej, były przebadane w próbie czteropunktowego zginania. Podczas badania zaobserwowano, że w momencie pojawienia się pierwszej rysy nastąpił spadek siły w prasie oraz przyrost pionowych przemieszczeń. W tym czasie doszło do redystrybucji sił wewnętrznych i zwiększono obciążenie do poprzedniego poziomu (rys. 1). Związane jest to z faktem, że kiedy zniszczeniu uległa pierwsza tafla szkła, naprężenia rozciągające zostały przeniesione przez stalowy kątownik i belka szklana była w stanie dalej przenosić obciążenie.

 

2014-03-09-1

Rys. 1. Wykres zależności siła-przemieszczenie w środku rozpiętości belki wzmocnionej profilem stalowym [1]

 

W 2002 r. ten sam badacz podjął próbę zbudowania szklanego akwarium o przekroju skrzynkowym 300x300 mm i długości 8 m, które miało być zainstalowane w okrągłym atrium biblioteki uniwersytetu Delft [2]. Maksymalne dostępne wówczas na rynku wymiary tafli szklanych ograniczone były do 6 m, dlatego zdecydowano się podzielić akwarium na dwie równe części i połączyć je dwoma nakładkami w postaci szklanych tafli przyklejonych po obu stronach skrzynkowego przekroju. Przeprowadzone analiza MES wykazała, że jest możliwe zbudowanie akwarium z tafli wykonanych ze szkła płaskiego o grubości 10 mm. Aby potwierdzić to założenie, zbudowano dwa prototypy o długości 4 m. W celu zwiększenia nośności belki oraz uniknięcia kruchego zniszczenia szkła, dwa profile zamknięte wykonane ze stali nierdzewnej o wymiarach 10x10x1 mm zostały przyklejone do dolnej tafli, pod pionowymi ściankami przekroju (fot. 1).

 

2014-03-09-2

Fot. 1. Skrzynkowy przekrój prototypowej belki [2]

 

Próbka uległa zniszczeniu w próbie trójpunktowego zginania pod obciążeniu 14,5 kN, co wielokrotnie przewyższa obciążenie projektowe (fot. 2).

 

2014-03-09-3

Fot. 2. Zniszczenie belki w próbie trójpunktowego zginania [2]

 

Podobne badania szklanych belek zostały przeprowadzone przez Bosa [3]. Belkę o przekroju skrzynkowym 70x210 mm i długości 3 m wykonano z kilkunastu (sklejonych ze sobą) tafli ze szkła płaskiego o długości 1,5 m i grubości 6 mm. Podobnie, jak w przypadku belek Veera [2], zastosowano dwa, wykonane ze stali nierdzewnej, profile zamknięte 10x10x1 mm, przyklejone do dolnej półki pod pionowymi ściankami. Belka poddana została próbie czteropunktowego zginania. Pod obciążeniem równym 10,8 kN powstały pierwsze zarysowania, próbka uległa zniszczeniu dopiero przy sile 14,3 kN. Zaobserwowano wzrost nośności, po pierwszym zarysowaniu elementu, równy 3,5 kN. Zatem nośność poawaryjna belki, po pierwszym zarysowaniu, wzrosła o 32%.

Ten sam badacz kilka lat później skupił się na koncepcji sprężonych belek szklanych [3]. Zastosował paraboliczny przekrój teowy, zmienny na długości elementu (fot. 3). W środkowej części szerokość półek wynosiła 90 mm, a przy podporach 60 mm. Wysokość – odpowiednio 210 mm i 110 mm. Laminowany środnik składał się z trzech tafli: środkowej o grubości 10 mm oraz skrajnych o grubości 8 mm. Półka złożona była z dwóch szklanych tafli o grubości 8 mm. Poniżej środkowej tafli środnika doklejono zamknięty profil stalowy 10x10x1 mm, w który wprowadzono linę wykonaną ze stali o wysokiej wytrzymałości, średnicy 7 mm i sprężono siłą 20 kN. Pierwsza rysa w próbie czteropunktowego zginania pojawiła się przy sile 20,5 kN, a całkowite zniszczenie belki, które miało bardzo gwałtowny przebieg, nastąpiło przy sile 23,9 kN. Zatem wzrost nośności, po pierwszym zarysowaniu elementu, był równy 20%.

 

2014-03-09-4

Fot. 3. Teowa belka sprężona o zmiennym przekroju [3]

 

Wpływ sprężenia na nośność szklanych belek analizowany był również przez Belisa [17]. Bardziej szczegółowe wyniki badań sprężonych szklanych belek oraz różnych sposobów przekazania siły sprężającej na element można znaleźć w pracy Gdoutos E.E., Louter C., Heusden J. et al.: Post-Tensioned Glass Beams. Fracture of Nano and Engineering Materials and Structures [18].

Kolejny, bardzo ciekawy projekt badawczy, który zakończył się realizacją prototypowego szklanego dachu (fot. 4) był prowadzony na Uniwersytecie Technicznym w Delft [4]. Głównym elementem nośnym konstrukcji dachu były płatwie zabezpieczone przed zwichrzeniem belkami poprzecznymi rozstawionymi co 1,2 m. Główne belki, podparte na słupach w rozstawie 4,8 m, posiadały dwa wsporniki o długości 1,2 m, co łącznie daje całkowitą długość belki 7,2 m. Między podporami belki miały wysokość 385 mm, a w części wspornikowej wysokość belki zmniejszała się wraz z wysięgiem wspornika i wynosiła 230 mm na jego końcu. Belki zbudowane były ze szkła klejonego, złożonego w części między podporami z czterech tafli o grubości 15 mm, a w części wspornikowej – z dwóch tafli. Z powodu znacznych wymiarów belek, zbudowane są one z krótszych tafli sklejonych mijankowo. W schemacie statycznym belki ze wspornikami występują momenty zginające obydwu znaków, dlatego wzmocnienie musiało być poprowadzone w górnej i dolnej części belki. Belki zostały zbadane w próbie trójpunktowego zginania. Wykazano, że belka była w stanie przenieść o 50% większą siłę, od tej, która spowodowała pierwsze zarysowanie w szkle.

 

2014-03-10-1

Fot. 4. Zrealizowany szklany dach [4]

 

Wyniki wpływu różnej geometrii stalowego zbrojenia na nośność szklanych belek przedstawiono w pracach: Louter C.: Adhesively bonded reiforced glass beams, 2007 [19] oraz Weller B., Meier A., Weimar T.: Glass-Steel Beams as Structural Members of Façades, 2010 [20].

Podsumowując, wyniki przytoczonych powyżej badań potwierdzają pozytywny wpływ zastosowania nawet niewielkiej ilości stali w rozciąganej strefie szklanej belki na jej sztywność oraz nośność. Z powodu różnej geometrii belek oraz rozpiętości trudno jest porównać wyniki, jednak ogólna tendencja wskazuje, że belki wzmocnione stalą osiągają nośność podkrytyczną od 20 do 50%. W przypadku osiągnięcia nośności przez szklaną belkę, dochodzi do redystrybucji sił wewnętrznych. Stalowe wzmocnienie działa analogicznie do zbrojenia w belce żelbetowej. Przejmuje naprężenia rozciągające i sprawia, że belka dalej jest w stanie przenosić obciążenie nawet o zwiększonej wartości. Dodatkowe obciążenie, które przenosi taka belka nazywamy nośnością poawaryjną.

Z praktycznego punktu widzenia dostajemy sygnał o przeciążeniu i mamy czas na przedsięwzięcie środków zaradczych, aby nie dopuścić do katastrofy. Dodatkowo badania wskazują, że wzmocnienie szklanej belki stalą nie rozwiązuje problemów związanych ze stabilnością takich elementów, aczkolwiek odpowiednie ukształtowania przekroju (przekrój teowy lub skrzynkowy) może te efekty zniwelować.

 

2014-03-10-2

Fot. 5. Odtworzony dach „Loggia de Vicari” [5]

 

Szklane belki wzmocnione włóknami szklanymi i węglowymi

Prawdopodobnie pierwsze badania nad szklanymi belkami wzmocnionymi pasami z włókien węglowych zostały zrealizowane przez Palumbo [5]. Pasy z włókien węglowych zostały doklejone do dolnej krawędzi szklanej belki za pomocą kleju konstrukcyjnego. Głównym zadaniem wzmocnienia, oprócz spojenia wszystkich tafli w laminacie, było zredukowanie naprężeń rozciągających w szkle poprzez przesunięcie osi obojętnej. Prototypowe belki, o długości 1,5 m, zbudowane były z czterech tafli laminowanych ze sobą. Wyniki badań pokazały, że wzmocnienie z włókien znacznie zwiększa nośność belki. Kiedy dochodzi do zarysowania szkła wzmocnienie utrzymuje spękane szkło i nie dopuszcza do całkowitego zniszczenia elementu. Idea została wykorzystana przy odtworzeniu dachu osiemnastowiecznej budowli „Loggia de Vicari”, zlokalizowanej w północnych Włoszech (fot. 5-6).

 

2014-03-10-3

Fot. 6. Połączenie szklanych belek wzmocnionych pasami z włókien węglowych [5]

 

Szklane belki wzmocnione włóknami szklanymi były analizowane przez Loutera [6]. Pomysł polegał na umieszczeniu prętów wykonanych z włókien szklanych w warstwie folii między taflami i następnie zalaminowaniu takiego zestawu. W badaniach wykorzystano folię Sentry Glass (SG), która charakteryzuje się znacznie większą wytrzymałością i sztywnością w porównaniu do standardowej folii PVB. W pierwszej fazie projektu przeprowadzono serię badań na wyrywanie pręta z włókien szklanych z dwóch tafli szkła, między którymi znajdowała się folia SG. Badania przeprowadzono w różnych temperaturach: -20, 23 i 50°C. W badaniach wykorzystano dwa rodzaje prętów z włókien szklanych: okrągłe o średnicy 2 mm i prostokątne o przekroju 0,8x6 mm. Badania wykazały, że niezależnie od temperatury, nośność połączenia przy płaskich prętach była zdecydowanie wyższa niż przy okrągłych. Wytłumaczeniem tej zależności jest większa powierzchnia kontaktu przy prętach prostokątnych. Kolejnym etapem projektu były badania wzmocnionych belek o długości 1,5 m. Belki były zbudowane z dwóch szklanych tafli o grubości 8 mm, między którymi umieszczono pręty z włókna szklanego, pozostałe przestrzenie wypełniono folią SG, a następnie zalaminowano (rys. 2). Badano dwa rodzaje próbek: w pierwszej belce umieszczono trzy pręty okrągłe, w drugiej – pięć prętów prostokątnych. Podobnie jak w przypadku badań na wyrywanie, nośność belek z prętami prostokątnymi była zdecydowanie wyższa niż belek z prętami okrągłymi.

 

2014-03-10-4

Rys. 2. Budowa szklanych belek wzmocnionych prętami z włókien szklanych [6]

 

Niezaprzeczalnymi zaletami włókien węglowych i szklanych jest ich duża wytrzymałość i sztywność, która pozwala zbudować wzmocnione szklane belki przy użyciu minimum materiału. Jednak proces ten wymaga złożonego procesu produkcji i dość kosztownych materiałów.

 

Hybrydowe belki szklano-stalowe

Hybrydowe belki szklano-stalowe były analizowane przez Wellershoffa [7]. Belki o długości 3,6 m zostały zbudowane ze szklanego środnika i stalowych półek (rys. 3). Połączenie między szkłem i stalą zrealizowane było za pomocą stalowych kątowników i kleju konstrukcyjnego. W próbie czteropunktowego zginania, pod obciążeniem 137,8 kN zaobserwowano pierwszą rysę w szklanym środniku. W tym samym czasie badanie musiało zostać przerwane z powodu dużych odkształceń elementu. W porównaniu do belki szklanej o tej samej wysokości, nośność hybrydowej belki okazała się imponująca (5-krotnie większa od teoretycznej siły, przy której nastąpiłoby zniszczenie belki wykonanej jedynie ze szkła).

 

2014-03-11-1

Rys. 3. Przekrój hybrydowej belki szklano-stalowej [7]

 

Podobne badania zostały przeprowadzone przez Ungermanna [8]. W przeciwieństwie do belek Wellershoffa, stalowe półki były przyklejone bezpośrednio do szklanego środnika. Belka o długości 4,0 m złożona była ze środnika zbudowanego z dwóch tafli wykonanych ze szkła hartowanego o grubości 12 mm i stalowych półek 10x80 mm. Wykorzystano trzy rodzaje klejów: silikon strukturalny, klej poliuretanowy i epoksydowy. Próbki badano w próbie czteropunktowego zginania. Aby zabezpieczyć belkę przed zwichrzeniem, w połowie rozpiętości zastosowano poziome podpory. W celu późniejszego zinterpretowania wyników badań dokonano teoretycznych obliczeń szklanego środnika (bez uwzględnienia stalowych półek). Oszacowano siłę niszczącą na 40 kN, bazując na wytrzymałości szkła hartowanego na rozciąganie równej 120 MPa.

Badania potwierdziły, że rozkład naprężeń w poszczególnych elementach, jak i nośność belek były ściśle uzależnione od sztywności połączenia klejowego między środnikiem i półkami. W przypadku belki z silikonem strukturalnym pierwsza rysa pojawiła się przy obciążeniu siłą o wartości 52,8 kN. Z powodu pomijalnej sztywności połączenia stalowe półki miały niewielki udział w przenoszeniu obciążeń. Zwiększenie nośności o 32% zostało wytłumaczone faktem, że rzeczywista wytrzymałość szkła w badaniach była większa. Belka z klejem poliuretanowym uległa zarysowaniu przy sile 72,1 kN. Analogicznie jak poprzednio zwiększona nośność została wytłumaczona zwiększoną wytrzymałością szkła. Największą siłę niszczącą uzyskano dla belki z klejem epoksydowym – 126,6 kN. Znaczna sztywność kleju sprawiła, że stalowe półki przejęły większość obciążenia.

Przedstawione powyżej badania potwierdziły zjawisko zwiększenia nośności szklanych belek przez zastosowanie stalowych półek. Ta idea może być wykorzystana szczególnie przy szklanych żebrach, słupach i belkach, w których stalowe półki mogą zabezpieczać szklaną belkę przed zwichrzeniem. Badania Ungermanna wykazały również duży wpływ sztywności połączenia między szklanym środnikiem i stalowymi półkami na zachowanie się hybrydowych belek stalowo-szklanych. Zaobserwowano, że im większa sztywność kleju, tym większy udział stali w przenoszeniu obciążenia, a tym samym większa nośność takich belek.

 

Hybrydowe belki szklano-żelbetowe

Unikatowe badania hybrydowych belek szklanożelbetowych zostały przeprowadzone przez Freytaga [9]. W artykule autor przedstawił mechaniczne własności i teoretyczny proces zniszczenia takich belek. Na potrzeby badań zbudowano dwie belki o długości 7,8 m złożone ze szklanego środnika i żelbetowych półek, wykonanych z betonu o dużej wytrzymałości. Półki pierwszej belki zbrojone były wyłącznie prętami stalowymi, półki drugiej dodatkowo sprężono kablami. Środnik belek składał się z trzech tafli wykonanych ze szkła hartowanego o grubości 8 mm. Szklany środnik umieszczono w deskowaniu razem ze zbrojeniem, które następnie zalano mieszanką betonową. Przed tym procesem powierzchnia środnika, na wysokości połączenia z betonem, została poddana procesowi piaskowania, dzięki czemu uzyskano powierzchnię o lepszych własnościach adhezyjnych. Badania czteropunktowego zginania (fot. 5) wskazały znaczny wpływ sprężenia żelbetowej półki na nośność belek. W przypadku belki ze zwykłym zbrojeniem siła niszcząca wyniosła 100 kN, a w przypadku drugiej – 257 kN.

 

2014-03-11-2

Fot. 5. Hybrydowa belka szklano-żelbetowa w próbie zginania [9]

 

Zgodnie z powyższym, hybrydowe belki szklano- żelbetowe charakteryzują się dużą nośnością. Niemniej, idea wymaga skomplikowanego procesu produkcji oraz odpowiedniego przygotowania powierzchni szklanego środnika przed zalaniem formy betonem, co z pewnością ma negatywny wpływ na wytrzymałość szkła. W badaniach wykorzystano szkło hartowane, które po zarysowaniu nie posiada żadnej nośności szczątkowej (momentalnie pęka na drobne kawałki), stąd naprężenia ścinające w takim wypadku w całości przenoszone są wyłącznie przez żelbetowe półki. Poza tym alkaliczny charakter betonu może doprowadzić do korozji szkła.

 

Hybrydowe belki szklano-drewniane

Bardzo ciekawe i pionierskie badania hybrydowych belek szklano-drewnianych zostały przeprowadzone przez Hamma [10, 21]. Badacz zbudował i zbadał osiem belek o długości 4,0 m i wysokości 250 mm (fot. 6). Zastosowano drewniane półki o różnym przekroju, od 30x50 mm do 50x60 mm. Środnik wszystkich belek wykonany był ze szkła płaskiego o grubości 10 mm. Do sklejenia belek wykorzystano klej poliuretanowy. Przebieg badań wszystkich belek przebiegał podobnie. Pierwsza rysa w szklanym środniku pojawiła się znacznie wcześniej, niż całkowite zniszczenie próbki. Po powstaniu każdej rysy można było zauważyć niewielki spadek sztywności belki.

 

2014-03-11-3

Fot. 6. Hybrydowa belka szklano-drewniana [10]

 

Hybrydowe belki szklano-drewniane o wysokości 150 mm i długości 2,0 m były przedmiotem badań Krehera [11]. Przekrój drewnianych półek wynosił od 20x20 mm do 50x50 mm. Belki zostały poddane próbie czteropunktowego zginania, które wykazały, że drewniane półki zwiększają sztywność belek, a po zarysowaniu środnika działają analogicznie jak pręty zbrojeniowe w belkach żelbetowych – nie pozwalają na dalszy wzrost rysy, przejmując na siebie naprężenia rozciągające. Uzyskano 300% wzrost siły w stosunku do tej, która powoduje pierwsze zarysowanie szklanego środnika. Dzięki temu można uznać, że wykorzystując drewniane półki, kruche pękanie szkła zostaje wyeliminowane.

Idea rozwinięta przez Krehera została wykorzystana w konstrukcji dachu hotelu Palafitte w Szwajcarii (fot. 7) [22]. Główne belki nośne miały 6 m długości, przekrój składał się ze szklanego środnika i drewnianych półek przyklejonych po obu jego stronach. Górna półka miała przekrój 100x160 mm, a dolna 65x65 mm. Szklany środnik, o wysokości 580 mm, wykonany był ze szkła hartowanego o grubości 12 mm. Z powodu braku jakiejkolwiek nośności poawaryjnej szkła hartowanego, przekrój górnej półki został tak dobrany, aby nawet w przypadku zniszczenia środnika był w stanie przenieść całość obciążenia.

 

2014-03-12-1

Fot. 7. Hybrydowe belki szklano-drewniane w konstrukcji dachu sali konferencyjnej w hotelu Palafitte [22]

 

Kolejne badania hybrydowych belek szklanodrewnianych zostały przeprowadzone przez Cruza i Pequeno [12]. Zbudowano w sumie 20 elementów – piętnaście hybrydowych belek (z drewnianymi półkami 70x100 mm), cztery belki drewniane i jedną szklaną belkę. Długość elementów badawczych wynosiła od 0,65 m do 3,2 m. Badano belki o przekroju dwuteowym (z jednym środnikiem) oraz prostokątnym (bliźniacze środniki były doklejone po zewnętrznych stronach drewnianych półek). Środnik o wysokości 500 mm wykonany był ze szkła laminowanego w postaci dwóch tafli o grubości 6 mm wykonanych ze szkła płaskiego. Wykorzystano trzy rodzaje klejów: silikon, klej polimerowy oraz poliuretanowy. Belki drewniane uległy zniszczeniu przy średniej sile równej 15 kN i ugięciu 50 mm, belka szklana – przy sile 19 kN i ugięciu około 5 mm. Hybrydowe belki osiągnęły wyższe wartości nośności. W przypadku belki dwuteowej pierwsza rysa pojawiła się przy sile 35 kN, a całkowite zniszczenie nastąpiło pod obciążeniem równym 65 kN. W przypadku belki o przekroju prostokątnym wartości te wynosiły odpowiednio 50 i 67 kN.

Blyberg i Serrano prowadzili badania nad hybrydowymi belkami szklano-drewnianymi o długości 3,85 m i wysokości 240 mm [13]. Szklany środnik 200x3850 mm o grubości 10 mm wykonany był ze szkła płaskiego. Drewniane półki 45x60 mm posiadały rowek o głębokości 25 mm i szerokości 13 i 15 mm, w który wklejono środnik za pomocą trzech rodzajów klejów: silikonu strukturalnego, kleju poliuretanowego i akrylowego. Najbardziej obiecujące wyniki dotyczyły belek z klejem o największej sztywności. Zaobserwowano wzrost nośności rzędu 140% w stosunku do siły, przy której pojawiła się pierwsza rysa w szklanym środniku.

 

2014-03-12-2

Fot. 8. Hybrydowa belka szklano-drewniana o długości 4,8 m w trakcie badania w Linnaeus University w Szwecji [fot. autor]

 

Hybrydowe belki szklano-drewniane są tematem pracy doktorskiej autora. Badania do pracy realizowane są na Politechnice Śląskiej w Gliwicach i Linnaeus University w Szwecji (fot. 8 i rys. 4). Wyniki badań opublikowano w miesięczniku „Świat Szkła” [25] oraz w innych artykułach i materiałach konferencyjnych [23÷24, 26÷27].

 

2014-03-12-3

Rys. 4. Wykres zależności siła-przemieszczenie dla belki przedstawionej na fot. 8. Na wykresie charakterystyczne fazy badań (A÷C)

 

W chwili obecnej autorzy pracują nad pilotażowym projektem (rys. 5÷6), w którym wykorzystane zostaną hybrydowe belki szklano-drewniane. Projekty mogą być realizowane na zlecenie inwestorów zewnętrznych.

 

2014-03-12-4

Rys. 5. Pilotażowy projekt, hybrydowe belki szklanodrewniane jako elementy konstrukcyjne dachu (wizualizacja: A. Kozłowska, A. Klich | AK2)

 

Powyższa grupa badań nad hybrydowymi belkami szklano-drewnianymi potwierdziła duży potencjał łączenia szkła i drewna w celu stworzenia hybrydy o synergicznych cechach. Rozwiązanie to zapobiega kruchemu pękaniu szklanych belek i charakteryzuje się znaczną nośnością poawaryjną. Dodatkowo, dostarcza sygnału ostrzegawczego na długo przed całkowitym zniszczeniem, dając czas na tymczasowe podparcie belki przed wymianą na nową.

 

2014-03-12-5

Rys. 6. Pilotażowy projekt, hybrydowe belki szklanodrewniane jako elementy konstrukcyjne ogrodu zimowego (wizualizacja: A. Kozłowska, A. Klich | AK2)

 

Podsumowanie

Szklane belki wzmocnione różnymi materiałami oraz wielomateriałowe hybrydowe belki szklane posiadają wiele zalet. Pierwsza z nich to duża nośność poawaryjna. Po zarysowaniu szklanego środnika wzmocnienie (lub półka w przekroju dwuteowym) działa jak most łączący niespękane części środnika i wraz z niezarysowaną strefą środnika oraz półkami pozwala belce na dalsze przenoszenie obciążeń. Zakres od pojawienia się pierwszej rysy do całkowitego zniszczenia belki nazywamy nośnością poawaryjną, ponieważ belka szklana daje sygnał ostrzegawczy i daje czas na uniknięcie katastrofy.

Kolejną zaletą kompozytu zbudowanego ze szła i materiału wzmacniającego jest możliwość wyeliminowania kruchego zniszczenia szklanych elementów, które zachowują się wówczas pod obciążeniem w sposób ciągliwy, jak na przykład stal.

Spośród wszystkich materiałów wykorzystanych do wzmocnienia belek szklanych drewno zasługuje na szczególną uwagę. Jest naturalne, lekkie, ekologiczne, w pełni nadaje się do recyklingu, a przede wszystkim jest bardzo łatwe w obróbce. Drewniane półki doskonale spełniają rolę elementów pracujących na rozciąganie. Ponadto, doskonale zabezpieczają elementy przed zwichrzeniem, jednocześnie chroniąc najbardziej wrażliwe strefy tafli szklanej, a mianowicie jej krawędzie.

Podsumowując można stwierdzić, że biorąc pod uwagę cechy wytrzymałościowe szkła i drewna oraz ich własności fizyczne, hybrydowe belki szklanodrewniane mają ogromny potencjał w zastosowaniach konstrukcyjnych. Szklane dachy, żebra, belki i stopnie schodów stanowią przykład konstrukcji szklanych, wykorzystujących główny atrybut szkła – przezierność. Rozwiązania te wpływają na percepcję współczesnych budynków i stanowią o ich nowoczesności.

Ponadto rozwiązania takie doskonale wpisują się w ideę zrównoważonego rozwoju oraz możliwość recyklingu. Wszystkie te cechy pozwalają sądzić, że wykorzystując hybrydowe belki szklane można budować nowoczesną i bezpieczną architekturę (fot. 5 i 6).

 

Bibliografia:

[1] Veer F.A., Rijgersberg H., Ruytenbeek D. Et al.: Composite Glass Beams, the Third Chapter. Glass Processing Days, Tampere, Finland, 2003.
[2] Veer F.A., Gross S., Hobbelman G.J. et al.: Spanning Structures in Glass. Glass Processing Days, Tampere, Finland, 2003, pp. 78-81.
[3] Bos F.P., Veer F.A., Hobbelman G.J. et al.: Stainless steel reinforced and post-tensioned glass beams. ICEM12 – 12th International Conference on Experimental Mechanics, Politecnico di Bari, Italy, 2004.
[4] Louter C., Bos F., Veer F.A. et al.: Reinforced Glass Cantilever Beams. Glass Processing Days, Tampere, Finland, 2005.
[5] Palumbo M.: A New Roof for the XIIIth Century „Loggia de Vicari” (Arquà Petrarca -PD Italy) Based on Structural Glass Trusses: A Case Study. Glass Processing Days, Tempere, Finland, 2005
[6] Louter C., Bos F., Veer F.A.: Structural Glass Beams with Embedded Glass Fibre Reinforcement. Challenging Glass 2, Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, TU Delft, Netherlands, 2010, p. 439-448
[7] Wellershoff F., S. Gerhard S.: Structural Use of Glass in Hybrid Elements: Steel-Glass-Beams, Glass-GFRP-Plates. Glass Processing Days, Tampere, Finland, 2003
[8] Ungermann D., Preckwinkel E.: Structural Behaviour of Hybrid Steel-Glass Beams. Challenging Glass 2, TU Delft, Nederland, 2010
[9] Freytag B.: Glass-Concrete Composite Technology. Structural Engineering International, Vol.14, No.2, 2004: p. 111-117
[10] Hamm J.: Tragverhalten von Holz und Holzwerkstoffen im statischen Verbund mit Glas. Thesis no. 2065, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, 2000
[11] Kreher K.: Tragverhalten und Bemessung von Holz-Glas-Verbundträgern unter Berücksichtigung der Eigenspannungen im Glas. Thesis no. 2999, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Switzerland, 2004
[12] Cruz P., J. Pequeno J.: Timber-Glass Composite Beams: Mechanical Behaviour & Architectural Solutions. Challenging Glass Conference 1, Delft University of Technology, Netherlands, 2008
[13] Blyberg L., Serrano E.: Timber/Glass Adhesively Bonded I-beams. Glass Performance Days, Tampere, Finland, 2011
[14] Kozłowski M.: Hybrid glass beams. Review of research projects and applications. Architecture, Civil Engineering, Environment (ACEE Journal), Vol. 5, No.3, 2012, pp. 53-62.
[15] Hess R.: Material Glass. Structural Engineering International Vol.14, No. 2, 2004; p. 76-79
[16] Studium Generale Group Website, http://www.materialenreeks.tudelft.nl/glas.html
[17] Belis J., Louter C., Verfaillie K. et al.: The Effect of Post- Tensioning On the Buckling Behaviour of a Glass T-beam. Proceedings ISAAG 2006 Conference, Munich, 2006
[18] Gdoutos E.E., Louter C., Heusden J. et al.: Post-Tensioned Glass Beams. Fracture of Nano and Engineering Materials and Structures, Springer Netherlands, 2006; p. 597-598
[19] Louter C.: Adhesively bonded reiforced glass beams. Heron, Vol.52, 2007
[20] Weller B., Meier A., Weimar T.: Glass-Steel Beams as Structural Members of Façades. Challenging Glass 2, TU Delft, Nederland, 2010
[21] Hamm J.: Development of Timber-Glass Prefabricated Structural Elements. Innovative Wodden Structures and Bridges, Lahti, Finland, 2001
[22] Kreher K., Natterer J.: Timber-Glass Composite Girders for a Hotel in Switzerland. Structural Engineering International, Vol.14, No.2, 2004
[23] Hulimka J., Kozłowski M.: Synergia hybrydowych belek drewniano-szklanych. Konferencja Kompozyty |Konstrukcje Warstwowe. Polski Związek Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Srebrna Góra , 8-10 Listopada, 2012
[24] Hulimka J., Kozlowski M.: Mechanism of failure and post-breakage strength of hybrid timber-glass beams. Proceedings of 10th International Conference on New Trends in Statics and Dynamics of Buildings, Slovak university of Technology, Bratislava, October 3-5, 2012, pp. 29-32.
[25] Hulimka J., Kozłowski M.: Belki drewniano-szklane – nowe rozwiązanie w konstrukcji lekkich dachów. “Świat Szkła” 01/2013, pp. 30-32.
[26] Kozłowski M.: Nośność i mechanizm zniszczenia hybrydowych belek drewniano-szklanych. Aktualne badania i analizy z inżynierii lądowej. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2013.
[27] Kozłowski M., Serrano E., Enquist B.: Experimental investigation on timber-glass composite I-beams. Challenging Glass 4 & COST Action TU0905 Final Conference. Lozanna, 2014.

 

(...)

 

mgr inż. Marcin Kozłowski
dr inż. Marta Kadela

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i >elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacj: Świat Szkła 03/2014

 

 

 

 

01 chik
01 chik