Czytaj także -

Aktualne wydanie

2020 06 okladka

Świat Szkła 06/2020

User Menu

 20191104-V1-BANNER-160x600-POL

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

okladka Dom inteligentny 22

(w opracowaniu) 

 dom bez barier okladka

gotowy

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

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

 

 Baner 2

Pomysły na wykorzystanie cienkiego szkła do zastosowań architektonicznych
Data dodania: 03.12.19

Artykuł ten bada potencjał cienkiego szkła do zastosowań architektonicznych i raporty na temat dwóch koncepcji cienkiego szkła.

 

Pierwsza dotyczy elastycznych i adaptujących się cienkich paneli szklanych, które mogą zmieniać swój kształt w odpowiedzi na czynniki zewnętrzne (np. warunki atmosferyczne) i wymagania użytkowników.

 

Druga koncepcja dotyczy cienkich szklanych paneli kompozytowych, w których cienkie szklane okładziny są łączone z elementami rdzenia (drukowanymi w 3D).

 

Koncepcje te są badane poprzez prototypowanie i eksperymenty laboratoryjne. Na podstawie wstępnych wyników badań cienkiego szkła widać, że obie koncepcje są bardzo obiecujące i zachęcają do dalszych szczegółowych badań.

 

 

Wstęp
Naukowcy i studenci z TU Delft i TU Dresden badają możliwości zastosowań architektonicznych bardzo cienkiego szkła. Podstawową ideą jest przyjęcie takiego szkła, które zwykle stosuje się na smartfonach i zastosowanie go w budownictwie.

 

Zaletą tego cienkiego, wzmocnionego chemicznie szkła glinokrzemianowego jest jego mała grubość (w zakresie 0,1 - 2 mm), wysoka wytrzymałość i wysoka elastyczność.

 

Daje to możliwość konstruowania bardzo lekkich, ale wytrzymałych przeszkleń elewacyjnych. W porównaniu z tradycyjnymi przeszkleniami uzyskuje się zatem znaczną redukcję masy, co bezpośrednio przekłada się na łatwiejszy montaż i mniejszą ilość energii zużywanej podczas transportu.

 

Projekty dodatkowo koncentrowały się na możliwościach zbudowania fasady wodoszczelnej i szczelnej na przenikanie powietrza w stanie zamkniętym.

 

Ponadto, ze względu na wysoką elastyczność, szkło można łatwo wyginać w temperaturze pokojowej, bez potrzeby stosowania kosztownych i energochłonnych technik kształtowania na gorąco.

 

Daje to możliwości łatwego tworzenia atrakcyjnych architektonicznie krzywizn oraz konstruowania adaptujących się i elastycznych przeszkleń elewacyjnych.

 

Obecny artykuł jest przyczynkiem do poszukiwań projektowych z użyciem cienkiego szkła. Opisuje koncepcje projektowania przeszkleń z takim szkłem i małoskalowe prototypy, które niedawno opracowano w TU Delft w serii projektów magisterskich.

 

Zaproponowano analizy przebiegające dwiema odrębnymi drogami, które pokrótce opisano poniżej

 

 

Adaptujące się cienkie szkłona fasadach
Pierwsza koncepcja wykorzystuje wysoką elastyczność cienkiego szkła do tworzenia adaptujących sie fasad szklanych. Ogólna idea jest taka, że takie fasady mogą wielokrotnie, powtarzalnie zmieniać swój kształt w odpowiedzi na czynniki zewnętrzne.

 

Na przykład, poprzez wygięcie cienkiego szkła, można utworzyć otwory wentylacyjne, aby zapewnić przepływ powietrza przez wewnętrzną przestrzeń podwójnej fasady (tzw. podwójnej skóry).

 

Ponadto krzywiznę cienkich, szklanych paneli elewacyjnych można regulować, aby zmieniać opór stawiany zmieniajacemu się obciążeniu wiatrem lub w celu ciągłej optymalizacji orientacji cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych, które można nakładać na warstwy cienkiego szkła.

 

Niektóre przykłady opracowanych koncepcji adaptujących się fasad z zastosowaniem cienkiego szkła pokazano na rys. 1-3.

 

Ze względu na wysoką wytrzymałość i elastyczność, procedury testowe opracowane dla tradycyjnego szkła nie zawsze są odpowiednie dla szkła cienkiego, a zatem powinny być stosowane nowe procedury badawcze.

 

 2019 12 6 1

2019 12 6 1a

2019 12 6 1b

 

Rys. 1. Projekt adaptującej się fasady z cienkiego szkła i jej makieta, opracowane w pracy magisterskiej Rafaela Ribeiro Silveiry

 

 

Kompozytowe cienkie szklane panele elewacyjne z rdzeniami wykonanym na drukarce 3D
Drugą drogą w ramach badań jest usztywnienie cienkich szklanych paneli za pomocą materiału rdzenia drukowanego w 3D.

 

W rezultacie powstają bardzo sztywne, a jednocześnie bardzo lekkie panele mogące służyc jako oszklenie fasadowe, które oferują korzyści w postaci łatwiejszego montażu i zmniejszenia energii transportowej.

 

Aplikacja cieńszego szkła, bez dodatkowych środków, spowodowałoby zbyt duże odkształcenia oszklenia okien, tym samym przekraczając wymagania dotyczące stanu granicznego użytkowalności.

 

Chociaż może to nie stanowić bezpośredniego zagrożenia bezpieczeństwa, duże odkształcenie i potencjalnie związane z nim drgania oraz odkształcenia optyczne mogą powodować dyskomfort i niedogodności dla mieszkańców budynku.

 

 2019 12 6 2

Rys. 2. Projekt adaptującej sie fasady z cienkiego szkła opracowany w pracy magisterskiej Ozhana Topcu

 

2019 12 6 3

2019 12 6 3a

2019 12 6 3b

2019 12 6 3c

Rys. 3. Makieta adaptującej się fasady z cienkiego szkła z kompozytami zachowującymi pamięć kształtu (shape memory alloy – SMA), opracowana w pracy magisterskiej Bahareha Miri

 

 

 

 2019 12 6 4

2019 12 6 4a

Rys. 4. Panele kompozytowe z cienkiego szkła z rdzeniem wydrukowanym w 3D. Projekt prototypu i studium przypadku opracowany w pracy magisterskiej Tima Neeskensa

 

(...)

 

2019 12 6 5

Rys. 5. Panel kompozytowy z cienkiego szkła podczas próby zginania, wykonanej w pracy magisterskiej Lorenza Lazzaroni.

 

 

2019 12 6 6

Rys. 6. Zakrzywiony panel kompozytowy z cienkiego szkła z rdzeniem wydrukowanym w 3D, opracowany w pracy Charbela Saleha.

 

Aby zapobiec tak dużym odkształceniom, zaproponowana tutaj koncepcja wykorzystuje materiały rdzenia do usztywnienia paneli złożonych z cienkich arkuszy szklanych. Mówiąc dokładniej, powstaje kompozyt składający się z cienkich szklanych okładzin zewnętrznych, które są przyklejone do wewnętrznego rdzenia usztywniającego.

 

Powstają bardzo lekkie, ale mocne i sztywne panele mogące służyć do oszkleń fasadowych. Należy zauważyć, że zamiast łączenia cienkiego szkła z litymi materiałami rdzenia, takimi jak np. poliwęglan [Weimar i Andrés López, 2018], obecne badanie wykorzystuje przestrzenną siatkę rdzeni (np. panel z rdzeniem o strukturze plastra miodu) w celu dalszego zmniejszenia ciężaru panelu.

 

Chociaż te nieprzezroczyste lub półprzezroczyste wzory rdzenia z jednej strony mogą zagrozić ogólnej przejrzystości szyby, z drugiej strony mogą przyczynić się do architektonicznej ekspresji i zmiennych właściwości optycznych paneli w świetle dziennym.

 

Rdzeń z aramidu został uznany za najbardziej obiecujący, ze względu na jego niską wagę i niską przewodność cieplną. Panel taki w szczególności przyczynia się do izolacji termicznej całej fasady, minimalizując mostki termiczne między szklanymi okładzinami zewnętrznymi dzięki rdzeniowi o strukturze plastra miodu wykonanemu z kevlaru (kevlar to lekki i niezwykle wytrzymały materiał polimerowy należący do grupy aramidów).

 

Podczas procesu laminowania w autoklawie folia laminująca, np. SentryGlass, częściowo stopiła się w komórkach aramidowego plastra miodu, tworząc zaokrąglone powierzchnie wewnątrz komórek. Z tego powodu widok przez komórki nie jest w pełni przezroczysty, ale częściowo zniekształcony.

 

Badania wytrzymałości na zginanie wykazały zadowalające oddziaływanie strukturalne między cienkim szkłem a rdzeniem aramidowym o strukturze plastra miodu, dzięki wykorzystaniu folii laminującej zapewniając sztywny, kompozytowy panel z okładzinami z cienkiego szkła.

 

Zamiast rdzenia o strukturze plastra miodu o zamkniętych komórkach, może być wykonana kratownica przestrzenna (np. struktury hiperboloidalne) drukowana na drukarkach 3D. Zapewnia to półprzezroczysty i teksturowany wygląd panela.

 

Zamiast aramidu może stosowano też modyfikowany glikolem politereftalan etylenu (PETG), a do łączenia poszczególnych kawałków rdzenia PETG z arkuszami szkła użyto przezroczystego, dwuskładnikowego kleju na bazie żywicy epoksydowej.

 

Panele pokazały architektoniczną ekspresję i implikacje tej koncepcji a badania udowodniły, że jego struktura jest wytrzymała. Ponadto ich sztywność została z powodzeniem przewidziana przy użyciu teorii kompozytów Allena.

 

Badano też koncepcję polegającą na stworzeniu strukturalnie zoptymalizowanego wzoru rdzenia poprzez zastosowanie jego materiału tylko tam, gdzie jego konstrukcja jest najbardziej wydajna. Miałoby to zapewnić bezpieczny produkt i jego niski ciężar.

 

W tym celu zastosowano wzór Voronoi, którego precyzyjna geometria została wygenerowana przez optymalizację topologii.

 

W badaniu parametrów zbadano wpływ zmiany warunków brzegowych i docelowej gęstości wzoru. Wzory Voronoi można również uzyskać poprzez obróbkę promieniem lasera lub strumieniem wody i wycięcie ich z arkusza polimeru.

 

W ten sposób można w pełni wykorzystać technikę drukowania 3D do tworzenia wzorów, które są dodatkowo zoptymalizowane pod kątem parametrów strukturalnych, termicznych i optycznych.

 

Dodatkowo, bardziej lekkie przeszklenie może pozwolić na zmniejszenie zużycia materiału na konstrukcję nośną i obniżenie całkowitej masy budynku.

 

Co więcej, rdzeń wydrukowany w 3D daje możliwość sterowania światłem dziennym. Niektóre przykłady takich cienkich szklanych paneli kompozytowych, zarówno płaskich, jak i zakrzywionych, pokazano na ilustracjach 4-6.

 

2019 12 6 7 

2019 12 6 7a

 

2019 12 6 7b

Rys. 7. Rozwiązania projektowe dotyczące zapewnienia wodoszczelności i szczelności na przenikaie powietrza adaptującej się fasady z cienkiejgo szkła. Podstawową koncepcją jest zintegrowanie cienkiego drutu SMA z cienkim szkłem stanowiącym oszklenie okna. Gdy drut SMA jest podgrzewany, np. za pomocą promieniowania słonecznego lub przez przyłożenie prądu elektrycznego, skraca się, a tym samym pociąga i zgina panel elewacyjny z cienkiego szkła. Drut SMA jest umieszczony we wnęce między dwoma cienkimi szklanymi panelami i jest przedłużony do górnej części ramy okna. Prąd elektryczny o parametrach ~10 V, ~1,2 A wystarcza do nagrzania drutu SMA, jego skrócenia i unniesienia spodu cienkiego szkła. Drut jest w stanie unieść 3,65 kg [Miri, 2018] i ma skok około 5%, co przekłada się na 70 mm na długości 1400 mm. Daje to promień gięcia dla cienkiego szkła ok. 415 mm. Czas reakcji dla wywołania zakrzywienia oszklenia wynosi około 20 s. Makieta z powodzeniem wykazała wykonalność tej koncepcji.

 


Wnioski
Na podstawie wstępnych prototypów i eksperymentów laboratoryjnych stwierdzono, że zarówno adaptujące się, jak i kompozytowe panele z cienkiego szkła oferują ciekawe, nowe typy szklenia elewacji. Obecnie planowane są dalsze szczegółowe badania aby poznać ich pełny potencjał.

 

(...) 

 

Podziękowanie
Z wdzięcznością doceniamy materialne wsparcie firmy AGC dla opisanych powyżej badań. Na podziękowanie zasłużyli także wszyscy studenci (Michele Akilo, Stella Brugman, Marina Guidi, Marc den Heijer, Lorenzo Lazzaroni, Bahareh Miri, Tim Neeskens, Rafael Ribeiro Silveira, Charbel Saleh, Ozhan Topcu, Congrui Zha), współsprawcy (prof. James O / Callaghan , prof. Tillmann Klein, prof. Rob Nijsse, dr Michela Turrin, dr Marcel Bilow, dr Fred Veer, dr Martin Tenpierik, dr Lennert van der Linden) oraz zewnętrzni opiekunowie (ABT, Octatube, prof. Maurizio Froli, dr Francesco Laccone, prof. Tomaso Trombetti).

 

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. w Tampere w Finlandii 

 

Christian Louter
Technische Universitat Dresden, Germany


Bibliografia
Więcej informacji ogólnych i odniesień do literatury podano w pełnym artykule autorstwa Loutera i in., który jest dostępny pod adresem: http://heronjournal.nl/63-12/9.pdf.

1. Akilo, M., Design and analysis of a composite panel with ultra- thin glass faces and a 3Dprinted polymeric core. MSc thesis, University of Bologna, 2018.

2. Cervio, M., Muciaccia, G., Rosato, G., The Effect of Edge Processing in Thin Glass for Cold Bending Applications. In Challenging
Glass Conference Proceedings, volume 6, pages 685- 690, Delft, 2018.

3. Datsiou, K.C., Design and Performance of Cold Bent Glass. PhD thesis, University of Cambridge, 2017.

4. Hundevad, J., Super lightweight glass structures – a study, In Proceedings of the GlassCon Global Conference. pages 314- 327, Philadelphia, 2014.

5. Lambert, H., O’Callaghan, J., 2013. Ultra-thin High Strength Glass Research and Potential Applications. Proceedings of the Glass Performance Days 2013, pages 95-99, Tampere, 2013

6. Mainil, T. (2015). Exploratory investigation on the cold bending of thin glass. MSc thesis, Ghent University, 2015.

7. Maniatis, I., Nehring, G., & Siebert, G., Studies on determining the bending strength of thin glass. ICE Publishing. Structures and Buildings, 169, 393-402, 2014.

8. Miri, B., Flexible Transparency With Smart Materials: A study on adaptive thin glass facade developed with Shape memory alloy. Master’s thesis, Delft University of Technology, 2018.

9. Neeskens, T., Thin glass composites: based on a structural efficiency increasing design strategy. Master’s thesis, Delft University of Technology, 2018.

10. Neugebauer, J., A movable canopy. In Proceedings of the International Conference on Building Envelope Design and Technology. Advanced Building Skins, pages 318-325, Graz, 2015.

11. Neugebauer, J. Determining of Bending Tensile Strength of Thin Glass. In Challenging Glass Conference Proceedings, volume 5, pages 419-428. Ghent, 2016.

12. Neugebauer, J., Wallner-Novak, M., Lehner, T., Wrulich, C., Baumgartner, M., Movable thin glass elements in façades. In Challenging Glass Conference Proceedings, volume 6, pages 195-202, Delft, 2018.

13. Oliveira Santos, F., Louter, C., Ramôa Correia, J., Exploring Thin Glass Strength Test Methodologies. In Challenging Glass Conference Proceedings, volume 6, pages 713-724, Delft, 2018.

14. Ottens, R., High Strength Thin Glass as Stiff Structural Fabric: A feasibility study of tensioning a thin, rectangular, chemically strengthened, flat glass sheet into a forced anticlastic surface with a stretchable composite connection, that remains capable of transferring the applied tensile load. MSc thesis, Delft University of Technology, 2018.

15. Overend, M., Butchart, C., Lambert, H., Prassas, M., The mechanical performance of laminated hybrid-glass units, Composite Structures, Volume 110, Pages 163-173, 2014.

16. Ribeiro Silveira, R., Flexible transparency: A study on thin glass adaptive façade panels. Master’s thesis, Delft University of Technology, 2016.

17. Ribeiro Silveira, R., Louter, C., Klein, T., Flexible Transparency - A Study on Adaptive Thin Glass Façade Panels. In Challenging Glass Conference Proceedings, volume 6, pages 135- 148, Delft, 2018.

18. Schneider, J., Thin Glasses - A future envelope? The Future Envelope 9 – Conference on the Building Envelope. pp 54-69, Delft 2015

 

 2019 12 6 8

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 12/2019
 

 

Czytaj także --

Czytaj także

 

 

01 chik
01 chik