Szkło – ulubiony materiał architektów
Jedną z tendencji współczesnej architektury jest łączenie struktur wewnętrznych w budynkach z zewnętrznymi. Szkło, wspomagane przez rozwój techniczny, szczególnie ostatnich lat, jest idealnym tworzywem konstrukcyjnym, odpowiednim dla tej koncepcji.
Szkło jest materiałem godzącym przenikanie światła, przezierność i estetykę, ze zwiększoną izolacją termiczną i akustyczną, ochroną przeciwsłoneczną i przeciwpożarową. W tym kontekście mnożą się zastosowania szkła jako elementów konstrukcyjnych, na przykład fasad w systemie szklenia bezramowego z mocowaniem punktowym, podłóg, belek i podpór.
W związku z działającymi na elementy ze szkła obciążeniami, musi być zapewniona bardzo wysoka wytrzymałość mechaniczna. Parametry fizyczno-chemiczne szkła muszą zapewnić wypełnienie jego wszechstronnej funkcji w budownictwie, która wiąże się z zapewnieniem odpowiednich warunków nacisku i tzw. zdolności kinetycznej – przesunięcia pomiędzy elementami składowymi konstrucji.
Śmiałe, nowoczesne, awangardowe realizacje z wykorzystaniem różnorodnych gatunków szkła zmieniają postrzeganie szkła. W świadomości ludzi współczesne szkło straciło wizerunek materiału kruchego na rzecz wizerunku materiału wielofunkcyjnego.
Możliwości techniczne wykorzystania w budownictwie stosowanego od dawna szkła walcowanego, jak i wprowadzonego niedawno szkła float dają pewność, że w następnych dziesięcioleciach szkło nie straci swojej popularności, a wręcz popyt na ten materiał będzie wzrastał, gdyż jest on uosobieniem pewnej wolnej komunikacji pomiędzy ludźmi i przestrzenią. Szkło jest także bliskie wirtualnej rzeczywistości [1], [5].
Architekci poszukują wciąż nowych inspiracji, w spektakularnych projektach szkło jest niekiedy bazowym materiałem, niekiedy frapującym uzupełnieniem. Dzieła konstrukcyjne poszukują pierwowzorów w dziełach malarskich – takim przykładem jest amerykański projekt z 2005 r. zainspirowany dziełem Picassa, odpowiednio dobrane szkło stało się ważnym elementem estetycznej ekspresji i nawiązania do przekazu malarskiego (rys. 2) [2].
Ale pierwowzorem wszystkich dzisiejszych awangardowych projektów był Kryształowy Pałac z XIX wieku (rys. 3).
Prace nad Kryształowym Pałacem, rozpoczęte 26 września 1850, zakończono już w styczniu 1851. Tak szybkie wybudowanie cieplarni z metalu i szkła o niebywałych wymiarach 70 000 m2 było możliwe dzięki rewolucyjnemu wykorzystaniu „prefabrykowanych” elementów konstrukcyjnych, dostarczanych na plac budowy w formie gotowej do montażu. Istotną rolę odegrały wówczas materiały będące najnowocześniejszymi osiągnięciami ówczesnej techniki – szkielet z żelaza i ciągliwego żeliwa oraz wypełniające go cienkie jednolite płyty szklane.
Wystawa londyńska została otwarta 1 maja 1851 roku, a Cristal Palace wywarł na odwiedzających piorunujące wrażenie.
Kryształowy Pałac, podczas trwającej pół roku Wystawy Światowej, zwiedziło 6 mln ludzi, a zobaczyć w nim można było m.in. słynny diament Koh-i-noor.
Ten cud ówczesnej architektury przez wielu uznawany był za ósmy cud świata. Budowla Paxtona przez dziesiątki lat pozostała odważną i odosobnioną próbą. Mimo że przez długi czas brytyjskie mieszczaństwo nie potrafiło zaakceptować tego urzeczywistnienia nowoczesności. Kryształowy Pałac natychmiast odniósł ogromny sukces – wywołał entuzjazm szerokiej publiczności i ciekawość przyjezdnych. Po zamknięciu Wystawy w Hyde Parku szklarnia Paxtona w trzy miesiące została rozmontowana i w 1854 roku złożona ponownie, na drugim końcu miasta, w rejonie Sydenham Hill. Tam właśnie, w 1865, zmarł Joseph Paxton, blisko swego dzieła, które przeżyło go o siedemdziesiąt dwa lata - w 1937 strawił je pożar.
Ogromny wachlarz możliwości szkła hartowanego
Hartowanie szkła jest najstarszą i najbardziej rozpowszechnioną metodą wzmocnienia szkła. Obróbka termiczna polega na nagrzaniu szkła do temperatury bliskiej mięknięcia i szybkim jego ochłodzeniu za pomocą wymuszonej konwekcji powietrza. Jako media chłodzące mogą być stosowane również ciecze, np.: szybkochłodzące ciecze krzemoorganiczne, oleje lub rzadziej – ciała stałe w przypadku tzw. chłodzenia kontaktowego. Efekt wzmocnienia szkła hartowanego wynika z charakterystycznego rozkładu naprężeń termicznych: warstwy wewnętrzne stanowią strefę naprężeń rozciągających, warstwy zewnętrzne – strefę naprężeń ściskających. Maksymalne naprężenia ściskające, występujące w warstwie powierzchniowej, zapobiegają rozprzestrzenianiu się mikrospękań i defektów powierzchniowych, niwelując w znacznym stopniu ich niekorzystny wpływ na wytrzymałość mechaniczną szkła. Ponadto umożliwiają przyłożenie nawet dużego obciążenia zginającego przez skompensowanie naprężeń rozciągających i zmniejszenie w ten sposób wypadkowego naprężenia lokalnego. Średnie naprężenie niszczące dla szkła hartowanego przewyższa kilkakrotnie wytrzymałość zwykłego szkła. Zmniejszone zostaje również zjawisko statycznego zmęczenia szkła.
W jaki sposób, kiedy i kto wpadł na technikę wytapiania szkła – nie wiadomo. Najprawdopodobniej stało się to na Bliskim Wschodzie, w Egipcie lub Mezopotamii, 3-2 tys. lat temu. Według rzymskiego historyka Pliniusza zupełnym przypadkiem wpadli na to kupcy feniccy. Podobno szkło wytapiało się w żarze ich ognisk, gdy obozowali na plaży. Ta historia raczej nie jest prawdziwa, lecz Fenicjanom na pewno zawdzięczamy rurkę do dmuchania szkła. Wskazówki, w jaki sposób wytapiać szkło, są zapisane na kamiennych tabliczkach z Asyrii z 650 roku p.n.e., natomiast pierwsze szklane naczynia wytwarzali Egipcjanie 3,5 tys. lat temu. Średniowieczni Europejczycy przejęli tę umiejętność od Rzymian. |
Szkło hartowane między innymi stosowane jest do „szklenia strukturalnego”, tj. mocowania szklanych płyt do konstrukcji budynków, w której klej silikonowy jest jednym spoiwem wiążącym.
Od 1972 r. na całym świecie wykonano tysiące elewacji klejonych strukturalnie. Technologia szklenia strukturalnego jest technologią bezpieczną i trwałą. Między innymi w Los Angeles (USA), w trakcie trzęsienia ziemi elewacje klejone strukturalnie pozostały całe.
Stwierdzono, że najlepsze warunki do życia i pracy zapewniają: naturalne oświetlenie i naturalna wymiana powietrza. Wiadomym jest, że sztuczne oświetlenie i w pełni klimatyzowane pomieszczenia prowadzą do negatywnych reakcji organizmu ludzkiego. Do najczęstszych objawów choroby zwanej syndromem SBS (Siek–Building–Syndrom) należą częste bóle głowy, uczucie znużenia, depresje.
Szklenie strukturalne (rys. 4) to idealne rozwiązanie dla architektów starających się zapewnić jak najwięcej światła, przejrzystości na dużych powierzchniach. Lekka, przezroczysta konstrukcja ścian składa się z różnego rodzaju szkła (systemy opracowanie przez AGC Group) [3]. Oczywistą kwestią jest tu jakość technologii i wykonawstwo. Lecz efekty wykorzystania technologii zastosowania elementów ze szkła hartowanego zależą od wyobraźni architektów i kapitału inwestorów. Dlatego indywidualne zastosowanie technologii zależy przede wszystkim od wizji architektów.
Szkło hartowane wykorzystywane jest powszechnie i będzie używane jeszcze intensywniej w budownictwie, przemyśle samochodowym, w materiałach rolniczych, przyczepach turystycznych, kolejnictwie, kabinach telefonicznych, budownie ścian osłonowych przed hałasem na ulicach i autostradach. Szkło hartowane prezentuje znacznie większą wytrzymałość na zginanie niż szkło niehartowane – naprężenia przy zginaniu mogą osiągnąć do 120 MPa. Hartowanie na przykład szkła walcowanego zwiększa diametralnie wszechstronność jego zastosowania.Szkło takie jest odporne na wstrząsy, 8-milimetrowa tafla szkła hartowanego jest odporna na upadek stalowej kuli o ciężarze 500 g z wysokości 2 metrów. W przypadku pęknięcia rozbija się na małe kawałki, ograniczając w ten sposób ryzyko wystąpienia głębokich skaleczeń. Gatunki szkła hartowanego są odporne na temperaturę do 200oC.
Ekrany akustyczne stosowane są w Polsce wzdłuż nowobudowanych i modernizowanych szlaków komunikacyjnych. Ochrona przed hałasem stała się wiodącym elementem w ograniczaniu negatywnego wpływu dróg komunikacyjnych na środowisko. Rozwój sieci polskich autostrad będzie generował potrzebę wybudowania wielu kilometrów ekranów akustycznych. W niektórych miejsach, takich jak skrzyżowania, estakady, węzły drogowe wymagana jest możliwość widzenia przez użytkowników dróg, terenu przyległego. Funkcję taką spełniają wówczas przezroczyste przegrody antyhałasowe.
Do wypełnienia konstrukcji ekranów przezroczystych, odbijających fale dźwiękowe, wykorzystuje się tworzywo akrylowe PLEXIGLAS, ale szkło hartowane jest jak najbardziej predysponowanym materiałem do zastosowań ekranowych.
Sposób zniszczenia tafli wypełniających ekrany ze szkła hartowanego w przypadku zderzenia z pojazdami nie zagraża życiu. Szkło jest bardziej odporne na wysoką temperaturę od tworzywa akrylowego. W doświadczeniach włoskich, gdzie w gigantycznym zakresie stosowane są przeźroczyste ekrany antyhałasowe, a niekiedy przeciwwietrzne (autostrady wysoko w górach) wystąpiły przypadki zapalenia się ekranów z materiału akrylowego, na skutek uderzenia pojazdów. Niektóre odcinki włoskich ekranów akustycznych z PLEXIGLAS wymienia się na ekrany szklane, charakteryzujące się wyższą odpornością na wysoką temperaturę. Czynniki trwałości i bezpieczeństwa są dominującymi aspektami we współczesnym projektowaniu m.in. w budownictwie komunikacyjnym.
Rozmaitość szkła walcowanego
Technologie przetwórstwa szkła walcowanego umożliwiają wejście szkła w każdy rejon budownictwa ogólnego. Dzięki przetwórstwu uzyskuje się odpowiednie parametry techniczne, a także estetyczne. Powszechność zastosowań w budownictwie – duży popyt na przetworzone szkło walcowane – zapewni możliwość utrzymania cen szkła na dotychczasowym poziomie, a być może ich obniżenia, co spowodowałoby dalszy wzrost popytu.
Przetwarzanie szkła walcowanego to zagwarantowanie dodatkowych cech materiałowych, podnoszących trwałość i bezpieczeństwo, a dzięki temu wszechstronność zastosowań. Dla przykładu szkło hartowane można pokryć na jednej stronie materiałem antypoślizgowym, co umożliwia zastosowania na podłogach, schodach, galeriach, antresolach. Pokrycie antypoślizgowe – bezbarwne i półprzezierne stabilizowane jest w bardzo wysokiej temperaturze i idealnie przylega do powierzchni szkła hartowanego.
W czasach nowożytnych pierwsze huty szkła powstały we Włoszech, w okolicach Wenecji. Na wyspie Murano należącej do Laguny Weneckiej zaczęto wytwarzać lustra. Najstarsze wyroby ze szkła, jakie znaleziono na ziemiach polskich szacuje się na ok. X wiek. Największy i najszybszy rozwój przemysłu szklarskiego przypada na XX wiek. Z tego okresu pochodzi najstarsza maszyna służąca do automatycznej produkcji opakowań wytwarzanych ze szkła. Dziś do najbardziej rozwiniętych pod względem produkcji szkła państw należą: USA, Japonia, Rosja, Niemcy, Francja i Wielka Brytania. |
Szkło walcowane, ornamentowe, zbrojone jest materiałem właściwym do zastosowań do przeszkleń dachowych, które powiększają optycznie powierzchnie pomieszczeń, dzięki czemu są bardzo pożądane we współczesnej architekturze [4].
Z rodziny szkła walcowanego należy wyróżnić profilowane szkło ornamentowe, które można zastosować w pojedynczych bądź podwójnych ścianach działowych. Profilowane szkło ornamentowe produkuje się jako półprzezierne, czasem zbrojone, o profilu w kształcie litery np. „U”. Dzięki swej dużej sztywności może być wykorzystane do dużych przeszkleń:
● Około 4000 mm w przypadku ściany pojedynczej,
● Około 5000 mm w przypadku ściany podwójnej.
Ściana podwójna z profilowanego szkła ornamentowego pozwala na uzyskanie bardzo dobrych parametrów akustycznych i termicznych w pomieszczeniu:
● dźwiękochłonność do 30 dB,
● U = 3 W(m2K).
Konstruowanie ścian z profili szkła ornamentowego o dużych wymiarach, bez stosowania stolarki, czy elementów konstrukcyjnych pośrednich, stwarza efekt większej ilości światła w pomieszczeniach i lepszego jego rozproszenia.
Poziome zamocowanie elementów umieszczonych w pojedynczej lub podwójnej ścianie, duża sztywność systemu i jego szczelność pozwalają na zastosowanie ich w przeszkleniach zewnętrznych.
Szkło ornamentowe (rys. 5) [6] wyjątkowo wyróżnia się efektami dekoracyjnymi wśród wszystkich rodzajów produkowanego szkła płaskiego i walcowanego, zatem jest to materiał najbardziej skuteczny do stworzenia każdej architektonicznej wizji.
Rozwój technologii szkła w dziedzinie produkcji, przetwarzania i dystrybucji przejawia kierunek dysponowania gotowymi rozwiązaniami systemowymi – tafle szkła, profile mocujące, rodzaj montażu etc. – aby zapewnić możliwość zastosowania szkła w każdych warunkach budownictwa mieszkalnego, budownictwa użyteczności publicznej, budownictwa komunikacyjnego i innego.
Szkło walcowane zajmuje w tej sferze istotne miejsce i na pewno w przyszłości będą rozwijane, unowocześniane systemy montażu pewnych gotowych technologii, wprost do zastosowań w konstrukcjach z udziałem tego szkła [5].
Skuteczne szyby zespolone
Poszukiwanie nowych źródeł energii, która byłaby wykorzystywana do ogrzewania naszych domów powoli staje się w naszym kraju problemem dużej wagi. W Polsce do ogrzania 1 m2 powierzchni użytkowej budynków zużywa się około dwa razy więcej energii niż w krajach skandynawskich.
Budynki charakteryzują się dużymi stratami ciepła między innymi przez nieszczelne okna. Zastosowanie szyb zespolonych w oknach dało nową możliwość budowy domów energooszczędnych. Zastosowanie nowych technologii w domach energooszczędnych, w najbliższej przyszłości nie będzie zapewne jedną z dróg wyboru, ale obowiązującą koniecznością.
Z danych statystycznych wynika, że w światowej produkcji szyb termoizolacyjnych zdecydowanie dominują kraje europejskie. Jest to związane nie tylko z warunkami klimatycznymi panującymi w naszym regionie, ale także z tradycją w stosowaniu szkła w budownictwie.
Zakończenie
Szkło, ma przed sobą świetlaną przyszłość. W czasach kiedy przywiązuję sie ogromną wagę do recyklingu, jest to tak naprawdę jeden z nielicznych materiałów poddawanych recylingowi prawie w 100%.
Technologie szkła podlegają ciągłemu rozwojowi, dzięki czemu pojawiają się coraz to nowe możliwości zastosowań i tworzenia odpowiedniego komfortu życia. Szkło w swojej wielofukcyjności jest i będzie jeszcze bardziej piękne, trwałe i bezpieczne.
Ten artykuł, będący – poszukując analogii muzycznych – formą pewnej „wariacji na temat”, pokazuje wielowiekowy rozwój materiału, jakim jest szkło mineralne i jego ciągłe doskonalenie.
Szkło wciąż zachwyca, fascynuje, inspiruje, czy to z dokonań Tiffaniego (rys. 6), czy to wykorzystane w niezwykłych projektach Gaudiego (rys. 7), czy też użyte we współczesnych wizjach architektonicznych, łączących np. po mistrzowsku beton i szkło (rys. 8).
Politechnika Opolska
Literatura
[1] Stankiewicz B. Wszechstronność nowoczesnego szkła, „Szkło i Ceramika” vol. 3/2006
[2] Hansen B. Picasso Work Inspires New Art School Building, „Civil Engineering” vol. 11/2005
[3] www.glaverbel.com
[4] www.szklosystem.pl
[5] www.saintgobain.com
[6] www.glossworld.pl
więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2008