Ulepszanie projektowania giętych szyb zespolonych

Szczegóły: Kategoria: Wydanie 10/2019; Opublikowano: 11 październik 2019

Zakrzywione szyby zespolone, formowane przez gięcie na gorąco szkła float (odpuszczonego) i hartowanie lub gięcie metodą „slump” (opadanie ogrzanego szkła w formie i dostosowywanie się do jej zakrzywionego kształtu), oferują odważny wyraz architektury, przejrzystość i efektywność energetyczną.

Ponieważ buduje się coraz więcej fasad o złożonej geometrii, zespoły projektowe muszą zaangażować konsultantów i międzynarodowych ekspertów branżowych w celu zdefiniowania właściwości i ograniczeń zakrzywionych szyb zespolonych zgodnie z odpowiednimi normami i najnowszą wiedzą.

Wprowadzenie
Niniejszy artykuł opisuje tradycyjne możliwości produkcyjne i procesy technologiczne oraz określa zalety i właściwości konstrukcyjne tych wyrobów szklanych. Sztywność wynikająca z krzywizny stwarza realną okazję do zmniejszenia wizualnej szerokości profili słupów metalowych, ustawianych wzdłuż prostych krawędzi.

Szczegółowym razważaniom poddano także redystrybucję obciążeń, możliwość zwichrowania (wyboczenia) profili konstrukcyjnych i zwiększony wpływ obciążeń klimatycznych na uszczelnioną przestrzeń międzyszybową z elastycznymi przekładkami i elastycznymi mocowaniami.

Właściwości konstrukcyjne i spełnienie wymagań projektowych są porównywane dla szyb zespolonych o powierzchni płaskiej oraz o małej (płytkiej) i dużej (głębokiej) krzywiźnie przy użyciu analizy metodą elementów skończonych uwzględniając współpracę tafli szkła, gazu wewnątrz szyby zespolonej i silikonu (masy uszczelniająco-klejącej). Na podstawie tego badania przedstawiono sugestie dotyczące specyfikacji i analizy zakrzywionych szyb zespolonych.

Zastosowanie fasad z szybami zespolonymi z cylindryczną krzywizną stało się nowatorskim rozwiązaniem spełniającym zarówno wymagania estetyczne, jak i efektywności energetycznej. Sztywność oszklenia wynikająca z nadanej krzywizny uznana została za szczególną zaletę w stosunku do płaskiego szkła, zmniejszając wymagania dotyczące mocowania i poprawiając estetykę lub zwiększając rozpiętość.

W wyniku poprawy sztywności zakrzywione szyby zespolone (IGU) mają zmniejszoną zdolność do kompensowania zmian ciśnienia wewnętrznego i atmosferycznego przez wygięcie tafli szkła (kształt tzw. poduszki) w porównaniu z szybami płaskimi.

Znajomość możliwości wytwarzania i zachowania konstrukcyjnego ma kluczowe znaczenie dla projektowania zakrzywionych szklanych elementów. W tym artykule zbadano parametry, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu zakrzywionej szyby zespolonej i analizie wpływu zmian ciśnienia na szyby wygięte cylindryczne, porównując płaską szybę zespoloną z wyrobami o małej i dużej krzywiźnie (rys. 1) przy użyciu metody analizy elementów skończonych uwzględniając współpracę tafli szkła, powietrza i silikonu.

2019 10 22 1a

Rys. 1. Porównanie krzywizny szyby zespolonej IGU wybranej do badań numerycznymch

Wytwarzanie zakrzywionego szkła
Cylindrycznie zakrzywione szkło do zastosowań architektonicznych powstaje przez:

1) termiczne gięcie z hartowaniem – kontrolowane szybkie chłodzenie (hartowane szkło gięte),

2) opadanie ogrzanej tafli szkła na zakrzywioną formę, a następnie odpuszczanie zwane też odprężaniem (wolne chłodzenie) w celu złagodzenia naprężeń wstępnych (szkło gięte z formy).

Wymiary giętego szkła hartowanego są ograniczone promieniem krzywizny i rozmiarem pieców dostępnych w przemyśle. Szkło gięte z formy może osiągnąć szerszy zakres geometrii, a co do zasady może zapewnić najwyższą jakość optyczną, jeśli spełnia wymagania dotyczące wytrzymałości.

Projektując zakrzywioną szybę zespoloną, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

1. Powłoki. Gdy wymagane jest nałożenie powłoki na szyby w celu uzyskania właściwości przeciwsłonecznych, termoizolacyjnych lub estetycznych, należy zwrócić uwagę na rodzaj powłoki i jej położenie w szybie zespolonej. Podczas gdy powłoki pirolityczne („twarde”) mogą być stosowane zarówno na wklęsłych, jak i wypukłych powierzchniach, to powłoki magnetronowe („miękkie”), powstałe w wyniku napylania w magnetronach, mogą być obecnie stosowane tylko na wklęsłej powierzchni bez ryzyka uszkodzeń powodowanych przez wałki znajdujące się w piecach do hartowania i gięcia po stronie wypukłej powierzchni szyby. Producenci pieców do gięcia szkła nadal pracują nad nowymi technikami nakładania miękkich powłok na każdej powierzchni szkła giętego.

2. Rodzaj szkła. Szczególnie w hartowanym szkle giętym niedoskonałości mogą być bardziej widoczne, gdy użyte jest zwykłe szkło przezroczyste zamiast szkła o niskiej zawartości żelaza. Szkło hartowane jest bardziej podatne na zniekształcenia: falistości od wałków, szczególnie widoczne przy powłokach refleksyjnych i opalizowanie (anizotropie) z powodu nierównomiernego chłodzenia. Wobec tego zamiast szkła hartowanego może być wybrane laminowane szkło wzmacniane termicznie, jeśli jest zgodne z wyamaganiami projektowymi, które daje lepszą jakość wizualną.

3. Grubość szkła. Zniekształcenia i tolerancje wykonania będą się zmieniać w zależności od rodzaju obróbki cieplnej i grubości tafli szklanej. Tolerancje zwykle brane pod uwagę przy giętej tafli szkła obejmują: lokalną falistość (krzywiznę), odkształcenia skrętne i dokładność całkowitej krzywizny lub odchylenia od grubości szkła.

4. Promień gięcia. Każdy piec do gięcia szkła ma określone ograniczenia produkcyjne dotyczące promieni gięcia, długości i wysokości łuku. Wskazane jest potwierdzenie wymagań z dostawcami szkła giętego na wczesnych etapach wykonywania projektu architektonicznego, aby wybrać odpowiednią metodę gięcia.

5. Liczba warstw szkła. Jako alternatywa dla hartowanych paneli monolitycznych w niektórych przypadkach może być również brane pod uwagę laminowane szkło wzmacniane termicznie. Tu jednak należy omówić z producentem szkła giętego wymagania dotyczące tolerancji (odchyłek) od projektu, aby ocenić, czy folia laminująca (tzw. międzywarstwa) będzie w stanie wypełnić szczeliny między wieloma warstwami szkła wykonanymi z różnymi tolerancjami, które się kumulują.

6. Estetyka. W celu zweryfikowania estetyki szyby zespolonej zrobionej na zamówienie zaleca się przegląd materiałów i wykonywanie kolejnych makiet do oceny wizualnej na każdym etapie projektowania. Próbkę należy zbadać w świetle rozproszonym (tak wychwytywany jest m.in. efekt anizotropii), a nie w bezpośrednim świetle słonecznym, z odległości większej niż 1,5 m.

7. Ryzyko szoku termicznego. Podczas gdy odprężone produkty gięte ze szkła przezroczystego i niepowlekanego wykazują wiele zalet, to gdy stosuje się szkło odprężone (float) barwione lub powlekane, wykazuje ono podwyższone ryzyko pęknięcia na skutek szoku termicznego.

8. Zniszczenie w miejscu montażu. Montaż giętych paneli należy szczegółowo zbadać pod kątem zgodności z tolerancjami i możliwymi deformacjami systemu oszklenia. Ma to na celu ograniczenie dodatkowych naprężeń spowodowanych niezamierzonym zginaniem na zimno wymuszonym dopasowaniem oszklenia do kształtu konstrukcji metalowej tak, aby krawędź tafli szklanej była zgodna z tolerancjami systemu profili fasady.

9. Wyrównanie ciśnienia w komorach szyby zespolonej. Szyby zespolone są produkowane z hermetycznie zamkniętymi komorami międzyszybowymi wypełnionymi gazem (np. argonem), które są wrażliwe na zmiany ciśnienia wynikające z różnicy położenia nad poziomem morza między miejscem produkcji a miejscem montażu, sezonowych wahań klimatycznych (zmiany ciśnienia atmosferycznego) i zmiany temperatury gazu w przestrzeni międzyszybowej (rys. 2).

Zdolność szyby zespolonej (IGU) do wyrównania wewnętrznych ciśnień poprzez wyginanie tafli szkła (tzw. poduszki) jest ograniczona w szybach zakrzywionych przez większą sztywność spowodowaną przez krzywiznę wygiętych tafli szkła. Zwiększona sztywność ogranicza wyrównywanie ciśnienia, może wytworzyć ekstremalne ciśnienie wewnętrzne i wywołać naprężenie w szkle i uszczelkach, powodując w warunkach skrajnych zetknięcie się tafli szklanych, co prowadzi do przedwczesnego uszkodzenia uszczelek lub rozbicia szkła.

Autorzy zauważyli, że zakrzywione szyby zespolone są często określane na podstawie nośności konstrukcyjnej szyby płaskiej, bez uwzględnienia zwiększonej sztywności krzywizny lub zmniejszonej kompensacji zmian ciśnienia. W tym artykule efekty krzywizny porównano z równoważną szybą płaską, aby ocenić nośność zakrzywionej szyby zespolonej (IGU) w celu zwiększenia wiedzy projektantów.

2019 10 22 2a

Rys. 2. Kombinacja obciążeń zewnętrznych i wewnętrznych w zakrzywionej szybie zespolonej (IGU)

(...)

Kompensacja ciśnienia w szybach zespolonych – badanie porównawcze
Sezonowe obciążenia klimatyczne mają na ogół ograniczony wpływ na efektywną nośność konstrukcji, w tym zrównoważoną grubość szkła, hartowanie lub wymiary uszczelnienia wtórnego. Wskazówki analityczne dotyczące izochorycznych oddziaływań w szybach zespolonych nie są obecnie uwzględnione ani w normach amerykańskich ASTM [1] ani australijskich [2].

Skutki różnicy wysokości mogą mieć za to znaczący wpływ na rozmiar wtórnego uszczelnienia silikonowego. Producenci giętego szkła, z którymi konsultowano się w tej analizie, regularnie instalują tymczasowe „rurki odpowietrzające” (do kompensacji zmian ciśnienia) w giętych szybach zespolonych, aby wyeliminować efekty zmian wysokości podczas transportu od producenta na miejsce montażu na fasadzie.

Właściwości konstrukcyjne prostokątnej szyby zespolonej o wysokości 3,0 m i szerokości 1,5 m ze współczynnikiem kształtu 2:1 przeanalizowano dla: powierzchni płaskiej, małej (5° do 30°) i dużej (60° do 120°) krzywizny cylindrycznej. Szyby zespolone, składające się z symetrycznych paneli o minimalnej grubości 7,7 mm [3] z komorą o szerokości 16 mm wypełnioną powietrzem, wybrano na podstawie dopuszczalnego ugięcia dla 2 kPa, charakterystycznego dla obciążenia wiatrem w budynkach wysokich.

Często możliwe jest zmniejszenie lub wyeliminowanie podparcia zakrzywionego szkła ze względu na sztywność uzyskaną z krzywizny. Sztywne podparcie jest zapewnione na zakrzywionych krawędziach szyby zespolonej i wzdłuż wszystkich krawędzi płaskich. Elastyczne podparcie jest zapewnione na prostych krawędziach zakrzywionych szyb zespolonych, które inaczej ugięłyby się o więcej niż L/175 dla obciążeń bocznych (szyby zespolone z krzywizną od 5° do 15°).

Sezonowe obciążenia klimatyczne wpływające na temperaturę w przestrzeni międzyszybowej i zmiany ciśnienia atmosferycznego przyjęto z tabeli 2, DIN 18008-1 [4]. Zmiana wysokości (między miejscem produkcji a miejscem montażu) została zmniejszona do +/- 50 m, odpowiednio dla niekorzystnej kombinacji obciążeniem klimatycznym, tak że uszczelnienie krawędzi zakrzywionych szyb zespolonych mogą być obliczane tylko do przeniesienia stałych obciążeń. Działanie obciążenia jest podsumowane w tabeli 1.

Tabela 1. Podsumowanie projektowanych obciążeń

2019 10 22 1tab1

Częściowe współczynniki obciążenia i uzupełniające współczynniki obciążenia, określone w prEN 16612 [5] dla płaskich szyb zespolonych, są przeznaczone dla uściślenia klasy zagrożenia zniszczeniem.

Autorzy nie znaleźli reguł określania klasy zagrożenia zniszczeniem, odpowiedniej do analizy szkła z możliwością utraty stabilności. Do tej oceny przyjmuje się częściowe współczynniki obciążenia i uzupełniające współczynnikii obciążenia z normy DIN 18008-1 [4], które są podsumowane w tabeli 2, do stosowania z kombinacjami obciążeń ULS i SLS [5].

Geometrycznie zgodny model elementów skończonych obejmujący szkło, gaz i silikon zastosowano w badaniach porównawczych płaskich i zakrzywionych szyb zespolonych. Dla praktycznego porównania uproszczono wpływ ramki dystansowej i uszczelnienia krawędzi na podstawie tego, że szkło nie wytwarza momentu zginającego na krawędziach.

To założenie należy uznać za ważne, gdy: a) obroty krawędzi są małe lub b) uszczelnienie wtórne jest zbyt wąskie, gdy obroty krawędzi są duże. Model Strand7 [6] składał się ze stopniowo zakrzywionych elementów płytowych QUAD8 dla szkła i silikonu oraz płynnych elementów HEX20 zastępujących powietrze (rys. 3). Podział elementów płytowych na szkle wynosił około 50 mm kwadratowych. Model uwolnień i ograniczeń pozwolił na zatrzymanie płynu przez ograniczenia obwodowe.

Wtórne uszczelnienie silikonowe dla analizy wytrzymałości na rozciąganie zostało zamodelowane jako DOWSIL 3363 z 2-parametrowymi właściwościami hiperelastycznymi Mooney-Rivlin [7]. Stykowe elementy łączące na obwodzie symulowały właściwości ściskające elementu dystansowego. Uszczelnienie wtórne otrzymało zwiększoną powierzchnię spoiny poprzez dostosowanie grubości elementu. Początkowe założenie powierzchni spoiny ograniczyło wydłużenie, co skutkuje wyższymi ciśnieniami gazu, bez potrzeby iteracji do zoptymalizowanych wymiarów projektowych.

Tabela 2. Częściowe współczynniki obciążenia i uzupełniające współczynniki obciążenia

2019 10 22 1tab2

Obserwacje i wyniki
Wyniki analizy zakrzywionej szyby zespolonej podzielono na dwie grupy: wyroby podatne na wyboczenie i wyroby z kontrolowaną sztywnością. Szyby zespolone z grupy o kontrolowanej sztywności wykazywały wyraźne trendy dotyczące tworzenia zwiększonych wielkości: ciśnienia gazu, naprężeń w szkle i ugięcia sił w uszczelnieniu krawędzi. Wyniki wyboczenia dla zakrzywionych szyb zespolonych z kątem krzywizny w zakresie 5° do 15° wypadły poza te trendy, ze względu na zjawisko wyboczenia obserwowane w modelach analitycznych.

2019 10 22 3a

Rys. 3. Szczegóły analizy metodą elementów skończonych. Model zakrzywionej szyby zespolonej

Ze względu na możliwość dyskomfortu wzrokowego spowodowanego nadmiernymi ugięciami, nieelastyczną redystrybucją naprężeń i potencjalnym uszkodzeniem uszczelnień w wyniku skręcenia, wyboczenie uznano za niepowodzenie, tak jak ocenił Bensend [8] w przypadku wyboczenia zakrzywionego szkła giętego na zimno. Szyby podatne na wyboczenie zostały wykluczone z porównania z szybami o kontrolowanej sztywności.

Tabela 3. Obciążenie wyboczeniowe szyb zespolonych. Szyby wrażliwe na wyboczenie poniżej obciążenia wiatrem ULS są oznaczone na czerwono

Rys. 4. Model wyboczenia zakrzywionego szkła z małą krzywizną

Rys. 5. Stopień wyrównania ciśnienia sezonowego dla kombinacji obciążeń ULS

W celu oceny możliwości wyboczenia zakrzywionego szkła, do modeli kompleksowych z odpowiednimi warunkami brzegowymi zastosowano przyrosty obciążenia bocznego (prostopadłego do powierszchni szyby) dla ciśnienia wiatru (parcie lub ssanie) oraz ciśnienia izochorycznego.

Przeprowadzono geometryczną nieliniową analizę statyczną, a uzyskane wykresy siły i przemieszczenia zastosowano do zidentyfikowania początku wyboczenia (Tabela 3), w którym krzywizna zmniejsza się w środku i tworzy się fałd (rys. 4). Może to być cenny pierwszy krok do zrozumienia, czy szkło wybrzusza się w wyniku pojedynczego działania, przed sprawdzeniem wszystkich kombinacji obciążeń. Badanie wyboczenia wykazało, że obciążenie wiatrem przyłożone przeciwnie do kierunku krzywizny doprowadziło do wystąpienia wyboczenia przy obciążeniu mniejszym niż obciążenie projektowanym wiatrem ULS.

Ponadto szyby z małą krzywizną 5° wykazywały wyboczenie pod ciśnieniem izochorycznym. Przyłożone obciążenia w tym samym kierunku co krzywizna nie doprowadziły do wyboczenia. Należy zauważyć, że biorąc pod uwagę ograniczoną liczbę przypadków badanych w omawianym studium projektowym, badanie wrażliwości na skutki wyboczenia jest uzasadnione dla innych rozmiarów lub grubości szyb zespolonych.

Ciśnienie gazu spowodowane nierównomiernymi obciążeniami, wynikających z przemian izochorycznych w gazie w komorze szyby zespolonej, wynosiło od 0,1 kPa do 5,0 kPa w okresie letnim i od 0,2 kPa do 8,0 kPa w okresie zimowym dla kombinacji sezonowych obciążeń ULS. Wskaźnik kompensacji 99% dla płaskiej szyby zespolonej spadł do 61% dla zakrzywionej szyby zespolonej o krzywiźnie z kątem 120° (rys. 5). Wynikowe ciśnienie izochoryczne przekroczyło obciążenie od siły wiatru.

Płaskie szkło wsparte na 4 krawędziach wywołuje pole naprężeń znajdujące się w środku szyby. W przypadku krzywizny zaobserwowano, że pola naprężeń szczytowych przenoszą się od środka i koncentrują się wzdłuż obszarów obwodowych (rys. 6).

Zgodność krzywizny ze zmieniającą się długością krawędzi szkła i właściwościami powłoki z emalii jest ważnym czynnikiem podczas projektowania. Zakrzywione szkło, które nie jest podatne na wyboczenie pod projektowymi obciążeniami wiatrem, może być często projektowane jako niepodparte wzdłuż prostych krawędzi.

Stwierdzono, że wsparcie nie jest wymagane, gdy w zestawie próbek θ≥30°. Wzorce ugięcia od wyrównania ciśnień izochoralnych porównano z ugięciem od obciążenia wiatrem (rys. 7).

W przypadku krzywizny redystrybucja sił wzdłuż uszczelnienia krawędzi zbiegła się ze wzrostem ciśnień wewnętrznych. Na zakrzywionej krawędzi zaobserwowano koncentrację sił w uszczenieniu krawędzi.

Wymagane wymiary wtórnego uszczelnienia silikonowego zostały porównane na rys. 8. Wymagania dotyczące uszczelnienia krawędzi [9] ze względu na stałą zmianę wysokości +50 m określono jako o podobnej wielkości.

Rys. 6. Powyżej: naprężenie rozciągające w wyniku niezrównoważonych ciśnień izochorycznych. Poniżej: naprężenie rozciągające z powodu obciążenia wiatrem

Rys. 7. Powyżej: ugięcie spowodowane kompensacją ciśnienia izochorycznego. Poniżej: ugięcie spowodowane przez obciążenia wiatrem

Rys. 8. Wymagania dotyczące rozmiaru spoiny wtórnego uszczelnienia silikonowego dla fasady w zależności od kombinacji obciążeń SLS

Wnioski i podsumowanie
Podsumowując, zaobserwowano, że krzywizna wpływa na technologie produkcji, parametry konstrukcyjne i wyniki estetyczne szyb zespolonych. Na wczesnych etapach projektu zaleca się dokładne rozważenie możliwości wytwarzania i zachowania konstrukcji w celu wybrania zgodnych z wymaganiami rozwiązań projektowych.

Wykazano przez porównanie zachowania konstrukcji z różnymi krzywiznami oszklenia, że dobór szkła giętego (zakrzywionego) na podstawie zachowania szkła płaskiego nie jest właściwe. Na przykład, przyjęcie małej krzywizny dla tafli szklanych może wprowadzić wrażliwość na wyboczenie wyrobów szklanych, które w przeciwnym razie miałoby odpowiednią wytrzymałość w stanie płaskim.

Przyjęcie dowolnej krzywizny zmniejsza zdolność szyb zespolonych do kompensowania zmian wysokości i sezonowych obciążeń klimatycznych, powodując nierównomierne ciśnienie wewnętrzne, którego nie można lekceważyć. Normy projektowe mogłyby zyskać na większej jasności co do wielkości i kombinacji efektów przemian izochorycznych.

Byłoby to bardziej zgodne z nowymi możliwościami produkcyjnymi i trendami rynkowymi. Wspólny wysiłek inwestora, projektanta i producenta pomoże zapewnić osiągnięcie wysokowydajnych, niezawodnych i estetycznych projektów z konstrukcjami ze szkła giętego.

(...)

Podziękowanie
Dziękujemy całemu zespołowi Strand7, Anne Delvaux z Beaufort Analysis oraz producentom szkła: Cricursa, Cristacurva, Sedak i Sunglass.

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

Adam Nizich, Sam Baer, Silvia Prandelli, Kelly Burkhart
Walter P. Moore & Associates, Inc.

Bibliografia
[1] ASTM E1300-16, 2016. Standard Practice for Determining Load Resistance of Glass Buildings (Standardowa praktyka określania odporności na obciążenia szklanych budynków)
[2] AS 1288-2006 (R2016), 2016. Glass in buildings – Selection and installation (Szkło w budynkach – wybór i montaż).
[3] EN 572-2:2012 Szkło w budownictwie – Podstawowe wyroby ze szkła sodowo-wapniowo-krzemianowego –Część 2: Szkło float
[4] DIN 18008-1:2012. Glass in building – Design and construction rules – Part 1: Terms and general bases, (Szkło w budownictwie – Zasady projektowania i montażu – Część 1: Wymagania i ogólne reguły,)
[5] prEN 16612-2017 Szkło w budownictwie – Wyznaczanie nośności normalnie obciążonych szklanych tafli metodą obliczeniową
[6] Strand7, 2019. Strand7 Finite Element Software, R3 Preview, Strand7 Pty Limited, Sydney
[7] Dow, 2018. Behavioral Data Sheet. DOWSIL 3363 Insulating Glass Sealant, The Dow Chemical Company, Form No. 63-6691-01.
[8] Bensend, A.: Beneath the Surface: Buckling of Cold Formed Glass (Pod powierzchnią: Wyboczenie szkła formowanego na zimno), Glass Performance Days 2015 Conference Proceedings, pp. 241-246, Glass Performance Days, Tampere, 24-26 June 2015
[9] Dow, 2018. Declaration of Performance. No SNF_DOP_005, The Dow Chemical Company, Form No. 62-1886-01 A, Version 3.