Współczesne projekty architektoniczne przezroczystych powłok budynków (dachów i fasad) o zakrzywionych kształtach oszklenia są dużym wyzwaniem dla branży budowlanej.
Sposoby wykorzystujące racjonalizację geometrii oszklenia, w połączeniu z wykorzystaniem szkła płaskiego, szkła giętego na zimno lub hartowanego szkła giętego na gorąco, wiążą się z ograniczeniami skomplikowanej geometrii oszklenia i nie zawsze są pożądane z punktu widzenia architekta, chcącego zrealizować swój „niezwykły” projekt.
Odprężone szkło gięte na gorąco zapewnia dodatkową swobodę w projektowaniu, zwłaszcza w zakresie krzywizn dwuosiowych (także przy więcej liczby osi gięcia) w oszkleniu budynku.
Rys. 1. Sferycznie wygięte – odprężone szkło gięte na gorąco, Erin Mills Town Centre Mississauga (Kanada) ©Tom Arban Photography
1. Wstęp
W tym artykule przedstawione zostanie techniczne podejście do obecnie stosowanego giętego na gorąco szkła przy braku norm i przepisów (kodeksów budowlanych).
Podkreślona zostanie specyfika projektowania różnych zastosowań odprężonego szkła giętego na gorąco oraz przedstawione zostaną wyniki badań.
Jest to raport z doświadczeń, w jaki sposób innowacyjne zastosowania giętego szkła odprężonego mogą być realizowane przy wykorzystaniu aktualnie dostępnej wiedzy o projektach badawczych, narzędziach inżynierskich i testach specyficznych dla danego projektu.
Rys. 2. Swobodnie uformowane – odprężone szkło gięte na gorąco, Museé des Confluences, Lyon (Francja) ©Karin Jobst
2. Zapotrzebowanie na odprężone szkło gięte na gorąco
W ostatnich latach w branży fasadowej obserwuje się tendencję do tworzenia zakrzywionych przegród zewnętrznych budynków. Szczególnie skomplikowane/złożone geometrycznie elementy budynków są predestynowane do zastosowania szkła giętego w celu stworzenia unikalnych i przejrzystych fasad (rys. 1 i 2).
Nawet jeśli najnowsze technologie zapewniają szeroki zakres możliwości rozwiązywania problemów związanych z zakrzywionymi szklanymi fasadami, użycie odprężonego szkła giętego na gorąco jest niezbędne do uzyskania ekstremalnej krzywizny, jak pokazują poniższe ograniczenia i specyficzne wymagania:
Rys. 3. Szyby zespolone z giętego na gorąco szkła odprężonego – wygięte z podwójną krzywizną, Concert Hall Elbphilharmonie, Hamburg (Niemcy)
1) Hartowane szkło gięte
Całkowite rozmiary szkła i możliwe do wytworzenia promienie są zazwyczaj ograniczone przez proces produkcji. Cylindryczne szkło gięte można produkować jako szkło wzmacniane termicznie i w pełni hartowane, jeśli promienie nie są zbyt małe (zwykle R > 1000 mm) i jeśli kąt gięcia nie przekracza pewnych granic [1]. Tymczasem wygięte z podwójną krzywizną szkło może być również produkowane jako szkło termicznie hartowane dla dużych promieni przez niewielu dostawców.
Proces hartowania wyrobów ze szkła giętego może być realizowany za pomocą regulowanych rolek. Niemniej jednak, hartowanie i kontrola temperatury w przypadku wyrobów wyginanych stwarzają większe trudności w procesie produkcyjnym w porównaniu do wyrobów ze szkła płaskiego. Dlatego też ograniczenia dotyczące geometrii i wymiarów powinny być zawsze weryfikowane w ścisłej współpracy z dostawcą szkła.
Lokalne zniekształcenia powstałe w wyniku obróbki termicznej (w procesie hartowania) obniżają wizualną jakość szkła, która jest przeważnie niższa niż w przypadku odprężonego szkła giętego. Miękkie powłoki (metaliczne powłoki funkcyjne) i fryty (kolorowe powłoki z farb ceramicznych) są zazwyczaj możliwe do wykonania wyłącznie na wklęsłej powierzchni giętych wyrobów ze szkła hartowanego (twarde powłoki mogą być również na powierzchni wypukłej).
Rys. 4. Szyby zespolone gięte na zimno (4. punkt poza płaszczyzną), Singapore Chancery, Nowy Jork (USA)
2) Gięcie na zimno (w tym skręcanie na zimno)
Zazwyczaj płaskie tafle szkła hartowanego są wyginane (wtłaczane do wymaganego kształtu konstrukcji wsporczej) na miejscu budowy. Proces gięcia powoduje dodatkowe ograniczenia dotyczące budowy szkła – w konsekwencji można uzyskać jedynie konstrukcje szklane z niewielką krzywizną (rys. 4).
Stopień wyginania jest ograniczony albo przez dodatkowe długotrwałe naprężenia wprowadzone w szkle, właściwości mechaniczne i wymagania odnośnie szczelności zdeformowanego uszczelnienia krawędziowego w przypadku szyb zespolonych, albo przez właściwości mechaniczne połączeń międzywarstwowych (połączenia folii laminujących z taflami szkła) w przypadku laminatów szklanych. Dodatkowo, przy zastosowaniu metody zginania na zimno, należy uwzględnić wpływ geometrii (kształtu wygiętego oszklenia) i stabilności (wygięte szklo ma większą sztywność).
Rys. 5. Wygięte z podwójną krzywizną – odprężone szkło gięte na gorąco, Świątynia Baha’i w Ameryce Południowej, Santiago de Chile (Chile) © Jose Luis Stephens
Wykonywanie gięcia szkła na zimno podczas laminowania jest technologią, która pozwala również tylko na wytworzenie wygiętego szkła o małej krzywiźnie [2] i jest produktem fabrycznym (wykonywanym w zakładzie szklarskim), ale mającym podobne wymagania w porównaniu do gięcia szkła na zimno na miejscu budowy. Ze względu na złożoność procesu technologicznego i specyficzne zachowanie wyrobu (np. efekt sprężynowania po gięciu na zimno i laminowaniu), ilość dostawców takiego szkła jest ograniczona.
Możliwy do wykonania stopień krzywizny w obu technologiach gięcia na zimno, na miejscu budowy lub w zakładzie szklarskim, mieści się w tym samym zakresie. Głównymi zaletami metod gięcia na zimno jest wysoka jakość optyczna i swoboda konfiguracji szkła (nakładane powłoki funkcyjne, szkło malowane farbami ceramicznymi – tzw. fryty itp.). Ogólne ograniczenia produkcyjne są podobne w porównaniu z produktami ze szkła płaskiego.
Rys. 6. Naprężenia krawędziowe w sferycznie wygiętym szkle laminowanym (z odprężonego szkła giętego na gorąco) pod obciążeniem termicznym ΔT [6]
3) Racjonalizacja geometrii i metody wykonywania określonego kształtu oszklenia
Zazwyczaj operacje te są stosowane w celu wdrożenia i uproszczenia zaprojektowanej przez architekta skomplikowanej zakrzywionej geometrii (aby ułatwić prace i obniżyć koszty). Polegają one na przekształceniu zakrzywionych elementów szklanych z podwójną krzywizną na elementy z jedną krzywizną lub płaskie elementy szklane.
Szczególnie w kontekście projektów o dużej skali metody te są niezbędne ze względu na ich wpływ ekonomiczny. Metody te wymagają jednak modyfikacji geometrii i siatki połączeń – co niekiedy jest sprzeczne z założeniami projektowymi i są niepożądane w przypadku charakterystycznych elementów elewacji.
Rys. 7. Widok mikroskopowy źródła uszkodzenia [6]
W tym miejscu należy również wspomnieć o szkle wzmacnianym chemicznie, choć obecnie jest ono nadal produktem niszowym w branży budowlanej. Zasięg procesu chemicznego hartowania dotyczy tylko bardzo cienkiej warstwy tafli szklanej, dlatego szkło wzmacniane chemicznie jest bardzo wrażliwe na zarysowania i powinno być chronione przed uszkodzeniem odpowiednimi środkami.
Wszystkie wyżej wymienione warunki brzegowe wymagają rozważenia przy poszukiwaniu rozsądnych, specyficznych dla danego projektu rozwiązań dla wykonania przeszklenia o zakrzywionych geometrii. Niemal nieograniczona swoboda kształtów (kulisty, paraboloida, hiperboloida itp.), a zwłaszcza gięcie wzdłuż kilku osi, są czynnikami skłaniającymi do stosowania wyrobów z odprężonego szkła giętego na gorąco (rys. 3 i 5).
Rys. 8. Temperatury powierzchni szkła wyznaczone w wyniku symulacji dynamicznej budynku [7]
Jednak wysoką jakość wizualną uzyskuje się także poprzez redukcję śladów hartowania i zniekształceń, znanych jako wady powstałe podczas procesu hartowania. Dodatkowo grawitacyjny proces gięcia szkła odprężonego w formach umożliwia gięcie jednoczesne tafli w parach (lub większych zestawach). W rezultacie kilka zakrzywionych tafli szklanych idealnie do siebie pasuje (również w przypadku różnych grubości tafli szkła).
Biorąc pod uwagę kruche pękanie odprężonego szkła giętego na gorąco, cały proces projektowania, produkcji i montażu wymaga szczególnej uwagi i holistycznego podejścia. Złożoność tego procesu zwiększa brak norm dotyczących wymaganych parametrów takich produktów szklanych i norm dotyczących ich zastosowania. W niniejszym artykule omówiono podstawowe aspekty i wnioski z ostatnich projektów firmy Josef Gartner, w których zastosowano ten produkt.
Rys. 9. Schematyczny przykład sytuacji podparcia odprężonego szkła giętego na gorąco (krawędzie swobodne) z ograniczeniem wielkości przemieszczeń
3. Analiza odprężonego szkła giętego na gorąco
3.1 Projektowanie i wykonanie
Strukturalne/bryłowe zachowanie elementów ze szkła giętego różni się znacznie od zachowania elementów ze szkła płaskiego. Efekty łukowe i membranowe są wywoływane bez wcześniejszych ugięć pod wpływem obciążeń [3], tworząc bardzo sztywne i odporne na odkształcenia elementy.
Jednak krawędzie zakrzywionych elementów szklanych są najbardziej narażone na główne naprężenia rozciągające. Ścieżki obciążeń są bardzo podobne do elementów niemembranowych lub strukturalnych elementów szklanych, na przykład w przypadku sferycznie zakrzywionego panelu ze szkła odprężonego.
Na rysunku 6 pokazano główne naprężenia rozciągające na wolnych krawędziach szkła, czyli obszar o ograniczonej wytrzymałości spowodowanej wadami krawędziowymi i brakiem wstępnych naprężeń ściskających. Wady/Skazy krawędzi powstają w wyniku nieprawidłowej obróbki krawędzi i innych uszkodzeń mechanicznych w okresie eksploatacji takich elementów szklanych.
W zależności od rozkładu naprężeń, krawędzie zakrzywionego szkła odprężonego są często źródłem/początkiem pęknięcia [4], jak pokazano na rysunku 7. Wada krytyczna inicjuje zniszczenie poprzez propagację początkowego pęknięcia pod wpływem naprężeń rozciągających [8]. Kontekst postępowania z konstrukcyjnymi elementami szklanymi, w połączeniu z niską wytrzymałością wyrobów ze szkła odprężonego, wskazuje już na przesłanki do zwrócenia szczególnej uwagi przy doborze/obliczeniach takiego szkła.
Sprawę komplikuje fakt, że obecnie najczęściej stosowane metody projektowania (DELR i GFPM) nie podają wytycznych dotyczących weryfikacji wytrzymałości krawędzi pod obciążeniem w płaszczyźnie [9]. Dodatkowo w metodach tych nie uwzględnia się faktycznie występujących rodzajów wad krawędziowych. Nawet w przypadku korzystania z aktualnych norm, brakuje informacji na temat wytrzymałości/nośności takiego materiału.
Wytrzymałość powierzchni czołowej i wytrzymałość krawędziowa odprężonego szkła giętego są niewystarczająco udokumentowane w obecnie stosowanych normach. Jednakże publikacja „Wytyczne dotyczące szkła termicznie giętego” (Bundesverband Flachglas) [10] zawiera zalecenia dotyczące obniżonych wartości wytrzymałości charakterystycznej przy różnych podstawowych orientacjach w stosowaniu szkła giętego na wszystkich etapach opracowywania projektu.
Charakterystyczna wytrzymałość powierzchniowa jest tu podana przy fk=40 N/mm2, a charakterystyczna wytrzymałość krawędzi przy fk=32 N/mm2; wielkości te były weryfikowane serią badań [10]. Niemniej jednak w przypadku stosowania wyrobów ze szkła giętego, nieposiadających Krajowych Aprobat Technicznych, zaleca się wcześniejsze sprawdzenie charakterystycznych wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu poprzez wykonanie dodatkowych badań [10].
Ale także strona obciążenia wymaga szczególnego rozważenia. Można zauważyć, że specyficzne obciążenia projektowe, takie jak obciążenia temperaturowe lub siły wymuszone wywołane ruchami budynku lub warunkami podparcia, odgrywają decydującą rolę w projektowaniu giętych elementów ze szkła odprężonego (oprócz obciążeń udarowych i obciążeń skupionych).
Należy też pamiętać, że obciążenia te trzeba łączyć z typowymi obciążeniami projektowymi budynku (ciężar własny, obciążenie wiatrem, obciążenie śniegiem itp.), co prowadzi do dalszej kumulacji naprężeń rozciągających, głównie w pobliżu krawędzi zakrzywionych elementów szklanych.
Z tego powodu istotne jest, aby dostępne były dane dotyczące temperatury powierzchni szkła.
Dynamiczna symulacja budynku z wykorzystaniem reprezentatywnych danych pogodowych, w tym danych spektralnych promieniowania słonecznego, może dostarczyć niezbędnych informacji. Szczególne znaczenie w tym kontekście mają powierzchnie szklane z metalicznymi powłokami funkcyjnymi lub pokryte farbami ceramicznymi tzw. frytami, ponieważ wywołują one wymianę promieniowania długofalowego (np. promieniowania infrared – cieplnego) między powierzchniami szklanymi.
Im bardziej zróżnicowany jest wypływ ciepła z nagrzanego elementu szklanego, tym większe są różnice temperatur na powierzchniach szkła [7]. W konsekwencji są większe naprężenia termiczne wewnątrz zakrzywionego/wygiętego elementu ze szkła odprężonego. Na rysunku 8 przedstawiono wyniki rozkładu temperatury na powierzchni oszklenia w dynamicznej symulacji budynku.
W każdym przypadku podkonstrukcje służące jako podparcie dla zakrzywionych elementów z giętego szkła odprężonego muszą być projektowane z uwzględnieniem ewentualnych ograniczeń.
Tolerancje wymiarowe dla szkła (zwiększone dla szkła giętego [10]), tolerancje dla podkonstrukcji, ruchy budynku i ugięcia sąsiednich elementów konstrukcyjnych – muszą być dokładnie przeanalizowane, ponieważ mogą one powodować zginanie na zimno lub siły w płaszczyźnie w zakrzywionych elementach z giętego szkła odprężonego.
Takich dodatkowych sił należy unikać, odpowiednio minimalizując je w miarę możliwości poprzez zastosowanie odpowiednich konfiguracji podparcia szyby, jak pokazano przykładowo na rysunku 9. Nawet siły wywołane obciążeniami klimatycznymi, występujące zwykle w zakrzywionych podwójnych szybach zespolonych, mogą być znacznie zredukowane/zmniejszone poprzez zastosowanie systemów elastycznych ramek dystansowych [12].
Warunki obciążenia oddziałujące na zakrzywione elementy wypełnienia z odprężonego szkła giętego wymagają uwzględnienia w analizie szkła konstrukcyjnego, w tym odpowiedniej idealizacji/uproszczenia materiału. Sztywności sprężynowe lub modele materiałowe powinny dokładnie uwzględniać rzeczywistą sytuację podparcia i ścieżki obciążenia [3].
Rys. 10. Porównanie średnich wartości wytrzymałości powierzchniowej [17]
3.2 Badanie
Właściwym podejściem do określenia wytrzymałości krawędzi jest wykonanie zmodyfikowanego testu zginania czteropunktowego. Jednak norma EN ISO 1288-3 obowiązuje wyłącznie dla wyrobów ze szkła płaskiego. Z tego powodu w ramach projektu badawczego PRÜFgbGLAS opracowywana jest obecnie metoda badań dla szkła wygiętego cylindrycznie [13].
Geometrie/Kształty inne niż cylindryczne mogą być badane w sposób uproszczony. Wytrzymałość szkła określa się w próbie czteropunktowego zginania lub w próbie pierścieniowej z płaskimi próbkami przechodzącymi przez cykle termiczne procesu zginania przy produkcji szkła giętego. Zastosowanie testów pierścieniowych pozwala na oddzielenie wytrzymałości powierzchniowej od wytrzymałości krawędziowej w celu określenia wpływu samego procesu gięcia grawitacyjnego [4].
Do badania wewnętrznych naprężeń powierzchniowych, wywołanych niedostatecznym lub niejednorodnym nagrzaniem po wygięciu szkła odprężonego giętego na gorąco, można zastosować fotoelastyczne metody pomiaru naprężeń wewnętrznych [5] lub testy cięcia.
Niemniej jednak, w niektórych przypadkach korzystne jest wykonanie badań rzeczywistych rozmiarów elementów ze szkła odprężonego giętego na gorąco, w tym w przewidywanej sytuacji podparcia, zwłaszcza w celu lepszego zrozumienia zachowania szkła po pęknięciu. Oprócz opisanych powyżej badań, analiza mikroskopowa i fraktograficzna zapewnia dalszy wgląd w jakość i wytrzymałość materiału (np. wzór spękania, źródło uszkodzenia, wykruszenia krawędzi itp.) [6].
Rys. 11. Porównanie charakterystycznej wytrzymałości powierzchniowej pomiędzy seriami GS-1, GS-2 i GS-3 [17]
3.3 Po wyprodukowaniu
Po opuszczeniu miejsca produkcji przez panele z odprężonego szkła giętego na gorąco, nadal wymagana jest szczególna ostrożność. Już podczas pakowania i transportu należy uwzględnić kruche zachowanie materiału (kruchość szkła). Możliwości wystąpienia obciążeń wykraczające poza zaplanowane warunki, od produkcji do ostatecznych warunków brzegowych na budowie, muszą zostać wyeliminowane.
Szczególnie krawędzie szkła odprężonego giętego na gorąco powinny być odpowiednio zabezpieczone i chronione. Ewentualne wykruszenia krawędzi tafli szklanej mogą znacznie zmniejszyć jej wytrzymałość (patrz rozdział 3.1). Należy unikać też zarysowań powierzchni podczas całego okresu użytkowania odprężonych elementów oszklenia.
Rys. 12. Porównanie dopuszczalnych naprężeń obliczeniowych zgodnie z metodologią projektowania ASTM 1300 [16] – w porównaniu z wartościami wyznaczonymi w próbie zginania [6]. Uwaga dla fryty/powłoki – niepodano wartości z ASTM 1300 [16], ale obliczono – przy założeniu obniżenia wytrzymałości o współczynnik 0,6 dla szkła z frytą/powłoką w porównaniu z wartościami podanymi w ASTM 1300 [16]
4. Wnioski z różnych badań
Aby określić ilościowo niektóre z głównych, wpływających na projekt parametrów odprężonego szkła giętego na gorąco, przeprowadzono różne serie badań, które opisano poniżej. Ponadto celem było stworzenie wiarygodnych podstaw projektowania konstrukcji z giętym szkłem w częściowo nieuregulowanej sytuacji normatywnej.
4.1 Wytrzymałość powierzchniowa szkła w zależności od rodzaju obróbki
Próbki od różnych dostawców szkła i różnych szkieł bazowych (GS-1, GS-2 i GS-3) zostały przetestowane w celu zapewnienia odpowiedniej jakości produktu z odprężonego szkła giętego na gorąco, zastosowanego w projekcie.
W celu zbadania wytrzymałości powierzchniowej na zginanie, przeprowadzono testy koncentryczne typu pierścień na pierścieniu. „W celu ilościowego określenia wpływu poszczególnych etapów obróbki zbadano zarówno szkła trawione kwasem, szkła nietrawione, jak i szkła, które przeszły proces gięcia na gorąco (proces nagrzewania/ schładzania)” [7].
Wartości parametrów określone w wyniku badań dopasowano do rozkładu logarytmiczno-normalnego (zapewniającego zwykle najlepsze dopasowanie do oceny wytrzymałości materiału), obliczono prognozę i przedziały ufności dla regresji1 (wytrzymałość charakterystyczna obliczona na podstawie 5%-kwantyla przy poziomie ufności 95%) [7].
W opracowaniach branżowych [17] można było zaobserwować następujące ustalenia – w zależności od źródła wyniki rozchodzą się w pewnym zakresie. Zarówno wartości średnie (rys. 10), jak i wartości wytrzymałości charakterystycznej (rys. 11) uzyskane w wyniku badań są zróżnicowane. Najbardziej obiecujące wyniki można było określić dla serii szkieł GS-2, co przedstawiono na rysunku 11.
Szkła serii GS-2 jak i GS-1 są zgodne z wymaganiami odpowiedniej normy produktowej EN 572-1 [14]. Postulowana w niej wytrzymałość szkła float na zginanie określona jest na 45 MPa. Nie wskazano istotnego wpływu na wytrzymałość szkła spowodowanego wytrawianiem kwasem lub cyklami termicznymi procesu gięcia na gorąco.
Pomiary fotoelastyczne naprężeń wewnętrznych resztkowych oraz badania wzoru/schematu spękania szkła przeprowadzono w innych seriach badań na pełnowymiarowych elementach szklanych giętych na gorąco. Wykonano te badania, aby uzyskać dalszą wiedzę na temat resztkowych naprężeń powierzchniowych spowodowanych procesem odprężania.
Zmierzone resztkowe naprężenia powierzchniowe mieszczą się w dopuszczalnym zakresie dla płaskiego odprężonego szkła sodowo-wapniowego-krzemianowego i nie wywoływały nieregularnych wzorów pęknięć [5].
Rys. 13. Porównanie średniej wytrzymałości, wytrzymałości charakterystycznej i wytrzymałości obliczeniowej otrzymanych z różnych serii badań
4.2 Wytrzymałość krawędzi i powłoki z farb ceramicznych
Kolorowe powłoki z farb ceramicznych (tzw. fryty) nakładane czasami na powierzchniach szklanych stanowią dodatkowe wyzwanie dla wyrobów z odprężonego szkła giętego na gorąco. Oprócz obniżonej charakterystycznej wytrzymałości na zginanie szkła odprężonego z powłoką ceramiczną, która nie jest nawet uregulowana w normach dla szkła płaskiego [15], ciemne kolory farb/fryt mogą wywoływać naprężenia termiczne spowodowane nagrzewaniem (niekiedy nierównomiernym np. efekt częściowego zacienienia) będące efektem działania promieniowania słonecznego.
Wykonano kilka serii badań wraz z późniejszą analizą, w celu porównania wytrzymałości krawędzi polerowanych z powłoką ceramiczną (frytą) na krawędzi (seria 1), krawędzi polerowanych bez powłoki ceramicznej (seria 2 i 3), krawędzi szlifowanych z powłoką ceramiczną nałożoną w pewnej odległości od krawędzi (seria 4) oraz wytrzymałości powierzchniowej dla szkła standardowego (seria 5) [6]. Wszystkie próbki (wymiary L= 180 mm, h= 32 mm, t=7,8- 8 mm) przeszły identyczny proces produkcyjny stosowany zwykle dla odprężonego szkła giętego na gorąco.
Serie od 1 do 4 zbadano w próbie czteropunktowego zginania, a serię 5 w próbie koncentrycznej – pierścień na pierścień. W analizie statystycznej zmierzone wartości badań dopasowano do rozkładu Weibulla [6], który – oprócz wytrzymałości materiału – uwzględnia również inne parametry (np. efekt wielkości). Obliczono wytrzymałość obliczeniową/projektową odpowiadającą prawdopodobieństwu uszkodzenia 1/1000 zgodnie z normą ASTM E 1300 [16].
Na podstawie wyników z rysunku 12 można było wyciągnąć następujący wniosek [6]: charakterystyczna wytrzymałość krawędziowa próbek z frytą/powłoką była o 50% mniejsza, w porównaniu z charakterystyczną wytrzymałością krawędziową próbek bez fryty/powłoki. Wyznaczone na podstawie badań dopuszczalne naprężenia krawędziowe stanowią około 40% dopuszczalnych naprężeń krawędziowych wg ASTM 1300 (szkło bez fryty/powłoki) [16].
Charakterystyczna wytrzymałość krawędziowa próbek bez fryty/powłoki ma ten sam zakres, co próbki z frytą/powłoką położoną w pewnej odległości od krawędzi tafli szklanej.
Charakterystyczna wytrzymałość krawędziowa próbek bez fryty/powłoki ma podobne wartości – jak próbki z frytą/ powłoką położoną w pewnej odległości od krawędzi tafli szklanej. Średnia wartość wytrzymałości krawędziowej (rys. 13) jest znacznie wyższa w porównaniu ze średnią wartością wytrzymałości powierzchniowej. Niemniej jednak, biorąc pod uwagę duże zróżnicowanie wartości badań, charakterystyczna wytrzymałość krawędziowa jest mniejsza.
Powyższe serie badań wyraźnie wskazują na konieczność dokładnego zbadania i ostrożności przy projektowaniu krawędzi elementów ze szkła odprężonego giętego na gorąco. Znane są następujące czynniki wpływające na ostateczną wytrzymałość krawędzi: wykończenie krawędzi (cięcie, szlifowanie, polerowanie itp.)[19], długość krawędzi (ilość wad), czas trwania obciążenia [20] oraz rozkład naprężeń wewnętrznych. Fryta/Powłoka wydaje się zakłócać proces chłodzenia podczas produkcji szkła, co zmniejsza jego końcową wytrzymałość [15] [21].
Rys. 14. Porównanie danych otrzymanych w badaniach z rozkładem Weibulla [11]
4.3 Obciążenie termiczne ΔT
W wielu przypadkach różne temperatury powierzchni na wewnętrznej i zewnętrznej stronie szyby, wyrażone jako obciążenie termiczne ΔT, są decydującym kryterium przy projektowaniu elementów z odprężonego szkła giętego na gorąco.
Aby przewidzieć wpływ pokazanej powyżej niskiej wytrzymałości krawędziowej szkła z frytą/powłoką ceramiczną, w połączeniu z nierównomiernym obciążeniem termicznym ΔT, przeprowadzono badania elementu z różnymi konfiguracjami szkła, stosując następujący układ badawczy [11]:
Wewnętrzna powierzchnia tafli szkła (zainstalowana na górze) była ogrzewana przez wykonane na zamówienie grzejniki otoczone gumą silikonową, przymocowane do powierzchni szklanej. Zewnętrzna powierzchnia tafli szkła (strona dolna) była chłodzona przez wentylator i zraszacze. Naprężenia termiczne były mierzone za pomocą tensometrów (rys. 15).
Zbadano różne konfiguracje szkła – porównujące szkło w pełni pokryte frytą/farbą, szkło z frytą usuniętą przy krawędziach i szkło bezbarwne (szkło złożone z odprężonego szkła giętego na gorąco (wygiętego z podwójną krzywizną ), grubość/budowę panelu szklanego 3x8 mm z warstwą pośrednią (folią laminującą) SGP o grubości 1,52 mm, frytę/powłokę lakierniczą na pozycji #2, powłokę niskoemisyjną low-e na pozycji #6) - w różnych warunkach nierównomiernego obciążenia termicznego ΔT.
Następujące wnioski można było zaobserwować w [17] [18] – prawie wszystkie pęknięcia szkła w badaniach elementów rozpoczynały się od krawędzi szkła całkowicie pokrytego frytą/farbą. Zmierzone naprężenia zasadniczo zgadzają się z naprężeniami obliczonymi (za pomocą analizy Metodą Elementów Skończonych MES).
Pęknięcia wystąpiły wyłącznie w szkłach w pełni pokrytych frytą – dochodzącą do krawędzi (fryta na pozycji #2). Wyniki badań dopasowano do rozkładu Weibulla, aby przewidzieć prawdopodobieństwo uszkodzenia, jak pokazano na rysunku 14. Różnica temperatur ΔT=10 K pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną strona szkła powodowała prawdopodobieństwo uszkodzenia na poziomie 0,8%, różnica ΔT=21 K wykazała prawdopodobieństwo uszkodzenia na poziomie 3,4%.
Na podstawie wyników badań wpływu temperatury/różnic temperatury w poprzedniej symulacji dynamicznej budynku można określić prawdopodobieństwo uszkodzenia szyby w zależności od jej orientacji. W konsekwencji, ryzyko uszkodzenia uzyskane na podstawie oceny opisanych powyżej badań, częściowo przekracza typowo stosowane prawdopodobieństwo uszkodzenia według normy ASTM 1300 [16]. Takie wyniki badań wymagają zmodyfikowania konfiguracji szkła lub przyjęcia wspólnie uzgodnionej polityki ryzyka w projektach dotyczących materiału, jakim jest odprężone szkło gięte na gorąco.
Rys. 15. Konfiguracja stanowiska badawczego do testowania komponentów szklanych [18]
5. Wnioski
Dopóki nie zostaną wprowadzone przepisy określające wymagania dotyczące produktów oraz znormalizowane metody badań, badania specyficzne dla danego projektu będą miały kluczowe znaczenie dla ustanowienia wiarygodnej podstawy do projektowania obiektów wykorzystujących wysoce „wrażliwy” materiał, jakim jest odprężone szkło gięte na gorąco. W kilku seriach badań odprężonego szkła giętego na gorąco, wyniki pokazują ogromne zróżnicowanie odporności/wytrzymałości na naprężenia, głównie w zależności od konfiguracji szkła i jakości samego produktu z odprężonego szkła giętego na gorąco.
Ciągła kontrola jakości materiału i procesu produkcyjnego jest bezwzględnie konieczna, zwłaszcza w odniesieniu do wytrzymałości krawędzi, która odgrywa fundamentalną rolę w kontekście mechaniki pękania szkła. Ponadto odprężone szkło gięte na gorąco wymaga bardzo starannego projektowania i wykonania.
Biorąc pod uwagę kruche zachowanie materiału i brak norm technicznych, holistyczne podejście uwzględniające wszelkie warunki brzegowe jest niezbędne do realizacji geometrycznie złożonych przegród budowlanych. Ogólnie rzecz biorąc, należy wdrożyć przyjazną dla użytkownika metodę projektowania, uwzględniającą zarówno jakość materiału na podstawie wcześniejszego wykrywania wad, jak również konkretne warunki obciążenia.
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
Bibliografia
[1] Haldimann M., Luible A., Overend M.: Structural Use of Glass, International Association for Bridge and Structural Engineering, Zürich, Switzerland, 2008
[2] Fildhuth T., Knippers, J.: Interior stress monitoring of laminated cold bent glass with fibre bragg sensors, Challenging Glass 4 & COST Action TU0905 Final Conference EPFL–Louter, Bos, Belis & Lebet (Eds), Lausanne, Switzerland, 2014
[3] Schuler C., Elstner M., Illguth M., Stief S., Lorenz A.: Application of curved glass in architecture; Stahlbau Volume 81; Issue 3, March 2012
[4] Hof P., Oechsner M.: General technical approval for curved annealed and curved tempered glass in Germany, Proceedings of Cost Action TU0905 Mid Term Conference on Structural Glass, Porec, Croatia, April 2013
[5] Schneider J.; Hilcken J.: Test report 1163/2017.07.01 30th January 2017, Heusenstamm, Germany
[6] Schütz Goldschmidt Schneider – Ingenieurdienstleistungen im Bauwesen GmbH
[7] Post H.: Report Dynamic Building Simulation, b+e Consulting Engineers for Building Climate and Energy Schemes, January 2016, Munich, Germany
[8] Lindqvist M.: Structural Glass Strength Prediction Based on Edge Flaw Characterization; These No 5627 EPFL Ėcole Polytechnique Federale de Lausanne, 22. February 2013, Lausanne, Switzerland
[9] Haldimann M.: Fracture Strength of Structural Glass Elements – Analytical and Numerical Modelling, Testing and Design, These No 3671, EPFL, Lausanne, Switzerland, 2006.
[10] Bundesverband Flachglas, BF Merkblatt 009/ 2001, Guidelines for Thermally Curved Glass
[11] Schneider J; Hilcken J. Hagen B.: Test Report 1163/2016.44.02, 16th March 2017; Heusenstamm, Germany
[12] Wellershoff F., Förch M., Minasyan, M.: Impact of Foam Spacer Systems on curved double glazed units under climatic loads; Engineered Transparency – International Conference at Glasstec, Düsseldorf, Germany, 2014
[13] Bukieda P, Engelmann M., Elstner M., Weller B.: Research and Standardisation of Four-Point Bending Test for Thermally Curved Glass, Glasbau 2017, Dresden, Germany
[14] EN 572 1:2004 German version, Glass in building Basic soda lime silicate glass products Part 1: Definitions and general physical and mechanical properties
[15] Weller B., Nicklisch F., Thieme S., Weimar T.: Glasbau-Praxis Konstruktion und Bemessung, 2010
[16] ASTM E 1300 -04, Standard Practice for Determining Load Resistance of Glass in Buildings, July 2004
[17] Schneider J.; Hilcken J.: Test Report 1119/2015.14.02, 28th April 2016, Heusenstamm, Germany
[18] Schneider J.; Hilcken J., Müller Braun, S.: Test Report Nr. 102.01.16 TU Darmstadt - Institute for Structural Mechanics and Design (ISM+D), 15th April 2016; Darmstadt, Germany
[19] Kleuderlein J., Ensslen, F., Schneider J.: Investigation of edge strength dependent on different types of edge processing, Proceedings engineered transparency, International Conference at glasstec, 21 and 22 October, Düsseldorf, Germany, 2014
[20] Vandebroek M., Lindqvist M., Belis J., Louter C.: Edge Strength of cut and polished glass beams, Glass Performance Days, 17 -20 June, Tampere, Finnland, 2011
[21] BergersM., NatividadK.; MorseS. M.,Scott NorvilleH.: Full scale tests of heat strengthenedglass with ceramicfrit, Glass Structures &Engineering, Volume 1, Issue 1, June 2016
