Klejenie szkła do ram aluminiowych, znane jako Silikonowe Szklenie Strukturalne (Structural Silicone Glazing SSG), jest stosowane na fasadach od ponad 50 lat. Tradycyjnie wymiary spoin silikonowych są obliczane przy użyciu uproszczonego równania opisanego w wytycznych, takich jak ETAG002 lub ASTM C1401, które zakładają jednorodny rozkład naprężeń wzdłuż spoiny silikonowej.
Chociaż podejście to pozostanie sprawdzoną ważną metodą, której skuteczność została potwierdzona, ostatnie badania wykazały, że wymiarowanie połączeń może być zoptymalizowane dla zbyt dużych spoin, takich jak konstrukcje, które są opracowywane do pracy w strefach wiatru o dużej prędkości. Wraz ze wzrostem wymiarów spoiny, rozkład naprężeń w strukturalnym szczeliwie silikonowym odbiega od jednorodnej, głównie przy rozciąganiu pod wpływem obciążenia ssaniem wiatru (ujemne obciążenie).
Rozbieżność wynika ze sztywności szczeliwa w funkcji obrotu szkła, gdzie można zaobserwować mieszane tryby naprężeń ściskających, rozciągających i ścinających wzdłuż szerokości połączenia (spoiny). Metody wymiarowania alternatywne do konwencjonalnych sposobów projektowania są ważne, ponieważ pozwalają na większą swobodę projektowania z uwzględnieniem długotrwałej wytrzymałości.
Fizyczne próbki, od małych elementów w kształcie litery H do pełnowymiarowych paneli o wymiarach 914 mm na 1524 mm, zostały przetestowane przy różnych proporcjach kształtu połączeń, wahających się od 2:1 do 4:1 stosunku szerokości do głębokości. Analiza Metodą Elementów Skończonych (MES) testowanych próbek zapewniła wgląd w pracę szczeliwa (dystrybucję naprężeń) i potencjalną identyfikację uszkodzeń. Na podstawie przeprowadzonych testów zaproponowano nowe metody projektowania dla wymiarów połączeń wykraczających poza normalne konwencjonalne metody opisane w ETAG002 i ASTM C1401.
1. Wprowadzenie
Kiedy ponad 20 lat temu opracowano wytyczne dotyczące projektowania Silikonowych Szkleń Strukturalnych (SSG), wytrzymałość projektowa szczeliwa opierała się w dużej mierze na spełnieniu minimalnego współczynnika bezpieczeństwa dla wytrzymałości na rozciąganie. Wraz z rozwojem technologii produkcji szczeliw silikonowych niektórzy projektanci zaczęli uważać, że wytrzymałość projektowa (obliczeniowa) jest zbyt niska, ponieważ wzrosła wytrzymałość na rozciąganie tych szczeliw.
Jednak początkowe standardy (normy i wytyczne) miały na celu zrekompensowanie nieznanych czynników związanych z efektywnością (wytrzymałością) budynku i realizacją projektu. Uważano, że czynniki takie, jak starzenie się materiałów, tolerancje produkcyjne lub nieznane interakcje komponentów zostały zrekompensowane przez ustalenie zmniejszonej wytrzymałości projektowej.
Pozwoliłoby to na zrekompensowanie nie tylko tych czynników, ale także różnic w rozkładzie naprężeń w rzeczywistych połączeniach w porównaniu z projektem połączeń wykonanych przy użyciu uproszczonej metody obliczania wymiarów spoin (połączeń), o której mowa w normach takich, jak: ASTM C1401 (ASTM 2019) lub wytycznych dotyczących szklenia strukturalnego (konstrukcyjnego), takich jak ETAG002 (EOTA 2012).
Ta metoda obliczeniowa bierze pod uwagę, że spoina jest w większości rozciągana pod wpływem działania ujemnego obciążeniem wiatrem (ssaniem wiatru), podczas gdy obrót spoiny spowodowany ugięciem szyby jest pomijany. Dodatkowe czynniki wpływające na zachowanie spoiny, takie jak jej geometria i moduł Younga, nie są brane pod uwagę.
Obecnie w projektach architektonicznych stosuje się szyby o coraz większych wymiarach i poddawane są one ekstremalnie wysokim obciążeniem wiatrem, co w połączeniu z konwencjonalnymi metodami obliczeniowymi i wysokim współczynnikiem bezpieczeństwa (lub niskim naprężeniem projektowym) skutkuje powstawaniem dużych spoin w przeszkleniach, które są nie do zaakceptowania pod względem ekonomicznym i estetycznym.
Do wymiarowania spoin można stosować alternatywne, ulepszone metody obliczeniowe takie, jak analiza Metodą Elementów Skończonych (MES) lub zaawansowane równania analityczne (Descamps 2017, Descamps 2018), które są w stanie przewidzieć rozkład naprężeń i dają podobne wyniki jak MES. Wraz ze wzrostem dokładności metody obliczeniowej pojawiają się pytania o to, o ile (o jaką wartość) można zwiększyć naprężenie projektowe (dopuszczalne) i zaproponowano kilka mniej lub bardziej złożonych metod (Drass 2020a, Drass2020b, Maniatis 2016).
Innym pytaniem, na które należy odpowiedzieć – a które jest bardziej interesujące dla branży z praktycznego punktu widzenia – jest to, czy wytrzymałość projektową można bezpiecznie zwiększyć, stosując sprawdzone, uproszczone metody projektowania w obecnych normach. Aby na to odpowiedzieć, ważne jest aby zrozumieć, dla jakich parametrów projektowych właściwe jest zastosowanie wyższej wytrzymałości projektowej bez utraty bezpieczeństwa projektu lub trwałości z powodu potencjalnych efektów zmęczeniowych.
W niniejszym artykule porównano wyniki eksperymentów uzyskane w różnych skalach (od małych złącz TA do elementów w dużej skali 914 mm na 1524 mm) z przewidywaniami równań analitycznych i MES. Przedstawiono wytyczne dotyczące warunków, w których można zastosować wyższą wytrzymałość projektową do wymiarowania spoin silikonowych.
Rys. 1. Przykładowa konstrukcja 3: niestandardowa próbka aluminiowa: 4-stronne klejenie SSG
Rys. 2. Przykładowa konstrukcja 3: tłoczenie powietrza do sklejonego panelu