Wprowadzenie
W konstrukcjach metalowo-szklanych elementy ze stali nierdzewnej pełnią równocześnie funkcję nośną i estetyczną, znajdując zastosowanie m.in. w mocowaniach punktowych, płytach dociskowych, profilach ramowych oraz elementach kotwiących. Wybór tego materiału w praktyce projektowej podyktowany jest jego wysoką wytrzymałością mechaniczną, trwałością eksploatacyjną oraz znakomitą odpornością na korozję, którą zapewnia pasywna warstwa tlenkowa. Ponadto wykończenia takie jak powierzchnia polerowana lub satynowana pozwalają uzyskać pożądany efekt architektoniczny bez konieczności nakładania dodatkowych powłok, co idealnie komponuje się z przezroczystością szkła. Poszczególne grupy stali (austenityczne, ferrytyczne, duplex) różnią się jednak składem chemicznym, właściwościami mechanicznymi i współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, co bezpośrednio wpływa na pracę połączeń ze szkłem [1].
Współczynnik rozszerzalności liniowej α (ang. Coefficient of Thermal Expansion, CTE) [2] jest kluczowym parametrem opisującym reakcję materiału na zmiany temperatury. Określa on jak odkształca się element przy jednostkowej zmianie temperatury. Odkształcenie to wyraża się wzorem:
εT = αΔT (1)
Dla ułatwienia porównań w Tab. 1 zestawiono orientacyjne wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej dla materiałów najczęściej stosowanych w konstrukcjach metalowo-szklanych.
Z przedstawionych wartości wynika, że austenityczne stale nierdzewne mają współczynniki rozszerzalności liniowej wyraźnie wyższe niż szkło float, podczas gdy stale ferrytyczne i duplex mają wartości bliższe szkłu. Podobnie zachowuje się stal węglowa, natomiast aluminium ma znacznie wyższy współczynnik, stąd to aluminium wykazuje największą niekompatybilność termiczną względem tafli szklanych. Te różnice należy uwzględnić przy doborze materiałów w konstrukcjach metalowo szklanych.
Wpływ temperatury w konstrukcjach metalowo-szklanych
Przy projektowaniu konstrukcji metalowo-szklanych należy zwracać szczególną uwagę na negatywny wpływ temperatury na właściwości mechaniczne materiałów. Zgodnie z normą [4] już od temperatury 70o należy redukować umowną granicę plastyczności i moduł sprężystości stali zgodnie ze wzorami:
fyT = fd(1,022-0,197·10-3 T-1,590·10-6 T2 (2)
ET = E(0,987+0,300·10-3T-1,857·10-6T2 (3)
Na podstawie [5] już przy temperaturze 100oC następuje kilkunastoprocentowy spadek umownej granicy plastyczności stali nierdzewnej oraz kilkuprocentowe obniżenie modułu sprężystości podłużnej. Zjawisko to, szczególnie wyraźne w przypadku stali austenitycznych, bezpośrednio rzutuje na sztywność oraz nośność węzłów konstrukcyjnych, co wymaga uwzględnienia odpowiednich współczynników redukcyjnych w obliczeniach statycznych.
Ponadto wzrost temperatury powoduje rozszerzanie się elementów stalowych w połączeniach punktowych, które przy braku odpowiedniego luzu montażowego lub podatnych elementów pośrednich ograniczają swobodę odkształceń tafli szklanej w rejonie otworu. W efekcie powstają dodatkowe naprężenia kontaktowe, które nakładają się na stan naprężeń wywołany sprężeniem łącznika oraz pozostałymi obciążeniami działającymi na szkło. Zjawisko to jest szczególnie istotne ze względu na kruchy charakter pracy szkła. W przeciwieństwie do elementów ze stali nierdzewnej szkło nie ma zdolności do redystrybucji naprężeń przez uplastycznienie, dlatego lokalne koncentracje naprężeń w strefie otworu mogą mieć decydujące znaczenie dla bezpieczeństwa połączenia [6]. Wielkość tych naprężeń zależy m.in. od geometrii łącznika, wartości siły docisku, luzu montażowego, warunków tarcia, jakości obróbki krawędzi otworu oraz rodzaju zastosowanych elementów pośrednich.
Jednym z podstawowych sposobów ograniczania niekorzystnych efektów termicznych w połączeniach szkło–stal jest wyeliminowanie bezpośredniego kontaktu twardego elementu metalowego z kruchym materiałem szklanym. W tym celu stosuje się przekładki, tuleje oraz podkładki wykonywane z materiałów polimerowych lub elastomerowych. Elementy te pełnią funkcję separacyjną i ochronną, ograniczając bezpośrednie przekazywanie docisku na krawędź otworu w szkle. Ze względu na znacznie mniejszą sztywność niż stal mogą one ulegać lokalnym odkształceniom, przez co częściowo przejmują deformacje kontaktowe i zmniejszają ryzyko miejscowych spiętrzeń naprężeń.
Istotne znaczenie w konstrukcjach metalowo-szklanych ma również różnica współczynników rozszerzalności cieplnej stali nierdzewnej i szkła. Analizując globalną współpracę tafli szklanej zamocowanej do podkonstrukcji wykonanej ze stali nierdzewnej, można zauważyć, że przy wzroście temperatury stalowa konstrukcja nośna wydłuża się bardziej niż sama tafla szkła. Różnica przemieszczeń może powodować powstawanie dodatkowych sił rozciągających w szkle. Na przykład korzystając ze wzoru (1) i Tab. 1 przy wzroście temperatury ΔT=60oC odkształcenia termiczne stali nierdzewnej i szkła wynoszą odpowiednio:
