Úvod do požití skla v moderních budovách

ÚVOD

DO POUŽÍTÍ SKLA

V MODERNÍCH BUDOVÁCH

Laufs W. a Luible A.

Praha, prosinec 2003 České vysoké učení technické v Praze

Úvod do použití skla v moderních budovách Laufs W. a Luible A. Originál: Introduction on use of glass in modern buildings Rapport No ICOM 462 EPFL - ICOM Lausanne Překlad: M. Eliášová Odborný poradce: M. Fučík ISBN 80-01-02849-6 Vytisklo Vydavatelství ČVUT v Praze, výroba Prosinec 2003 250 výtisků, 32 stran, 23 obrázků Poděkování za cenné připomínky a pomoc patří prof. J. Studničkovi a prof. F. Waldovi. Tato publikace byla vydána v rámci projektu evropské spolupráce ve vědě a technice, COST.

Úvod do použití skla v moderních budovách 3

prosinec 2003 ČVUT FSv

OBSAH 1 Úvod …………………… 7

2 Výrobky ze skla …………………… 8

2.1 Tvar …………………… 8 2.2 Pevnostně upravené sklo …………………… 9 2.3 Vrstvené sklo …………………… 10 2.3.1 Konstrukce …………………… 10 2.3.2 Vnitřní vrstva z PVB …………………… 10 2.3.3 Vnitřní vrstva z pryskyřice …………………… 11 2.3.4 Výrobky z vrstveného skla …………………… 11 2.3.5 Zasklení nad hlavou …………………… 12 2.4 Dílce z dvojitého skla …………………… 12 2.5 Požárně odolné zasklení …………………… 13 2.6 Úpravy vzhledu / povlaky …………………… 14 2.6.1 Nízkoželezité sklo …………………… 14 2.6.2 Povlakové techniky …………………… 14 2.6.3 Estetické povlaky …………………… 15 2.6.4 Povlaky chránící před slunečním zářením …………………… 16 2.6.5 Tepelně izolační povlaky …………………… 16 2.7 Rozměry tabulí skla …………………… 17

3 Materiálové vlastnosti …………………… 18

3.1 Fyzikální veličiny …………………… 18 3.2 Pevnost skla …………………… 18 3.2.1 Obecně …………………… 18 3.2.2 Plavené sklo …………………… 18 3.2.3 Tvrzené sklo …………………… 18 3.2.4 Tepelně zpevněné sklo …………………… 20 3.2.5 Vrstvené bezpečnostní sklo …………………… 20

4 Spoje …………………… 21

4.1 Obecně …………………… 21 4.2 Liniové podepření …………………… 21 4.3 Lokální okrajové příchytky …………………… 21 4.4 Bodové podepření …………………… 22 4.5 Konstrukční silikonové těsnění …………………… 23 4.6 Lepené spoje …………………… 23 4.7 Lokální vnesení zatížení …………………… 24

4 Úvod k používání skla v moderních budovách

ČVUT FSv prosinec 2003

5 Navrhování …………………… 26

5.1 Zatěžovací stavy …………………… 26 5.2 Únosnost zasklení při nárazu …………………… 26 5.3 Konstrukční zásady …………………… 27 5.4 Modelování skleněných panelů …………………… 28 5.5 Mezní stav únosnosti …………………… 28 5.6 Mezní stav použitelnosti …………………… 29 5.7 Tolerance …………………… 29

6 Současný výzkum stability konstrukcí ..…………………. 30

7 Shrnutí a budoucí trendy …………………… 31

Literatura …………………… 32



ABSTRACT Současná architektura klade zvýšené požadavky na průhledné stavební prvky, jako jsou fasády nebo střešní konstrukce, ve kterých převládají konstrukce ze skla a oceli. Zatímco materiály jako je ocel, nerezová ocel nebo hliník byly dobře prozkoumané už v minulosti, o skle, o jeho vlastnostech, spojích a navrhování v moderních stavebních aplikacích je toho známo relativně málo. Tento spis dává přehled o možnostech použití skla v konstrukcích pozemního stavitelství včetně materiálových vlastností, konstrukčních příkladů a současných výzkumných aktivit. ABSTRACT Contemporary architecture has an increasing demand for transparent building elements such as facades or roof structures, predominantly as steel and glass constructions. While materials such as steel, stainless steel or aluminium have been well studied in the past, relatively little is known about glass, its properties, connections and design in modern building applications. This article gives an overview about glazing applications from a facade and structural engineering point of view, with built examples and recent research activities. ZUSAMMENFASSUNG Die Architektur der Gegenwart zeigt eine zunehmende Nachfrage nach transparenten Bauelementen wie etwa Fassaden oder Dachstrukturen, die im wesentlichen Stahl- Glas- Konstruktionen sind. Während die Materialien Stahl, Edelstahl oder Aluminium in der Vergangenheit bereits gut erforscht wurden, ist über den Werkstoff Glas, seine Eigenschaften, Verbindungstechniken und Bemessung in moderner Bauanwendung noch relativ wenig bekannt. Der folgende Artikel gibt daher einen Überblick über Glasanwendungen im Fassadenbau aus Sicht des Konstruktiven Ingenieurbaus, einschließlich einiger gebauter Beispiele und gegenwärtiger Forschungsaktivitäten.



1. ÚVOD Sklo lze definovat jako „anorganický tavný výrobek, který tuhne bez krystalizace“. Sodno-vápenato-křemičité sklo se také nazývá „zmrzlou kapalinou“. Je to visko-elastický materiál, který je tuhý při pokojové teplotě, ale při teplotách nad přechodovou oblastí (nad cca 580°C) je tekutý. Absence krystalické mřížky způsobuje, že světlo může sklem procházet bez omezení, což vede k dobré průhlednosti a průsvitnosti skla v budovách. Na druhou stranu je sklo křehký materiál. Rozbitá tabule skla má nulovou únosnost, což je důvod, proč mají být nosné skleněné prvky navrhovány tak, aby se předešlo náhlému zřícení. Tradičně se sklo používalo pouze v jednotlivých tabulích ve spojení s rámem, který přenášel zatížení. Dnes lze sklo lokálně připevnit také pomocí bodových podpor nebo ho lze dokonce využít jako konstrukční prvek, například jako skleněná žebra, obr. 1, nosníky nebo sloupy. Použití skla v pozemním stavitelství vyžaduje další výzkum příčin a účinků křehkého lomu, aby bylo možné bezpečně stanovit materiálové charakteristiky skla pro konstrukční detaily. Dají-li se čekat následky drastického porušení, musí se dodatečnými opatřeními kompenzovat skutečnost, že sklo nevykazuje žádné varovné příznaky. Tato hlediska jsou v následujících částech probírána.

Obr. 1 - Příklad skleněné fasády s bodově připojenými skleněnými žebry podepřenými horizontálními lany [1]



2. VÝROBKY ZE SKLA 2.1 TVAR Různé druhy skla jsou uvedeny v normě EN 572. Nejběžnějším postupem pro výrobu skla je proces plavení, při kterém se sklo vyrábí ve tloušťkách 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19 a 25 mm. Horká tavenina skla je vylita na povrch zinkové lázně, potom je pomalu ochlazována a řezána pro další zpracování na rozměry 6,0 x 3,2 m (maximum). Hrany skleněných tabulí se různě upravují, obr. 2. Zatímco řezaná hrana je dostatečná pro tradiční použití skla v oknech, vyšší kvalita úpravy je požadována, pokud jsou hrany tabule skla vystaveny ohybu nebo lokálnímu přenosu zatížení. Použití brusných kotoučů zmenšuje riziko vzniku mikro- nebo makro-trhlin na povrchu hran skla. Z estetických důvodů jsou možné rovněž zaoblené rohy nebo zkosené hrany.

Obr. 2 - Základní typy úpravy povrchu hran a možné tvary výrobků ze skla K získání speciálního vzoru na povrchu skla může být horká tavenina rovněž vylita a stlačena mezi dva válce, což je způsob výroby ornamentálního či dekorativního skla, obr. 3. Sklo je tvarováno převráceným vzorem na válci a potom je ochlazeno na pokojovou teplotu. Vzorované sklo je k dispozici pouze v určité tloušťce. Toto sklo umožňuje variace v architektonickém vzhledu, ale není tak čisté a rovné jako sklo plavené. Strany horké skleněné tabule mohou být dále ohýbány pomocí přídavných válců do tvaru C nebo U průřezů až do délky přibližně 6,0 m. Rovněž je možné vyrábět kruhové skleněné trubky s tloušťkou stěny okolo t = 0,7 až 10,0 mm a s průměrem d = 3 až 325 mm. Průsvitné skleněné cihly (EN 1051) se vyrábějí ve standardních velikostech nebo podle potřeby projektu. Zakřivené sklo se připravuje pomocí speciálních keramických či kovových forem, do kterých se vodorovně umístí tabule rovného skla, které jsou pak pomalu ohřívány. Když je sklo dostatečně teplé, skleněný panel klesne vlivem vlastní váhy do nebo přes tvar formy. Možný poloměr zakřivení se mění od R = 300 mm až po nekonečno v závislosti na druhu a tloušťce skla. Ohyby mohou být vytvořeny v jedné nebo ve dvou rovinách. Různě proměnné nepravidelně zakřivené tvary jsou vyráběny v závislosti na tvaru formy, obr. 4.

řezaná hrana nebo zkosená hrana, (matná úprava povrchu)

broušená hrana, se zkosením nebo bez, (hlazená / broušená úprava povrchu)

leštěná hrana, se zkosením nebobez (nejvyšší kvalita)

tloušťka skla t (3,4,5,6,8,10,12,15,19 mm)

ploché sklo

zakřivené sklo R

skleněný U profil

skleněná trubka

R

skleněná cihla



Obr. 3 - Příklad povrchu vzorovaného skla (dekorativní sklo)

Obr. 4 - Zakřivené zasklení otáčivých dveří (vlevo);částečně zahnutá fasáda k vytvoření přechodové oblasti mezi rovnou fasádou a nárožím (střed a vpravo) [1]

2.2 PEVNOSTNĚ UPRAVENÉ SKLO Výrobky ze skla lze rozdělit podle pevnosti a způsobu porušení, obr. 5, na tři různé základní druhy. Plavené sklo často nemá dostatečnou pevnost pro použití na nosné konstrukce. Plně tvrzené sklo s vysokou pevností se v případě porušení roztříští na jemné střepiny. Na nosné konstrukce proto bylo vyvinuto tepelně zpevněné sklo, které má vysokou pevnost, ale po porušení zůstane ve velkých střepech. Během procesu temperování se plavené sklo zahřeje v peci na teplotu vyšší než 600°C a pak prudce ochladí na pokojovou teplotu za použití vzduchových trysek z obou stran tabule skla. Dočasně tak vznikne vysoký teplotní gradient mezi chladnějším povrchem a vnitřkem skleněného panelu. Vzhledem k viskózním vlastnostem skla vznikne vnitřní prostorové pnutí, při kterém je tlak na povrchu panelu v rovnováze s tahem uvnitř. Tepelně upravované sklo se před tvrzením řeže na požadovanou velikost včetně vrtání otvorů a úprav hran, protože při opracování skla až po vytvrzení by došlo k jeho rozbití [2].



Obr. 5 - Standardní druhy zasklení s odpovídajícími způsoby porušení (vrstvené s PVB) a

charakteristické hodnoty pevnosti skla v tahu za ohybu (pro 95% pravděpodobnost) 2.3 VRSTVENÉ SKLO 2.3.1 Konstrukce Vrstvené (bezpečnostní) sklo se skládá ze dvou nebo více plavených, tvrzených nebo tepelně zpevněných skleněných tabulí, které jsou spojeny pomocí průhledné vnitřní vrstvy umělé hmoty, obvykle jedné nebo více fólií polyvinylbutyralu (folie PVB) se základní tloušťkou t = 0,38 mm nebo pryskyřice lité mezi tabule. V případě rozbití panelů ulpí roztříštěné kousky skla na fólii, což umožní velké deformace a absorpci energie před porušením folie. Hlavní oblast použití je pro zasklení nad hlavou (např. střechy), čelní skla u aut, neprůstřelná skla, skleněné nosníky a skleněné sloupy. Pro vrstvené sklo platí norma EN ISO 12543. 2.3.2 Vnitřní vrstva z PVB Výrobní proces zahrnuje mytí skel, naskládání jednotlivých vrstev na sebe s umístěním mezilehlých PVB folií, předlisování s předzahřátím a umístění do autoklávu, ve kterém jsou skla laminována za zvětšení tlaku (~ 12 bar) a teploty (~140°C). Tento postup může vést lokálně k určitému přesahu okrajů skla. Životnost, vzhledem ke klimatickým podmínkám (voda / UV záření), je obvykle dostatečná, ale horizontální hrany vrstveného skla vystavené vlivu počasí mají být, pokud je požadováno, utěsněny s PVB kompatibilním silikonem. Objemová hmotnost PVB je 1070 kg/m3, jeho Poissonova konstanta je blízká 0,5 a koeficient teplotní roztažnosti se uvažuje 8 x 10–5 1/K. PVB fólie má mít minimální pevnost při přetržení ≥ 20 N/mm2 a minimální poměrnou deformací při přetržení (protažení) ≥ 300%, aby poskytla dostatečnou pevnost a tažnost.

nárůst pevnosti v tahu za ohybu

lepší bezpečnost po rozbití

45 N/mm2

70 N/mm2

120 N/mm2

plavené vrstvené bezpečnostní sklo

tepelně zpevněné vrstvené bezpečnostní sklo

tvrzené vrstvené bezpečnostní sklo (s PVB)



2.3.3 Vnitřní vrstva z pryskyřice Další metodou laminování je využití lité pryskyřice, kdy jsou dvě tabule skla umístěny ve svislé poloze těsně vedle sebe a předem definovaná mezera (např. 2 mm) je vyplněna pomocí injektáže kapalnou litou pryskyřicí, která v čase ztvrdne pod UV zářením. Takto mohou být vyrobeny tabule skla velkých rozměrů, protože se nepoužívá autoklávu ani jiných zařízení. Objemová hmotnost lité pryskyřice je 1700 kg/m3, Poissonova konstanta je přibližně 0,45 a součinitel teplotní roztažnosti asi 4 x 10–5 1/K. Youngův modul pružnosti E se liší podle výrobku a je pro litou pryskyřici okolo 10 N/mm2. Ve srovnání s PVB fólií nabízí pryskyřice lepší akustickou izolaci, ale pokud dojde k rozbití vrstveného skla, nezaručuje takovou míru bezpečnosti, obr. 6. Proto se nedoporučuje takto vrstvené sklo používat pro zasklení nad hlavou, pokud není spolehlivost ověřena experimentem 1:1.

Obr. 6 - Typický neuspokojivý způsob porušení vrstveného tvrzeného skla s litou pryskyřicí

2.3.4 Výrobky z vrstveného skla Sklo může být laminováno – připojeno k dalším materiálům jako je kámen (např. sklo / pryskyřice / mramor) nebo neprůhledný izolační panel. Na trh byly uvedeny nové vnitřní vrstvy s vyšší pevností než PVB, jako jsou polykarbonáty, které zajistí vyšší smykovou interakci vnitřní vrstvy a zlepšené chování vrstveného bezpečnostního skla po porušení. Stále více se do průsvitných pryskyřic skleněných vrstvených prvků vkládají fotovoltaické prvky, které transformují solární energii na elektrickou. Buňky se spojují v moduly a generují elektrický proud. Monokrystalické solární buňky (černá, stříbrná, modrá) mohou převádět až 16% solární energie na elektrickou, každá buňka má velikost přibližně 100 x 100 mm. Multi-krystalické solární buňky (bledě modrá, šedá, bronzově stříbrná), které se skládají z krystalů orientovaných v různých směrech, přemění okolo 14% solární energie. Nejnověji se pro vnitřní vrstvy používá tenkého filmu, kdy se fólie skládá z velmi tenké vrstvy sulfidu kadmia a telluridu kadmia, které jsou elektricky nanášeny na sklo (např. výroba vypalováním laserem, která vytváří jednotlivé solární buňky). I když je energetická účinnost nižší než u krystalických solárních buněk, výrobní náklady jsou menší, takže technologie tenkého filmu může být ve výsledku ekonomičtější. Všechny mezibuněčné elektrické spoje (metalické vodivé cesty) jsou uvnitř modulu, který tvoří monolitickou strukturu. Mezi jednotlivými vrstvami skla a metalickými vodivými cestami je mezivrstva ethylen-vinyl-acetátu, EVA. Celková tloušťka vnitřní vrstvy mezi dvěma vnějšími tabulemi skla je přibližně 0,80 mm, ve které tenký film tvoří pouze od 1,5 do 3,0 μm. Nejsou nutné žádné dodatečné diody pro „teplá místa“, která jsou způsobená krátkými okruhy nebo lokálním přehřátím, protože v tomto systému není možný „obrácený tok proudu“. Na okrajích skleněných panelů je

situace při zasklení nad hlavou

tvrzené vrstvené sklo s litou pryskyřicí



předem zamezeno nebezpečí průniku vody, protože blokující tenká vnitřní vrstva filmu je překryta pomocí EVA. Vnitřní vrstva je z průhledného termoplastu, amorfního elastomeru, který zůstává pružný při nízkých teplotách a odolává potrhání. Objemová hmotnost EVA je podobná jako u PVB, Poissonova konstanta je od 0,4 do 0,5, Youngův modul pružnosti je kolem 60 N/mm2 a součinitel teplotní roztažnosti se uvažuje hodnotou 9 x 10 5 1/K. EVA fólie nabízí dostačující pevnost a tažnost s minimální pevností při porušení ≥ 10 N/mm2 a minimálním protažením při porušení ≥ 500%. 2.3.5 Zasklení nad hlavou Zasklení nad hlavou se definuje jako zasklení, pod kterým prochází lidé, včetně přístřešků ze skla, skleněných střech a skleněných fasád, pod kterými se lidé mohou nacházet. V některých zemích je definováno jako veškeré zasklení, které má odklon od svislice ≥ 10°. Z bezpečnostních důvodů se používá zasklení vrstvené, které se skládá buď ze dvou či více plavených skel, ze dvou nebo více tepelně zpevněných skel nebo z kombinace tepelně zpevněných a tvrzených skleněných panelů. Tím je zajištěno, aby v případě porušení skla nemohly padat žádné nebezpečné skleněné úlomky. Ty zůstanou přichyceny k PVB folii nebo jiným vnitřním vrstvám. Protože chování rozbitého skla závisí na jeho velikosti, druhu, tloušťce a podmínkách v uložení zasklení, ověřují se panely zkouškami ve skutečné velikosti, viz obr. 7. Zkouška se považuje za úspěšnou, jestliže rozbitý panel se všemi úlomky skla vydrží na svém místě nejméně po dobu 24 hodin (s odsouhlasením místními úřady). Tak se získá dostatečná doba k uzavření oblasti pod rozbitým sklem a jeho bezpečné výměně.

Obr. 7 - Zkouška střešního zasklení pro stanovení zbytkové bezpečnosti po rozbití (destrukce obou panelů pod zatížením 0,5 kN/m2, zatížení na obr. odstraněno) [2]

2.4 DÍLCE Z DVOJITÉHO SKLA Dílce z dvojitého skla (EN 1279) se skládají ze dvou nebo více skleněných tabulí, které mezi sebou uzavírají dutinu o šířce od 12 do 16 mm (vyplněnou vzduchem nebo vzácným plynem). Dutina je vytvořena hliníkovou vložkou umístěnou podél okrajů

60

45

8

8152

200

2940

190

1550

1000

1300

115 1151070

vrstvené bezpečnostní sklo 8 mm tepelně zpevněné sklo1,52 mm PVB mezivrstva 8 mm tepelně zpevněné sklo

[mm]detail

detail



skla. Izolační vlastnosti ve srovnání s jednoduchým zasklením jsou výrazně zvýšeny. Aby se vyloučily účinky tepelného mostu, jsou v současnosti vyvíjeny nové vložky vyrobené z méně tepelně vodivého materiálu, jako jsou tepelně nevodivé plasty nebo skelným vláknem vyztužené materiály. K ochraně mezery před kondenzací se v dutině rámečku umísťují pohlcovače vlhkosti. Utěsnění mezer je obvykle dosaženo tenkou vrstvou butylu, která je chráněna před povětrnostními vlivy zvenku dalším těsněním (sekundární těsnění). Pro dílce z dvojitého skla je třeba uvažovat dodatečný zatěžovací stav v případě, že je dílec montován na konstrukci v jiné nadmořské výšce než v jaké byl vyroben [3]. 2.5 POŽÁRNĚ ODOLNÉ ZASKLENÍ Speciální moderní výrobky zasklení umožňují ochranu před požárem až po dobu 120 minut. Při teplotě nad 120°C se průhledné sklo chrání zakalením. Požární spolehlivost lze též zvýšit aplikací průhledných gelů a intumescentních vrstev, které nesou chemicky vázanou vodu, jako jsou např. alkalické silikáty. Ty jsou průhledné při pokojové teplotě, ale nad jistou teplotou vytvoří pěnu, která zamezuje šíření teplotních vln a zabraňuje šíření ohně, obr. 8. Lze rozlišovat mezi požárními ochrannými systémy, které musí zabránit kouři a plamenům v šíření zasklením a systémy, které navíc zamezují radiaci tepla sklem tam, kde není dovoleno šíření ohně na opačné straně vzhledem k požáru. Líc povrchu odvrácený od požáru musí zůstat pod 140K (průměrné plošné zvýšení nad pokojovou teplotu) a lokálně žár nesmí být větší než 180K (lokální maximum). Při těchto úrovních teplot nedojde ke vznícení žádného hořlavého materiálu, který je v kontaktu s lícem povrchu nevystaveným požáru.

Obr. 8 - Složení požárně ochranného skla, odolného proti sálání tepla, šíření plamenů a

kouře po dobu nejméně 90 minut

Zasklení se může rozbít, ale sklo musí po rozbití zůstat v celistvém stavu, aby nevypadlo z rámu. Zasklení navrhované na požární odolnost se ověřuje experimenty 1 : 1 včetně zkoušek systému rámové (nosné) konstrukce, který tvoří se zasklením jeden dílec. Skla s nízkým součinitelem teplotní roztažnosti, jako jsou borokřemičitá skla, vykazují nižší tahová napětí způsobená teplotním gradientem v panelu a tudíž mohou odolat kouři a plamenům až po dobu 30 minut bez dodatečných vnitřních vrstev.

5 3 3

[mm]

např. polysulfid

5 5 5 5

detail

detail

upínací rám s dostatečnou hloubkou drážky a tlakem k zabránění sesutí skla

rám není vyobrazen

požárně izolační jednotka zasklení,např. odolnost 90 minut

tvrzené skloplavené sklo vnitřní vrstva

požár: - až do 1000°C - plameny - kouř - sálání tepla



2.6 ÚPRAVY VZHLEDU / POVLAKY 2.6.1 Nízkoželezité sklo Ve skelné tavenině plaveného skla způsobí přítomnost malého množství oxidu železa (≈ 0,05 až 0,1% FeO a Fe2O3) nepatrně nazelenalý vzhled, protože je blokováno šíření doplňkové barvy. K dosažení velmi čistého, téměř „čirého“ skla, se používá zvláštní skelná tavenina, která je téměř bez oxidu železa. Výroba tohoto nízkoželezitého skla je dražší než obyčejného plaveného skla, ale narůstající popularita je způsobena estetickými důvody, bezbarvým vzhledem a dobrou světelnou propustností, obr. 9. Toto sklo se zpracovává stejným způsobem jako běžné plavené sklo.

Obr. 9 - Přenos energie v běžném plaveném skle ve srovnání s nízkoželezitým sklem

2.6.2 Povlakové techniky Pro architektonické zasklení se rozlišují různé druhy povlaků [4] [5]. Tvrdé povlaky Povlakové materiály jsou při velmi vysoké teplotě vypáleny do povrchu skla . „On-line“ postup výroby povlaku lze integrovat přímo do procesu plavení nebo do chlazení skla. Jako povlakové materiály se používají metalické oxidy, které se vyloučí pyrolýzou na povrchu skla při teplotě 600 – 650°C. Výhodou je jejich tvrdost, takže chráněný povrch může být použit jako externí strana skleněného dílce. „On-line“ povlaky jsou ekonomické, ale jejich nevýhodou je, že musí být součástí výrobního procesu při plavení a proto nejsou tak flexibilní jako povlaky vyráběné nepřímo, mimo proces plavení. Současně lze použít maximálně pouze dvou vrstev. Jinou metodou nanesení povlaku je máčení panelů skla. Při výrobě se sklo ponoří do roztoku povlakové hmoty a pak se ohřeje na teplotu 650°C, aby se vytvořil tvrdý průhledný povlak.

čiré sklo (“nízkoželezité”)

standardní plavené sklo

přímý přenosenergie v %

vlnová délka λ [mm]

viditelnésvětlo

500 1000 1500 2000 2500

UV světlo infračervené světlo

0

100

80

60

40

20 (tloušťka skla t = 4mm)



Měkké povlaky K výrobě měkkých povlaků na povrchu skla se využívá máčení a chemické nebo fyzikální (pomocí odpařování) nanášení ochranné vrstvy. Nejběžnější technologií výroby je proces tryskání magnetronem (tzv. DC - nanášení povlaků). Při tomto procesu je sklo umístěno ve vakuové komoře, která obsahuje katodový cíl a zařízení tryskající plyn. Ve vakuové komoře se vznítí žhnoucí plazma. Cíl je bombardován ionty „tryskaného“ plynu, které z něho odtrhávají atomy a ukládají je na povrchu skla. Povlak je nanášen v několika vakuových komorách s určitým počtem různých katodových cílů. Je možné použít až 15 různých cílových materiálů, které jsou naneseny na zasklení a proto lze dobře měnit složení povlaku. Typickým povlakovým materiálem pro ochranné vrstvy jsou oxidy cínu a stříbra. Celková tloušťka povlaku je pouze okolo 0,01 až 0,1 μm. Magnetronové nanášení je velmi přesné, pružné a jde o techniku, která umožňuje konstantní kvalitu povlaku. Dokonce je možné po několika letech zopakovat přesně ty samé povlaky se stejnými technickými vlastnostmi a nastavení barev je velmi jednoduché. Nevýhodou měkkých povlaků je jejich citlivost na znečištění vzduchu a mechanické porušení. Měkké povlaky je třeba chránit ochrannou vrstvou nebo je zamontovat mezi dvojité dílce skla s povlakem na vnitřní straně - strana 2 (pro optimální provedení solární kontroly) nebo na vnitřní straně 3 (tepelná izolace, nízkoemisivní vrstvy). Magnetronové nanášení povlaku na zakřivená skla není dosud technologicky zvládnuté. V tomto případě se skleněné dílce vyrábějí z vrstveného skla se speciální plastickou vnitřní vrstvou k zachycení přenosu a odrazu světla. V poslední době se používá středně frekvenční magnetronové nanášení. Výhodou tohoto takzvaného MF – magnetronového nanášení jsou tvrdší povlaky, vyšší stupeň nanášení (až 3 – 9 krát více ve srovnání s DC – nanášením) a nižší náklady. 2.6.3 Estetické povlaky Barevné pohledové vzory zasklení jsou nejběžněji vyráběny keramickým smaltováním. Keramická barva je přes síto nastříkána na povrch skla (s vyraženým negativním vzorem) a vypálena do povrchu během tvrzení. Lze přidat další vrstvu s keramickým smaltovaným vzorem s PVB fólií nebo pryskyřicí, ale pevnost v tahu při ohybu je o něco snížena, okolo 25%.

Obr. 10 - Výsledná glazura s keramickým smaltem na vnitřní straně, vrstvené bezpečnostní sklo (vlevo); úprava povrchu vzorem částečně vyleptaným kyselinou, t = 10 mm (vpravo)

Hrubý povrch může být vytvořen použitím technologie tryskání písku, při které je povrch skla zdrsněn a tím je vytvořen vyrytý průsvitný vzor. Brusný materiál je na povrch skla tryskán pod tlakem. Leptáním kyselinou (lázně z roztoku kyseliny nebo pasta / clona z kyseliny) mohou být vyrobeny velmi trvanlivé vzory s garancí více než 10 let, obr. 10. Trvanlivost povrchu je ovlivněna znečištěním, které může být odstraněno, ale ne pomocí



chemických reakcí, jako např. u keramických smaltovaných povlaků, které jsou naneseny na vrchní straně zasklení a jsou v přímém kontaktu s povětrnostními vlivy. Při leptání kyselinou se počítá se skutečností, že sklo je vystaveno přístupu některých dalších kyselin (např. kyseliny fluoridové), takže může být vytvořen pevný průsvitný, ale nezřetelný povrch různých hloubek. 2.6.4 Povlaky chránící před slunečním zářením Sluneční záření dopadající na zem se skládá z 3% krátkých vln ultrafialových paprsků (UV), 42% viditelného světla (dlouhé vlny od 380 nm do 780 nm) a 55% dlouhých vln infračerveného záření (IR). Strategie ochrany před slunečním zářením je založena na omezení přenosu infračerveného světla, které má nejvyšší energii a nachází se v oblasti nad viditelnými vlnovými délkami, ale bez redukce přenosu v oblasti vlnových délek viditelného světla, obr. 11. Ochranné povlaky odrážejí a pohlcují velké množství energie, takže celkový přenos energie zasklením je podstatně redukován. Pokud není samotná solární ochrana zasklení postačující, mohou být dodatečně uvažovány alternativní stínící prvky, jako jsou např. nastavitelné žaluzie.

Obr. 11 - Základní funkce ochrany skleněného panelu před slunečním zářením

2.6.5 Tepelně izolační povlaky Tepelně izolační povlaky mají za úkol snížit vysoký součinitel sálání tepla u skla z hodnoty ε = 0,89 na hodnotu ≈ 0,05. Tyto povlaky se nazývají povlaky s nízkou intenzitou vyzařování (nízkoemisivní vrstvy) a mohou být buď tvrdé nebo měkké. Jsou to povlaky průhledné v oblasti viditelných vlnových délek, které jsou reflexní v oblasti infračervených vlnových délek. Tak je možné snížit infračervené záření až na 20% s propustností pro světlo větší než 0,70. Ve středním klimatickém pásmu, kde je požadována tepelná izolace současně s ochranou před slunečním zářením, lze v jednom povlaku kombinovat funkce tepelně izolačních povlaků s povlaky sluneční ochrany. Okolo 1/3 tepelné výměny u běžných dílců z dvojitého skla bez dalších povlaků je způsobeno vedením a prouděním, zatímco 2/3 jsou způsobeny tepelným sáláním. Povlakem s nízkou intenzitou vyzařování na „straně 3“ zasklení se významně snižuje ztráta tepelným sáláním, obr. 12.

1500 vlnová délka λ [mm]

0 500 1000 2000 2500

viditelné světlo

energie

normový graf podle EN 410

ochrana před slunečním zářením umožní přenos viditelného světla, ale omezí infračervené záření

infračervené světlo

odraz R

celkově přenesená energie

100 %T + R + A= 100%

vnější strana

vnitřní strana

100

sluneční ochrana dvojitého skla

strana 2 přenos T

absorpce A

měkký ochranný povlak



Obr. 12 - Základní sestava a mechanismus přenosu tepla izolačního dílce z dvojitého skla

s povlakem o nízké intenzitě vyzařování 2.7 ROZMĚRY TABULÍ SKLA Tab. 1 ukazuje orientační velikosti skleněných panelů v závislosti na druhu a úpravě. Podrobnosti lze získat u výrobců skla.

Tab. 1 - Velikost skleněných panelů

Výrobek ze skla / úprava Velikost tabule [mm] x [mm] Poznámka Plavené jednoduché sklo 6000 x 3210 Omezeno plavením

(maximální šířka pásu)

Jednoduché vzorované sklo Běžně dostupný formát 4000 x 2000

Tloušťka od 4 do 15 mm, omezeno váhou skla

Izolační sklo Běžně 4500 x 2500, teoreticky 6000 x 3100

Tvrzené sklo Běžně 3800 x 2400, teoreticky 6000 x 2700

Omezeno velikostí pece, váhou skla, poměrem stran (max. 1:10)

Vrstvené bezpečnostní sklo (PVB)

6000 x 3210 Omezeno velikostí autoklávu

Vrstvené sklo (pryskyřice) 3000 x 2000 Omezeno zařízením na injektáž, váhou skla

dutina (vyplněná vzduchem, argonem nebo kryptonem)distanční vložka (hliník, plastnebo jiný materiál)pohlcovač vlhkostiprimární těsnění: butyralsekundární těsnění: silikon

teplá strana izolačního zasklenís přenosem tepla směrem ke straně chladné

t2t1 12 až 16[mm]

vedení +

proudění+

sálání =

celkový přenos tepla

skleněný panel

povlak s nízkou sálavostí

vnější strana

vnitřní strana

izolační dvojité zasklení s nízkoemisivní vrstvou

odrazová energie

strana 3



3. MATERIÁLOVÉ VLASTNOSTI 3.1 FYZIKÁLNÍ VELIČINY Některé potřebné fyzikální hodnoty skleněných panelů jsou uvedeny v tab. 2.

Tab. 2 - Fyzikální vlastnosti skleněných tabulí používaných ve stavebnictví

Vlastnosti skla Hodnota Jednotka Objemová hmotnost ρ 2500 kg/m3 Youngův modul pružnosti E 70000 N/mm2 Poissonova konstanta μ 0,23 - Součinitel teplotní roztažnosti 9 x 10–6 1/K Tepelná vodivost λ 1,0 W/(mK)

Sálavost (intenzita vyzařování) ε 0,89 - 3.2 PEVNOST SKLA 3.2.1 Obecně Sklo má velkou pevnost v tlaku (až 500 N/mm2), ale malou pevnost v tahu. Tradičně se používala metoda „dovolených napětí“, kdy se pro každý druh zasklení stanoví definovaná charakteristická pevnost v ohybu, která je pak podělena souhrnným součinitelem spolehlivosti. Pevnost v ohybu se určuje ze zkoušky se vzorkem podepřeným ve dvou bodech (tzv. čtyřbodový ohyb) nebo ze zkoušky dvojitým soustředným prstencem (EN 1288). Při zkouškách se stanovuje a následně statisticky vyhodnocuje krátkodobá pevnost v ohybu (5% kvantil pro 95% pravděpodobnost spolehlivosti). 3.2.2 Plavené sklo V důsledku křehkosti není pevnost plaveného skla konstantní, ale je ovlivněna mikro- a makro-trhlinami na povrchu a tudíž se využívá teorie lomové mechaniky. Únosnost skla v ohybu (pevnost v tahu) závisí na velikosti oblasti v tahu a úpravě povrchu, délce trvání zatížení a rozdělení napětí, rychlosti růstu napětí a podmínkách okolního prostředí. 3.2.3 Tvrzené sklo Tvrzené sklo (EN 12150) má vyšší odolnost proti rozbití než sklo plavené, ale po porušení se rozpadne na malé kousky. U tvrzeného skla může dokonce dojít ke spontánnímu porušení, způsobenému malými vměstky sulfidu niklu (NiS), které zvětšují svůj objem. Tento typ porušení může nastat až do 2 let po výrobě. Vměstky lze zjistit destruktivní zkouškou teplotním šokem (např. podle DIN 18516, část 4 - Heat Soak Test), při které jsou tyto tabule skla vyřazeny. Panely tvrzeného skla vykazují oproti pevnosti běžného plaveného skla vyšší pevnost v ohybu, která je tvořena „zmrazeným“ napětím v tlaku na povrchu. Po vyčerpání napětí v tlaku při zatížení je ještě účinná tahová pevnost běžného plaveného skla. Protože povrchové napětí v tlaku není ovlivněno vadami povrchu, tahová pevnost jednoduché tabule bezpečnostního skla může být přibližně považována za nezávislou na stavu povrchu,



rozdělení napětí, rychlosti růstu napětí a podmínkách okolního prostředí, zanedbá-li se tahová pevnost plaveného skla. Tvrzené sklo může odolat místním rozdílům teploty až do 150K. Protože předpětí není po povrchu tvrzeného panelu rozděleno stejnoměrně, má se ověřit podle pásem [6], která berou v úvahu návrhové situace pro předpětí, obr. 13.

Obr. 13 - Oblasti panelu z tvrzeného skla vzhledem k rozdělení předpětí,

tlačená oblast vyšrafována

Okraje nebo plochy v blízkosti otvorů se mají uvažovat odlišně od centrální plochy skleněného panelu. Jako příklad je ukázáno rozdělení předpětí pro vrtaný otvor s kuželovou částí, obr. 14. Spolehlivost předpětí lze kontrolovat měřidly pro optické měření kvality. Lze rozlišit zatížení z roviny a v rovině [7].

Obr. 14 - Rozdělení tepelného předpětí v blízkosti vrtaného otvoru

s kuželem (oblast 4)

tangenciální membránovépředpětí σφ, 3D

xφ

σ3

x3

σ3 = 0

xr

R

osa vrtanéhootvoru

radiální předpětí σr

σ1 = σ2

σ3 (tloušťka předpjaté vrstvy)

přechod do oblasti 1

známé parabolicképředpětí v rovině - oblast 1

přehled

na všech površích je předpětí kolmo k ploše nulové

R, poloměr

osa

tlaktahtlak

Oblast 1: střed panelu

Oblast 2: okraj panelu

Oblast 3: roh panelu

Oblast 4: vrtaný otvor

skleněný panel s vrtanými otvory

t, tloušťkaskla

Oblast 4: ~1.5 t

Oblast 2:~1,5 t

Oblast 3:~3,0 t

Oblast 1

předpětí 3D - pole



půdorys



3.2.4 Tepelně zpevněné sklo Úroveň povrchového napětí se pro tepelně zpevněné sklo (EN 1863) sníží při procesu tvrzení na –55 až –35 MPa místo –140 až –90 MPa pro plně tvrzené sklo (oblast 1). Rozbití do úlomků je podobné jako u plaveného skla. To napomáhá udržet panel po porušení v celku, když je upevněn v rámu nebo se jedná o vrstvené sklo. Zbytková bezpečnost panelu je tudíž dostatečná. Tepelně zpevněné sklo je vyráběno obdobně jako plně tvrzené sklo. Spontánní porušení způsobené vměstky NiS nebylo u tepelně zpevněného skla pozorováno. Zkouška tepelným šokem proto není nutná. Tepelně zpevněné sklo odolává teplotním rozdílům až 100K při srovnání s plaveným sklem, které odolá rozdílu do 40K. Posouzení bezpečnosti tepelně zpevněného skla se provádí stejným způsobem jako u skla tvrzeného. Kontrola kvality nedestruktivním optickým měřením je nutná, aby se zabránilo příliš vysoké nebo příliš nízké úrovni předpětí v tlačené oblasti, tzn. že se použijí nedestruktivní optické prostředky.

Tab. 3 - Vliv modulu ve smyku PVB vrstvy na průhyb a napětí v ohybu ve středu rozpětí u vrstveného bezpečnostního skla s asymetrickou skladbou (10mm / 1,52mm PVB / 6mm)

Délka trvání zatížení [s]

Neznámá Dlouhá Krátká < 180 s Velmi krátká < 10 s

Teplota [°C] Neznámá ≈ 22 ≈ 22 ≈ 22 Poznámka vždy na bezp.

straně (bez smykové interakce)

tj. vlastní váha

tj. zatížení poryvem větru

tj. zatížení nárazem, téměř plná interakce smyku

Účinný modul ve smyku G pro PVB fólie [N/mm2]

0 0,01 1 4

Průhyb ve středu rozpětí fmax [mm]

148,7 138,3 44,4 36,9

Ohybové napětí ve vnitřní vrstvě skla [MPa]

3.2.5 Vrstvené bezpečnostní sklo Obecně, alespoň pro dlouhodobé zatížení, se vliv spřažení s fólií při návrhu neuvažuje. Proto pro vrstvené bezpečnostní sklo, např. o celkové tloušťce 20,78 mm, které je složeno ze dvou jednoduchých tabulí skla, se uvažuje pouze součet pevností a tuhostí jednotlivých 10 mm tabulí. Pak už není třeba brát v úvahu účinek dotvarování při stoupající teplotě a dlouhodobém zatížení. Avšak jak ukazují zkoušky pro krátkodobé zatížení, jako je poryv větru nebo náraz, je vliv spřažení významný. V závislosti na délce trvání zatížení a teplotě může být modul pružnosti ve smyku G pro fólii uvažován podle tab. 3. Pro kratší rozpětí mohou být rozdíly v přerozdělení napětí dokonce významnější.

-22,5 6,7

4,7 23,0

-24,64,2

7,823,7

-29,5

32,0

-52,7

50,7

-55,5

55,5

-33,3

33,3

10 6 1,52

L = 3000 mm 1 kN/m2



4. SPOJE 4.1 OBECNĚ Obecně se má přímému kontaktu ocel – sklo zabránit vložením dělících materiálů. Normálně se vlastní váha přenáší distančními podložkami z plastu nebo EPDM / silikátovými vložkami s tvrdostí 60 až 80 Shore A, které oddělují sklo od rámu. Pro zatížení kolmo na panel existují různé úchytky podle obr. 15 [8]. Konstrukční řešení je popsáno dále podrobněji.

Obr. 15 - Přehled obvyklých přípojů zasklení

4.2 LINIOVÉ PODEPŘENÍ Liniové podepření je obvykle tvořeno rámem, v němž jsou účinky zatížení přenášeny podporovými podložkami do dolního vodorovného okraje skla, obr. 15. Velikost rámu se navrhuje větší než je panel skla, takže výrobní tolerance a deformace od teploty v rovině skla nejsou omezeny. Zatížení tlakem a sáním větru se do nosné konstrukce přenáší přítlačnou krycí lištou. 4.3 LOKÁLNÍ OKRAJOVÉ PŘÍCHYTKY Aby se minimalizoval vizuální vjem liniového podepření či přítlačné lišty, lze okraje panelu pouze místně připojit ke konstrukci. Rámová konstrukce se navrhuje pouze na vnitřní straně zasklení, obr. 16. Kromě vizuálního dojmu to může být užitečné pro střešní konstrukce, kde se požaduje odvod vody.

liniové podepření (přítlačná lišta)

místní okrajové příchytky

místní bodové podpory

~10 až 20 min t = 6

~20 až 40 ~50 až 80>20

podporová vložka a odvodnění

oddělující vrstva,např. neoprén

kloub např. DC 993

[mm]

nosný rám

konstrukční silikonové těsnění (SSG podpora)



Obr. 16 - Příklad lokálně připojeného vnějšího panelu zasklení trojité fasády, tvrzené sklo

o tloušťce t = 12 mm 4.4 BODOVÉ PODEPŘENÍ Bodově podepřené konstrukce se navrhují pro své estetické kvality. Vizuální dopad přípojů skleněných panelů je minimalizován. Klíčovým problémem konstrukčních detailů je řešení spojů. Spoje se navrhují tak, aby nedocházelo ke vzniku nepředvídaných špiček a koncentrací napětí a k přímému kontaktu ocel – sklo. Využívá se poddajné stykové plochy, plastových průchodek, vložek nebo injektované pryskyřice, které zabrání přímému kontaktu sklo – kov a působí jako tlumič. Šroub kloubového bodového podepření se má opatrně utahovat krouticím momentem < 30 Nm a připojuje se pomocí oválných / velkých otvorů k základní konstrukci. Kluzná vložka (např. teflon) umožňuje řádnou montáž a zabraňuje nepříznivému upnutí v rovině (např. způsobené teplotou), obr. 17. Plavené sklo nelze pro nedostatečnou pevnost v okolí otvorů použít.

Obr. 17 - Bodově podepřený panel zasklení a podmínky v uložení nosné konstrukce

Numerickým modelováním se má stanovit maximální napětí v tahu na celém povrchu skla a v blízkosti přípojů v místech velké koncentrace napětí. Konstrukce s bodově podepřeným sklem se numericky modelují metodou konečných prvků (3D shell – prvky).

umožnění pohybu s podpůrnou konstrukcí

vlastní tíha

zatížení větrem

sklo

pevný oválný

velký

oválný velký

čep

detail

detail

rozdělení zatížení: bodová podpora s kloubem a velkým otvorem

vložka

velký oválný otvor

2600

2000

1000

1000

4000

1150150 150 1150 [mm]

distanční vložka,materiál EPDM

20

12 tvrzené sklo

detail příchytky

80

vlastní váha



Vhodně zvolená přesnost řešení umožňuje modelovat místa kolem otvorů a nepravidelnosti v geometrii přípojů. 4.5 KONSTRUKČNÍ SILIKONOVÉ TĚSNĚNÍ Z estetických důvodů je někdy u lineárně podepřených skel požadován hladký povrch fasády. Proto byly vyvinuty lineární konstrukční silikonové těsnící podpory zasklení (SSG). Okraje skleněných panelů jsou silikonem připojeny k základní konstrukci (nosnému rámu), která je připojena k hlavní nosné konstrukci budovy, obr. 18. Kvalita zpracování v dílně a na stavbě je popsána v technických standardech na výrobky, viz EOTA. Některé potřebné hodnoty jsou uvedeny v tab. 4. Je důležité uvést, že konstrukčními silikonovými tmely může být přilepeno sklo pouze na speciální povrchy jiné než sklo, jako jsou eloxované hliníkové nebo nerezové profily, ale nesmí být použito na čisté, práškovým povlakem opatřené nebo natřené měkké oceli. Konstrukční silikonové tmely jsou UV stabilní a kompatibilní s vrstvou PVB nebo pryskyřice. V některých zemích úřady požadují dodatečné zabezpečení proti selhání silikonu, jež se provádí mechanickým upevněním skleněných panelů pomocí lokálních okrajových objímek, a proto se to má vždy projednat již během projektování.

Tab. 4 - Vlastnosti konstrukčního silikonového těsnění zasklení

Vlastnosti konstrukčního silikonového těsnění Hodnota Minimální doporučená tloušťka t 6,0 mm

Dovolené normálové napětí σ pro dynamické zatížení jako je vítr včetně součinitele bezpečnosti γ = 6

0,14 N/mm2 (kolmo na povrch zasklení)

Dovolené normálové napětí σ pro statické zatížení jako je vlastní tíha včetně součinitele bezpečnosti γ = 6

0,015 N/mm2 (kolmo na povrch skla)

Dovolené smykové napětí τ pro dynamické zatížení jako je vítr včetně součinitele bezpečnosti γ = 6

0,07 N/mm2 (rovnoběžně s povrchem skla)

Dovolené smykové napětí τ pro statické zatížení jako je vlastní tíha včetně součinitele zatížení γ = 6

0,007 N/mm2 (rovnoběžně s povrchem skla)

4.6 LEPENÉ SPOJE Při výrobě nábytku ze skla se mnoho let používá akrylátových lepidel, která mohou přenášet pouze menší zatížení a užívají se jen ve vnitřním prostředí (s menšími změnami teploty, malým dopadem klimatických vlivů jako je UV záření). V současnosti nebylo vyvinuto vhodné složení lepidla, které by splňovalo požadavky kladené na trvanlivé lepené spoje vnější konstrukce zasklení. K dispozici nejsou ani požadované experimenty a všeobecně zatím nejsou lepené spoje připraveny k používání. Z konstrukčního hlediska lepidla použitá pro trvalé spoje zasklení musí být experimentálně ověřena včetně časové stálosti, pevnosti, dynamických vlivů a snadnosti aplikace.



Obr. 18 - Příklad konstrukčního silikonové těsnění skleněné fasády, sloupky hlavní nosné konstrukce před zasklením (vlevo) a eloxovaný hliníkový nosný rám (vpravo) [1]

4.7 LOKÁLNÍ VNESENÍ ZATÍŽENÍ V moderních konstrukcích se sklo často využívá jako nosný konstrukční prvek. Vnitřní síly se přenáší plastovými nebo neoprénovými vložkami. V případě, že nevyhoví na napětí v tlaku, využije se mezi okraji skla a dělícím materiálem vložek ze slitin hliníku. Výhodou hliníku je téměř stejný Youngův modul pružnosti se sklem a mez kluzu je nižší než pevnost skla v tlaku. Předběžné experimenty [9] s tvrdým dělícím materiálem ukázaly dobré chování a schopnost hliníku převést síly v rovině do skleněných panelů. Experimenty rovněž prokázaly vysokou pevnost skla v tlaku, což způsobilo plastickou deformaci ocelových a hliníkových desek, obr.19. Okraje skleněných panelů musí být opracovány broušením se zkosenou hranou, aby se zabránilo koncentraci lokálního napětí a následnému porušení skla. Mělo by se zabránit přenosu zatížení do rohů tepelně zpevněného a tvrzeného skla na vzdálenost menší než je 2 násobek tloušťky skleněného panelu. V důsledku nižšího vnitřního pnutí skla v oblasti rohů je zde únosnost ve srovnání s jinými místy na okrajích skla nižší.

Obr. 19 - Plastická deformace materiálu pod hranou 10 mm skla se zkosením; ocel t = 30 mm (σmax = 580 N/mm2, vlevo) a hliník t = 30 mm (σmax = 540 N/mm2, uprostřed);

příčný řez Při výrobě vrstveného skla nejsou okraje skel navzájem zarovnané a hrana není dokonale hladká. To způsobuje nestejnoměrný přenos zatížení do obou tabulí skla.

F

5

10 skleněný panel

zkušební materiál

[mm]

lokální okrajskla v tlaku



K přenosu sil do více než jedné vrstvy laminovaného bezpečnostního skla, skládajícího se z vrstev tvrzeného skla, se proto nemá používat tvrdých materiálů přes plnou šířku vrstveného skla, protože tvrzené sklo nemůže být po tvrzení dále upravováno. V těchto případech se vrstvené sklo podepírá pomocí ocelových botek, kde se mezera mezi botkou a okrajem skla vyplňuje litou epoxidovou pryskyřicí nebo dvousložkovým lepidlem k úpravě okrajů skla. V oblasti přenosu zatížení a spolehlivého návrhu vrstveného skla bude nezbytný intenzivní výzkum.



5. NAVRHOVÁNÍ 5.1 ZATĚŽOVACÍ STAVY Odpovídající zatížení fasád a střech ze skla je uvedeno v tab. 5.

Tab. 5 - Souhrn zatížení na konstrukce ze skla

Zatěžovací stav Příklad / poznámka Vlastní tíha g tj. 0,25 kN/m2 pro 1 m2 panelu o t = 10 mm

Zatížení větrem w tlak / sání větru, viz národní normy

Zatížení sněhem s sníh / navátí sněhu, viz národní normy

Zatížení teplotou ΔT tj. léto: ΔT = 30 °C; tj. zima: ΔT = -20°C

Zatížení panelu teplotou tj. zastínění / oslunění ΔT = + / - 10°C

Zatížení klimatem c pouze pro dílce z izolačního skla: tj. + / - 16 kN/m2 isochorického tlaku (další výpočty tlaku na zasklení [3])

Vliv člověka tj. horizontální liniové zatížení 1,5 kN/m ve výšce zábradlí tj. bodové zatížení 1,0 kN na ploše 100 x 100 mm2 nebo pokročilejší dynamické výpočty a experimenty 1:1

Zatížení osobou při čištění tj. zatížení osobou 1,5 kN na ploše 100 x 100 mm2 střechy

Posun podporové konstrukce Δs

uvažované tolerance ve všech směrech, možné omezení lokálních podpor atd.

Zatížení výbuchem pouze u zasklení odolnému bombám, provedení dynamických výpočtů a experimentů 1:1

Nehodové zatížení / chování po porušení (pouze dílce z vrstveného skla)

přídavné zatížení vlastní tíhou rozbitého panelu na zbylé panely, experimenty 1:1 nebo využití stávajících experimentálních dat

5.2 ÚNOSNOST ZASKLENÍ PŘI NÁRAZU Zábradlí ze skla, skleněné dveře nebo stěnové prvky se mohou navrhnout tak, aby odolaly dynamickému nárazu člověka. Byl vyvinut standardní zkušební postup podle prEN 12600, který používá jako kyvadla dvojici pneumatik s hmotností okolo 50 kg. Kyvadlo je uvolněno v předepsané výšce. Stanoví se, zda dojde k rozbití skla a jaký může mít účinek typ porušení rozbitého skla na lidské zdraví. Avšak tato zkušební metoda je omezena pouze na skleněný panel dané velikosti se čtyřmi podepřenými stranami. Proto se musí dbát velké opatrnosti, pokud jsou výsledky této metody extrapolovány na jiný rozměr panelu nebo jiné okrajové podmínky, např. bodově podepřené zasklení může mít nebezpečnější chování než liniově podepřené zasklení. Menší rozměry zasklení nejsou nutně při dynamickém nárazu bezpečnější vzhledem k možnosti vyražení panelu z podpor jako celku, obr. 20. Doporučuje se provést experimenty 1:1 se skutečnou velikostí skla a podporovou tuhostí. Rovněž se



doporučuje, aby zábradlí se sklem upevněným na dolním okraji, která jsou bez madla nebo bez sloupků na čelní straně zasklení, nebyla vyráběna pouze z jednoduchého tvrzeného skla. Detaily a praktické rady viz [10].

Obr. 20 - Zkouška skla nárazem EN 12600 (vlevo), dostatečná únosnost zakřiveného vrstveného bezpečnostního skla zábradlí s přidaným madlem na horním okraji (střed), příklad porušení malého, lokálně upnutého tvrzeného skla zábradlí, proraženého naskrz (vpravo) [2] 5.3 KONSTRUKČNÍ ZÁSADY Při návrhu konstrukce se vychází z celkové analýzy bezpečnostní koncepce konstrukce. Skleněný nosný prvek nelze navrhnout jako klíčový pro kolaps celku. V tomto případě lze navrhnout přidaný panel bez nosné funkce nebo užití staticky neurčitých systémů s možností přerozdělení zatížení. U kritických prvků se provádí kontroly konstrukce v předem stanovených intervalech. Vandalismus nebo jiné způsoby porušení skla se zahrnují do základního návrhu dalším zatěžovacím stavem. Např. pro střechy by mělo vrstvené sklo zůstat na původním místě vcelku i po porušení nejméně 24 hodin, aby bylo dost času na výměnu panelů. Při mytí a čištění nebo při výměně skla se požaduje snadná dostupnost celé konstrukce.

Obr. 21 - Síť MKP pro bodově podepřený tvrzený panel skla 1,5 x 3,0 m (vlevo); deformace (střed) a maximální tahové napětí v blízkosti středních otvorů (vpravo); zatížení větrem

w = 1,0 kN/m2, t = 10 mm



5.4 MODELOVÁNÍ SKLENĚNÝCH PANELŮ Pro stanovení napětí a deformací je mocným nástrojem metoda konečných prvků, která slouží k určení rozhodujících hodnot napětí v tahu a deformací. K modelování lze použít 3D isoparametrické skořepinové prvky ve spojení s 3D prvky, kterými se modeluje okolí bodových podpor nebo místa přenosu místního zatížení. Příklad takového výpočtu pomocí MKP je na obr. 21. 5.5 MEZNÍ STAV ÚNOSNOSTI V současnosti je k dispozici pouze několik norem [11] [12] a bezpečnostních směrnic [3] [13] pro navrhování skla v budovách. Protože skleněné tabule byly v minulosti používány především jako výplňový materiál v oknech, většina návrhových metod je omezena na zatížení větrem a klimatickými podmínkami. Současné návrhové normy jsou založeny na maximálním dovoleném namáhání v tahu skleněného panelu, které však nereprezentuje dostatečně chování skla při křehkém porušení. Sklo je pružný materiál až do rozbití, které nastane bez plastické deformace, jak je tomu u běžných stavebních materiálů. Tahové napětí je součtem napětí od mechanického a tepelného zatížení. Pevnost skla v tahu je hodnota s velkým rozptylem, která závisí na:

- velikosti mikro-trhlin a poškození, které vznikne na povrchu skla během životnosti, - podmínkách okolního prostředí (vlhkost, teplota), - rozdělení a době trvání zatížení.

Pro určení pevnosti skla byly vyvinuty modely lomové mechaniky. Například pevnost v tahu plaveného skla s 0,1 mm velkou povrchovou trhlinou je 26 N/mm2 při zatížení trvajícím 1 s, ale pouze 6 N/mm2 pro délku trvání zatížení 30 let. Při navrhování skla se bere v úvahu možnost poškození skla a kumulace délky trvání zatížení během životnosti konstrukce. Směrnice [3] [11] [13] [14] pro navrhování konstrukcí ze skla v mezním stavu únosnosti jsou založeny na metodě dílčích součinitelů zatížení a spolehlivosti podle Eurokódů (EN). Tři koncepty porovnávají efektivní napětí, které je hodnotou váženého průměru hlavních napětí na povrchu skla, s maximální tahovou pevností skla. Tahová pevnost zahrnuje vliv velikosti a kvality povrchu skla, délky trvání namáhání a klimatické podmínky okolí. V normě [11] je např. rovnice pro ověření mezního stavu únosnosti uvedena ve tvaru:

dgeff f ,≤σ ,

NV

kgkb

aM

kgdg

ffk

fkf γ

γγ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+= ,,,

mod, ,

σeff efektivní napětí, fg,d návrhová pevnost, kmod vliv délky trvání namáhání, fg,k charakteristická hodnota pevnosti skla, γM dílčí součinitel spolehlivosti skla, ka vliv velikosti povrchu skla, fb,k charakteristická hodnota pevnosti skla pro předepnuté sklo, γV dílčí součinitel pro předpětí, γN národní součinitel spolehlivosti.



5.6 MEZNÍ STAV POUŽITELNOSTI Při mezním stavu použitelnosti se ověřuje průhyb zasklení, posuny prvků zasklení v konstrukci a konstrukce samotné a vibrace (zpravidla nerozhoduje). Údaje pro limitní průhyby panelů ze skla jsou uvedeny v tab. 6, [15]. Důležitou částí ověření skleněného prvku je chování po porušení. Skleněné panely musí zůstat v celku po určitý čas ve své pozici i v případě, že dojde k rozbití všech vrstev skla (viz kap. 2.3.5).

Tab. 6 - Limitní průhyby podle [15]

Druh skla Typ liniových podpor

Limitní průhyb

definice

Jednoduché sklo f ≤ L/100

čtyři strany f ≤ L/100 f ≤ d

L – rozpětí ve směru hlavního přenosu zatížení d – tloušťka skla *)

Izolační skleněný dílec

dvě nebo tři strany f ≤ L/100 f ≤ d f ≤ 8 mm

L – délka volného okraje skla d – tloušťka skla *)

*) jmenovitá tloušťka skla pro dílce z vrstveného bezpečnostního skla je 3 32

31 ddd +=

Největší dovolený průhyb má být přísnější než hodnoty uvedené v tab. 6. Mezní průhyb předepsaný pro ocelové konstrukce se používá jako orientační též pro sklo. Podpory mají být dostatečně poddajné, aby umožnily deformace bez vytvoření sekundárních ohybových momentů. Mezní deformace pro fasádní konstrukce mohou být přísnější, protože z architektonického hlediska je třeba často zabránit negativnímu „čočkovému“ účinku na povrchu fasády. Ověřují se rovněž poměrná posunutí mezi jednotlivými skleněnými panely, protože mohou vést k vysokým smykovým napětím v silikonovém těsnění spár a mohl by nastat nežádoucí přímý kontakt sklo - sklo nebo sklo - ocel. 5.7 TOLERANCE Konstrukce má vždy umožnit vyrovnání tolerancí vzniklých při výrobě skla stejně jako tolerancí základní konstrukce. Je třeba umožnit posuny skla ve směru panelu, aby se zabránilo případnému nepříznivému zatížení teplotou nebo dalším pravděpodobným možnostem přitížení. Toleranci v rozměrech zasklení lze stanovit z přípustných odchylek velikosti v normách a předpisech. Důležitější tolerance základní konstrukce se mají vzít z výpočtů nebo technických předpisů pro hlavní konstrukci. Společně uvažované tolerance a posuny poskytují údaje pro návrh požadovaných šířek spár styčníků a uspořádání detailů, např. oválné otvory nebo rektifikační konzoly podpor zasklení.



6. SOUČASNÝ VÝZKUM STABILITY KONSTRUKCÍ Průhlednost ve spojení s přípustným vysokým napětím skla v tlaku dovoluje atraktivní použití skleněných tabulí ve funkci nosných prvků, jako jsou nosníky, sloupy a panely namáhané smykem. Vzhledem k jejich vysoké štíhlosti jsou však takové nosné prvky citlivé na ztrátu stability, obr. 22. Proto se probíhající výzkumné práce [16] zaměřily na experimentální a teoretické studie stabilitních problémů konstrukcí ze skla s jednovrstvým a vrstveným sklem. Cílem je vývoj předpisů pro návrh konstrukčního nosného skla. Křehké, lineárně pružné chování materiálu znamená, že sklo postrádá plastické chování oceli a účinky zpevnění musí být vyváženy vlivem spřažení vrstveného bezpečnostního skla. Experimenty s počátečními imperfekcemi tlačených a ohýbaných prvků potvrdily podstatné zvýšení spolehlivosti vložením folie u vrstveného skla.

Obr. 22 - Příklad nosných prvků ze skla a různé stabilitní problémy

Vzpěrnostní křivky pro ocelové nebo dřevěné konstrukce nemohou být přímo použity pro skleněné prvky [17]. Vliv výrobních tolerancí, počáteční deformace způsobené procesem tvrzení a napětí ve skle při rozbití se musí pro sklo uvažovat odlišným způsobem. Neplyne to z vlastností materiálu, ale je třeba zahrnout zbytkové napětí od procesu tvrzení, stupeň poškození povrchu skla, rozdělení napětí na povrchu skla, vlhkost a historii zatížení. Na obr.23 jsou ukázány zkoušky vzpěrné pevnosti sloupů na svislých pásech skla. Celkem bylo provedeno 60 zkoušek.

Obr. 23 - Uspořádání zkoušky pro vrstvený bezpečnostní skleněný panel (2 x 10 mm tepelně zpevněné sklo), L x w = 800 x 200 mm (vlevo); porušení po dosažení kritického zatížení

(střed) a odvozená vzpěrnostní křivka pro sklo (vpravo)

0

10

20

30

40

50

60

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

λk,nom [-]

σ [N/mm2]

kritické napětí (Euler)

výsledky zkoušek

skleněné sloupy svislé výztuhy ze skla smykem namáhané stěny

vzpěr sloupu příčná a torzní stabilita boulení stěn



Pro simulaci sendvičového chování vrstveného bezpečnostního skla byl vytvořen model pomocí konečných prvků s vnitřní vrstvou PVB reprezentovanou lineárními viskoelastickými trojrozměrnými prvky. Byla nalezena počáteční deformace w0, která má rozhodující vliv na chování dílce při zatížení, spolu s excentricitou zatížení a tahovým napětím při porušení skla. Mezi experimentálními a numerickými výsledky bylo dosaženo velmi dobré shody [18]. 7. SHRNUTÍ A BUDOUCÍ TRENDY V současnosti sklo ještě nedosáhlo ve stavebnictví svého plného potenciálu. V budoucnosti lze předpokládat, že skleněné panely budou užívány běžně jako nosné prvky ve spojení s klasickými konstrukčními materiály. Nejlepší praktické zkušenosti se stávají základem norem a bezpečnostních předpisů. Nové materiály pro zasklení jako je vrstvené zasklení s integrovanými světelnými zdroji, výsledky experimentů a lepší provedení povlaků nabídnou další možnosti pro konstrukce a technologie skleněných fasád. Navrhování fasád se rozvinulo jako technická disciplína, kde se pozornost zaměřuje na sklo jako konstrukční materiál a jeho aplikace. Technologie fasád je specializovaný směr, který zahrnuje inženýrství a architektonické schopnosti, kombinované analýzy, normy, zákaznický komerční systém, objednání návrhu a detailů. Velkou roli zde hrají mezioborové vlivy. Evropská unie dala podnět ke vzniku projektu COST C13 „Sklo a interaktivní fasády budov“, který je zaměřen na shromažďování významných prací jednotlivých evropských zemí.



LITERATURA [1] Steel-glass facades of DS8 building, Canary Wharf London, facade engineering by Whitby Bird & Partners (WBP), England, 2002.

[2] ZiE-Report for overhead glazing, Trube und Kings, Institute of steel constructions, RWTH Aachen, 1998.

[3] Sedlacek, G. - Blank, K. - Laufs, W. - Güsgen, J.: Glas im Konstruktiven Ingenieurbau, Verlag Ernst&Sohn, 1999.

[4] Glass Guide, Saint Gobain Glass UK, edition 2000.

[5] Glass in Building, edited by D. Button and B. Rye, Butterworth architecture, Pilkington Glass Limited, 1993.

[6] Laufs, W. - Sedlacek, G.: Stress distribution in thermally tempered glass panes near the edges, corners and holes, Glass, Science and Technology, 01 and 02/1999.

[7] Laufs, W.: Ein Bemessungskonzept zur Festigkeit thermish vorgespannter Gläser, dissertation at the Institute of steel construction, RWTH Aachen, Shaker Verlag, 2000.

[8] Laufs, W. - Luible, A. - Mohren, R.: Etude préliminaire sur le verre comme élément de construction dans le bâtiment, ICOM Rapport 403F + 403D, EPFL, Lausanne, 2001.

[9] Luible, A.: Lasteinleitung in Glaskanten, ICOM Rapport 463, EPFL, Lausanne, 2002.

[10] DIBt: Technische Regeln für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen, 03/2001, DIBt-Mitteilungen (German national rule).

[11] DIN EN 13474-1, Glass in building - Design of glass panes - Part 1: General basis of design; (Draft standard).

[12] Standard Practise for Determining Load Resistance of Glass in Buildings, ASTM Designation: E 1300-97, American Society for Testing Materials.

[13] Wörner, J.D. - Schneider, J. - Fink, A.: Glasbau, Springer Verlag, 2001.

[14] Haldimann, M.: Safety of steel-glass structures, dissertation EPFL-ICOM, Lausanne, currently in progress.

[15] DIBt: Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen, 12/1998, DIBt-Mitteilungen (German national rule).

[16] Luible, A.: Stabilität von tragenden Glaselementen, dissertation EPFL-ICOM, Lausanne, currently in progress.

[17] Laufs, W. - Kasper, Th.: Biegedrillknickverhalten thermisch vorgespannter Gläser, Bautechnik, 05, Berlin, 2001.

[18] Liuble, A. - Crisinel, M.: Auf Biegen und Brechen, tec21, Zürich No. 12, 2002.

Úvod do požití skla v moderních budovách

Documents

Transcript of Úvod do požití skla v moderních budovách