Metody i procedury służące do projektowania szkła laminowanego są niekonsekwentne zarówno w naszym regionie, jak i na całym świecie – szczególnie, gdy poddawane są działaniu obciążenia w dłuższym okresie czasu i podwyższonej temperatury.

Wiele kodeksów i norm nieprawidłowo oblicza zależność sztywności warstwy pośredniej od czasu działania obciążenia i podwyższonej temperatury lub całkowicie je ignoruje. Poniżej porównano pięć norm dotyczących projektowania szkła laminowanego z całego świata i zaproponowano nową metodę obliczania efektu działania długotrwałego obciążenia i temperatury.

Wprowadzenie

Normy projektowe na całym świecie traktują szkło, a szczególnie szkło laminowane, na wiele różnych sposobów. Chociaż przepisy budowlane zawsze różnią się między sobą, to sposoby, w jakie szkło laminowane jest projektowane, są jeszcze bardziej zróżnicowane niż w przypadku innych materiałów budowlanych, takich jak stal i beton.

Ponieważ zarówno wytrzymałość, jak i sztywność szkła laminowanego zmieniają się w czasie, konieczne jest opracowanie metody uwzględniającej wpływ tych czynników na pracę konstrukcji ze szkła laminowanego.

Łatwa i dokładna metoda analizy szkła laminowanego jest ważna, aby inżynier projektujący mógł mieć zaufanie do bezpieczeństwa i niezawodności konstrukcji. Właściwe dobranie grubości szkła jest również ważne dla właściciela i wykonawcy pod względem oszczędności materiału.

Chociaż inne materiały budowlane także mają charakterystykę ugięcia zależną od czasu (wydłużanie się kabli, relaksacja w stali, pełzanie betonu), to zależne od czasu właściwości laminowanego szkła są zarówno geometryczne, jak i strukturalne.

Zarówno prawdopodobieństwo pęknięcia, jak i sztywność konstrukcji z laminowanego szkła zmieniają się wraz z upływem czasu. Z tego powodu nie ma pełnej zgody wśród naukowców co do sposobu traktowania tego materiału.

Stwierdzenie problemu
Celem tego artykułu jest zaproponowanie nowej metody projektowania konstrukcji ze szkła laminowanego, opartej na prostej kontroli zużycia, która uwzględnia zmiany w systemie konstrukcyjnym, występujące zarówno w miarę zmian temperatury, jak i z upływem czasu.

Ta metoda proponuje, aby każde obciążenie było nakładane na konstrukcję szklanę osobno i analizowane przy założeniu geometrycznej nieliniowości.

Po uzyskaniu wyników dla każdego stanu obciążenia, ugięcia cząstkowe sumuje się w celu określenia ugięcia całkowitego, a obciążenia są sumowane w celu określenia całkowitego zużycia. Indywidualne analizowanie obciążeń pozwala uwzględnić zarówno czas trwania obciążenia, jak i temperaturę dla każdego stanu obciążenia.

Podsumowując zużycie, a nie naprężenia, projektant może stosować różne limity naprężeń dla każdego obciążenia, w zależności od czasu trwania. Oprócz tej nowej metody projektowania szkła laminowanego, przeprowadza się ogólne badanie obecnych podejść do problemu w celu lepszego zrozumienia stanu praktyki w projektowaniu szkła laminowanego.

Następujących pięć norm dotyczących projektowania szkła laminowanego, zebranych z całego świata, a także metoda zużycia są poniżej użyte do projektowania tego samego laminowanego panelu szklanego, a podejścia problemowe są porównywane.

ASTM E1300 – S tany Zjednoczone
Ogólne podejście ASTM E1300 polega na zaprojektowaniu szklanych paneli tak, aby w warunkach obciążenia projektowego szkła występowało prawdopodobieństwo zniszczenia 8/1000. Odbywa się to poprzez określenie wytrzymałości na obciążenia danego panelu szklanego z wykresów projektowych, które pochodzą z Modelu Przewidywania Zniszczenia szkła.

Wykresy przyjmują czas obciążenia 3 s i temperaturę w folii laminującej (międzywarstwie) 50°C. Obciążenia o dłuższym czasie trwania można uwzględnić, odnosząc je do równoważnego obciążenia trwającego 3 s. Istnieją metody określania obciążeń o różnym czasie trwania i temperaturze uwzględniane przez różne współczynniki bezpieczeństwa, na których opiera się Metoda Zużycia.

AS 1288 – Australia
AS 1288 wykorzystuje podejście oparte na dopuszczalnym naprężeniu, w którym naprężenie w panelu szklanym jest sprawdzane pod kątem dopuszczalnego naprężenia określonego przez uwzględnienie różnych aspektów pracy rozpatrywanego panelu szklanego.

Zakłada się, że szkło laminowane jest w pełni monolityczne dla obciążeń krótkotrwałych (czyli folia daje pełne zespolenie i warstwy szkła są traktowane łącznie jak monolit) lub całkowicie warstwowe dla obciążeń długoterminowych (czyli folia daje zerowe zespolenie i warstwy szkła pracują oddzielnie). Nie ma przepisów dotyczących uwzględnienia różnych temperatur lub czasów obciążenia.

BS 5516-2 – Wielka Brytania
BS 5516-2 jest podobny do ASTM E1300, ponieważ wytrzymałość na obciążenie panelu szklanego jest odczytywana z wykresu. Ponadto nie są dostarczane wykresy projektowe dla szkła wzmacnianego termicznie, a wpływ temperatury nie jest uwzględniony.

DIN 18008 - Niemcy
Norma DIN 18008 jest podobna do AS1288 w odniesieniu do podejścia, ale nie można zastosować złożonego działania warstwy pośredniej (folii laminującej) bez specjalnych analiz i dowodów. Nie ma żadnych przepisów dotyczących wpływu dłuższego czasu obciążenia lub temperatury.

prEN 16612 – Projekt Normy Europejskiej
W projekcie normy prEN również przyjęto podejście oparte na naprężeniach dopuszczalnych, ale jak w przypadku ASTM E1300 stosuje się metodę grubości efektywnej w celu uwzględnienia obciążeń o różnym czasie trwania i w różnej temperaturze. Jednak, podobnie jak w E1300, nie ma żadnej metody łączenia efektów.

 Przykład projektu

W celu porównania tych norm projektowych należy zastosować wspólny, przykładowy projekt. Wybrany został przykładowy świetlik szklany ze względu na najczęstsze zastosowanie szklanych paneli poddanych obciążeniom o różnym czasie trwania.

Na potrzeby tego przykładowego projektu zostanie zaprojektowany następujący panel szklany:

- Geometria: panel o wymiarach 2x2 m, położenie poziome
- Proporcje boków panelu: 1.0
- Obróbka cieplna: obie tafle szklane wzmocnione termicznie
- Struktura szkła laminowanego: 4 mm HS / 1,52 mm PVB / 4 mm HS
- Smukłość: b / t = 2000 / 9,52 = 210
- Warunki podparcia: liniowe podparcie z 4 stron

W celu porównania norm projektowych w odniesieniu do projektu szkła przyjmuje się, że początkowe obciążenia są takie same. Wszelkie różnice w regionalnym podejściu do obciążeń wiatrem i obciążenia śniegiem są zatem ignorowane.

Jednak obserwuje się różnice w podejściu projektowym w odniesieniu do współczynników obciążenia, współczynników bezpieczeństwa itp.

Dlatego zakłada się następujące obciążenia stanu granicznego użytkowania:
- Obciążenie wiatrem: 1,0 kPa
- Obciążenie śniegiem: 1,0 kPa

Na potrzeby tego artykułu wszystkie grubości szkła będą odnosić się do grubości nominalnej (na przykład 4 mm), ale minimalna dopuszczalna grubość, jak pokazano w Tabeli 1, będzie stosowana we wszystkich obliczeniach (na przykład 3,78 mm).

Należy zauważyć, że norma DIN proponuje stosować grubość nominalną w obliczeniach, a nie minimalną grubość i uwzględniać różnicę pomiędzy nominalną a minimalną z materialnymi współczynnikami bezpieczeństwa.

 (,,,)

Artykuł opiera się na wykładzie prezentowanym Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2017, która odbyła się 28-30.06.2017 w Tampere, Finlandia

Michael R. Dunham, M.S., P.E.
Yoojin Kim, B.S.
Kateri Knapp, M.S.
Arup

Bibliografia:
[1] AS / NZS 1170.0: 2002: Obciążenia obliczeniowe konstrukcji – Część 0: Zasady ogólne (2002)
[2] AS / NZS 1170.1: 2002: Obciążenia obliczeniowe konstrukcji – Część 1: Trwałe, użytkowe i inne (2002)
[3] AS / NZS 1170.2: 2011: Obciążenia obliczeniowe konstrukcji – Część 2: Oddziaływanie wiatru (2011 r.)
[4] AS / NZS 1170.3: 2003: Obciążenia obliczeniowe konstrukcji – Część 3: Oddziaływanie śniegu i lodu (2003)
[5] AS 1288–2006: Szkło w budynkach – Dobór i montaż (2006)
[6] ASCE / SEI 7–05: Minimalne obciążenia obliczeniowe budynków i innych konstrukcji (2006 r.)
[7] ASTM E1300–16: Wytyczne do określania wytrzymałości szkła na obciążenia w budynkach (2016)
[8] BS 5516–2: 2004: Oszklenie patentowe i pochyłe w budynkach – Część 2: Kodeks postępowania w przypadku pochyłego oszklenia (2004)
[9] EN 1990: 2002: Eurokod – podstawy projektowania konstrukcji (2002)
[10] EN 1991–1–1: 2002: Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje – Część 1–1: Oddziaływania ogólne – Ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynkach (2002)
[11] EN 1991–1–3: 2003: Eurokod 1 – Oddziaływania na konstrukcje – Część 1–3: Oddziaływania ogólne – Obciążenie śniegiem (2003)
[12] EN 1991–1–4: 2005: Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje – Część 1–4: Oddziaływania ogólne – Oddziaływania wiatru (2005)
[13] DIN 18008–1: 2010–12: Szkło w budownictwie – Zasady projektowania i wykonania – Część 1: Terminologia i zasady ogólne (2010)
[14] prEN 16612: 2013: Szkło w budownictwie – Wyznaczanie odporności tafli szkła na obciążenia za pomocą obliczeń i testów (2013)
[15] prEN 16613: 2013: Szkło w budownictwie – szkło laminowane i bezpieczne szkło laminowane – określenie właściwości mechanicznych międzywarstwy (2013)

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 12/2018