Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 12 okladka

       Świat Szkła 12/2019

 

User Menu

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

heroal 2018 Banner C50VSZ 750x150 PL mit-Rahmen1   

20190820-BANNIERE-HALIO-750x100-1D-PL

 zycenia bozonarodzeniowe-1-750px

wlasna-instrukcja ift--baner do newslet-2019

 LiSEC SS Konfig 480x120

 

budma 2020 - 480x120

 

Sprawdzanie szyb zespolonych wykorzystywanych na nowoczesnych fasadach
Data dodania: 19.09.19

Standardowa praktyka określania odporności na obciążenia określonych szyb wykorzystywanych w budownictwie, w szczególności szyb okiennych, została opisana w ASTM E1300 [2].

 

Wskazane tam procedury określają również odporność na obciążenia oraz maksymalne ugięcie różnych rodzajów szkła wchodzących w skład szczelnych termoizolacyjnych szyb zespolonych.

 

Wychodząc naprzeciw powszechnej praktyce, procedury opisane w powyższym przepisie [2] mają zastosowanie do standardowych prostokątnych szyb zespolonych, wspartych z czterech stron oraz wystawionych na działanie równomiernie rozłożonych obciążeń, działających tak w długim, jak i krótkim okresie.

 

2019 09 26 9f

 

 

Wstęp
Szacunki dotyczące zachowania oraz prawdopodobieństwa uszkodzenia różnych rodzajów szkła zastosowanego w szybach zespolonych, jak również założenie proporcjonalności rozkładu (podziału) obciążenia pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną taflą szkła w jednokomorowych szybach zespolonych, opisano w załącznikach X2 oraz X3 do ASTM E1300 [2].

 

W większości przypadków możliwe jest przyjęcie takiego podejścia, jednak nie jest to obowiązującą zawsze regułą.

 

W załączniku X5 wskazano przybliżoną technikę łączenia różnych, równomiernie rozłożonych obciążeń o różnym czasie trwania. Jednak wszystkie założenia przedstawione w ASTM E1300 [2] są bardzo ograniczone, jeśli chodzi o kształt szyby, podparcie krawędzi, wpływ obciążeń oraz odpowiednią ocenę łączenia różnych rodzajów szkła.

 

Najnowsze sposoby stosowania izolacyjnych szyb zespolonych w konstrukcjach ścian osłonowych oraz na fasadach ze szkłem klejonym strukturalnie (Structural Sealant Glazing) wymagają jeszcze opracowania skutecznych metod oceny, szczególnie odnośnie do nietypowych kształtów szyb, obciążeń oraz warunków brzegowych, jak również odpowiedniego połączenia różnych obciążeń działających jednocześnie, lecz w różnych kierunkach, charakteryzujących się odmiennym czasem oddziaływania oraz skoncentrowanych w różnych obszarach szyby zespolonej.

 

W takich przypadkach konieczne są bardziej dokładne metody obliczeń, ponieważ w odniesieniu do szyb zespolonych należy uwzględnić wewnętrzne obciążenia oraz przeanalizować zastosowanie procedur oceniających rozdzielny i łączny wpływ tych obciążeń na konstrukcję.

 

2019 09 26 1Rys. 1. Podział zewnętrznych obciążeń oraz oddziaływanie obciążeń wewnętrznych wg DIN 18008-2 [3]

 

Obciążenie obliczeniowe oraz rozkład obciążeń
Według Glazing-Manual-50th-Anniversary-Edition [1] przy projektowaniu elewacji przeszklonych (szkła architektonicznego) należy uwzględnić różne rodzaje obciążeń i różne kombinacje obciążeń. Najistotniejsze z nich to:
- obciążenie wiatrem (3-sekundowe podmuchy wiatru), zarówno „dodatnie” (parcie działające do wewnątrz), jak i „ujemne” (ssanie działające na zewnątrz)
- obciążenie stałe pochyłych szyb zespolonych (pochylonych do wewnątrz lub na zewnątrz)

- obciążenia szyb pracujących jako bariery ochronne (obciążenie liniowe poziome, obciążenie skupione oraz obciążenie równomiernie rozłożone, odnoszące się do różnych sposobów oddziaływania ludzi)

 

 

Tabela 1. Współczynnik Bv wg [3] oraz [5]

 2019 09 26 2


Tabela 2. Składowe obciążenia na podstawie rozkładu obciążeń wg [3] oraz [5]

 2019 09 26 3

 

(...)

 

W praktyce, w przypadku wykorzystania szyb zespolonych mają miejsce dodatkowe efekty obciążeń wewnętrznych (klimatycznych). W ASTM E1300 wykorzystywany jest czynnik rozkładu obciążeń pomiędzy tafle szkła w szybach zespolonych, jednak nie uwzględniono „czynnika klimatycznego” działającego jako obciążenie wewnętrzne, a wpływającego elementy szyby zespolonej, który omówiono dokładnie dalej w niniejszym artykule.

 

W tej części artykułu natomiast przedstawione zostaną zasady rozkładu obciążeń pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną taflą szkła w jednokomorowej szybie zespolonej.

 

Tafle szkła w szybach zespolonych nie są połączone jedynie poprzez liniowe spojenie na obwodzie (na krawędziach szyby). Są one również „sprzężone” za pomocą gazu znajdującego się w hermetycznie zamkniętej komorze pomiędzy tymi taflami (wewnątrz szyby zespolonej). Efekt „sprzęgania” powoduje rozłożenie się obciążeń pomiędzy „sprzężonymi” taflami szkła.

 

Odpowiednią proporcję sztywności wewnętrznej i zewnętrznej tafli szkła określa się wykorzystując uproszczone podejście mające szerokie zastosowanie w praktyce inżynierskiej i wskazane w załączniku X3 do ASTM E1300 [2].

 

W zasadzie, zgodnie z precyzyjnym podejściem do określenia rozkładu obciążeń (Tabela 2), należy wziąć pod uwagę kształt oraz wymiary szyby zespolonej oraz kierunek oddziaływania danego obciążenia, jak wskazano w DIN 18008-2 [3] i przez Feldmeier, F.: Insulating Units Exposed to Wind and Weather – Load Sharing and Internal Loads [5].

 

Po uwzględnieniu wszystkich istotnych wpływów, prof. Feldmeier wprowadził współczynnik dla szyby zespolonej, który jest uzależniony od długości krótszej krawędzi a oraz charakterystycznej długości a*.

 

Wartość a* reprezentuje charakterystyczne właściwości szyby zespolonej, takie jak współczynnik kształtu Bv (Tabela 1), wymiary hermetycznie zamkniętej komory wewnątrz szyby zespolonej oraz sztywność obu tafli szkła (gdzie zewnętrzna tafla to t1, a wewnętrzna t2). Wzory potrzebne do określenia tych czynników przedstawiono w równaniach w punkcie (1).

2019 09 26 4

E – moduł Younga dla szkła – 71 700 MPa
pB – ciśnienie atmosferyczne – 100 kPa

 

Obciążenia klimatyczne w hermetycznie zamkniętych szybach zespolonych
Szyby zespolone to systemy hermetycznie zamknięte. Oznacza to, że gaz (powietrze lub gaz szlachetny, taki jak argon lub krypton) zostaje zamknięty w komorze pomiędzy co najmniej dwiema lub większą liczbą tafli szklanych. Powstają w ten sposób warunki izochoryczne. Oznacza to, że objętość pozostaje niezmienna, jak pokazano we wzorze (2).

 

2019 09 26 5

 

Warunki klimatyczne pociągają za sobą skutki w postaci wewnętrznego obciążenia związanego z rozszerzaniem się gazu. Rozszerzanie się gazu w zamkniętej komorze jest ograniczone przez wewnętrzną i zewnętrzną taflę szkła.

 

Ze względu na to, że warstwy szkła nie są całkowicie sztywne, rzeczywisty stan balansuje pomiędzy stanem izochorycznym a stanem izobarycznym. Konkretne obciążenie zależy od warunków zewnętrznych oraz właściwości geometrycznych.

 

Te ostatnie to: wymiary komory zajmowanej przez gaz, wymiary szyby zespolonej oraz grubość wewnętrznej i zewnętrznej tafli szklanej.

 

Wśród warunków zewnętrznych wyróżnia się:
- zmiany ciśnienia atmosferycznego Δpatm,
- zmiany temperatury wpływajace na temperaturę zamkniętego gazu ΔT,
- różnica wysokości ΔH miejsca produkcji i miejsca montażu szyby zespolonej, która może prowadzić do wzrostu ciśnienia w zamkniętej komorze.

 

Zmienne mające wpływ na szkło oraz na spoiwo na krawędziach są również związane z różnicą w warunkach występujących w zakładzie produkującym szyby zespolone, w którym dochodzi do uszczelnienia szkła na krawędziach oraz warunkach po montażu, jak i tych w okresie eksploatacji szyby zespolonej.

 

Mający w tym przypadku zastosowanie graniczny stan izochoryczny p0 można określić zgodnie ze wzorem (3).

 

Właściwości geometryczne zostały uwzględnione we współczynniku szyby zespolonej określonym we wzorze (1).

 

Iloczyn ciśnienia izochorycznego i współczynnika szyby zespolonej w zależności (4) daje wartość wewnętrznego obciążenia Pclimatic, które jest maksymalnym wpływem obciążenia klimatycznego na wewnętrzną i zewnętrzną taflę szkła, jak również na krawędzie szyby zespolonej.


2019 09 26 6

 

 

Podczas gdy szyby zespolone o dużych rozmiarach są głównie narażone na działanie obciążenia wiatrem i inne obciążenia pochodzące z zewnątrz, czynniki klimatyczne mają dużo większy wpływ na małe lub wąskie szyby. W niektórych przypadkach wpływ obciążenia klimatycznego na małe szyby zespolone jest dużo silniejszy niż wpływ obciążenia wiatrem w przypadku szyb dużych. W związku z tym istotne jest, aby nie brać pod uwagę jedynie największych szyb zespolonych przy opracowywaniu odpowiedniego oszklenia oraz spoiwa (uszczelnienia wtórnego).

 

Uwzględnienie efektów/skutków obciążenia klimatycznego oraz przyłożenie odpowiedniej wagi do mniejszych szyb zespolonych ma ogromne znaczenie dla całego projektu ze szkła, trwałości systemu uszczelniania krawędzi oraz ostatecznego układu szyb zespolonych tak, aby spełniały wymogi bezpieczeństwa i przewidywalnej trwałości.

 

 

Tabela 3. Dozwolone naprężenie powierzchniowe dla różnego czasu oddziaływania obciążenia oraz różnych rodzajów szkła w oparciu o (6)

2019 09 26 7

AN-float, HS – termicznie wzmocnione, fritted-emaliowane, FT-hartowane

 

Tabela 4. Nominalna i minimalna grubość szkła zgodnie z normami ASTM oraz EN;

 2019 09 26 8

 

Dopuszczalne naprężenie powierzchniowe zgodnie z ASTM E1300
W Metodzie Prognozy Uszkodzenia szkła (ang. FPM – Failure Prediction Model), który jest podstawą do sporządzania wykresów NFL (non-factored load) wg ASTM E1300 [2] zakłada się, że prawdopodobieństwo uszkodzenia szkła jest funkcją rozkładu obciążeń, wpływu braku ciągłości powierzchni, skutkującej wzrostem naprężenia, oraz rozmieszczenia powierzchniowych naprężeń rozciągających na szkle.

 

Jeśli maksymalne wielkości naprężeń na dwóch taflach szkła o różnych wymiarach oraz grubości są takie same, bardziej prawdopodobne jest, że uszkodzeniu ulegnie tafla szkła, na której maksymalne naprężenie rozkłada się na większej powierzchni. Nie należy opierać doboru odpowiedniego szkła konstrukcyjnego w budynkach jedynie na podstawie jego wytrzymałości na zginanie określonej na podstawie badań przeprowadzonych na niewielką skalę w warunkach laboratoryjnych.

 

Podejście do weryfikacji przedstawione w ASTM E1300 [2] oparte jest na wytrzymałości na obciążenia (ang. LR – load resistance) określonej jako równomierne obciążenie poprzeczne.

 

Na LR składa się NFL, reprezentujące maksymalne dopuszczalne obciążenie (zakładając czas trwania 3 sekundy, prawdopodobieństwo uszkodzenia ≤ 0,008, oraz zastosowanie monolitycznego szkła odprężonego tzw. float), uwzględniając warunki powierzchniowe, grubość szkła, jak również jego wymiary, współczynnik obliczniowy wynikający z rodzaju szkła (ang. GTF – Glass Type Factor) reprezentujący wybrany rodzaj szkła oraz dopuszczalny czas trwania obciążenia.

 

Procedura ta jest jeszcze bardziej złożona, jeśli uwzględni się takie zmienne, jak szkło laminowane (ang. LG – laminated glass), termoizolacyjne szyby zespolone (ang. IG – insulated glass) lub połączenie kilku rodzajów obciążeń oddziałujących w danym momencie, z których każdy charakteryzuje się innych czasem trwania.

 

W zależności od przypadku należy również wziąć pod uwagę dodatkowe czynniki rozkładu obciążeń (ang. LS – load sharing), czynniki prawdopodobieństwa związane z taflami szkła (p) oraz połączenie wpływu obciążenia oraz czasu trwania obciążenia zgodnie z ASTM E 1300 [2], załącznik X5.1. Wytrzymałość na obciążenie LR powinna być określona dla każdej tafli szklanej, a decydujące znaczenie ma najmniejsza wartość odporności na obciążenia. W przypadku kombinacji-łączenia różnych obciążeń, q oraz LR są określane dla równoważnego 3-sekundowego czasu trwania, zgodnie ze wzorem (5).

 

2019 09 26 9m

 

Coraz częściej mamy do czynienia z koniecznością projektowania oraz weryfikacji szyb o nieregularnych kształtach lub różnym składzie, które nie są wsparte z czterech stron lub które są wystawione na działanie nierównomiernie rozłożonego obciążenia lub kombinacji obciążeń. W tych przypadkach należy wykorzystać techniki obliczeń charakteryzujące się większą elastycznością i dokładnością, takie jak metoda elementów skończonych, metoda różnic skończonych czy odpowiednie wzory z mechaniki inżynierskiej, w celu określenia maksymalnego naprężenia powierzchniowego oraz ugięcia szyby z uwzględnieniem szczególnych warunków brzegowych.

 

W odróżnieniu od Metody Prognozy Uszkodzenia szkła (FPM) wykorzystywanej w ASTM E1300 [2], najbardziej rozpowszechnione praktyki oraz narzędzia inżynierskie oparte są na projektowaniu na podstawie Metody Dopuszczalnych Naprężeń (ang. ASD – allowable stress design).

 

Obejmując projekty szkła o różnym kształcie oraz obciążeniach w oparciu o odpowiedni poziom bezpieczeństwa i zaufania, ASTM E1300 jest źródłem wskazówek na temat przybliżonego maksymalnego naprężenia powierzchniowego, które należy założyć przy niezależnej analizie naprężeń przedstawionej w załączniku X6.

 

W normie tej [2], załacznik X6.2, przedstawiono głównie zachowawcze akceptowalne wartości naprężenia powierzchniowego w czasie trwania obciążenia wynoszącym 3 sekundy oraz z prawdopodobieństwem pęknięcia-uszkodzenia ≤0,008.

 

Podano więc wartości 23,3 MPa (3.380psi) dla odprężonego szkła typu float, 46.6 MPa (6 750 psi) dla szkła termicznie wzmacnianego oraz 93.1 MPa (6 750 psi) dla szkła hartowanego.

 

W X6.3 wprowadzono wymóg obliczania maksymalnego naprężenia powierzchniowego w tafli szklanej przy wykorzystaniu rygorystycznej analizy inżynierskiej, która uwzględnia duże odkształceniaugięcia, np. nieliniowej analizy metodą elementów skończonych.

 

Zazwyczaj wyniki z analizy nieliniowej stają się istotniejsze dla weryfikacji szyb wspartych w sposób ciągły na obwodzie im większe jest ugięcie szkła w stosunku do jego grubości oraz im bliższy jest współczynnik kształtu do wartości dla kwadratu. Wyliczone naprężenie powierzchniowe nie może przekraczać maksymalnego dopuszczalnego naprężenia.

 

Maksymalne dopuszczalne naprężenie powierzchniowe to funkcja powierzchni (A), czasu oddziaływania obciążenia w sekundach (d), parametru wady-rysy powierzchniowej (k), prawdopodobieństwa uszkodzenia (Pb) oraz wykładnika, który charakteryzuje efekt osłabienia z tytułu podkrytycznego rozwoju pęknięcia (n).

 

Zgodnie z ASTM E1300 [2], X6.2, wszystkie te parametry można uznać za należycie reprezentowane przez dopuszczalne naprężenie powierzchniowe. Równanie wskazane w X6.2 należy poddawać weryfikacji w każdym konkretnym przypadku lub też w ramach poszczególnych projektów budowlanych, uwzględniając różne obciążenia i czynniki wynikające z ich kombinacji.

 

Parametry, które można niezmiennie dostosować do konkretnych przypadków oraz rodzajów szkła to: czas oddziaływania obciążenia (d) oraz wykładnik n wyróżniony w ASTM E2751/E2751M [8], przypis 2 dla różnych rodzajów szkła, przy n=16 dla odprężonego szkła typu float, n=32 dla szkła wzmacnianego termicznie oraz n=48 dla szkła hartowanego.

 

 

 Uwzględnione następujące warunki dla weryfikacji oszklenia na spandrelach GD-6:
-- Miejsce produkcji (Lauenfoerde, Niemcy): 97 m [318 ft] n.p.m
-- Miejsce instalacji (San Francisco w stanie Kalifornia, USA): 5 m [16 ft] n.p.m.
-- Wysokość miejsca montażu: 123 m [420 ft]
– GD-6: Spandrel, charakterystyka szyby zespolonej
– Zewnętrzna tafla szkła: 6 mm [1/4 in.] Planibel Clearlite ipasol Neutral 48/27 # 2, hartowane oraz sprawdzony w teście HST
– Komora: 20 mm [3/4 in.] powietrze, ramka dystansowa aluminiowa, czarna
– Wewnętrzna tafla szkła: 6 mm [1/4 in.] Planibel Clearlite, szkło emaliowane RAL 7035 # 4, hartowane (FT) oraz sprawdzone w teście HST
-- Wymiary (szerokość x wysokość)
– Mniejszy rozmiar: 997mmx391mm [39,3in.x15,4in.]
– Maksymalny rozmiar: 1505 mm x 3452 mm [59,3 in. x 135,9 in.]
-- Obciążenie wiatrem (3 sekundy): -2,155 kPa /+1,915 kPa [-45 psf / +40 psf ]
-- Podparcie proste, ciągłe
-- Charakterystyka shadow box
– Wnętrze: odległość 63 mm [2 ½ in.], powietrze,brak wentylacji
– Izolacja: 50 mm [2 in.], R = 1,43 m2K/W
– Tylna sta lowa płyta: 1 mm [1/32 in.]
– 200 mm [7 7/8 in.] powietrze, brak wentylacji R = 0,18 m2K/W wg ISO 6946
– 20 mm [3/4 in.] przestrzeń przystropowa lub podłogowa, R = 0,1 m2K/W
-- Ciśnienie izochoryczne
– Skutki klimatyczne, lato (ΔTkomora≤ 80 K; Δpatm ≥ -2kPa; ΔHaltitude ≤ 30 m): +29.6 kPa [+618 psf ]
– Skutki klimatyczne, zima (ΔTkomora≥ -24K; Δpatm ≤ 4kPa; ΔHaltitude ≥ 15m): -12.0 kPa [-251 ps 

 

Kolejną ważną kwestią jest odpowiednia ocena szkła emaliowanego. Przywołana wyżej publikacja [8], przypis 1 przedstawia ogólną rekomendację dla analizy obróbki powierzchni powodującej jej zakłócenie (głęboką ingerencję) określając dozwolony współczynnik redukcji naprężenia na poziomie 0,5, jednak rekomendowana jest konsultacja z producentem szkła.

 

Publikacja [9] podsumowuje użyteczne badania. W oparciu o wyciągnięte wnioski, dopuszczalny współczynnik redukcji naprężenia wynoszący 0,6 jest wystarczający i miarodajny.


2019 09 26 9b

 

Zastosowanie minimalnej grubości szkła zgodnie z ASTM C1036 jest zawsze bardzo ważne, ponieważ stanowi o zapewnieniu odpowiednich warunków.

 

W przypadku europejskiego producenta szkła oraz dostawcy szkła typu float zgodnie z EN 572 należy wziąć pod uwagę minimalną grubość szkła. W odniesieniu do szkła odprężonego, przyjmowane wartości dla modułu Younga oraz współczynnika Poissona to odpowiednio 71,7 GPa (10,4e6 psi) oraz 0,22.

 

W oparciu o ASTM E1300 [2] uwzględnić można międzywarstwę z folii PVB z modułem Kirchoffa odkształcalności powierzchniowej, wynoszącym 0,40 MPa, w temperaturze nieprzekraczającej +50°C (122°F) w ciągu trzysekundowego oddziaływania obciążenia.

 

Kombinacja istotnych obciążeń
Norma ASCE Code 07 [4] jest podstawowym przepisem mającym zastosowanie dla określania minimalnych obciążeń obliczeniowych oraz istotnych kombinacji obciążeń w budynkach i innych konstrukcjach.

 

To, co stanowi wyzwanie, to określenie odpowiedniego podejścia do projektowania szyb zespolonych, które stosowałoby się do tych zasad oraz podstawowych zasad projektowania, jak również uwzględniało fakt, że zarówno obciążenie wiatrem, jak i wpływ warunków klimatycznych mają kluczowe znaczenie dla właściwego określenia grubości szkła oraz wtórnego uszczenienia w szybie zespolonej.

 

Tak naprawdę warunki klimatyczne, zmieniająca się temperatura oraz różne wysokości położenia zakładu produkcyjnego oraz miejsca instalacji prowadzą do zwiększenia lub zmniejszenia objętości gazu zamkniętego w szybach zespolonych. Jest to skutek, który nie został dokładnie opisany w ASCE Code 07 [4].

 

2019 09 26 9g

 

2019 09 26 9h

Fig. 2. Project renderings (© Hines Constructions & Invesco)


Tabela 6. Maksymalne naprężenie powierzchniowe oraz ugięcie w przypadkach obciążeń wskazanych w tabeli 5.

Pierwsza z tabel pokazuje wyniki obliczeń liniowych, a druga, obliczeń nieliniowych w oparciu o analizę wykonaną metodą elementów skończonych. Szare wyróżnienia wskazują na decydującą wartość obciążenia.

2019 09 26 9c

2019 09 26 9d

 

Jednak zakładając, że norma ta [4] określa kombinacje obciążeń stałych (zwanych ciężarem własnymi), obciążeń zmiennych (głównie obciążenia wiatrem) oraz obciążeń wynikających z odkształceń wewnętrznych (czyli obciążeń wywołanych przez system, takich jak obciążenia wywołane przez czynniki klimatyczne mające znaczenie jedynie dla szyb zespolonych), można rozłożyć wpływ warunków klimatycznych podsumowany w równaniu (3) na różne składowe, wyszczególnione w oparciu o czas oddziaływania obciążenia oraz kombinacje obciążeń.

 

Podczas gdy skutki wywołane przez różnice wysokości ΔH same w sobie mają trwały wpływ, połączenie oddziaływania ΔH, różnicy temperatur Δt oraz różnicy ciśnienia atmosferycznego Δpatm charakteryzuje się zmiennością wpływu w ciągu doby, a uwzględnienie wpływu warunków klimatycznych oraz wiatru daje w rezultacie całkowitą kombinację krótkotrwałych obciążeń.

 

Ponadto, w punkcie 2.4.4 ASCE Code 07 [4] znajduje się informacja, że mało prawdopodobne jest, aby maksymalny wpływ obciążeń wynikających z odkształceń wewnętrznych występował jednocześnie z maksymalnymi wartościami innych zmiennych obciążeń. Rekomendowane jest założenie 0,75 maksymalnego wpływu.

 

W tabeli 5 uwzględniono podsumowanie wszystkich aspektów odpowiedniej kombinacji obciążenia wiatrem oraz wpływu warunków klimatycznych w pionowo montowanych szybach zespolonych. Studium przypadku: ul. Tehama 33, San Francisco, w stanie Kalifornia, USA

 

Zaprezentowane powyżej podejście było wykorzystywane w celu weryfikacji projektów ze szkła w kilku przedsięwzięciach realizowanych w Stanach Zjednoczonych. Poniższy projekt posłużył do porównania standardowej procedury ASTM E1300 [2] z projektowaniem na podstawie dopuszczalnych naprężeń uwzględniających połączone działanie wpływu obciążenia wiatrem oraz efektów klimatycznych.

 

To, co było istotne z punktu widzenia projektowania oszklenia w inwestycji, to nie tylko określenie obciążenia wiatrem spodziewanego w różnych częściach elewacji budynku, lecz również wszechstronna analiza termiczna obejmująca analizę termicznych naprężeń w szkle, wyliczenia maksymalnych temperatur elementów szklanych oraz podstawowego uszczelnienia, jak również minimalne i maksymalne temperatury gazu zamkniętego w komorze międzyszybowej.

 

Temperatury te są przede wszystkim potrzebne do obliczenia spodziewanych efektów klimatycznych. Wieża przy ul. Tehama 33 w San Francisco to 35 piętrowy wysokościowiec. Ze względu na wymogi termiczne, uznano spandrele za szyby zespolone przeznaczone do wytrzymania bardzo wysokich temperatur w komorze powietrznej między taflami szkła.

 

Jak już wspomniano, małe oraz wąskie elementy charakteryzują się tym, że są w nich bardzo widoczne efekty klimatyczne. W przypadku typowych spandreli mamy do czynienia zarówno z wyjątkowo wysokimi temperaturami, jak i nieodpowiednio małymi wymiarami szkła.

 

Jako przykłady do analizy wybrano elementy GD-6. Sprawdzono je zarówno dla małych rozmiarów, w których założono 100% zużycia w wyniku działania warunków klimatycznych, jak i dla maksymalnych rozmiarów, w których zaobserwowano 27% zużycia w wyniku wpływu podciśnienia wywołanego wiatrem (ssanie wiatru), a nawet 42% zużycia w wyniku ciśnienia wywołanego wiatrem (parcie wiatru) prowadzącego do maksymalnego naprężenia powierzchniowego na emaliowanej (obróbka inwazyjna) powierzchni wewnętrznej tafli szkła.

 

Podczas gdy ograniczenia w odniesieniu do dużych szyb przede wszystkim wynikają z ograniczenia możliwego ugięcia szklanych tafli, to ogromne zużycie małych elementów powstaje w wyniku działania warunków klimatycznych, co nie zostało ujęte w normowej procedurze [2].

 

ASTM E1300 [2] prezentuje uproszczoną koncepcję. Bezpośrednie porównanie wartości określonych wg niej [2] z wartościami uzyskanymi w wyniku nieliniowej analizy metodą elementów skończonych nie daje rzetelnych wyników.

 

Dokonując bezpośredniego porównania modelu prognozy uszkodzenia (ang. FPM – Failure Prediction Model) z projektowaniem na podstawie dopuszczalnych naprężeń (ang. ASD – allowable stress design) nie uwzględniono współczynników typu dla szyb zespolonych określonych w ASTM E1300 [2], X2.2. Dodatkowo, nie wzięto pod uwagę efektu nałożenia emalii ceramicznej na taflę szkła, ponieważ w tabeli 7 znajduje się porównanie koncepcji, a nie dokładna weryfikacja.

 

Ciśnienie wywołane wiatrem oraz skutki klimatyczne zostały poddane oddzielnej ocenie. Pierwszym krokiem było obliczenie maksymalnego naprężenia powierzchniowego w tafli szklanej w jednokomorowej szybie zespolonej z uwzględnieniem czynników podziału obciążeń wskazanych w normie [2].

 

W drugim kroku zastosowano bardziej dokładną koncepcję podziału obciążeń przedstawioną w tabeli 2 w celu określenia odporności na obciążenie (LR) zgodnie z ASTM E1300 [2].

 

Dzięki takiej modyfikacji wykonalne stało się porównanie z symulacją pełnego modelu szyb zespolonych. Ponadto, w celu zapewnienia podobnych warunków w ramach porównania wyników, założono jedynie minimalną grubość szkła zalecaną w ASTM C1036.

 

W tabeli 7 przedstawiono odpowiednie przybliżone zużycie określone na podstawie FPM oraz ASD. Z zasady dla mniejszych elementów wskazana jest bardziej precyzyjna koncepcja określania czynników podziału obciążeń, którą pokazano w tabeli 2 oraz zastosowano w drugim kroku.

 

W przypadku większych szyb w FPM brany jest pod uwagę istotny wpływ pola powierzchni na odporność na obciążenia, jednak czynnik ten jest pomijany w przypadku obliczania dozwolonych wartości naprężenia powierzchniowego według ASTM E1300 [2], X6.2. Może mieć to wpływ na projekt oraz odporność dużych tafli ze szkła odprężonego.

 

W przypadku elewacji budynków komercyjnych oraz szklenia strukturalnego SSG powszechne jest stosowanie szkła hartowanego lub szkła wzmacnianego termicznie. Zatem wymiary warstw szklanych oraz dopuszczalne obciążenia są zazwyczaj ograniczone przez dozwolone ugięcie szkła oraz wykorzystanie dozwolonego naprężenia powierzchniowego, które zwykle nie powinno być bliskie wartości 100%.

 

Podsumowując, w przypadku małych szyb zespolonych należy ostrożnie podchodzić do dozwolonych wartości naprężenia powierzchniowego określonych w ASTM E2751/E2751M [8], X6.2.

 

Z drugiej strony są one wystarczające w przypadku szyb dużych. Ponadto, odpowiednie ograniczenie ugięcia szyby jest również istotnym warunkiem, który należy uwzględnić przy projektowaniu.

 

 

Tabela 7. Porównanie koncepcji FPM na podstawie ASTM E1300 [2] z koncepcją ASD opartą na nielinearnej analizie metodą elementów skończonych dla obciążenia wiatrem

 

2019 09 26 9e

 

 

Wnioski
Przeanalizowana powyżej koncepcja oraz zaprezentowany przykład projektu pokazują, że projektowanie na podstawie metody dopuszczalnych naprężeń (ASD) jest użyteczną i wskazaną praktyką opracowywania oraz weryfikacji projektów fasad szklanych, w której uwzględnia się istotniejsze warunki brzegowe-graniczne niż w przypadku standardowej procedury opisanej w ASTM E1300 [2].

 

To, na co należy zwrócić uwagę przy odpowiednim projektowaniu, to nie tylko właściwe powiązanie FPM z ASD, lecz również solidna koncepcja łączenia różnych obciążeń charakteryzujących się różnym okresem oddziaływania.

 

Przykład podany w tabeli 5 uwzględnia przede wszystkim wpływ obciążeń na szyby zespolone montowane w pionie.

 

Kwestią kluczową przy tworzeniu odpowiednich, zrównoważonych projektów z szyb zespolonych jest przyjęcie właściwej koncepcji określania wpływu warunków klimatycznych wynikającego z interakcji pomiędzy zamkniętą komorą wypełnioną gazem a środowiskiem zewnętrznym, jak również uwzględnienie rzeczywistego podziału obciążeń pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną taflą szkła w jednokomorowych szybach zespolonych.

 

W tym przypadku w ASTM E1300 [2] znaleźć można pewną nieadekwatność, w szczególności w odniesieniu do szyb małych lub średnich, w przypadku których warunki klimatyczne mogą mieć bardzo duży wpływ i w których rozkład obciążeń różni się od założeńwynikających z uproszczonego podejścia wskazanego w ASTM E1300 [2]. W przypadku większych szyb, w szczególności tych składających się ze szkła hartowanego lub szkła wzmacnianego termicznie, weryfikacja na podstawie ASD wymaga uzupełnienia o ocenę maksymalnego ugięcia szkła i wprowadzenia ograniczeń z tego płynących.

 

Należy wspomnieć, że europejskie normy projektowe są oparte na zasadzie częściowych współczynników bezpieczeństwa dla konkretnych kombinacji czynników. Podejście projektowe uwzględniające stan graniczny wymaga wzięcia pod uwagę bezpieczeństwa oraz zestawu czynników wpływających na wartość naprężeń oraz parametrów określających odporność produktów ze szkła. Zarówno czynniki bezpieczeństwa odnoszące się do naprężenia, jak i odporności są od siebie niezależne i charakteryzują konkretne statystyczne odchylenia przyjęte dla danego obciążenia i materiału.

 

Bez względu na inne międzynarodowe normy dotyczące szkła, w niniejszym artykule wykorzystano systematykę zgodną ze standardami ASTM E1300 oraz ASCE 17 obowiązującymi w Ameryce Północnej.

 

(...)

 

Pragniemy podziękować również Permasteelisa North America, twórcy omawianej okładziny ścian osłonowych, za profesjonalne wsparcie oraz pomoc w przygotowaniu studium przypadku.

 

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2017, która odbyła się w dniach 28-30 czerwca 2017 r. w Tampere w Finlandii.

 

Florian Döbbel
Sika Services AG Building Systems & Industry

Michael Elstner
AGC Interpane


Źródła
[1] G lazing-Manual-50th-Anniversary-Edition, Glazing Association North America (GANA), 2009.
[2] ASTM E1300 – 12a 1: Standard Practice for Determining Load Resistance of Glass in Buildings, 2012.
[3] DIN 18008-2: Glass in Building – Design and Construction Rules, Part 2: Linearly Supported Glazings, 2010.
[4] ASCE/SEI 7-10: Minimum Design Loads for Buildings and other Structures, American Society of Civil Engineers, Structural Engineering Institute, 2010.
[5] Feldmeier, F.: Insulating Units Exposed to Wind and Weather – Load Sharing and Internal Loads, GPD Glass Processing Days, Tampere, s. 633-636, 2003.
[6] Morse, S. M.; ASCE; A. M.; Norville, H. S.: Relationship between Probability of Breakage to Maximum Principles Stress in Window Glass, Journal of Architectural Engineering© ASCE, March 2010.
[7] Haldimann, M.; Luible, A.; Overend, M.: Structural Engineering Documents 10, Structural Use of Glass, International Association for Bridge and Structural Engineering, 2008.
[8] ASTM E2751/E2751M – 13: Standard Practice for De- sign and Performance of Supported Laminated Glass Walkways, 2013.
[9] Maniatis, I.; Elstner, M.: Investigations on mechanical strength of enameled glass, Challenging Glass Confe- rence 5, International Conference on the Architectural and Structural Application of Glass, Delft, 2016.
[10] Doebbel, F.; Elstner, M.; Patterson, M.; Davis, W.: Optimized Secondary Seal of Insulating Glass Units for Structu- ral Sealant Glazing Application, GlassCon Global Conference Proceedings 2014, Philadelphia 2014.

 2019 05 38 15

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 9/2019
   

 

 

Czytaj także --

Czytaj także

 

 

01 chik
01 chik