W wyniku rozwoju technologii produkcji i obróbki szkła możliwe jest wytwarzanie szkła o lepszych parametrach wytrzymałościowych. Dzięki temu wielkie, hartowane szyby w fasadach stały się produktem standardowym.

Naturalną koleją rzeczy zaczęto następnie produkować także rury szklane mające własności, które pozwalają na ich swobodne stosowanie w budownictwie. 

 

 

Przeźroczysta konstrukcja nośna

Wymaganiami dla konstrukcyjnego zastosowania szkła w dziedzinie architektury są możliwie najwyższa, gwarantowana odporność na ściskanie, wysoka sztywność przy uginaniu i wystarczająca wytrzymałość wtórna w przypadku uszkodzenia. Dodatkowo pożądana jest spoistość odłamków.


Z tego wywodzą się dwa główne zadania dla producentów szkła budowlanego:
- zapewnienie spoistości korpusu szklanego w przypadku uszkodzenia,
- wprowadzenie dużych sił nacisku do korpusu szklanego bez jego uszkodzenia.

Rury szklane jako element konstrukcyjny łączą dwie technologie, jakie opanowano pod koniec minionego stulecia:
- zdolność do wytwarzania dużych rur szklanych o niezmiennej, dobrej jakości
- tendencja w architekturze i budownictwie do większej przeźroczystości budynków

 

Laminowane rury szklane posiadają pod warunkiem prawidłowej obróbki i montażu:
- wysoką odporność na ściskanie
- wysoką sztywność przy uginaniu
- wysoką wytrzymałość wtórną (w przypadku uszkodzenia)
- wysoką spoistość odłamków (w przypadku uszkodzenia)

 

Spoistość korpusu szklanego w przypadku uszkodzenia

Koncepcja wzmocnienia szkła, jaką przyjęto przy produkcji szyby przedniej samochodu, która powstaje poprzez sklejenie dwóch wygiętych szyb za pomocą folii z tworzywa sztucznego, nie daje się jednak przenieść bez zastrzeżeń na podwójną rurę szklaną. Nieuniknione przy procesie klejenia kurczenie się, inaczej niż w szybie laminowanej, nie daje się kompensować poprzez nachodzenie na siebie obu rur. Przez to powstają ekstremalne siły, które prowadzą albo do zerwania warstwy klejącej, albo do samozniszczenia systemu dwóch rur.


Jeżeli jednak rozetnie się rurę osłaniającą, to powstałe połówki osłon będą się przemieszczać na rurę stanowiącą rdzeń. Tak powstaje rura laminowana bez wewnętrznych naprężeń (rys. 1). Rura stanowiąca rdzeń przejmuje nakładane z zewnątrz ciężary, podczas gdy połówki osłon pełnią funkcję ochronną i wspierającą. Wynikiem jest element budowlany z bardzo dobrą spoistością odłamków i nadzwyczajną wytrzymałością wtórną. Można, przykładowo, rurę laminowaną pod pełnym obciążeniem przebić stalowym gwoździem, bez stwierdzenia jej zawodności (rys. 2). Tym sposobem spełnione jest wymaganie do zastosowania w pomieszczeniach publicznych, które odznaczają się zagrożeniem wandalizmem i podwyższonymi wymaganiami odnośnie bezpieczeństwa.

 

Wprowadzanie dużych sił nacisku do korpusów szklanych

Wobec niezwykle wysokiej odporności szkła na ściskanie zadziwia to, że znajdowało ono dotychczas zastosowanie w budownictwie tylko w ograniczonym zakresie. Zwyczajowo stosowane są do tego zespolenia z kilku szyb płaskich, które jednak są w stanie utrzymać niewiele ponad swój własny ciężar. Jeżeli dochodzi do uszkodzenia korpusu szklanego, winę przypisuje się szkłu, zamiast szukać jej w konstrukcji niedostosowanej często do materiału. Szkło jako materiał kruchy, nie jest w stanie wchłaniać sił rozciągających poprzez deformację plastyczną w sferze atomowej. Dlatego dostosowana do tego materiału konstrukcja musi dlatego w każdych warunkach unikać wprowadzania do korpusu szklanego niebezpiecznych naprężeń rozciągających i zginających. Ten podstawowy warunek ma swe szczególne znaczenie z powodu podwyższonych wymagań odnośnie bezpieczeństwa przy zastosowaniu szkła w budownictwie.


Rozwiązanie problemu wprowadzania sił, jakie znaleziono dla laminowanej rury bezpiecznej, polega na precyzyjnej obróbce końcówek rur i prawidłowym wyborze materiału podkładowego. W następnym artykule zostanie to wyczerpująco omówione.


Kwestii wprowadzania sił poświęcano w dotychczasowej praktyce budownictwa niewielką uwagę, gdyż stosowane w konstrukcjach szkło płaskie wobec jego niskiej wytrzymałości na uginanie może przenosić tylko małe siły. Dlatego w tym przypadku nie ma szans, aby pożyteczną wytrzymałość szkła wykorzystać faktycznie dla budownictwa. Można wprawdzie zastosować klejonką wieloszybową, ale w ten sposób można uzyskać tylko niewielki przyrost wytrzymałości na uginanie. Cena, ciężar i zabarwienie szkła, zwiększające się szybko wraz z grubością, stanowią ograniczenia tej techniki.

 

Korzystne właściwości statyczne

W stosunku do szyby rura wykazuje przy takim samym zużyciu materiału znacznie korzystniejsze właściwości statyczne. Jeżeli przykładowo ze szkła płaskiego o wymiarach 4100x454x5,5 mm uformuje się rurę o średnicy 150 mm, to wytrzymałość na uginanie wzrasta tysiąckrotnie. Warunkiem udostępnienia tego produktu w budownictwie jest jednak to, żeby były osiągalne rury o wystarczającej precyzji geometrycznej i jednorodności materiałowej oraz odpowiednich wymiarach.


Dzisiaj są to wymiary do 400 mm średnicy zewnętrznej i 10 mm grubości ścianki.
Badania na ściskanie na tego rodzaju próbkach dały przeciętne wartości wytrzymałości co najmniej 400 N/mm². Na próbkach o mniejszej średnicy możliwe były pomiary do 800 N/mm², bez zaobserwowania jakichkolwiek uszkodzeń we wnętrzu materiału. Zbliża się to bardzo do oczekiwanych wartości. Przestrzegając zwyczajowych współczynników bezpieczeństwa można z tego wyliczyć 60 N/mm² jako gwarantowaną, minimalną wytrzymałość na ściskanie.


Już ta, oszacowana zachowawczo, wartość otwiera całkiem nowe perspektywy w budownictwie. Przykładowo, rura o średnicy 200 mm i grubości ścianki 9 mm może przejąć ciężar 32,4 t, a to więcej niż podwójny ciężar stropu betonowego przy zwykłym odstępie podpór i bez niebezpieczeństwa załamania się.

 

Rury szklane w budownictwie

Zwróćmy uwagę na estetyczny aspekt stosowania rur szklanych w architekturze. W dążeniu do tego, aby pokrycie budynku uczynić bardziej przeźroczystym, jako pierwszy około 1950 r. zastosował rury szklane w fasadzie amerykański architekt Frank Lloyd Wright. Celem było zapewnienie dostępu naturalnego, rozproszonego światła do wybudowanego przez niego budynku John-Wax w Racine/Wisconsin. Ten początek był jednak jeszcze daleki od konstrukcyjnego zastosowania rur.


Fascynujące właściwości statyczne rur szklanych zachęciły pod koniec lat 80-tych Schott-Rohrglas do rozwijania linii kominów szklanych. Były one pierwotnie przewidziane do zastosowania w kotłowniach, żeby odprowadzać agresywne spaliny. Szybko jednak zauważono ich estetyczne oddziaływanie w sferze zewnętrznej i przetworzono w stosowne rozwiązania (rys. 3). Przy wysokościach budowy dochodzących do 30 m wystąpiło po raz pierwszy pytanie o wytrzymałość na obciążenia statyczne. Uzyskane następnie pozwolenie budowlane zezwalało na obciążenie ściskające materiału do 60 N/mm², co przy pełnym (utopijnym) wykorzystaniu pozwoliłoby na wybudowanie komina o wysokości powyżej 100 m.

 

Ten niewykorzystany potencjał dał naturalnie dużo do myślenia. Dlatego Schott Rohrglas skorzystał z szansy, gdy Instytut Konstrukcji Budowlanych z uniwersytetu w Stuttgarcie zwrócił się do przedsiębiorstwa z prośbą, żeby wesprzeć go przy budowie tzw. modelu Tensegrity. Pojęcie „tensegrity” pochodzi od amerykańskiego architekta Buckminstera Fullera i oznacza konstrukcję wolną od naprężeń na zewnątrz. Wszystkie siły powinny w tym modelu zostać przejęte przez rury szklane. Miały one długość 1500 mm i napinały robiący wrażenie model przestrzenny, który cieszył się dużym zainteresowaniem na GLASTEC 1996 (rys.4).

 

Z tej akcji rozwinęła się owocna współpraca między Schott i instytutem profesora Behlinga, która utrzymuje się do dzisiejszego dnia. Także w instytucie konstrukcji budowlanych powstała, według projektu Friedricha Wagnera, wspólnie z firmą Mero, przestrzenna konstrukcja szkieletowa, która demonstruje w przekonywujący sposób jak przy stosownej konstrukcji i mechanicznym naciągu przez umieszczone wewnątrz cięgło rury szklane mogą przejmować siły rozciągające i ściskające. Ta konstrukcja została przedstawiona na GLASTEC 2000 (rys. 5).

 

Perspektywy

Pierwszy przypadek zastosowania laminowanych rur szklanych urzeczywistniony został w jesieni ubiegłego roku w projekcie Tower Place w Londynie, przez Normana Fostera. Do podparcia dwóch dużych fasad szklanych o powierzchni 22x13 m oraz 22x60 m przeciw horyzontalnemu naciskowi wiatru zastosowano laminowane rury szklane o długości 3600 mm i średnicy zewnętrznej 165 mm (rys. 6 i 7) Rury są zaprojektowane na ekstremalne naciski wiatru i sprawdziły się w listopadzie 2002 roku podczas burzy stulecia. Przy tym wewnętrzny naciąg linowy ochronił rury przed możliwymi napięciami rozciągającymi i ściskającymi.


Dalsze projekty o charakterze pilotażowym, w których laminowane rury szklane zastosowane będą także jako pionowe elementy wspierające, są w trakcie opracowywania.
Z rozwiązaniem postawionych na wstępie zadań wysokiej wytrzymałości wtórnej, jak też odpowiedniego dla materiału wprowadzania sił, których wyniki łączą się w laminowanej rurze szklanej, otwierają się dla szkła całkiem nowe dziedziny zastosowania. Architektom, ale także inżynierom budownictwa, projektantom wnętrz, technikom oświetlenia i innym będzie przez to dany do ręki nowy wyrób, z którym można bardziej elegancko, przeźroczyście i, być może, także lżej konstruować i budować.


c.d.n.


Joachim Achenbach
Glaswelt 6/2003

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.