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

 

Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych Część 1
Data dodania: 29.12.10

W dobie zwiększonej atrakcyjności szkła jako materiału dzisiejszych konstrukcji budowlanych pojawia się też równolegle potrzeba rozeznania tego problemu – nie tylko z wizualnej pozycji architektury, ale także pod względem obliczeniowym i konstrukcyjno-technologicznym. Niezbędne jest tutaj sięgnięcie do narzędzi nauki. Problem ten zarysowano wielorako, ale tylko wstępnie, w pracy autora opublikowanej w wydaniu 11/2010 „Świata Szkła”[1].

 

Niniejszy artykuł został poświęcony niektórym zagadnieniom badanego tu przedmiotu, jakie wybrano z monograficznego kwartalnika „Structural Engineering International”. Ten ostatni może być dowodem wielkiej aktualności współczesnej inżynierii szkła i konstrukcji szklanych. Spośród osiemnastu zamieszczonych tam artykułów omówiono tu zwięźle jedynie ich połowę. Trzeba dodać, że wydawnictwo [2] jest publikacyjną wizytówką Międzynarodowego Stowarzyszenia dla Inżynierii Mostów i Konstrukcji (International Association for Bridge and Structural Engineering: IABSE) – bodajże najważniejszego tego typu profesjonalnego stowarzyszenia na świecie.

 

Hess swój artykuł [2.1] poświęcił własnościom materiałowym szkła. Głównym składnikiem szkła jest krzemionka. Nowoczesna produkcja szkła polega na rozpuszczeniu piasku kwarcowego i pewnych dodatków w temperaturze wynoszącej 1600ºC i na procesie przeciągania i wyżarzania przy stopniowo obniżającej się temperaturze.

 

Własności materiałowe współczesnego szkła są następujące:
- Ciężar właściwy 25 kN/m³
- Moduł Younga 70000 MPa
- Moduł ścinania 28000 MPa
- Współczynnik Poissona 0,23
- Wytrzymałość na rozciąganie 45 MPa
- Wytrzymałość na ściskanie 800 MPa
- Twardość w skali Mohsa 5-6
- Temperatura topnienia 600ºC
- Współczynnik rozszerzalności termicznej 9·10¯6 K¯¹.

 

Szkło produkuje się obecnie o grubościach wynoszących 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19 i 24 mm.

 

Wypada tu dodać, że dane dotyczące szkła zawiera u nas już Kalendarz Przeglądu Budowlanego 1939, T. I, 268-274.

 

W szkle hartowanym (ang. tempered glass) wprowadza się w procesie chłodzenia powierzchniowe naprężenia ściskające celem podniesienia jego nośności (rys. 1). Elementy ze szkła hartowanego przygotowuje się już w procesie produkcyjnym, bo nie można go ciąć. Szkło to niszczy się według wzorca pokazanego na rys. 2. Kilka warstw (minimum dwie) szkła ciągnionego, hartowanego lub wyżarzanego, z pośrednimi cienkimi warstwami z poliwinylu, tworzy tzw. szkło laminowane. Jest to szkło bezpieczne, gdyż przy uderzeniu nie rozpryskuje się, ale tylko zarysowuje.

 

  

Rys. 1. Rozkład naprężeń w szkle hartowanym (wg [2.1])

 

Rys. 2. Typowy wzorzec spękania szkła hartowanego (wg [2.1])

 

W architekturze, jednym z typów jest szkło białe, gdzie w procesie produkcji dodaje się środki usuwające tlenek żelaza, eliminując w ten sposób naturalny, zielony kolor szkła. Jest ono podstawowe przy wytwarzaniu paneli solarnych. Innym typem jest odlewane i walcowane szkło ornamentowe, często zbrojone drobną siatką.

 

Niekiedy stosuje się tu izolacyjne szklenie wielokrotne, najczęściej – podwójne, także w konstrukcji podwójnej fasady, gdzie zestaw szybowy może być oddzielony od fasady szklanymi łącznikami (por. [1], rys. 2).

 

Izolację cieplną szkła można poprawić poprzez nałożenie specjalnej powłoki o małym współczynniku emisji ciepła. Przestrzeń między taflami wypełnia się też niekiedy gazem o mniejszym przewodnictwie ciepła niż dla powietrza (argon, krypton, ksenon). Oszklenie musi też odpowiadać wymogom izolacji akustycznej. Odpowiednie jest tu szklenie wielokrotne.

 

Szkło w niektórych konstrukcjach musi również mieć właściwą odporność ogniową – nawet do dwóch godzin; w tym przypadku stosowane jest często szkło borosilikatowe.

 

Odpowiednie procesy produkcyjne prowadzą też do uzyskania szkła antyrefleksyjnego, grawerowanego, emaliowanego, a także – szkła obdarzonego warstwą podłączoną do alarmu.

Wytrzymałość szkła jako, materiału kruchego, zależy od wielu czynników i stąd często ma charakter losowy. Typowe wytrzymałości, to dla szkła zwykłego float – 45 MPa, hartowanego – 120 MPa i tzw. półhartowanego – 70 MPa. Wytrzymałość szkła obniża się znacznie przy długotrwałym obciążeniu.

 

W Europie projektowanie odbywa się w odniesieniu do przepisów europejskich, które ciągle jeszcze ulegają doskonaleniu. Stąd sprawę tę pozostawia się tu bez dalszej analizy. Należy tylko wspomnieć, że tafle szklane mogą być podparte na krawędziach lub punktowo. W skomplikowanych przypadkach obliczenia oparte bywają na metodzie elementów skończonych.

 

Szklane belki i słupy oblicza się w konwencjonalny sposób – niekiedy jeszcze w odniesieniu do metody naprężeń dopuszczalnych, z globalnym współczynnikiem bezpieczeństwa wynoszącym 2,4.

Gdy płyty szklane są małej grubości, powstają duże deformacje, co w obliczeniach wymaga zastosowania nieliniowej teorii powłok – z odniesieniem do koncepcji stanów granicznych.

 

Developments in structural glass and glass structures Schobera i Schneidera [2.2] dotyczy nowoczesnych konstrukcji szklanych, gdzie szkło nie jest tylko wypełnieniem, ale często ma charakter typowo konstrukcyjny. Dzisiaj powstają szklane konstrukcje (dachy, podłogi) oparte na szklanych żebrach, ściany fasadowe z płyt szklanych mocowanych na sieci utworzonej z kabli nośnych, także z użyciem belek i słupów ze szkła. Najpierw przywołano tu budowane już od połowy XIX wieku metalowo-szklane dachy domów handlowych, galerii i stacji kolejowych – łącznie z wymienionym już w [1] londyńskim Crystal Palace.

 

Mimo tego, że zasadniczymi elementami nośnymi tych konstrukcji było stalowe lub żeliwne użebrowanie, to jednak wypełniające jego oczka szkło stanowiło wyraźne usztywnienie całości. W końcu XX wieku wprowadzono dla dachów szklanych innowację w postaci tzw. powłoki rusztowej.

 

Czworokątna lub trójkątna siatka nośna składa się zwykle ze stalowych sztywnych prętów, a niekiedy także – sprężystych kabli. Z wypełnieniem ze szkła laminowanego umożliwia to tworzenie dowolnych struktur przestrzennych (rys. 3, 4).

 

  

Rys. 3. Szklany dach Niemieckiego Muzeum Historycznego w Berlinie (wg 2.2])

 

Rys. 4. Wiszący szklany dach w Heilbronn, Niemcy (wg [2.2])

 

Same szklane panele mogą być przy tym również dwukrzywiznowe. Coraz częściej powstają dziś także nowoczesne szklane fasady (rys. 5), gdzie stosowane są niewielkie łączniki punktowe (rys. 6), a nawet – całe konstrukcje ze szkła, mające szklane słupy i belki (rys. 7).

 

Rys. 5. Fasada La Villette (wg [2])

 

Rys. 6. Szczegół szklanej hali w Lipsku (wg [2])

 

Rys. 7. Muzeum Szkła w Broadfield, Anglia (wg [2]) 

 

W artykule Dodda [2.3] sprawy szklanych ścian, stropów i dachów stały się podstawowym przedmiotem rozważań. Aktualnie, większość konstrukcyjnych zastosowań wychodzi jednak poza ustanowione normy. Tym niemniej, właściwe rozeznanie przepisów już istniejących pozwala na rzeczowe ustosunkowanie się do potrzeb praktyki. Dla tych celów opracowano np. brytyjską normę Structural Use of Glass in Buildings (Institution of Structural Engineers, London 1991). Rozwijane są też właściwe przepisy europejskie.

 

Przy projektowaniu szklanych ścian ważna jest świadomość, że ich nośność zależy, silnie, od długotrwałości obciążenia. Przykładowo: przy krótkotrwałym, chwilowym obciążeniu, np. wiatrem, jest ona trzy- lub nawet czterokrotnie większa od tej dotyczącej obciążenia trwałego. Jest to podyktowane mechanizmem pękania związanym ze zjawiskiem korozji naprężeniowej, znanym jako zmęczenie statyczne.

 

Wywołuje ono mikrorysy, powiększające się w miarę upływu czasu, co prowadzi ostatecznie do zniszczenia materiału. Ponadto, trzeba tu uwzględniać potrzeby transparentności, izolacji termicznej i akustycznej, a także – sztywności i krzepkości (ang.: robustness) szkła.

 

Ściany wymagają specjalnej troski o przejrzystość. Wywołuje to tendencje kształtowania wielkich tafli szklanych, mocowanych do możliwie rzadko rozstawionych elementów konstrukcji nośnych. Tafle szklane wyróżnia sprężystość szkła (E=70 GPa), ale jednocześnie mają one zwykle małą sztywność poprzeczną, a w konsekwencji – dużą odkształcalność przy działaniu wiatru.

 

Dodatkowo sprzyja temu podatna natura łączników tafli szklanych do konstrukcji nośnej, a także – przy siatce z kabli – duża elastyczność samej konstrukcji nośnej. Najczęściej przyjmuje się granicę ugięć tafli szklanych wynoszącą ok. 1/15 krótszej rozpiętości płyty. Bardziej konserwatywne przepisy wymagają jednakże ograniczenia wynoszącego nawet 1/200 tej rozpiętości.

 

Odpowiednie ograniczenia dotyczą też całych zawieszonych kurtyn szklanych. Dla konstrukcji pokazanej na rys. 8 i rys. 9 założono maksymalne ugięcie poziome rzędu 75 mm. Zagrożenia płynące ze zniszczenia szyby i jej upadku określa tutaj dodatkowo czas trwania szyby w szklanej ścianie, który wynosi 15 minut, od chwili jej naruszenia do momentu jej wypadnięcia. Szyby tej konstrukcji mają grubość 12 mm i są laminowane.

 

  

Rys. 8. Szklana ściana mocowana na siatce z kabli w Tower Place, Londyn (Wg [2.3]) – por. też [1] rys. 2

 

Rys. 9. Szczegół siatki kablowej z rys. 8 podczas zakładania szyb (wg [2.3])

 

Zastosowanie szkła w konstrukcji stropów wymaga odporności szkła ze względu na poślizg poruszających się po nim osób. Tutaj zakłada się, że szkło poddawane jest długotrwałemu obciążeniu i stąd ma obniżoną wytrzymałość. Takie konstrukcje są dziś stosowane jeszcze dość rzadko, a przepisy są też ciągle jeszcze in statu nascendi. Stąd też bliższe szczegóły tej problematyki są tu pominięte.

 

Dużo ważniejszymi konstrukcjami są natomiast szklane dachy. Omówiono je po części już w rozdziale [2.2]. Tutaj przywołano tylko dachy płaskie, jak ten pokazany na rys. 10. Ma on ogólne wymiary 125 x 70 m w rzucie, z wymiarami tafli szklanych wynoszącymi 3 x 1,5 m. Podłużny spadek dachu ma ok. 2,5%.

 

Po wykonaniu badań eksperymentalnych zastosowano tu szkło wzmacniane termicznie, tzw półhart, o grubości 12 mm. Przystosowano je też, celem kontroli, do dostępu osób na górze dachu – poprzez nadanie mu szorstkości, za pomocą odpowiedniego natrysku. Szkło takie musi też być odporne na możliwe uderzenia z góry; badania udarowe wykonano posługując się stalową kulą o średnicy równej 110 mm.

 

Rys.10. Dach baldachimowy stacji Flintholm, Dania (wg [2.3])

 

Jest trudną sprawą należycie przybliżyć sprawy inżynieryjne szkła w skromnym artykule, z założenia – bardzo krótkim. Jednakże można oczekiwać, że czytelnik otrzymał tu chociaż niezbędne, wstępne informacje. Dalsze wiadomości zostaną przedstawione w II i III części artykułu.

 

c.d.n.

 

prof.. Zbigniew Cywiński
Politechnika Gdańska

 

Bibliografia
[1] Cywiński Z.: Inżynieryjne problemy transparentności konstrukcji budowlanych. „Świat Szkła” 11/2010
[2] Structural Engineering International, IABSE, 14(2004), 2:
[2.1] Hess M.: Material glass. [2], 76-79.
[2.2] Schober H., Schneider J.: Developments in structural glass and glass structures. [2], 84-87.
[2.3] Dodd G.: Structural glass walls, floors and roofs. [2], 88-91.
[2.4] Vákár L.I., Gaal M.: Cold bendable, laminated glass – new possibilities in design. [2], 95-97.
[2.5] Nijsse R.: Special steel and adhesively bonded connections for glass structures. [2], 104-106.
[2.6] Bernard F., et al.: Load bearing capacity of connections in tempered glass structures. [2], 107-110.
[2.7] Luible A., Crisinel M.: buckling strength of glass elements in compression. [2], 120-125.
[2.8] Boxheimer K., Wörner J.-D.: Fatigue srength of glass panels under cyclic loading. [2], 126-128.
[2.9] Gräf H.: Structural behaviour of point-supported and clamped laminated glass. [2], 129-133.

Powyższa bibliografia obejmuje też pozycje, które będą wykorzystane w kolejnych częściach artykułu.

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

 

inne artykuły tego autora:

- Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych. Część 3, Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 2/2011

- Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych. Cz. 2 , Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 1/2011

- Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych Część 1 , Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 12//2010 

- Inżynieryjne problemy transparentności konstrukcji budowlanych , Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 11/2010

 

patrz też:

- Europejskie normy do wymiarowania szkła, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 9/2010

- Szklane schody w Toronto, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 7-8/2010

- Realizacje, które inspirują, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 6/2010

- Właściwości i odmiany szkła konstrukcyjnego, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 5/2010

- Szkło jako materiał konstrukcyjny , Marcin Kozłowski, Świat Szkła 4/2010

 

więcej informacji: Świat Szkła 12/2010

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik