Od 40 lat panele szklane na fasadach są mocowane do ram aluminiowych za pomocą klejów silikonowych odpornych na UV, ale właściwości mechaniczne tych klejów nie były dotychczas dokładnie przebadane. Architekci wymagają coraz cieńszych i większych metalowych ramek, formaty paneli mają coraz bardziej skomplikowane kształty i coraz częściej występuje nietypowa geometria przestrzenna fasady. Tym potrzebom kleje poprzedniej generacji nie mogą już sprostać. Zbliżyły się do granic swoich możliwości. Opracowano więc nowe, wysokiej wytrzymałości kleje, które wypełniły tę lukę.
Silikony są jedyną grupą produktów, które są dopuszczone do strukturalnego klejenia szyb na fasadach, ponieważ są odporne na działanie UV, zapewniają wodoszczelność i odpowiednią elastyczność aby kompensować odkształcenia występujące podczas eksploatacji elewacji (spełniają więc wymagania międzynarodowych przepisów i norm (np. ETAG 002 [1] i ASTM C1184 [2]).
Próbki typu H wykonane z do badań szklenia strukturalnego wykazały, że kleje silikonowe osiągnęły w nich wytrzymałość na rozerwanie na poziomie od 1,0 do 1,2 N/mm2. Nowe badania wykonane w Szwajcarii wytyczyły drogę do opracowania wysokiej wytrzymałości kleju silikonowego do stosowania na elewacji, który zapewni dużo lepszą wydajność przy mniejszym zużyciu materiału.
Zgodnie z przepisami, w oknach energooszczędnych od 20 lat stosuje się jedno- lub dwukomorowe szyby zespolone wypełniane argonem, z użyciem głównie poliuretanu lub polisulfidu jako wtórnego uszczelnienia krawędzi szyby. W przeciwieństwie do szklenia fasad strukturalnych, gdzie szczeliwa silikonowe są przewidziane jako uszczelnienie wtórne.
Dawniej, ze względu na powszechną opinię, że silikony charakteryzuje wysoka przepuszczalność argonu, uważano, że stosowanie argonu do wypełniania szkła izolacyjnego dla fasad strukturalnych SG jest nieodpowiednie.
Przez ponad 10 lat przemysł szklarski starał bardziej skupić się na procesie produkcji izolacyjnych szyb zespolonych, w szczególności na butylowaniu [3]. Butyl, jako pierwotne uszczelnienie krawędzi szyby zespolonej, jest główną barierą uniemożliwiającą przenikanie wilgoci do wnętrza szyby.
Chroni też przed utratą argonu. W pierwszych badaniach zgodnych z normą DIN 1286-2 (zastąpioną w 2002 r. przez EN 1279-3) wykazano ubytek argonu z szyby zespolonej poniżej 1% rocznie. Poprzez rozwój uszczelniaczy stosowanych jako wtórne uszczelnienie, przy ich znacznie wyższym module sprężystości, zapewniono poziom strat gazu do 0,2% rocznie, w szybach pochodzących ze standardowego procesu produkcji.
Silikony nowej generacji z wysokim modułem sprężystości minimalizują ruchy w izolacyjnej szybie zespolonej – na krawędzi uszczelnienia i zapobiegają wyciekom przez warstwę butylu (uszczelnienia pierwotnego). Przy tak niskim stopniu ubytku gazu oszklenia mogą wykazywać odpowiednią izolacyjność termiczną przez ponad 30 lat. Bowiem wartość U pogorszy się przez ten czas o mniej niż 0,1 W/m2K [4].
Takie silikony do szyb zespolonych mają wysoki moduł sprężystości i bardzo niski stopień odkształcalności. Ale ich niska wydłużalność przy zerwaniu na poziomie około 50% jest nieco zbyt mała przy występowaniu dużych ruchów termicznych, z jakimi mamy do czynienia w przypadku szklenia strukturalnego wysokich elementów fasadowych.
Nowa generacja silikonów zapewnia prawie dwa razy większą wytrzymałość na rozciąganie niż konwencjonalne kleje do szklenia strukturalnego – czyli prawie 2 N/mm2 i 100% wydłużenia przy zerwaniu.
Są też już na rynku kleje o maksymalnej nośności obliczeniowej do projektowania połączeń na poziomie 0,17 N/mm2 (wg EOTA ETAG 002).
Jednak, jak w przypadku klejów jednoskładnikowych, głębokość spoiny jest ograniczona od 15 do 18 mm, więc nie nadają się do bardzo dużych elementów szklanych o dużych obciążeniach wiatrowych. Nowe kleje silikonowe dwuskładnikowe mają nośność obliczeniową na poziomie 0,20 N/mm2.
Zastosowanie silikonów nowej generacji zapewnia duże oszczędności materiału. Oto przykład oszacowania ogromnych, potencjalnych oszczędności: projekt z częścią elewacji szklanej 50 000 m2 (rozmiar panelu: 3,5x1,6 m) w obszarze o 5 kPa obciążenia wiatrem – będzie potrzebował około 42 ton tradycyjnego silikonu SG (obciążenie obliczeniowe σdyn: 0,14 N/mm2). W tym przypadku wymiar potrzebnej powierzchni styku to 30×9,5 mm.
Przy zastosowaniu kleju nowej generacji (σdyn obciążenie obliczeniowe: 0,20 N/mm2), styk może być zmniejszony do 21×6,4 mm. Z obliczeń wynika zapotrzebowanie w ilości ok. 20 ton kleju. Oszczędność wyniesie zatem 53%.
Oprócz oszczędności w ilości potrzebnego silikonu, rozwiązanie to gwarantuje także oszczędność energii. Chociaż silikony mają 100-krotnie mniejszą przewodność cieplną niż aluminium, są znacznie gorszym izolatorem cieplnym niż powietrze. Dlatego korzystniejszy współczynnik przenikania energii (U) jest uzyskiwany przy mniejszych wymiarachramki aluminiowej i węższej powierzchni styku (kleju z ramką).
Z oszczędności silikonu i mniejszej wymaganej powierzchni styku (powierzchni klejenia) wynika również możliwość wykorzystania mniejszych profili aluminiowych. W powyższym przykładzie, może być teraz zastosowany profil aluminiowy o szerokości przekroju zmniejszonej o 18 mm. Szczuplejsze profile oznaczają nie tylko oszczędność aluminium. Dla nowoczesnej architektury ważne jest również zapewnienie większej przejrzystości elewacji, dopływu naturalnego światła i dodatkowych zysków ciepła.
Te same argumenty – oszczędności energii poprzez niższą wartość U, większe pozyskiwanie energii słonecznej przez zastosowanie mniejszego przekroju ramy stosuje się również do szyb wklejanych strukturalnie w okna. To coraz silniejszy trend w branży okien z PVC, ale też spotykany w oknach drewnianych czy aluminiowych. Szyby są przyklejane do skrzydła okiennego (często przy wykorzystaniu silikonu o wysokiej wytrzymałości).
Po takim wklejeniu szkło stabilizuje skrzydła okienne, więc wzmocnienie metalowe w profilach okiennych PVC jest niepotrzebne. Przy tak wielu nowych rozwiązaniach na rynku okna, które mają szczuplejsze wymiary profili, zdobywają powodzenie bo mogą być realizowane tak, aby oszczędzać energię słoneczną, a nawet być źródłem pozyskiwania energii [5].
Strukturalna elewacja Sky Tower
Własności wykorzystywane przy szkle klejonym liniowo, mogą być również korzystne dla przyklejanych punktowo zawiasów lub innych uchwytów. Wyższa wytrzymałość kleju na rozciąganie powoduje, że jest również potrzebna mniejsza powierzchnia styku (klejenia) w konstrukcjach szklanych mocowanych punktowo.
Stosowanie reguł z ETAG 002 (np. wysoki współczynnik bezpieczeństwa 6) prowadzi do konieczności projektowania dużych, nieatrakcyjnych uchwytów szyb. Rzeźba-pomnik w siedzibie BBC w Londynie, wykonana przez Jaume Plensa, a w 2008 odsłonięta przez sekretarza generalnego ONZ Ban Kimoona, jest otwartą strukturą ze szkła, złożoną z zakrzywionych płyt szklanych, mocowanych za pomocą dużych, metalowych uchwytów. Płyty te mogą teraz mieć znacznie mniejsze wymiary i stanowić bardziej atrakcyjną wizualnie oprawę, w połączeniu z szarą, metalową ramą.
Optymalizacja metalowych uchwytów jest tematem wielu prac badawczych na uniwersytetach. Autorem wielu opublikowanych prac nt. dynamicznego zachowania klejów [6] jest m.in. prof. Bernhard Weller z Uniwersytetu w Dreźnie. Nowa generacja produkowanych klejów będzie z pewnością impulsem do dalszych badań.
Perspektywy
Wyniki testów klejów silikonowych nowej generacji ujawniają ich wielki potencjał. Przy ich użyciu możliwe jest osiągnięcie większej przejrzystości budynku i swobody twórczej architektów. Projektanci konstrukcji elewacyjnych mogą zaoszczędzić materiały i uzyskać mniejsze koszty wykonawcze, a właściciele budynków oszczędzić energię, a tym samym obniżyć koszty eksploatacji.
Dalsze, szczegółowe badania i zbieranie doświadczeń z ich stosowania pozwolą zwiększyć zakres stosowania klejów wysokiej wytrzymałości. W pierwszym rzędzie przewidywane jest ich użycie do innych aplikacji, takich jak klejenie giętego na zimno szkła, produkcja szkła hybrydowego i całoszklane konstrukcje chroniące przed wybuchem bomby. Wyniki badań budzą wielkie nadzieje i wzrastające zainteresowanie.
dr Werner Wagner
Literatura
[1] EOTA (Europejska Organizacja ds. Aprobat Technicznych), ETAG 002, Wytyczne do europejskich aprobat technicznych dotyczące systemów oszklenia klejonego, Edition 1998, 2001 i 2005, z późniejszymi zmianami
[2], ASTM C1184 - 05 Standardowa specyfikacja dla klejów do szklenia strukturalnego
[3] Rady dotyczące szkła izolacyjnego: jakość sprawia, że jest to możliwe: odporne na promieniowanie UV uszczelnienie krawędzi szyby z wypełnieniem gazowym. GFF (str. 43, 12/2001)
[4] W. Wagner, U. Müller: Russia Federation Tower - szklenie strukturalne fasad na najwyższym poziomie oszczędzania energii. Glass Performance 2009; Tampere 2009, Tampere 2007
[5] S. Aegerter, Wagner W.; Technologia okien - Quo vadis? Intelligent Glass Solutions 01/2008
[6] Weller, B.; Nicklisch, F. Wunsch, J.: Zachowanie dynamiczne klejów strukturalnych dla zastosowań szkła. Glass Performance 2009; Tampere 2009
[7] A. Hagl: Badania kompleksowego zachowania klejów: Badanie przypadku wiązania kleju na próbce typu U Proceedings of „Challenging Glass 2 - Conference on Architectural and Structural Applications of Glass” Bos Louter, Veer (Eds.), TU Delft, May 2010.
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
więcej informacj: Świat Szkła 11/2012
