Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 11 okladka

       11/2019

 

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 

baner szklo budowlane

 

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

 

wlasna-instrukcja ift--baner do newslet-2019

 LiSEC SS Konfig 480x120

 

budma 2020 - 480x120

 

Naprężenia w uszczelnieniu krawędzi szyb zespolonych
Data dodania: 09.09.13

Jakie obciążenia działają na krawędziowe uszczelnienia szyb zespolonych? Autorka artykułu, Anneliese Hagl, w swoich badaniach zbadała naprężenia w uszczelnieniach na krawędzi izolacyjnej szyby zespolonej. O wynikach tych badań można przeczytać w poniższym artykule.

 

Dla projektu w Chinach gięte na zimno płyty powinny być przyklejone do podkonstrukcji – należało więc obliczyć naprężenia panujące w warstwie klejącej. W badaniach odnotowano znaczące „skokowe” wzrosty naprężeń w narożach złącza klejowego. Przyczyn poszukano w porównawczych obliczeniach powszechnie stosowanych szyb zespolonych sklejanych liniowo na krawędziach. Również w szybach zespolonych stwierdzono wysokie koncentracje naprężeń w narożach. Zatem szyby takie należy tak zaprojektować aby nie przekroczyć dopuszczalnych wartości naprężeń wynikających z odpowiednich aprobat (ETA – Europejska Aprobata Techniczna) [1].

 

Jak się zachowuje masa klejąco-uszczelniająca umieszczona na krawędzi izolacyjnej szyby zespolonej (czyli tzw. „uszczelnienie wtórne”)? Szczególnie w przypadku obciążeń klimatycznych działających na klejone fasadowe konstrukcje przeszklone, obciążenie zewnętrzne działa bezpośrednio na uszczelnienie krawędziowe, gdyż krawędzie strukturalnych szyb fasadowych nie są mocowane poprzez listwy dociskowe (tzw. listwy maskujące).

 

2013-07-25-1

Rys. 1. Schemat odkształcenia płyty.

 

Relatywnie duże odkształcenie tafli szklanych w stosunku do grubości szyby w miejscu klejenia prowadzi do znacznego wzrostu naprężeń w narożach. Na rys. 1 przedstawiono schematyczny wykres odkształceń. Odkształcenia te powodują zmianę znaku na przeciwny w rozkładzie naprężeń w narożach. Oznacza to, że mimo występowania sił parcia z zewnątrz, w narożach występują naprężenia rozciągające.

Należy zaznaczyć, że poniższe uwagi są ogólne - odnoszą się, zarówno do zwykłej szyby jednokomorowej z dwiema taflami szkła, jak też do szyby dwukomorowej z trzema taflami szkła.

 

2013-07-25-2

Rys. 2. Opracowywanie według przepisów zgodnych z ETAG 002

 

Aktualne wytyczne ETAG są nieodpowiednie

Obecnie, prowadząc obliczenia według ETAG 002, za pomocą prostych wzorów i znacznie uproszczonego rozkładu obciążeń liniowego złącza klejonego, otrzymujemy wyniki przewymiarowane (rys. 2). Wymagania konstrukcyjne i projektowe zgodne z ETAG 002 pomijające deformację tafli szklanych, powodują tym samym powstawanie kumulacji naprężeń w połączeniu klejonym w narożach.

Przykładowy wykres z rys. 3 przedstawia wyniki uśrednionych naprężeń w złączu dla klasycznego klejenia szklenia strukturalnego. Tafla szklana w tym przykładzie ma wymiary 1,50x1,25 m i grubość 6 mm. Wielkość spoiny wynosi 9x20 mm – wymiary geometryczne zgodne z ETAG 002. Obciążenie szyby zostało dobrane tak, że przepisy techniczne dotyczące dopuszczalnego obciążenia i odkształcenia szkła o grubości 6 mm są przestrzegane. Z tych założeń można przyjąć, że w złączu będzie można zaobserwować pojawienie się dopuszczalnych naprężeń.

 

2013-07-26-1

Rys. 3. Średnie naprężenia w spoinie klejąco-uszczelniającej w szybie zespolonej z taflami szkła grubości 6 mm.

 

Przez krótki czas ekspozycji w liniowym połączeniu klejowym jest zazwyczaj obserwowane naprężenie 0,14 N/mm2. Przy tej szerokości spoin klejowych wartość średniego naprężenia jest jednak dwa razy większa od oczekiwanej!

Przy większej sztywności tafli szkła (tzn. grubszych szybach) te naprężenia są mniejsze, ponieważ deformacja tafli jest mniejsza, a tym samym mniej ponoszone są naroża tafli. Jednakże naprężenia zwiększają się wraz ze wzrostem głębokości spoiny klejowej, gdyż zwiększa się sztywność złącza klejowego.

Zasady projektowania według ETAG 002, zarówno stosowane ogólnie do klejenia liniowego, jak również stosowane do uszczelnienia krawędzi szyb zespolonych, ze względu na poniższe ustalenia powinny być poddane dokładniejszej analizie.

Jest na rynku dostępne oprogramowanie (opracowane prawdopodobnie na podstawie wytycznych ETAG 002), które dla izolacyjnych szyb zespolonych może obliczyć wymaganą szerokość uszczelnienia krawędzi. Ale w związku z opisywanymi w tym artykule rozbieżnościami pojawia się pytanie, czy jest ono wiarygodne i można je zastosować do bezpiecznego projektowania uszczelnienia krawędzi szyby zespolonej?

 

2013-07-26-2

Rys. 4. Uszczelnienie krawędzi izolacyjnej szyby zespolonej i działające siły.

 

Schemat uszczelnienia krawędzi

Ramka dystansowa umieszczona przy krawędzi szyby zespolonej, butylowy pasek i uszczelnienie wtórne masą klejąco-uszczelniającą (rys. 4) tworzy kompleksowy system podparcia. W uproszczeniu, system ten może być postrzegany w najgorszym przypadku jako zamocowanie sztywne tafli szklanych wchodzących w skład szyby zespolonej. W najlepszym przypadku uszczelnienie krawędzi może być traktowane jako proste połączenie (sprzężenie) tafli szklanych, przekazujące tylko siły nacisku (lub odrywające). Rzeczywiste uszczelnienie ma własności pośrednie.

W uproszczeniu system mocowania uszczelnienia krawędzi szyby zespolonej można przedstawić jako parę sił wynikających z oddziaływania: z jednej strony ramki dystansowej, a z drugiej strony uszczelnienia krawędziowego.

Modelowanie numeryczne uszczelnienia krawędziowego ze wszystkimi elementami: ramką dystansową, paskiem butylu (uszczelnienie pierwotne) i masą klejąco-uszczelniającą (uszczelnienie wtórne) – jest bardzo skomplikowane. Stąd pomysł, powstały w wyniku doświadczeń na różnych materiałach uszczelniających krawędź szyby zespolonej, by określić stałe parametry układu sprężystego, przez co koszty obliczeń komputerowych przy zastosowaniu Metody Elementów Skończonych (MES) mogą być znacząco zredukowane przy obliczaniu izolacyjnych szyb zespolonych.

Wielu producentów izolacyjnych szyb zespolonych w ramach kampanii badawczej udostępniło różne systemy ramek dystansowych z butylem. W wyniku badań naprężeń w tych ramkach dystansowych określono dla nich parametry sprężystości [2]. Teraz, na podstawie wyników tych badań, naprężenia w silikonowym uszczelnieniu krawędzi przy szkleniu strukturalnym mogą być obliczane numerycznie z wykorzystaniem uproszczonego sposobu. Zatem nakład pracy na opracowanie modelu statycznego i obliczenia jest znacznie zmniejszony.

 

Wyniki badań ramek dystansowych

Obecnie badane są ramki dystansowe, które zostały podzielone na kilka typów, biorąc pod uwagę kształt geometryczny i materiał składowy (aluminium, stal nierdzewna, stopy metali i tworzywa sztuczne). Badania były przeprowadzone na próbkach ramek dystansowych długości 50 mm.

Wyniki badań eksperymentalnych wykazały dla „twardych” systemów dystansowych tylko niewielką różnicę w zgodności (układu ramka dystansowa i butyl) w zakresie małych odkształceń [3].

Ponieważ butyl jest znacznie bardziej miękki od ramki dystansowej, elastyczność paska butylowego odgrywa dominującą rolę. W dalszych eksperymentach skupiono się na badaniach tylko pasków butylu

 

2013-07-26-3

Rys. 5. Schemat uszczelnienia krawędzi.

 

Na podstawie wyników doświadczeń, może być ustalony parametr sprężystości całego układu „ramka dystansowa z butylem” (schemat na rys. 5).

Ten płaski schemat modelu zbadano w pierwszym etapie. To było sprawdzenie generalnej porównywalności wyników, by w badaniu pełnego modelowania systemu uszczelnienia krawędzi wykryć ewentualne odstępstwa z uproszczonego podejścia [2].

Zaletą tej uproszczonej metody jest to, że rozsądne złożony model zapewnia możliwość wykonywania prostszych obliczeń elementów elewacji ze szkłem strukturalnym, z gwarancja otrzymywania prawidłowych wyników.

 

2013-07-27-4

Rys. 6. Izolacyjna szyba zespolona szer. x wys. = 1,2 x 2,4 m z definicją oceny wzdłuż krawędzi.

 

Przykładowe obliczenia

W artykule pokazano obliczenia dla czystego obciążenia klimatycznego szyby zespolonej o wymiarach 1,2x2,4 m, z pustką powietrzną o szerokości 16 mm i taflami szkła o grubości 6 mm (rys. 6).

Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 7, najpierw jako obciążenia liniowego wzdłuż obwodu ramki dystansowej i uszczelnienia krawędzi. Jako obciążenie zgodnie z przepisami przyjęto obciążenie klimatyczne „w zimie” i przy montażu „na niskim terenie”.

 

2013-07-27-1

Rys. 7. Obciążenia rozłożone między uszczelnienie a ramkę dystansową.

 

Jak na rys. 7 pokazano, w materiale uszczelniającym krawędź w każdym miejscu na całym obwodzie i w narożu panują naprężenia rozciągające, podczas gdy ramka dystansowa z butylem w środku rozpiętości ma naprężenia ściskające, a w narożach naprężenia rozciągające.

Aby zilustrować możliwe zmiany dla różnych konstrukcji uszczelnień krawędzi zamieszczono rys. 8. Widać na nim krzywe obciążenia w materiale uszczelniającym krawędź dla poszczególnych przypadków. Przykładowo, badano jak zmienia się naprężenie przy cieńszej warstwie materiału klejącego (3 mm) i przy standardowej grubości (6 mm). Dla miękkich materiałów uszczelniających krawędź wielkość naprężeń oszacowano, wobec braku do tej pory wyników badań.

 

2013-07-27-2

Rys. 8. Wyniki dla różnych uszczelnień brzegowych na przykładzie szyby z uszczelnieniem krawędzi z taflą 6 mm grubości i elementem dystansowym konwencjonalnym (t=6), tafla o grubości 3 mm i konwencjonalna ramka dystansowa (t=3), tafla o grubości 6 mm i miękka ramka, tafla 6 mm grubości, bez ramki dystansowej.

 

Jak wynika z przedstawionych wyników, rozkład obciążenia w obrębie uszczelnienia krawędzi jest bardzo zmienny. Ponadto nie może być liniowo określona zależność panującego w uszczelnieniu naprężenia od szerokości uszczelki krawędziowej. Nie może więc być przyjęte założenie, że przy zmniejszeniu szerokości uszczelnienia krawędziowego, naprężenie proporcjonalnie wzrośnie. Gdyż w przypadku redukcji głebokości uszczelnienia z 6 do 3 mm nie odnotowano wzrostu naprężenia do podwojonej wartości, a wręcz odwrotnie, co pokazuje rys. 9!

 

2013-07-27-3

Rys. 9: Porównanie naprężeń w uszczelnieniu krawędzi dla d=6 mm i d=3 mm

 

Ze względu na zmniejszenie głębokości uszczelnienia spada jej sztywność i zmniejsza się naprężenie. Za to element dystansowy przejmuje większe obciążenie w narożu.

Czy jest to argument, że byłoby lepiej wykonać uszczelnienie krawędzi o mniejszej głebokości?

I tak i nie! Przy zmniejszeniu głebokości uszczelnienia krawędzi zwiększa się obciążenie ściskające i rozciągające paska butylu w rejonie naroża. To z kolei może mieć wpływ na szczelność szyb zespolonych. Do wyjaśnienia tego zjawiska potrzebne są dalsze badania i obliczenia.

Wyniki omawianych badań wykazały, że założenia według ETAG 002 nie zawsze mogą mieć zastosowanie do projektowania uszczelnienia krawędzi izolacyjnej szyby zespolonej, chociaż w większości przypadków konstrukcja uszczelnienia krawędzi powinna być wystarczająca.

A jak jest w innych przypadkach?

 

Perspektywy

Kompleksowy temat „naprężenia w uszczelnieniu krawędzi” staje się coraz ważniejszy. Również uznali to audytorzy obliczeń statycznych. Firmy wykonawcze są coraz bardziej uzależnione od konsultacji technicznych.

Wynikające z badań wstępne wyniki są przedstawione w sposób zrozumiały, zaprezentowano też rozwiązania praktyczne. Należy jednak również zauważyć, że obliczenia MES dla elastycznych mas klejącouszczelniających oprócz odpowiedniego oprogramowania wymagaja też szczególnej wiedzy technicznej ze strony inżynierów.

Byłoby również możliwe, we współpracy z zainteresowanymi producentami izolacyjnych szyb zespolonych, opracowania łatwy w użyciu zbiór graficznych wytycznych, które będą weryfikowane w kolejnym etapie.

 

Aby określić prawdziwe naprężenia w uszczelnieniu krawędzi szyby zespolonej analizowane będą następujące parametry wejściowe:

- sztywność na zginanie tafli szklanych,

- wymiary elementów izolacyjnych,

- nośność (wytrzymałość) tafli szklanych,

- rodzaj ramki dystansowej,

- wstępnie określona szerokość klejenia krawędzi (masy klejąco-uszczelniającej).

 

Literatura
[1] A. Hagl, Przegląd wytycznych ETAG 002 ze szczególną analizą obciążeń naroży szyb zespolonych (Review of ETAG 002 Guideline with Focus on Glass Unit Corner Loading), ISAAG 4. Międzynarodowe Sympozjum na temat stosowania szkła architektonicznego, październik 2010, Monachium / Niemcy


[2] A. Hagl, Badania eksperymentalne i analiza numeryczna ramki dystansowej w szybie zespolonej stosowanej w szkleniu strukturalnym (Experimental and Numerical Analysis of Edge Seal Spacers of Insulated Glass Units for Structural Sealant Glazing Applications), Konferencja możliwości szkła, 3 sierpnia 2012 r., Delft, Holandia


[3] A. Hagl, O. Dieterich, Analiza ramki dystansowej w szybie zespolonej stosowanej w szkleniu strukturalnym (Edge Seal Spacer Insulated Glass Units of Analysis for Structural Sealant Glazing Applications), Międzynarodowa konferencja na Targach Glasstec „Transparentna inżynieria”, Dusseldorf, Niemcy, październik 2012

 

(...)

 

Anneliese Hagl
Glaswelt 5/2013

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

Więcej informacj: Świat Szkła 07-08/2013

 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik