Panele ze szkła laminowanego instalowane jako oszklenia strukturalne nie zawsze mogą być podparte na całej grubości szkła wzdłuż dolnej krawędzi. Często zadawane jest pytanie o to, jak duży pionowy „poślizg” lub „pełzanie” wykazywałaby niepodparta warstwa (tafla) szkła.

W niniejszym artykule przedstawiono podsumowanie ewolucji i integracji szkła giętego na zimno w przykładowych obiektach z całego świata, w tym badania nad próbkami/makietami w małej i dużej skali.

Omówiono też różne sposoby podejścia do projektowania i wykonywania dużych, giętych na zimno szyb zespolonych, w tym technik inżynierskich (wykorzystanie metody elementów skończonych do analizy szkła, uszczelnienia krawędzi, laminatów szklanych, wpływu obciążenia wiatrem, wpływu efektów termicznych na pełzanie i relaksację – zjawisk występujących w folii laminującej).

Opisano także procedury weryfikacji, w tym techniki badania przyspieszonego starzenia próbek w pełnej skali, analizy porównujące wyniki obliczeń i testów oraz omówiono krótko- i długoterminowy wpływ gięcia na zimno na uszczelnienie krawędzi (masy uszczelniające) szyb zespolonych i warstwy pośrednie (folie laminujące) w szkle laminowanym.

Tabela 1. Artykuły i wyniki

 (kliknij na tabelę aby ją powiększyć)

Wstęp
Celem tego artykułu jest podsumowanie rozwoju metod wykonywania, technik inżynierskich, metod badawczych i zarządzania zagrożeniami/ryzykiem w zakresie giętych na zimno fasadowych paneli szklanych. Artykuł dotyczy w szczególności wygiętych na zimno, hermetycznie zamkniętych, podwójnych szyb zespolonych wykonanych z wykorzystaniem szkła laminowanego.

Chociaż konstrukcje szklane ze szkłem giętym na zimno są często proponowane przez czołowych projektantów architektonicznych, to istnieje tylko ograniczona międzynarodowa kodyfikacja (normy i przepisy) dotycząca tych konkretnych konstrukcji fasadowych.

Estetyczne korzyści płynące z geometrii organicznej (naśladującej zaokrąglone formy organiczne) zostały przedstawione na przykładzie nowatorskich projektów budynków.

Materiały wykorzystywane do produkcji szyb zespolonych giętych na zimno nie są nowością w branży budowlanej, zarówno jeśli chodzi o estetykę, jak też naprężenie wstępne występujące w konstrukcyjnych elementach szklanych. W miarę zaś jak szkło gięte na zimno staje się coraz bardziej rozpowszechnione i jest dostępnych coraz więcej szczegółowych analiz występujących naprężeń i odkształceń – to są oczekiwania, że ujednolicone zostaną metody badawcze oraz sposoby weryfikacji konstrukcji przeszklonych.

Nieuchronnie nastąpi powszechne zrozumienie wymaganych obliczeń, badań, zasad konstrukcyjnych, gwarancji i aspektów trwałości oraz dążenie aby określić bezpieczną ścieżkę weryfikacji i związanych z nią gwarancji prawidłowego wykonania projektu i montażu poprzez standaryzację (opracowanie jednolitych norm i przepisów w tym zakresie).

Mając na uwadze to zadanie, w niniejszym artykule przedstawiono:
- przegląd projektów i dostępnych badań zarysowanych jako tło/kontekst do omawianego zagadnienia,
- listę potencjalnych zagrożeń związanych z przeszkleniem giętym na zimno i opracowano zalecenia dotyczące metod weryfikacji (w tym przyszłych lub alternatywnych technik inżynierskich i badań) oraz realizacji projektu.
- omówienie niedociągnięć zidentyfikowanych w poprzednich badaniach.

Tabela 2. Przykłady realizacji

 (kliknij na tabelę aby ją powiększyć)

Tabela 3. Ryzyka dla szyb zespolonych

  (kliknij na tabelę aby ją powiększyć)

Tło/Kontekst
W tabeli 1 wymieniono poprzednie badania dotyczące  wygiętego na zimno szkła stosowanego na fasadach, przedstawiono przegląd pozyskanej dokumentacji badawczej oraz komentarze dotyczące wykonanych projektów (zrealizowanych budynków). Te dokumenty dotyczące badań mogą nie być w pełni wyczerpujące.

Niewiele publikacji wymienionych w tabeli 1 dotyczy sprawdzania trwałości paneli szklanych wygiętych na zimno.

W tabeli 2 przedstawiono przykłady zrealizowanych projektów ze szkłem wygiętym na zimno.

Lista zrealizowanych projektów przedstawionych w tabeli 2 zawiera szereg projektów wykonanych z użyciem szkła zakrzywionego na zimno oraz szereg podjętych procedur weryfikacji, jednak podkreśla się brak spójności metod weryfikacji zastosowanych w tych projektach.

Analiza ryzyka/zagrożeń
W tabeli 3 zawarto podsumowanie właściwości elementów stosowanych w wygiętych na zimno panelach szklanych, przeznaczonych do montażu w ścianach osłonowych, zawiera też opis potencjalnych zagrożeń, które należy wziąć pod uwagę. Lista przedstawiona w tabeli 3 może nie być wyczerpująca, a przy każdym projekcie należy dostarczyć i uwzględnić kompletną listę materiałów oraz karty katalogowe elementów i materiałów składowych.

Mamy nadzieję, że niniejszy artykuł pomoże w stworzeniu „list kontrolnych” dla projektantów i wykonawców. Historycznie rzecz biorąc, awarie szyb zespolonych w fasadach (takich jak John Hancock Tower Boston) mają znaczący wpływ na zasoby wykonawcy fasady lub producenta elementów fasadowych, potencjalnie prowadząc do dużych kosztów wymiany i naprawy. Ryzyka te muszą być oceniane przez zespoły projektowe podczas procesu projektowania, aby ograniczyć ryzyko dla właścicieli firmy wykonawczej lub produkcyjnej.

Rozwiązania inżynierskie i weryfikacja
W przypadku każdego projektu wymagane są różne procedury inżynierskie i badania/testy. Na przykładzie projektu australijskiego (wieża Crown Tower w Sydney) można je podsumować w sposób przedstawiony poniżej (należy zapewnić zgodność z wymaganiami zawartymi w krajowych przepisach/ kodeksach budowlanych, normach krajowych/międzynarodowych i specyfikacjach projektowych).

Projekty w innych krajach muszą być zgodne z lokalnymi wymaganiami (obejmuje to wszelkie wymagania dotyczące szklenia strukturalnego z użyciem kleju silikonowego):

- Obliczenia inżynierskie (wykonywane są obliczenia inżynierskie, w tym szczegółowe analizy Metodą Elementów Skończonych MES i certyfikacja inżynierska dla każdego elementu projektu).

- Prototyp/makieta do sprawdzenia efektywności (AS 4284 – Reżim testowania prototypu elewacji wykonany zgodnie z australijską normą AS 4284. Test ten obejmuje sprawdzenie infiltracji powietrza, odporności na warunki atmosferyczne i testy sprawdzające właściwości konstrukcyjne. Obejmują one gięte na zimno szklane panele).

- Makiety do sprawdzenia efektów wizualnych (wykonane zgodnie z wymogami architektonicznymi. Makiety te będą zawierać wygięte panele do wizualnej kontroli jakości wygiętego szkła).

- Weryfikacja trwałości szyb zespolonych - Kodeks budowlany w Australii odnosi się do AS 1288, a AS 1288 odnosi się do AS 4666 – Szyby zespolone. Sekcja 2 AS 4666 „Długotrwałe badanie typu” wymaga badania trwałości zgodnie z normami:
– ASTM 2188-02 i ASTM E 2189-02 i ASTM E 2190- 02 lub,
– EN 1279-2 lub EN 1279-3 (dla szyb zespolonych wypełnionych gazem),
lub,
– ISO 20492 części 1 do 4.

Należy zauważyć, że norma AS 4666 nie określa, że preferowana jest któraś z trzech metod badawczych (ASTM/EN lub ISO). Wszystkie te testy są wykonywane na próbkach w małej skali, jednak w przypadku wygiętych paneli autorzy uważają, że ważne jest uwzględnienie stałego naprężenia i odkształcenia elementów w testach trwałości szyb zespolonych i logicznie rzecz biorąc, wymagałoby to próbek testowych w pełnej skali. Inne odniesienia potwierdzające te wskazówki zawarto w publikacji „Journal ASTM ID JAI104120 Trwałość giętych na zimno szyb zespolonych (2011)”, o których mowa w tabeli 1 i omówiono poniżej.

W tabeli 4 przedstawiono kluczowe cechy metod badawczych opisanych w normach ASTM, EN i ISO:

Tabela 4. Porównanie ASTM E 2188-02, EN 1279-2 i ISO 20492

 (kliknij na tabelę aby ją powiększyć)

Dyskusja w Publikacji ASTM ID JAI104120 Trwałość szyb zespolonych giętych na zimno (2011)
Publikacja ASTM została uznana za prawdopodobnie najbardziej aktualne badanie na ten temat. Ten dokument nie jest autorytatywną specyfikacją ASTM, jest to streszczenie niektórych wczesnych prac nad proponowanymi testami dla wygiętych szyb zespolonych.

Wskazuje na różne niedociągnięcia (w samym artykule) testów przeprowadzonych w ramach przygotowania tej pracy badawczej, w szczególności w odniesieniu do wielkości próbek oraz faktu, że rzeczywiste naprężenia i odkształcenia stosowane podczas gięcia na zimno nie mogą być łatwo stosowane w próbkach o małej skali.

Biorąc pod uwagę niedociągnięcia zidentyfikowane w artykule, naszą rekomendacją dla przyszłych projektów jest przyjęcie pełnowymiarowych próbek testowych jako modyfikacji standardowych testów w celu zastosowania odpowiedniego naprężenia krawędziowego do próbki. Naprężenia/odkształcenia i ugięcia w próbkach w pełnej skali można zmierzyć i porównać ze szczegółowymi obliczeniami w celu ustalenia weryfikowalnych procedur obliczeniowych i ustalenia zasad dla przyszłych montaży.

W odniesieniu do procedur testowania trwałości giętych na zimno szyb zespolonych przedstawiono następujące zalecenia oraz propozycje do rozważenia i zastosowania w stosownych przypadkach:

- Korzyści z programu – skrócony czas trwania testów (nominalnie o 7 tygodni), przyjęcie reżimu testowego wg EN 1279 w przeciwieństwie do ASTM E 2188 dla testu trwałości uszczelnień krawędzi (pozostaje to spójne i zgodne z australijskimi normami dotyczącymi testowania trwałości krawędzi szyby).

- Mniej testowanych próbek – przyjęcie testów EN 1279 wymaga zbadania 5 próbek, w przeciwieństwie do 6 z odpowiedniej normy ASTM E 2188.
– Przy dalszych badaniach odniesiono się do rzeczywistej długości ramek dystansowych, które mają być testowane, zauważając, że próbki w pełnej skali mają znacznie większą długość ramki dystansowej (na krawędzi szyby) w porównaniu z wymaganiami normy.
– Również panele w pełnej skali będą zawierały większe przekładki (ramki dystansowe) oraz odpowiednie łączniki itp.

- Dokładność – testy w pełnej skali pozwolą na dokładne przyłożenie naprężeń krawędziowych do szyb, co pozwoli na bardziej realistyczne i dokładne procedury testowe w porównaniu z wcześniej opisywanymi małymi próbkami.

- Gwarancja – możliwość wynegocjowania lepszych warunków gwarancji z dostawcami, jeśli zostaną zaangażowani w cały proces weryfikacji i zgodzą się na metody badań, a szyby zespolone spełnia wymagania sprawdzane w testach.

Studium przypadku – Wieża Crown Tower w Sydney
Procedura weryfikacji projektu
Wymagania projektowe obejmowały stosunkowo standardowe warunki weryfikacyjne dla fasad w Australii (jak opisano powyżej).

Zidentyfikowano specyficzne wymagania dotyczące giętego szkła, w tym szczegółowe obliczenia, a procedura testowania i raportowanie mają być „opracowane na podstawie przyjętego podejścia” opisanego w dokumencie ASTM International Journal ID JAI104120 Trwałość szyb zespolonych giętych na zimno.

Powyższe wymagania specyfikacji potrzebowały dalszej interpretacji przez zespół realizujący projekt z zamiarem przeprowadzenia testów fizycznych w celu potwierdzenia trwałości uszczelnienia krawędzi szyby zespolonej. Konieczne były również badania potwierdzające trwałość silikonu strukturalnego, ramy, mocowań, wsporników czy samego szkła.

Przed przystąpieniem do testów przyspieszonego starzenia w warunkach atmosferycznych metoda wyginania paneli jest zaprojektowana do zastosowania „in situ” (na budowie) i wstępnie przetestowana na panelach w pełnej skali podczas procesu makiety wykonania projektu (test wg AS 4284).

W testach przyspieszonego starzenia wykorzystano cykliczne zmiany temperatury i obciążenia wiatrem na próbkach reprezentatywnych dla projektu,  w tym w najgorszym przypadku - wygiętych paneli. Ma to na celu zademonstrowanie trwałości uszczelnienia krawędzi wygiętej szyby zespolonej.

Publikacja ASTM odnosi się do ASTM E 2188.
Procedura testowa ASTM E 2188 i podobne procedury testowe z AS 4666, w tym EN 1279 i ISO 20492, nie są specyficznymi dla projektu testami przyspieszonego starzenia w warunkach atmosferycznych i są raczej porównawczymi reżimami testowymi stosowanymi w przypadku standardowych szyb zespolonych w celu ustalenia wymagań rynkowych i punktów odniesienia dla standardowych szyb zespolonych.

Zwracamy uwagę, że panele zakrzywione/gięte na zimno nie są powszechnie stosowane, więc opisane metody badań (i inne podobne metody badań według AS 4666) można zastosować przy założeniu, że oczekiwana trwałość uszczelnienia krawędzi paneli zakrzywionych ma być porównywalna ze standardową szybą zespoloną, a co za tym idzie, należy stosować te same gwarancje i oczekiwania handlowe. W związku z tym dostawcy muszą uwzględnić te oczekiwania przed uzgodnieniem metod badawczych.

Zauważamy, że publikacja ASTM Journal wskazuje również na różne niedociągnięcia testów przeprowadzonych w trakcie przygotowywania tego artykułu badawczego, szczególnie w odniesieniu do wielkości próbek i faktu, że rzeczywiste naprężenia i odkształcenia zastosowane podczas wyginania na zimno nie mogą być łatwo stosowane próbki w małej skali.

Dlatego uzasadnione jest przyjęcie próbek testowych w pełnej skali jako modyfikacji standardowych testów, a próbki testowe w pełnej skali zostały przebadane dla projektu przy użyciu cyklicznych obciążeń termicznych oraz przyłożonych ciśnień, reprezentujących obciążenia wiatrem, o wysokości 2,75 kPa i 4,75 kPa. Ostateczne ciśnienia dla różnych stref w projekcie (obciążenia wiatrem uzyskane poprzez fizyczne modelowanie/badania w tunelu aerodynamicznego zgodnie z normami australijskimi). W ośrodku testowym w Kanadzie zakończono pełne testy projektu Crown Tower.

Obliczenia
Obliczenia wykonane dla projektu Crown Tower oparto na zrozumianych zasadach inżynierskich z wykorzystaniem oprogramowania do analizy elementów skończonych Strand7.

Obliczenia wykonane przez inżynierów certyfikujących były złożone i pozwoliły na zbadanie naprężeń i odkształceń wywieranych na poszczególne elementy w kilku warunkach obciążenia. Konkretne analizy obejmowały:
- modelowanie właściwości zależnych od czasu i temperatury – dla uszczelniaczy, strukturalnych klejów silikonowych uszczelniających krawędzie szyby, przekładek (folii laminujących) w laminatach,
- skutki czasu trwania obciążenia,
- wpływ i właściwości przestrzeni miedzy szybami wypełnionej powietrzem lub gazem szlachetnym – w różnych warunkach, symulacje zależne od wielkości obciążenia i proporcje sztywności szyb (tafli szkła) pod zmiennym obciążeniem,
- obciążenia zmienne/sezonowe - cykle zmian temperatury (dzień/noc, lato/zima) i obciążenie wiatrem (parcie/ssanie),
- przemieszczenia i odkształcenia elementów.

Celem niniejszego artykułu nie jest przedstawienie pełnej rozprawy dotyczącej obliczeń szkła giętego na zimno, ponieważ będzie to tematem odrębnych analiz. Chociaż obliczenia pomagają zrozumieć właściwości szyb zależne od sztywności tafli szkła i podziału obciążenia, natura analizy komputerowej polega zwykle na wyidealizowanych właściwościach materiałów i ich interakcji.

Niedokładności, tolerancje (przykładowo dotyczące płaskości szkła) i niedoskonałości produkcyjne zazwyczaj nie są uwzględniane w obliczeniach. Obliczenia same w sobie nie są w stanie dokładnie przewidzieć trwałości systemów oszklenia giętego na zimno, a testy rzeczywistych prototypów/makiet pozostają najbardziej niezawodnym podejściem do określania trwałości.

Tabela 5. Tabela łagodzenia ryzyka/zagrożeń

  (kliknij na tabelę aby ją powiększyć)

Porównanie obliczeń z prototypami testowymi
Celem każdej procedury obliczeniowej i testowej jest uzyskanie powtarzalnych, weryfikowalnych obliczeń

Proces przeprowadzony dla projektu Crown Tower dowiódł, że normalne metody obliczeniowe mogą być stosowane do walidacji rzeczywistych efektów w oparciu o testy, w tym analizy:
- naprężeń w szkle, silikonie strukturalnym i warstwach pośrednich w szkle laminowanym,
- skutków i wpływu szerokości spoiny z konstrukcyjnego kleju silikonowego, w tym sił działających na silikon konstrukcyjny/strukturalny (zwłaszcza powiększone oddziaływania w pobliżu wygiętych naroży),
- wpływu sztywności ram na system/konstrukcję.

Jednak w wyniku weryfikacji projektu wyciągnięto wnioski, preferujące metody testowania paneli szklanych w pełnej skali, a obecnie istnieje ograniczona liczba stałych stanowisk testowych zdolnych do przeprowadzenia tych testów. Dodatkowe planowanie, uwzględnienie programu i rozwój technik testowania mogły zaowocować pełniejszymi wynikami testów.

Należy zauważyć, że test trwałości został zakończony bez uszkodzenia uszczelnień krawędzi (tj. bez zamglenia w próbkach testowych). Konstrukcja uszczelnień krawędzi była standardowym detalem uszczelnienia krawędzi od dużego chińskiego producenta szkła, nie wymagano żadnych modyfikacji w standardowych uszczelnieniach krawędzi szyb zespolonych (takich jak dodatkowa szerokość uszczelnienia krawędzi).

Gwarancje
Rozumiemy, że dostawca szkła i producent silikonu strukturalnego/konstrukcyjnego oferowali ograniczone 5-letnie gwarancje na wygięte panele (dla paneli o wygięciu mniejszym niż wielkość ułamka: rozpiętość po przekątnej (D)/175). Nie podano żadnego technicznego wyjaśnienia tego ograniczenia, nie wyznaczono żadnych wymagań inżynierskich ani badawczych w celu uzyskania tych gwarancji.

Należy pamiętać, że ten limit wygięcia (D/175) nie obejmuje wszystkich paneli w projekcie (około 60 paneli ma wygięcie wykraczające poza ten limit) i rozumiemy, że dostawca szkła i dostawca silikonu strukturalnego nie będą udzielać gwarancji na panele bardziej wygięte niż D/175. Wykonawca ścian osłonowych zaoferował nadrzędną gwarancję 5 lat na wszystkie panele wygięte na zimno.

Nie widzieliśmy żadnych propozycji gwarancji potwierdzających powyższe (gwarancje są dodatkowo skomplikowane ze względu na umowny sposób dostawy).

Tabela łagodzenia ryzyka/zagrożeń
W studium przypadku Crown Tower zaproponowano następującą strategię ograniczania ryzyka (Tabela 5) w celu złagodzenia ryzyka stwarzanego przez tę innowacyjną technikę budowlaną.

Wnioski
Fasady ze szkła wygiętego na zimno dla wielkoformatowych ścian osłonowych są wykonalne, mogą być trwałe i sprawdzalne. Każdy zespół projektowy powinien być w pełni poinformowany o tych projektach i istniejącej wiedzy na arenie międzynarodowej. Dzięki odpowiedniemu planowaniu można spełnić odpowiednie wymagania testowe i zapewnić weryfikowalne obliczenia.

Podobnie jak w przypadku każdego innowacyjnego projektu, projektanci i wykonawcy mogą odnieść sukces dzięki odpowiedniej równowadze akademickiego podejścia i pragmatyzmu. 

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. Tampere w Finlandii

 Julia Schimmelpenningh

Bibliografia
[1] Szklenie strukturalne – deformacja w wyniku pełzania folii PVB w zastosowaniach architektonicznych (Structural Glazing – Creep Deformation of PVB in Architectural Applications), Pol D’Haene, Glass Processing Days 2001 www.glassfiles.com
[2] Właściwości adhezyjne, pełzania i relaksacyjne PVB w laminowanym szkle bezpiecznym (Adhesion, creep and relaxation properties of PVB in laminated safety glass), Maurizio Froli, Leonardo Lani, Department of Civil Engineering, Structural Division, University of Pisa
[3] D’Haene P., Savienau G., Własności mechaniczne laminowanego szkła bezpiecznego – badanie MES (Mechanical properties of laminated safety glass – FEM study), Glass Performance Days 2007.
[4] Lepkosprężyste właściwości polimerów (Viscoelastic properties of polymers), J.D. Ferry, J. Wiley & Sons, wyd. 2 (1970).
[5] ASTM C 1172, Standardowa specyfikacja dla laminowanego płaskiego szkła architektonicznego, www.astm.org
[6] ISO EN 12543-5 Szkło w budownictwie – Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe – Wymiary i wykończenie obrzeża, www.iso.org

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 11/2021