ТЕРМИЧЕСКАЯ И МЕХАНИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Зубков Владимир Александрович – Руководитель испытательного центра «Самарастройиспытания», профессор кафедры «Металлические
и деревянные конструкции» ГОУ ВПО «Самарский государственный
архитектурно-строительный университет», кандидат технических наук

 

---

Традиционно стекло в строительстве и транспорте использовалось только как светопрозрачный материал, поэтому основными требованиями к нему были: высокий коэффициент пропусканию света, малые оптические искажения, высокая стойкость к воздействию окружающей среды.

В настоящее время в связи с использованием новых архитектурных решений значительно увеличиваются проёмы, заполняемые стеклом, и увеличиваются размеры стекла. Появились новые области применения стекла, такие как, стеклянные полы, крыши, светопрозрачные ограждения, фасадные системы и многие другие. Стекло становится не только светопрозрачным, но и конструкционным материалом. Появились многоэтажные здания, в том числе высотные, у которых ограждающие конструкции выполнены полностью из стекла (рис. 1 и 2).

При проектировании светопрозрачных конструкций и фасадных систем в зданиях и сооружениях в основном используют плоское силикатное стекло с соотношением короткой стороны к толщине, как правило, более 100.

Изменения приоритетных свойств стекла отражены в нормативных документах России. Однако в связи с отсутствием в нормативных документах конкретных требований по прочности практически все производители стекла в России и многие зарубежные производители не определяют фактические прочностные характеристики выпускаемого стекла, а в паспорте указывают справочные величины. Проектировщики не имеют современных методов расчёта светопрозрачных конструкций. На Российском рынке в больших объемах встречается стекло Российских, Китайских, Турецких производителей с прочностью при поперечном изгибе от 22 до 75 МПа. Такой значительный разброс прочностных характеристик не учитывается при проектировании светопрозрачных конструкций. В связи с этим безопасность таких конструкций не всегда обеспечена.

При эксплуатации зданий и сооружений листовое стекло в светопрозрачных и ограждающих конструкциях подвергается следующим воздействиям:

• термические воздействия при перепаде температуры на границе раздела освещенной и теневой сторон;
• механические воздействия при восприятии ветровых и снеговых нагрузок;
• ударные и огневые воздействия.

При проектировании светопрозрачных и ограждающих конструкций листовое стекло должно быть рассчитано на восприятие нагрузок от данных воздействий.

С появлением светозащитных пленок и стекла, тонированного в массе, в России, особенно в средней её полосе, начались массовые разрушения стекла в весенний период. Разница температур на границе освещенного и теневого участков сильно тонированного стекла доходит до 70°С. В стекле возникают температурные напряжения. Величина этих напряжений зависит от коэффициента поглощения стеклом солнечной энергии d. Если прочность стекла не достаточна для восприятия таких напряжений, то появляется трещина. На рис. 3 показано разрушение стекла, тонированного пленкой. К сожалению, в проектах на светопрозрачные конструкции коэффициент поглощения стеклом солнечной энергии d не указывают, а приводят только коэффициент пропускания t.

Исследования, выполненные в Испытательном центре «Самарастройиспытания» СГАСУ и ГИС, показали, что стекло не будет разрушаться от температурных воздействий и термическая безопасность будет обеспечена, если коэффициент поглощения солнечной энергии будет соответствовать определенной величине фактической прочности стекла. Данные требования приведены в табл. 1.

От действия ветровых, снеговых и временных сосредоточенных нагрузок в стекле возникают сжимающие и растягивающие напряжения. При достижении этих напряжений предельных значений стекло будет разрушено. Для обеспечения механической безопасности стекло в светопрозрачных и ограждающих конструкциях должно быть рассчитано на восприятие таких нагрузок. К сожалению, в России и других странах, кроме США, отсутствуют нормативные документы и методики по расчету листового стекла на прочность при поперечном изгибе. При проектировании светопрозрачных конструкций толщина стекла принимается, как правило, интуитивно, без учета его фактической прочности и достаточного экономического и теоретического обоснования.

Учитывая такое положение, в Испытательном центре «Самарастройиспытания» СГАСУ проведены экспериментальные и теоретические исследования прочности листового стекла применительно к светопрозрачным и ограждающим конструкциям.

В результате выполненных теоретических исследований были получены расчетные формулы для определения предела прочности и прогиба листового стекла при поперечном изгибе.

Предел прочности пластинки из листового стекла при отношении короткой стороны к толщине (b/h) от 100 до 300 следует определять по формулам:

где  σ_max – максимальные растягивающие напряжения в угловой зоне пластинки, МПа;
σ_рп – растягивающие напряжения в угловой зоне перпендикулярно диагонали пластинки, МПа;
q – нагрузка на пластинку, кПа;
a – длинная сторона пластинки, мм;
b – короткая сторона пластинки, мм;
h – толщина пластинки, мм;
a₁ – коэффициент, зависящий от b/h;
с₁ – коэффициент, учитывающий условия опирания пластинки;
β – коэффициент, зависящий от отношения длинной и короткой сторон пластинки (a / b).

Механическая безопасность листового стекла в светопрозрачных и ограждающих конструкциях будет обеспечена, если

σ_max £ R_р,                                               (5)

где  σ_max – максимальные растягивающие напряжения, полученные по формуле (2), МПа;
R_р – расчетное сопротивление стекла растяжению при изгибе, МПа.

Расчетное сопротивление стекла растяжению при изгибе R_р зависит от предела прочности стекла при изгибе и от класса ответственности конструкции

R_р = R_max / с,                                            (6)

где  R_max – предел прочности стекла растяжению при изгибе, равное максимальным растягивающим напряжениям, полученным при испытании образцов стекла размером 650×120 мм, МПа;
с – коэффициент запаса прочности, зависящий от класса ответственности конструкций, принимается по табл. 2.

Прочность стекла при изгибе и коэффициент запаса прочности необходимо указывать в проекте на здание.

Весь расчет листового стекла сводится к определению его толщины и прогиба при заданных размерах и нагрузки.

Нагрузку от ветра определяют по существующим нормативным документам, при этом необходимо учитывать результаты систематических наблюдений за последние 50 лет и результаты испытаний макетов зданий и сооружений.

Предел прочности стекла, как материала, при изгибе R_max необходимо принимать по результатам испытаний образцов размером 650×120 мм по четырехточечной схеме (рис. 2).

Прогиб стекла в конструкциях следует определять по формуле:

f = a 10^-4 р^γ 12(1 – μ²),                                 (6)

где  a – длинная сторона пластинки, мм;
р – приведенная жесткость;
γ – коэффициент, зависящий от отношения b/h;
μ – коэффициент поперечной деформации.

При нормативной нагрузке прогиб стекла не должен превышать 1/100 длинной стороны листа.

По результатам исследований разработана программа «Solid glass» для расчета листового стекла при поперечном изгибе.

Данная методика и программа расчета использовались при проектировании многих, в том числе и высотных зданий и сооружений.

Для подтверждения справедливости полученных формул были проведены испытания образцов листового стекла, используемого в фасадных системах, Размер образцов 1500×1500×6 мм, 1500×1200×6 мм, 1500×750×6 мм. Испытания проводили на специально изготовленной установке (рис. 4).

Нагрузку при испытаниях создавали отрицательным давлением воздуха, то есть вакуумом. При испытаниях измеряли деформацию стекла перпендикулярно диагонали и прогиб образца. Разрушение происходило мгновенно, без проявления пластических деформаций. Начало разрушения находилось в угловой зоне образца (рис. 5, 6).

 

Выводы

1. Безопасность светопрозрачных конструкций должна быть предусмотрена при проектировании зданий и сооружений путем использования современных методик расчета листового стекла на температурные и механические воздействия и обеспечена при строительстве путем применения соответствующих технологий.
2. Расчет светопрозрачных конструкций следует выполнять с учетом степени ответственности и этажности здания.
3. В проектной документации необходимо указывать прочностные характеристики, коэффициент поглощения солнечной энергии d и коэффициент температурного расширения (КТР) стекла.
4. Производителям стекла необходимо указывать в документах на стекло его предел прочности, который определяют по результатам систематических испытаний на поперечный изгиб образцов стекла размером 650×120 мм по четырехточечной схеме.
5. Необходимо разработать пакет национальных стандартов на листовое стекло, рассматривая его как конструкционный материал, и разработать методы обеспечения термической и механической безопасности листового стекла.
6. Предложенная методика расчета и программа «Solid glass» подтверждены экспериментальными исследованиями и могут использоваться при проектировании светопрозрачных конструкций.

 

Библиографический список

1. Зубков, В.А. Расчет прочности листового стекла при поперечном изгибе / В.А. Зубков, Н.В. Кондратьева // Стекло и керамика: научно-технический и производственный журнал. – 2009. – №5. – С. 14-16.
2. Кондратьева, Н.В. Экспериментальные исследования прочности листового стекла при поперечном изгибе / Н.В. Кондратьева // Стекло и керамика: научно-технический и производственный журнал. – 2006. – №2. – С.5-7.