Участник:Алексей Андреевич

Прочность стеклопакетов

С точки зрения строительных расчётов, стеклопакет представляет собой пространственную конструкцию из двух или более стекол, разделенных между собой по контуру при помощи дистанционных рамок и малоэластичных герметиков, в совокупности образующих жёсткое соединение стёкол пакета по всему периметру. В процессе эксплуатации в стеклах пакета возникают изгибающие напряжение при действии нагрузок, вызванных действием ветра и снега (для свето-прозрачных кровель), а также нагрузок за счёт изменения атмосферного давления и температуры воздуха (рис 1) в герметичной воздушной прослойке и называемых в специальной литературе “климатическими нагрузками”.

Температура, давление и объем осушенного воздуха, находящегося в замкнутой герметичной прослойке стеклопакета, описываются уравнением состояния Менделеева-Клайперона: PV/T=const При изготовлении на заводе, как правило, при температуре +18…+20. С, стеклопакет имеет прямоугольную форму (рис.1а). При понижение температуры воздуха внутри стеклопакета (при монтаже стеклопакета на объекте зимой), в стеклопакете будет наблюдаться разрежение воздуха – т.е. кратковременное понижение внутреннего давления. Это явление будет сопровождаться процессом выгиба стекол во внутреннюю полость стеклопакета. Соответственно, при нагревании воздуха в прослойке сверх температуры изготовления (перегрев стеклопакета, установленного на южном фасаде здания), будет наблюдаться обратный процесс-выгиб стёкол наружу.

Рис.1Схема пространственной работы стеклопакетов под действием эксплуатационных нагрузок: а) стеклопакет при изготовлении, б) односторонняя нагрузка (ветер и снег) на однокамерный стеклопакет, в) двухсторонняя нагрузка (перепады атмосферного давления и температуры наружного воздуха) на однокамерный стеклопакет, г) двухсторонняя нагрузка на двухкамерный стеклопакет. Таким образом, напряжённое состояние стёкол стеклопакета в значительной степени зависит от температуры воздуха в межстекольном пространстве, и следовательно - изменяется на протяжении всего срока службы стеклопакета, начиная непосредственно от момента изготовления и монтажа на объекте.

Рис2. Изгибные деформации стёкол в стеклопакетах неотапливаемого здания

Если в зимнее время внимательно присмотреться к фасадам зданий с установленными оконными конструкциями, но с ещё включенной системой отопления, то невооружённым глазом, можно увидеть значительные изгибные деформации стёкол (рис2), которые исчезают в летнее время или же после запуска отопления. Общие физические закономерности, связанные с характером пространной работы стеклопакетов и их прочностными расчетами, хорошо исследованы в европейских странах и зафиксированы в соответствующих нормативных документах. Как показывает сложившаяся практика, несмотря на значительные по величине нагрузки, возникающие во внутренней полости стеклопакета в эксплуатационный период, они сами по себе являются хорошо прогнозируемыми на стадии проектирования стеклопакета, и, как правило, не являются причиной его разрушения. Листовое стекло является твёрдым, прочным, но хрупким материалом. Оно хорошо работает под действием равномерного распределенных нагрузок; при этом мгновенно разрушается под действием сосредоточенной нагрузки, вызывающей концентрацию напряжений изгиба или сдвига. К таким нагрузкам, в первую очередь, относятся технологические, температурные и ударные нагрузки, а также деформационные и осадочные нагрузки здания. Так при монтаже стеклопакетов в зимнее время на неотапливаемом объекте, стёкла пакета находятся в напряжённо-вогнутом состоянии (см. рис 1 и рис 2). Соответственно, причиной разрушения стеклопакета в этот момент могут стать любые незначительные по величине локальные сосредоточенные нагрузки – прижим штапика, перекос опорных подкладок, лёгкий удар и т.п. Таким образом, к разрушению стекла приводит не благоприятное сочетание распределённой статической нагрузки, вызывающей напряжённое состояние, и дополнительное сосредоточенной кратковременной нагрузки, приложенной в месте концентрации напряжений. С теоретической точки зрения, для стеклянной пластины такими местами является краевая зона вблизи опорного контура и центральная зона, где имеет место наибольший прогиб. Максимальные напряжения изгиба в стекле возникают на кромках, ослабленных за счет технологических микротрещин. Соответственно, на кромках стекла имеет место наибольший риск начального разрушения. Если разрушение стёкол, начинается с краю (где стекло было отрезано), в нём развивается последующие локальные растягивающие напряжения. Если на краю стекла уже имеются трещина или микротрещина, даже небольшие краевые растягивающие напряжения разрушают стеклянную пластину. Очевидно, что предсказать возникновение и величине локальных сосредоточенных нагрузок (особенно на стадии монтажа), достаточно трудно. Поэтому прочностные расчеты стеклопакетов на стадии проектирования светопрозрачных конструкций проводятся для действующих статических нагрузок (климатических нагрузок и ветра) в течение расчетного годового эксплуатационного периодах, характеризующегося наиболее неблагоприятными зимними и летними условиями (максимальная летняя и минимальная зимняя температуры для заданного района строительства). Как показывает опыт эксплуатации современных светопрозрачных конструкций (и России и за рубежом), для большинства типовых оконных блоков живых и общественных зданий не существует необходимость проведения специальных прочностных расчётов. Такие расчёты рекомендуются проводить в случаях, когда изготавливаемый элемент оконного блока, заполняемый стеклопакетом или одинарным листовых стеклом (при остеклении неотапливаемых балконов, лоджий или витрин) близок по размерам к максимальным технологическим ограничениям, определяемым производителем профильной системы, а также при изготовлении окон или элементов балконного остекления, предназначенных к установке на большой высоте. Единой, законодательно утвержденной методики расчёта прочностных свойств стеклопакетов в настоящее время в России не существует. Единственный метод был разработан в нашей стране в 1975 году и содержится в “Инструкции по проектированию, монтажу и эксплуатации стеклопакетов” – СН481-75. Методика инструкций СН 481-75 является не пробированной, очень сложной для практического применения, а содержащиеся в ней диаграммы имеют неоднозначное трактование, что может привести к серьезным ошибкам при расчёте. Относительно простые формулы, позволяющие дать реальную оценку нагрузок, действующих на стеклопакет на уровне инженерных расчётов, содержаться в европейских нормативных документах: DIN 1055 “Воздействия на сооружения” DIN 1249 ”Стекло листовое для строительства” DIN 18516 ”Облицовка вентилируемых фасадов”