Клееные деревянно-стеклянные конструкции окон: аспекты и подробности доводов о надежности
Системы структурного уплотнения остекления (или системы с вклеенным остеклением) — одна из технологий для будущего широкого применения в оконной промышленности. Для деревообрабатывающей промышленности это полностью новая технология, и она к тому же требует чрезвычайно высокого уровня обработки, высокой точности изготовления при обеспечении многолетней стойкости клеевого соединения. Данный доклад суммирует важные аспекты конструкций, свойств уплотнений, производственных условий для текущего состояния исследований и имеющегося опыта.
Разнообразие конструкций
Важно помнить, что процесс уплотнения остекления клеевым слоем — не новая технология, она например, успешно работает на протяжении десятилетий в автомобильной промышленности. В строительных конструкциях и, в частности, в фасадных конструкциях, силиконовые уплотнения стекло-металл проверены и внедрены для структурного наружного остекления.
Хотя процесс вклеивания стекла в дерево — достаточно новая технология в области создания оконных конструкций, это, тем не менее, технология, которая использовалась и прежде, например, в простом однослойном остеклении, где оконная конструкция усиливалась за счет жесткости и прочности стеклянного листа, который вставлялся в весьма ажурное обрамление и крепился в нем путем накладки замазки или мастики по периметру стекла.
Что касается развития технологии деревянного окна до конструкций с изолирующим стеклопакетом (ИСП), для фиксации положения стеклопакета использовались исключительно блоки внутрирамных прокладок, и это также обеспечивало незначительное ужесточение конструкции в сборе. Недостатком «блокирования» остается факт перераспределения нагрузок на малый участок стекла, «в точку», что связано с риском достижения перегрузок на кромке и с внезапным разрушением стекла по этой причине. При вклеивании стекла нагрузка линейно перераспределяется по контуру, снимаются местные перегрузки, а несомая нагрузка значительно увеличивается, рис. 1.
Первая конструкция из дерева и стеклопакета появилась в 1990-х годах и представляла собой механически соединенные детали. В результате конструкция получилась очень сложной. Для упрощения и в порядке перехода к клеевым соединениям стеклопакет клеился к металлическому адаптеру — переходной детали, которая затем крепилась к деревянной раме механически. В последние годы исследования по непосредственному вклеиванию стекла в дерево прогрессировали настолько, что первые концептуальные образцы развились в серийные конструкции, готовые к немедленному выходу на рынок.
Рис. 1. Перенос нагрузки на стекло
Вопрос, почему нужно именно вклеиваемое уплотнение, а не простой деформируемый шнур с проверенной системой фиксирующих прокладок можно разъяснить тремя примерами.
Деревянное окно со стеклопакетом предоставляет производителю возможность изготовить окно с полностью новой конструкцией. Поверхности, обращенные наружу, к непогоде, совершенно не нуждаются в эксплуатационном обслуживании и ремонте. Эти новые конструкции обеспечивают оконную промышленность предложением, полностью меняющим представления потребителей о деревянном окне.
Рис. 2. Вид по сечению стекла
Адгезивное клейкое крепление может вынести существенно бoльшую нагрузку, и стеклопакет сам начинает выполнять функцию несущего силового элемента конструкции. Это, особенно в сочетании с уменьшением поперечного сечения профиля рамы, становится решающим преимуществом по снижению веса окон, особенно окон крупных размеров.
При удачном выборе сочетания материалов в конструкции и использовании преимуществ технологии производства новое поколение клееных окон будет обладать исключительно низкой себестоимостью.
У этой далеко идущей прогрессивной технологии, однако, есть слабое место — обеспечение долгосрочной надежности и долговечности клеевого соединения. Это крайне важно с точки зрения того, что долговечность функционирования клеевого соединения заложена в саму конструкцию (несущая способность стеклопакета), и ее нарушение означает нестойкость конструкции в целом.
Различают четыре основных типа (позиции) структурного уплотнения при креплении ИСП в деревянную раму, рис. 2.
Более того, герметик может быть помещен в шпунтовую канавку. При этом, однако, должны быть приняты специальные меры по совместимости материалов на уплотняемой кромке.
Существует разнообразие вариантов конструкций в зависимости от места размещения клеевого соединения на стекле ИСП. На рис. 3 показаны основные варианты. На рис. 3а показано уплотнение ИСП со стороны интерьера на стекле в поз. 4 (рис. 2) и блокирование двух листов стекла в стеклопакете. В этом случае внутреннее стекло усиливает обрамление до тех пор, пока сохраняется передача нагрузки между стеклопакетом и рамой через блокирующие элементы.
Рис. 3б показывает ступенчатый ИСП, приклеенный к деревянной раме и по кромке поз. 2 и по кромке поз. 4. В этом случае клеевой слой между деревом и стеклом играет двойную роль: он и усиливает обрамление, и собственно передает нагрузку.
Рис. 3в показывает ИСП, уплотненный путем приклеивания к деревянной раме со стороны интерьера (поз. 4). И в этом случае клеевой слой также имеет ряд функций: он усиливает обрамление, переносит нагрузку и обеспечивает, чтобы состоялся перенос нагрузки от наружной панели ИСП ко внутренней через структурное уплотнение кромки ИСП (согласно EN 13022-1).
Эти три примера (вместе с их многочисленными вариациями) показывают, какие именно структурные аспекты следует учитывать при конструировании деревянных окон с вклеиваемым остеклением. Эти структурные аспекты включают, в частности, стойкость оконной конструкции к положительной и к отрицательной ветровой нагрузке, усиление обрамления самим стеклопакетом и перенос собственного веса стеклопакета. Наибольшее внимание должно быть уделено долгосрочному поведению адгезивного слоя (текучесть и ползучесть).
Тип открывания окна и размещение стекла в раме могут требовать дополнительных мероприятий для предотвращения выпадения остекления. Окна, открывающиеся внутрь, безопасность остекления которых обеспечивается нахлесткой профиля (выступом на раме) в случае четырехкромочной (и не менее чем двухкромочной) линейной поддержкой, не требуют дополнительной защиты от выпадения. Если стеклопакет не поддерживается рамой окна (профилем рамы), то в случае открывания наружу система остекления однозначно требует защиты от выпадения остекления.
Имеется исключительно большое количество вариантов конструкций деревянных окон с применением клеевых уплотнителей. Это затрудняет определение ограниченного ряда основных правил для каждого из возможных типов конструкций. Видимо, единственно правильным подходом должно стать тестирование в сопоставимых условиях, чтобы убедиться в долговечности и надежности клеевого соединения.
Рис. 3. Варианты конструкций
Другой способ уплотнения
Исследования по склеиванию стекла и дерева проводились с начала 90-х
годов. Первоначальная идея этих исследований состояла в использовании
стекла в деревянной конструкции в качестве дополнительного несущего
и упрочняющего элемента. В этих исследованиях сравнивались одни клеевые
системы с другими и определялись границы их применимости. Главная же
проблема — совместимость клеевого соединения стекло-дерево с точки зрения
совместимости пары материалов уплотнитель-адгезив — опускалась ввиду
недостаточности знаний о совместных требованиях к ним. С тех пор было
проведено немало экспериментов и накоплено практического опыта по этому
вопросу. Основываясь на них, адгезивы были либо модифицированы, либо
были разработаны новые уплотнительные материалы.
Широкое разнообразие вариантов конструкций, описанных в разделе 1, отражает
и требования, выдвигаемые к адгезивам. Широта свойств определяется той
задачей, которую должно выполнить клеевое соединение. Рассудить, какой
же адгезив лучше, помогают знания о поведении конструкции окна того
или иного типа. Не всегда конструктивные улучшения действительно идут
на пользу, как казалось на первый взгляд. Эффект от усиления за счет
склеивания стеклопакета с рамой или улучшение показателей прочности
на изгиб центральной секции двойного остекления порой оборачивается
ухудшением. Основные усилия в модификации могут быть направлены на улучшение
внешнего вида окна и на эстетические соображения, а могут быть нацелены
на усовершенствование технологии нанесения клеевого слоя, чтобы сэкономить
средства. Ряд аспектов в изменениях нацелен на экономию материалов и
т.д.
В результате получится набор противоречивых требований к клеевому шву.
Из-за этого многообразия требований лишь немногие клеевые материалы
могут применяться промышленно, как минимум они должны удовлетворять
требованиям из следующего перечня:
Адгезивы должны быть максимально адаптированы к желаемому техпроцессу.
Обычно невозможно изменить тип адгезива без изменений в технологической
линии и связанных с этим затрат. В некоторых случаях адгезивы могут
требовать нанесения промежуточных слоев или предварительной подготовки
склеиваемых поверхностей, что усложняет, недопустимо удорожает или вообще
делает невозможной автоматизацию процесса.
Изменение конструкционных свойств (структурный реинжиниринг) достигается
разными способами. Оконная панель может быть усилена относительно эластичным
клеящим составом (например, благодаря приклеиванию планки с вырезом
в четверть). Однако усиление жесткости центральной сдвоенной створки
(отклонение от плоскости по вертикали) будет также зависеть от свойств
клеящего слоя, причем более всего от повышения его жесткости. Твердый
же клеящий шов, скорее всего, будет нуждаться в новой конструкции окна,
которая подавила бы нежелательные последствия передачи жесткого удара
через раму на стекло, т.е. жесткий слой будет неприменим в большинстве
обычных рамных конструкций.
С точки зрения долговечности нужно учесть еще целый ряд параметров.
Одни из главных аспектов здесь — расположение клеевого слоя внутри конструкции
окна по отношению к стеклам. Если, например, клеевой шов располагается
в поз. 4, как правило, возможность накопления на нем обильного количества
влаги маловероятна.
К тому же, такое расположение будет означать, что возможный перепад
рабочих температур, при котором будет работать клеевой шов, будет существенно
ниже, чем при размещении на поз. 1 или 2. Эти же замечания относятся
и к УФ-излучению. А вот расположение клея на рамке в четверть означает
его полную защиту от прямого воздействия УФ-лучей.
Таблица 2 демонстрирует группы уплотнителей (герметиков) и одновременно
клеящих составов, использующихся в оконных конструкциях. Характеристики
этих клеящих герметиков весьма разнятся даже внутри одной группы. Таким
образом, нельзя подобрать подходящий герметик без учета свойств конструкции
окна.
Вывод: для разных оконных конструкций не может быть двух одинаково хорошо
подходящих клеящих герметиков. Они должны тщательно подбираться для
каждого случая отдельно, в зависимости от множества конструктивных,
технологических и эксплуатационных свойств самой конструкции.
Таблица 1. Параметры оценки клеевого соединения
| Параметры долговечности | •температурная резистентность •влагостойкость •водостойкость •УФ-стойкость •химическая устойчивость к моющим агентам •эластичность •текучесть (ползучесть) •степень адгезии к различным материалам •совместимость с окружающими материалами (прямой или непрямой контакт) •соотношение этих параметров |
| Конструктивные показатели | •допустимое напряжение •показатели прочности и жесткости •эластичность (растяжимость) •текучесть/ползучесть . прочее |
| Технологические параметры | •время приготовления, время пригодности состава • время выдержки до последующей операции • условия отвердевания • приспособления и условия смешения компонентов • качество клеевой линии (необходимая квалификация персонала, качество покрытий, необходимость в чистке и пр.) • способ соединения (прессование, выдержка под прессом и т.д.) • прочее |
Таблица 1. Параметры оценки клеевого соединения
| Силикон | 1-компонентная и 2-компонентная системы, жидкость |
| Полиуретан | 1-компонентная и 2-компонентная системы, жидкость |
| Силан | 1-компонентная и 2-компонентная системы, жидкость |
| Акрилат | 1-компонентная и 2-компонентная системы, жидкость |
| PSA (Pressure Sensitive Adhesives, контактный невысыхающий адгезив-герметик) |
1-компонентная система, клеящая лента |
Новое окно
Полностью автоматизированное производство
Технология остекления с помощью клеящих герметиков может быть интегрирована в автоматическую систему производства. Инженеры-механики имеют совершенные решения для всех стадий производственного цикла: от оптимизации длины заготовок до работы с профилем, изготовления рам, обработки поверхностей, оснащения фурнитурой и собственно остекления с помощью клеящих герметиков. Производственная линия для вклеивания/герметизации должна соответствовать конструкции окна. При производстве деревянных окон производительность такой линии в 400 окон за смену считается отраслевым стандартом, на самом деле они работают при меньшей загрузке.
Автоматизация процесса остекления
В дополнение к полностью автоматическим решениям существуют и применяются
автоматизированные процессы. Например, процессы изготовления рам и ИСП
— автоматические, а процесс соединения их вместе — механизирован. И
в этом случае, как и при полной автоматизации, требуется обеспыленность
рабочей атмосферы. Это достигается применением «чистых комнат» для сборки
с активным удалением газовых выделений, поддержанием нормированных показателей
температуры и влажности.
Методы ручного вклеивания у заказчика
Испытания показывают, что типичные способы вклейки с использованием
картриджа с герметиком или путем снятия защитного слоя с клеевого герметика,
уже нанесенного на поверхность, на практике оказываются непригодными.
Исходя из требований контроля качества производственных процессов, постоянства
состава клеевой массы и условий процесса нанесения клеевого слоя, эти
методы не отвечают ни техническим, ни визуальным требованиям к клеевому
шву. Ручные аппликаторы с точными дозаторами, вообще говоря, существуют,
но качественно работают только в руках очень хорошо обученного персонала.
Все описанные выше способы имеют одно общее: все требуют систем пооперационного
контроля качества. Только производственными методами можно осуществлять
следующие проверки: площадь приклейки, соответствие рецептуре смеси
компонентов адгезива, определять механические свойства адгезива после
отверждения, обеспечивать точные режимы выдержки на всех стадиях склеивания,
осуществлять автоматическую настройку времени отверждения в соответствии
с температурно-влажностными условиями.
Рис. 4. Типичный пример остекления со структурным уплотнением на
поз. 4 и в самом ИСП – уплотнение кромки (поз. 2 и 3).
(3) структурное уплотнение кромки ИСП
(9) структурное уплотнение в системе остекления (соединение стекло/рама)
(5) интерьерная влагозащитная атмосферостойкая лента-уплотнитель для
защиты от накопления влаги на структурном уплотнении
(h) высота/возвышение уплотнения
Изолирующий стеклопакет
В зависимости от конструктивного исполнения обрамления и переплета, уплотнение кромки ИСП решает или структурно-образующую, или атмосферно-защитную задачу (рис. 3). Если кромка рассчитана на выполнение конструкционных функций, адгезив и площадь склеивания должны отвечать требованиям нормали EN 3022-1. Т. е. при размещении заказа поставщик ИСП должен быть проинформирован о том, как его изделие будет использоваться в дальнейшем.
Что это означает для соответствующих компонент?
Как показано на примере (рис. 4), уплотнитель кромки должен четко подходить
и долговременно выдерживать статическую нагрузку от собственного веса
стеклопакета. Функция ИСП (противодействие утечке газа и проникновению
воды) не должна нарушаться из-за долговременного воздействия статической
нагрузки). Это означает, что уплотнитель ИСП, размещенный снаружи, должен
быть способен длительно сопротивляться температурным перегрузкам и (в
зависимости от расположения) УФ-излучению, а также обладать длительной
атмосферостойкостью без угрозы разрушения. Текучесть или ползучесть
герметика при повышении температуры также должна быть учтена и проверена
испытаниями.
Из-за воздействия постоянной нагрузки на клеевой валик высота (а значит,
площадь) клеевого соединения должна быть обязательно рассчитана.
Другие изделия
Примеры других изделий, которые задействованы в конструкции клееного
окна, — уплотнители со стороны интерьера (поз. 4, рис. 2 или рис. 4,
поз. 5), наружные профили, поддержки для стекла (поз. 7, рис. 4), липкие
ленты, защищающие от непогоды, чистящие средства и тому подобное. Изделия
должны соответствовать и конструкционным клеям-герметикам, и другим
компонентам. Частые изменения поставщика и/или материала всегда вызывают
дополнительные затраты.
Оконный переплет с вклеенным ИСП должен быть маркирован знаком CЄ в соответствии с европейским стандартом. Окна относятся к категории 3, поэтому должен обязательно осуществляться контроль качества на производстве (FPC, factory production control). Только в этом случае применяемая технология остекления может отличаться от предписаний технических руководств.
Производственные процессы склеивания относятся к отдельной производственной стадии. Помощь во внедрении FPC для этих процессов можно получить из:
Создание основ для оценивания и качественного сравнения
клееного остекления
Опираясь на предыдущие исследования, ift Rosenheim в партнерстве с Holzforschung
(Австрия) и SH Biel (Швейцария) прилагают совместные усилия по созданию
основ для оценки качества клееных оконных систем. Они подразделяются
на две части: показатели качества клеевого шва и показатели для оконных
систем в целом. Участвующие в этом институты хотят подготовить первый
в отрасли сборник клееных конструкций. После обсуждения специалистами
такой сборник сможет быть опубликован и рекомендован к применению и
будет представлять собой самый главный довод в пользу качества и пригодности
к использованию клееных систем в оконных конструкциях.
Карин Либ (Karin Lieb, ift Rosenheim, Розенхайм, Германия);
Клаус П. Шёбер (Klaus P. Schober, Holzforschung Austria, Вена, Австрия);
Урс Уэлингер (Urs Uehlinger, Berner Fachhochschule fur Architektur, Биель, Швейцария).
Доклад на International Rosenheimer Window & Facade Conference 2006
