Остекленные светопрозрачные фасады
Дальнейшим существенным продвижение к применению стекла стало открытие в Сирии во 2-ом веке до нашей эры стеклодувной трубки, применение которой позволило впервые изготавливать полые сосуды. Римлянам удалось методом литья впервые изготовить плоские, слегка непрозрачные стекла.
От природного стекла к универсальному строительному
материалу XXI века
В I веке нашей эры улучшенные рецептуры стекла и развитие метода цилиндрического вытягивания привели к изготовлению первых плоских прозрачных стекол. Благодаря изобретению способа Mondа в IV веке нашей эры, были получены прозрачные стекла с очень гладкой поверхностью. Методы, открытые сирийцами, с течением времени были улучшены и определили производство стекла до окончания XIX столетия [1].
Следующий существенный шаг на пути развития к изготовлению листового стекла — это изобретение в 1905 году метода вытягивания, при котором горячая и еще вязко-текучая стеклянная масса вытягивалась через вальцы или через дюзу из обожженной глины и затем охлаждалась. Этим методом можно было изготавливать высококачественное листовое стекло в больших количествах и недорого.
Значительный шаг к экономичному производству высококачественного и доступного листового стекла был сделан с изобретением «Флоат-метода» компанией Pilkington в 1959 году. Согласно этому методу, расплав стекла направляется в жидкую ванну цинка с температурой 1000°C, на поверхности которой расплав стекла совершенно равномерно растекается из-за меньшего удельного веса стекла. На выходе твердая и плоскопараллельная масса стекла транспортируется дальше по валковому транспортеру, контролируется и разрезается. Этот широко распространенный способ дает возможность производить высококачественное стекло в различных вариациях и с минимальными затратами [2].
Рис.1. Bauhaus Dessau (D), 1926/1976, Walter Gropius
Рис. 2. Святая часовня, Париж (Франция) 1244 г.
Рис. 3. Кристалл-палас, Лондон (Англия) 1851 г., Joseph Paxton
Интересным открытием 1886 года, которое сделал француз Фальконье, стали выдутые обычным способом стеклоблоки, примененные позднее известными архитекторами (Guimard, Perre, Le Corbusier). В одном из вариантов «стеклобетона» (1907 г.) оказалось возможным обеспечить прочное сцепление стекла и бетона посредством рифления на боковой поверхности стеклоблоков.
Этим способом впервые были изготовлены крупные, прочные и прозрачные стекла. При этом сначала были изготовлены чашеобразные пустотелые стеклоблоки, которые вмуровывались отверстием вниз и отверстием вверх. Примеры применения можно увидеть в стеклянных пассажах Праги, Будапешта и других городов Европы. Известные сегодня стеклоблоки появились в 1930 г., когда впервые были прочно соединены два чашеобразных стеклоблока при высокой температуре и давлении. Эта технология применяется и в настоящее время.
Рис. 4. Fagus-завод, Альфельд (Германия) 1911 г., Walter Gropius
Рис. 5. Государственная библиотека, Париж (Франция) 1997 г., Dominique Perrault
Рис. 6. Sainsbury-Центр, Norwich (Англия) 1978, Norman Foster & Associates
Свойства материала
Стекло состоит в основном из кварцевого песка, соды, извести других добавок, которые сплавляются при температуре более 1000°C (таблица 1). Такой расплав постепенно застывает без кристаллизации при приблизительно 680°C; причем переход из жидкого состояния в твердое является обратимым. Высокая прозрачность обусловлена отсутствием кристаллической структуры молекул, благодаря чему свет проходит через стекло без рассеяния. По своей молекулярной структуре стекло — это аморфный изотропный материал [3].
Таблица 1. Состав стекла
| Окись кремния | SiO2 | 69-74% |
| Окись кальция | CaO | 5-12% |
| Окись натрия | Na2O | 12-16% |
| Окись магния | MgO | 0-6% |
| Окись алюминия | Al2O3 | 0-3% |
Рис. 7. График спектрального пропускания флоат-стекла различной толщины при среднем содержании 0,10% в стекле Fe2O3
Таблица 2. Физические свойства стекла
| Свойства | Символ | Значение |
| Плотность при 18°С | r | 2500 кг/м2 |
| Твердость | 6 единиц по Mohs-шкале | |
| Модуль упругости | E | 7 x 10^10 Па |
| Коэффициент Пуассона | m | 0,2 |
| Удельная теплоемкость | c | 0,72 x 10^3 Дж/(кг.К) |
| Средний коэффициент теплового расширения | a | 9 x 10^–6 К^–1 |
| Коэффициент теплопроводности | l | 1 Вт/(м.К) |
| Средний коэффициент преломления в области видимого света (длина волны 380-780 нм) | n | 1,5 |
Спектральная проницаемость стекла достаточна для солнечного излучения с длиной волны 300-2500 нм. Стекло непрозрачно для длинноволнового излучения в инфракрасной области (длина волны более 2500 нм) и для ультрафиолетового излучения (длина волны менее 315 нм, рис. 7). Значительная часть коротковолнового солнечного излучения проходит через стекло и нагревает расположенные за стеклом поверхности. В результате этого нагрева отражается длинноволновое тепловое излучение, которое уже не проходит через стекло наружу. Связанный с этим нагрев помещения называют парниковым эффектом.
В строительстве применяется преимущественно щелочно-известковое силикатное стекло, тепловое расширение которого примерно как у стали. Тепловое расширение стекла значительно меньше, чем у алюминия. Это необходимо учитывать в конструкциях фасадов из алюминия. Стекло имеет высокую теплопроводность (коэффициент теплопроводности листового стекла — 5,75 Вт/м2K).
Силикатная матрица определяет твердость и прочность стекла, но вместе с тем и особую хрупкость. В отличие от эластичных деформируемых материалов как, например, металлы, стекло разрушается при незначительном превышении предела его упругих деформаций. Прочность стекла при сжатии соответствует напряжениям 1000 Н/мм2 и сравнима в данном случае с прочностью стали. Однако разрушение обычного листового стекла при изгибе соответствует напряжениям всего лишь 30-60 Н/мм2.
Стекло обладает высокой химической стойкостью против агрессивных веществ, горячих щелочных растворов и воды. Последнее осособенно важно, так как именно действию воды в течение длительного времени должно противостоять стекло.
Стекло — это несгораемый материал, но оно становится мягким при приблизительно 700°C и хорошо противостоит огню благодаря малому тепловому расширению. Однако тепловое излучение при пожаре почти полностью проходит через стекло.
Из-за своей небольшой массы стекло является хорошим проводником звука по сравнению с другими строительными материалами, это можно устранить, применяя многослойное стекло. Наличие пространства между стеклами создает акустическое рассеяние изнутри и снаружи, которое препятствует прохождению звука. Многослойные стекла исполняются во многих вариантах, причем промежуточное пространство заполняется тяжелым стеклом.
Рис. 8. Изготовление стеклянных изделий для фасадов
Виды стекла для строительства фасадов
Флоат-стекло (зеркальное стекло) — это высококачественное стекло с плоскопараллельными поверхностями. В строительстве фасадов оно является сегодня основным исходным материалом для одно- и многослойного остекления. Максимальный размер стекла 321x600 см, причем с увеличением длины наценка невелика. Предлагаемые толщины — от 2 до 19 мм [4].
Это прозрачное плоское стекло вытягивается машинным способом; оно несколько более низкого качества по сравнению с флоат-стеклом, что вызвано применением другой технологии вытягивания. Для этого стекла характерно наличие волн, перпендикулярных направлению вытягивания, которые заметны в проходящем и отраженном свете.
Декоративное стекло производится ручным выдуванием, причем цилиндрическая пустотелая заготовка отрезается и затем расширяется (метод вытягивания цилиндра). Этим способом можно получить изделие ограниченных размеров, но цветное стекло изготавливается в небольших количествах.
Литое стекло (узорчатое стекло) получают непрерывной прокаткой. Для этого используют профилированные валки, которые позволяют создавать различные рисунки. Подобные стекла применяют, например, в качестве защитного остекления или для равномерного рассеяния дневного света. Максимальные размеры зависят от изготовителя.
Армированное стекло изготавливается как и литое стекло методом непрерывной прокатки, причем при вальцовке в стекло укладывается проволока, которая повышает надежность стекла при разрушении и пожаре.
Армированное стекло может быть отполировано, в результате чего его поверхности получают высокие оптические свойства. Максимальные размеры стекол: ширина 198 см, длина 382 см.
Из-за наличия в стекле проволоки, возможно ее ржавление вдоль краев, которые поэтому необходимо дополнительно защищать, чтобы устранить окрашивание и разрушение стекла при коррозии.
Это стекло также изготавливается методом вальцовки, при которой еще горячая полоса стекла формируется в U-профиль. Такое поперечное сечение придает стеклу большую жесткость, которая позволяет строить фасады без поперечных элементов. Ширина профилированного стекла 22, 25, 32 и 50 cм, а максимальная длина 600 cм.
Стеклянные блоки получают в результате сплавления двух чаш еще в горячем состоянии. После охлаждения на воздухе в запечатанном блоке возникает внутреннее давление, это улучшает теплоизоляционные свойства и препятствует образованию конденсата. Но все же теплозащитные свойства этих блоков остаются плохими из-за множества тепловых мостиков, по сравнению с современным изолирующим стеклом. Пустотелые блоки чувствительны к вертикальной нагрузке и не могут применяться в качестве несущих конструкций. Стандартные размеры 15x15 cм и 30x30 cм, толщина 8-10 cм.
Это массивные стеклянные блоки, которые изготавливаются методом прессования и, в отличие от пустотелых блоков, могут нести статическую нагрузку. Блоки стеклобетона имеют квадратную, прямоугольную и круглую форму. Их возможности применения весьма ограничены из-за плохих теплозащитных качеств.
Рис. 9. Peckham-библиотека, Лондон (Англия) 1999, Alsop Stormer
Рис. 10. Применение VSG-стекла с керамической печатью, Новая торговая ярмарка, Лейпциг (Германия), 1996, Gerkan Marg с партнерами
Рис. 11. Фасад из профильного стекла, здание института, Париж (Франция), 1998, Brunet & Saulnier
Влияние специфических свойств стекла
Благодаря различной рецептуре, термической и химической обработке, изменению
поверхности, применению стеклопакетов и изолирующего стекла, оно, как
строительный материал, удовлетворяет многим целям применения.
Незначительные загрязнения (например, оксидами железа) массы флоат-стекла приводят к появлению в нем легкого зеленого оттенка, который особенно заметен при большой толщине стекла и при многослойном остеклении. В результате изменения химического состава расплава стекла можно изготавливать не только абсолютно бесцветное стекло, например, «Белое стекло», но и стекло с определенными физическими свойствами.
Специальные добавки окислов металлов придают стеклу слабое окрашивание (от зеленого и синего цвета до бронзового и серого). Посредством окрашивания можно уменьшать пропускание излучения, а тем самым и нагрев помещения, при этом достигается некоторая защита от сильного света. Кроме того, добавки определенных соединений металлов придают стеклу любое окрашивание. Наряду с окрашиванием стекла применяется также технология накладного стекла, когда накладываются слои различного цвета.
Чтобы повысить прочность стекла при изгибе и его стойкость к изменениям температуры, плоское и изогнутое плоское стекло подвергается температурной закалке.
Однослойное безопасное стекло (ESG)
Для изготовления ESG стекло нагревается до 640°C и сразу обдувается холодным
воздухом. При этом поверхностный слой стекла растягивается и застывает,
а средний слой остается еще горячим и мягким. В процессе охлаждения и
застывания внутренней части поверхность стекла становится сжатой, в результате
прочность при изгибе повышается до 90-120 Н/мм2, что повышает прочность
при изгибе и стойкость к температурным изменениям. Так, флоат-стекло остается
стойким к температурным изменениям до 40°С, а стекло ESG — до 200°С.
Термически закаленное стекло нельзя дополнительно обрабатывать механически.
В случае аварии ESG разбивается на мелкие неострые кусочки, что значительно
снижает опасность повреждения.
Частично закаленное стекло (TVG)
При изготовлении TVG стекло также нагревается до 640°C, но затем оно менее
интенсивно обдувается холодным воздухом, поэтому напряжения сжатия в поверхностных
слоях меньше. Достигается прочность при изгибе (40-75 Н/мм2), а стойкость
к температурным изменениям не столь высока, как для ESG-стекла (флоат-стекло
— 40°С, TVG — 100°С, ESG — 200°С); в случае аварии это стекло разрушается
на большие куски (рис. 13).
Применение составного безопасного стекла (VSG) приводит в случае аварии
к более благоприятным последствиям, что положительно для стеклянных фасадов
и перегородок в офисах. TVG-стекла, как и ESG-стекла, нельзя дополнительно
обрабатывать механически.
Гнутое стекло
Такое стекло получают из флоат-стекла путем дополнительной термической
обработки в туннельных муфельных печах. Возможно цилиндрическое и сферическое
гнутье, а также пакета из двух листов. Радиус изгиба зависит от толщины
стекла.
Огневая полировка стекла
Стекло нагревается в полировальной печи до 500-700 °C. Пластически вязкая
поверхность стекла при этом сокращается и из-за поверхностного натяжения
становится блестящей.
Механическая обработка
Для обработки стекла применяются указанные ниже способы как для резки
стекла так и обработки кромок.
Материалом, который тверже стекла, например, алмазом, на стекле наносят надрез (царапину), а затем стекло ломают. Применение различных жидкостей (керосин, масло) сдерживает растрескивание стекла около нанесенного надреза.
Разделение толстого и бронированного стекла производится разделительными шайбами (например, алмазными) или лазером.
При помощи водяной струи под высоким давлением можно резать стекло или надрезать (для экономии энергии).
В отличие от резки с нанесением надреза твердым материалом, водной струей можно выполнить резку по любому контуру при толщине стекла до 7 мм. Также имеется возможность резать трехслойное стекло. Надрез начинается в сплошном материале, ширина разреза меньше по сравнению с другими методами.
Обработка кромок стекла уменьшает опасность порезаться. Там, где нет такой опасности, кромки оставляют необработанными. Заглаживание кромок выполняется посредством шлифования или полирования, причем имеют место много стандартов качества: например, при полировке кромки стола или зеркала должны быть безупречны, а при шлифовании кромки, обработанные по размеру, могут иметь остаточные необработанные островки.
Однако доказано, что стекло с обработанными кромками более прочно и менее склонно к спонтанному разрушению, чем без обработки. Это объясняется тем, что при зашлифовке кромок устраняются микроконцентраторы напряжений, в зоне которых инициируется трещинообразование и развивается процесс разрушения.
Рис. 12. Дом искусств в г. Брегенц (Aвстрия), 1997, Peter Zumthor
Обработка поверхности стекла
Свойство стекол зависит не только от химического состава, но и от обработки
поверхности.
Чтобы уменьшить прозрачность стекол, есть химические и механические методы. При травлении поверхность стекла обрабатывается чистыми жидкими кислотами или их парами, что позволяет получить ступени матовой обработки. Речь идет о гладкой матовой поверхности с очень равномерным рисунком. Образец получают в результате нанесения слоя воска перед травлением. Травление не влияет на легкость ухода за стеклом
Альтернатива травлению — это пескоструйная обработка поверхности стекла, которая более или менее изнашивает поверхность или придает ей шероховатость (в зависимости от размера зерна). По сравнению с травленым стеклом при этом получается относительно грубая структура поверхности.
Другой вариант обработки поверхности состоит в химической закалке стекла при погружении стекла в горячий раствор расплавленной соли. В результате обмена ионами увеличиваются напряжения сжатия на поверхности стекла, благодаря чему улучшается способность противостоять тепловым и механическим воздействиям. Закаленное таким способом стекло можно резать в отличие от термически закаленного стекла.
Эти покрытия создаются непосредственно при изготовлении стекла «Online-способом» или «Offline-способом», как это имеет место, например, в электроннолучевом методе. К не наносимым покрытиям относят, например, те, которые выполняются окислами металлов, приводят к уменьшению пропускания излучения и света. В зависимости от расположения слоев может быть достигнуто повышение или снижение теплового пропускания через стекло. Неотражающее покрытие уменьшает отражение от стекла, так что отражение, например, по сравнению с обычным стеклом, уменьшается на 1-8%. Дихроитовое покрытие способствует разложению падающего света на цвета спектра. В зависимости от угла падения происходит пропускание или отражение различных цветов. Игра цвета открывает новые возможности для дизайна.
Online (оперативный)-метод
В Online-методе материал покрытия наносится в виде жидкости, пара или
порошка и соединяется с поверхностью в процессе химической реакции. Стекла,
обработанные по методу «Твердое покрытие» («Hard-Coating»), становятся
стойкими к износу и химическому воздействию.
Offline (автономный)-метод
Покрытия наносятся в результате погружения в жидкость или помещения в
вакуумную камеру. При погружения покрытие одновременно наносится на обе
поверхности стекла, а при вакуумном методе — только на одну поверхность.
При нанесении различных слоев этот метод позволяет управлять свойствами
стекла. Нанесенные Offline-методом слои мягче и чувствительнее по сравнению
с горячими покрытиями по Online-методу. Offline-методом обрабатываются
исключительно изолирующие и ламинированные стекла.
Посредством наносимых покрытий (эмалирование, печать, раскрашивание) могут изменяться художественные и технические свойства стекол.
Эмалирование
На поверхность стекла наносится эмалевая фритта (молотое стекло с добавками
и пигментами), и в результате нового обжига образуется керамическое, стойкое
против коррозии покрытие. Для эмалирования подходят только термически
закаленные стекла, так как только они могут выдержать высокие температурные
напряжения, вызываемые пигментами.
Печать
В методе печати сначала посредством печатных шаблонов подготавливают стекла
с нанесенным пигментом, которые затем обжигаются в печи. Таким образом
наносятся различные рисунки и фото. Размер печати определяется размерами
стекла и максимально составляет 2x3,5 м.
Раскрашивание
Тонко размолотое цветное стекло растворяется в скипидаре и наносится на
обрабатываемое стекло, которое затем обжигается при 550°C.
Многослойные составные стекла
Многослойные составные стекла состоят из двух или трех слоев, которые
склеены жестко-эластичной фольгой или текучей смолой. Многослойная конструкция
позволяет в зависимости от примененных слоев создавать различные их сочетания
для специфических требований. Составные стекла изготавливаются плоскими
и изогнутыми.
Многослойные стекла, склеенные стеклянной фольгой, при аварии разрушаются так, что осколки стекла остаются висеть на вязком промежуточном слое. Эта особенность разрушения существенно уменьшает возможность травмы. Составное безопасное стекло изготавливается из флоат-стекла, однослойного безосколочного стекла (ESG) или частично закаленного стекла (TVG).
Применение цветной клеящей фольги позволяет изготавливать окрашенные составные стекла по доступным ценам. Альтернативой является применение жатой фольги. Составные стекла с голографическими оптическими элементами (HOE) предлагают различные виды управления светом, которые можно сравнить с действием линз и призм. Высокая светосила голографии обусловлена направленным световым излучением в определенной области угла, которая при создании голограммы определяется дифракционной решеткой.
Подобное остекление получается при помощи клеящей фольги с содержащим воду гелем. Защитное действие основано на высокой теплоте парообразования воды: при разрушении стекла, обращенного к пожару, гель остается прилипшим на стекле и постепенно выделяет водяной пар в направлении огня. Таким образом, поглощается большая энергии теплового излучения. Посредством таких стекол в сочетании с безопасными стеклами можно противостоять огню в течение длительного времени (рис. 14). Так называемые G-стекла препятствуют проникновению пламени и газообразных продуктов сгорания, но не препятствуют проникновению излучения. Все три функции выполняют «F-стекла».
Составные стекла различной толщины с промежутком между ними, заполненным тяжелым газом, значительно повышают звукозащиту изолирующего остекления. Так, например, обычное изолирующее стекло (4 + SZR 16 + 4 мм) отвечает уровню звукоизоляции Rw примерно 30 dB, а при ассиметричном остеклении (4 + SZR 16 + 8 мм) и соответствующем заполнении газом уровень звукоизоляции повышается до 35 dB [5]. При использовании многослойных составных стекол и увеличении расстояния между ними возможно повышение уровня звукоизоляции примерно до 47 dB. Все же большой вес стекла требует применения специальных оконных рам и коробок (рис. 15). В зависимости от толщины отдельных стекол отфильтровывается определенная область частоты наружного шума, поэтому остекление необходимо согласовывать с местными условиями.
Пусть жидкость, состоящая из двух компонентов, например, из воды и некоторого газа (гидрогеля), фиксирована между двумя стеклами или слоями фольги. До некоторой температуры жидкость будет представлять собой однородную массу и будет прозрачным. С превышением некоторой температуры будет иметь место разделение компонентов, в результате чего слой станет белым и будет отражать значительную часть света. Это приведет к уменьшению прохождения излучения (рис. 16).
В электрохромных составных стеклах в пространстве между отдельными слоями находятся жидкие кристаллы, которые при включении электрического напряжения могут изменяться. При отсутствии электрического напряжения слои с жидкими кристаллами имеют молочно-белый светорассеивающий цвет; а под напряжением они прозрачны. Во включенном состоянии пропускание света уменьшается на 40-70% (таблица 3).
Между тонкими слоями остекления закреплены солнечные элементы, которые вместе с проводами таким образом защищены от атмосферных воздействий. В зависимости от конструкции и вида солнечных элементов могут применяться прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные модули.
Таблица 3. Свойства управляемых функциональных окон
| Коэффициент g | Светопроницаемость | Цвет | |
| Термотропное теплозащитное окно | 0,18-0,55 | 0,21-0,73 | Белый до прозрачного |
| Окно с электрохромом | 0,12-0,35 | 0,20-0,64 | Синий до нейтрального |
| Газохромное теплозащитное окно | 0,15-0,53 | 0,15-0,64 | Синий до нейтрального |
Рис. 17. Перенос тепла в изолирующем остеклении
Изолирующее остекление
Изолирующее остекление состоит из двух или многих стекол с герметичным
промежутком между ними 8-24 мм (рис. 17). Есть много возможностей улучшить
коэффициент теплопередачи U и коэффициент g, применяя специальные заполнители
или дополнительные слои фольги в промежутке между стеклами, или посредством
нанесения покрытия на внутренние поверхности стекол.
Промежуток между стеклами можно заполнить сухим воздухом или (для улучшения теплоизоляции) инертным газом. Применяя аргон, криптон или ксенон, можно уменьшить коэффициент теплопередачи U, так как эти газы имеют незначительную теплопроводность и склонность к конвекции, по сравнению с воздухом. По экономическим соображениям предпочитают применять аргон, хотя криптон и ксеном создают лучшую теплозащиту. Чтобы предотвратить выпадение росы, в краевых элементах содержится осушитель.
Из-за незначительной теплопроводности вакуума коэффициент теплопередачи U изолирующего остекления с вакуумом может составлять примерно 0,6 Вт/м2K при толщине стекол 6-8 мм. Однако наличие глубокого вакуума в пространстве между стеклами требует установки дистанционных деталей, которые препятствуют соприкосновению слоев. К тому же должен быть герметичным краевой элемент (рис. 19).
Размещение прозрачной теплоизоляции (TWD) в промежутке между стеклами препятствует конвекции и улучшает теплозащитные свойства. В качестве TWD используются прозрачные и полупрозрачные материалы, например, стекло, акриловое стекло, поликарботнат и кварцевая пена в различных структурах (рис. 20). См. «Окна.Двери.Витражи» № 4-2007, стр. 137-140.
В промежутке между стеклами могут располагаться защищенные от атмосферных воздействий, различные элементы для защиты от солнца, ослепляющего света и для управления дневным светом. К ним относятся регулируемые системы затенения (жалюзи, ролеты из фольги) и неподвижные системы (солнцезащитные растры, зеркальные профили или призменные плиты, рис. 21).
Рис. 18. Цветное стекло, выставочное помещение Zumtobel Staff, Берлин (Германия) 1999, Sauerbruch Hutton
Применение стекла при строительстве фасадов
Большинство построенных сегодня фасадов состоят из листового стекла: изолирующего,
ESG, VSG в различных комбинациях. Необходимо учитывать вес стекла, ветровую
нагрузку и удары при расчете прочности самого фасада и его креплений [6].
Ниже рассмотрены три вида передачи нагрузки на стекло.
Контактные напряжения
Размеры контактных поверхностей должны быть выбраны так, чтобы обеспечить
необходимое распределение напряжений. Это особенно важно соблюдать при
малых контактных поверхностях (например, точечное опирание). Необходимо
избегать жесткого опирания, например, стекла на сталь; необходимо снижать
контактные напряжения, применяя эластичные прокладки (этилен-пропилен
или пластмасса).
Стекло может опираться на плоскость поверхностью или своим торцом, опирание
может быть в отдельных точках или по линии (рис. 22). Нагрузка передается
через специальные профили, фиксаторы и дистанционные детали.
Трение
В указанных случаях передача усилий происходит через механическое защемление
и адгезию контактирующих поверхностей. Так как стекло не должно непосредственно
контактировать с другими твердыми материалами, то для снижения контактных
напряжений определяющее значение имеет эластичность и долговечность соединений,
использующих трение. В качестве прокладок используются мягкие металлы,
армированные волокном пластмассы или природные материалы (пробка, кожа
или картон).
Клеевые соединения
В настоящее время клеевые соединения широко применяются при строительстве
фасадов, если передаваемые усилия относительно малы. Необходимо также
обращать внимание на то, что можно применить большие поверхности склеивания,
которые могут гарантировать долговременные эластичные соединения.
Наряду с величиной передаваемых сил, важным фактором является температура
и длительность нагружения. В случае пожара нагрев приводит к разрушению
клеевых соединений. В Германии разрешается применение клеевых соединений
при строительстве фасадов высотой до 8 м, прочность более высоких фасадов
может быть обеспечена дополнительными механическими креплениями.
Между отдельными стеклянными элементами необходимо оставлять зазоры, чтобы была возможность для механических перемещений (например, для продольного удлинения) и для длительного восприятия переменных атмосферных воздействий.
Уплотнение контакта поверхностей
Уплотнение стеклянных поверхностей и несущей конструкции выполняется при
помощи уплотнительных профилей, сохраняющих эластичность в течение длительного
времени и имеющих сплошное или губчатое поперечное сечение. Чтобы обеспечить
плотность контакта, требуются достаточное давление прижима и чистая поверхность
стекла (рис. 23 a).
Уплотнение замазкой
Этот традиционный вид уплотнения имеет сегодня второстепенное значение,
так как после твердения замазка становится очень жесткой и исключает деформации
стекла, что приводит к образованию трещин и неплотностей стыка (рис. 24
б).
Уплотнение клеем
Применение долговременно эластичной замазки (силикон) позволяет обеспечить
в течение длительного времени эластичность соединения, благодаря высокой
и стабильной адгезии силикона при растягивающих усилиях в течение длительного
времени. Податливость уплотнения определяют его ширина и примененный клей
(рис. 23 б).
Конструкции окон и фасадов состоят из следующих функциональных элементов:
В зависимости от способа передачи усилий и типа стыков бывают различные сочетания. При классической конструкции из алюминиевых прессованных профилей имеет место объединение различных функциональных элементов, а при закреплении в отдельных точках встречается разделение функций уплотнения соединений и передачи нагрузки, что позволяет отдельно вести соответствующие монтажные процессы. При других типах остекления (например, «Structural-Sealant-Glazing») объединены функции уплотнения стыка и закрепления.
«Свинцовое остекление»
Это старейший тип устройства остекления с большими поверхностями. Отдельные
малые стекла вставляются в свинцовые стержни H-образного поперечного
сечения и защемляются в них. Наряду с полной завязкой всех краев, последующее
нанесение замазки обеспечивает дополнительное закрепление (рис. 24 a).
Паз с замазкой
Этот традиционный тип остекления состоит в установке стекол в открытом
фальце на замазке. Фальц устраивают непосредственно в каменной кладке
или в деревянном бруске, или он является частью металлического профиля
(в данном случае таврового сечения (рис. 24 б)). В результате эффективного
взаимодействия стекла и несущих элементов этот простой тип остекления
широко применяется уже многие столетия в крупных филигранных конструкциях,
например, теплицах XIX столетия.
Фальц с со штапиком для крепления стекла
Штапики для крепления стекла были введены, чтобы обеспечить крепление
стекла и препятствовать проникновению ветра. Одновременно разделяются
функции уплотнения и механического крепления, что дает возможность улучшить
эти функции (рис. 24 в). Прежде всего, легко заменять стекла, при внешнем
расположении штапиков отпадает необходимость обрабатывать их поверхность
после монтажа.
Конструкция из прессованных алюминиевых профилей
Подвесные системы фасадов требуют специальных несущих конструкций, на
которых закрепляются стекла при помощи штапиков. Подобные штапики из
прессованных алюминиевых профилей позволяют крепить два соседних стекла
одним профилем, что определяет простоту монтажа и применение экономичных
профилей (рис. 24 г). Штампованные долговременно эластичные профили
уплотняют внутреннюю и наружную области уплотнения. При изолирующем
остеклении и повышенных температурных требованиях необходимо обращать
особое внимание на устройство температурных швов в прессованных штапиках
и в обрамлении.
Линейное опирание без прессованных штапиков
В этом варианте конструкции только два противоположных края стекла удерживаются
прессованными штапиками. Два других сводных края уплотнены встык клеем
и силиконом. При использовании составных безопасных стекол важна совместимость
материала клеящей фольги и материала уплотнения. Рекомендуется при применении
изолирующего остекления работать сразу в двух уровнях уплотнения и тщательно
удалять влагу между двумя стыками.
Точечное опирание края
Этот тип остекления сочетает преимущества конструкции с прессованными
штапиками и точечное опирание. Небольшое преимущество — это внешний
вид, так как крепления через узкие элементы воспринимают усилия в плоскости
стекла, в то время как зажимы воспринимают действие сил, нормальных
к плоскости стекла. Из-за высоких механических нагрузок, возникающих
в области креплений, здесь применяется термически закаленное стекло,
что повышает стоимость такой конструкции. Конечно, при таком остеклении
нет необходимости в сверлении стекла. Свободные края должны быть только
уплотнены.
Точечные крепления со сверлением
В этом случае имеет место полное разделение несущей и уплотняющей функций.
Несущая функция, т.е. передача нагрузки, выполняется отверстиями в плоскости
стекла, а функцию уплотнения выполняют свободные края. Наряду с филигранным
внешним видом имеет место простор для оформления. Конечно, требуется
высокое качество уплотнения в области точечных креплений (особенно при
изолирующем остеклении), а также на свободных краях (рис. 24 д).
Клееное остекление (остекление с несущим уплотнителем)
Существует остекление с несущим уплотнителем (Structural Sealant Glazing,
SSG, дословно — конструкционное уплотненное остекление). При этом типе
остекления клеевые соединения стекол и переплетов выполняют функции
передачи усилий и уплотнения. Посредством склеивания разрешается передавать
только кратковременные нагрузки, например, ветер. Собственный вес стекла
должен восприниматься механическими креплениями (рис. 24 е).
Указания для склейки изолирующего остекления
Дистанционные детали и стекла обычно приклеиваются клеем Thiokol, который
гарантирует очень высококачественное плотное соединение края. Так как
Thiokol не стоек против ультрафиолета, то необходимо защитить всю наружную
поверхность края прессованным штапиком или соответствующей непроницаемой
для ультрафиолета набивкой. Альтернатива: применить для края силиконовое
склеивание. Так как здесь не исключается газопроницаемость, то не предусматривается
применение дорогих инертных газов для заполнения промежутка между стеклами
[7].
Рис. 25. Стекло с дихроитовым покрытием (покрытие с цветными кристаллами стекла, свечение которых зависит от угла падения и поляризации света), Нью-Йорк (США) 1999, James Carpente
Литература:
1. Staib, Gerald: От происхождения до классического модерна. In: Schittich,
Christian u. a.: Glasbau Atlas. Munchen/Basel 1998, S. 9-33
2. Button, David: Стекло в строительстве. Справочник по современному
архитектурному стеклу. Pye, Brian (Hrsg.). Oxford 1993
3. Herzog, Thomas: Доклад семинара «Специальные темы строительных конструкций
— Специальные технологии и конструкции — Стекло, пленки и мембраны»,
Teil 1 Grundlagen. TU Munchen, Lehrstuhl fur Gebaudetechnologie. Munchen
1998 (unveroffentlicht)
4. [4] Compagno, Andrea: Строительный материал — Стекло — Развитие и
тенденции. In: Kaltenbach, Frank (Hrsg.): Trans-luzente Materialien.
Munchen 2003, S. 10-25
5. Saint Gobain Glass (Hrsg.): Справочник по сувенирному стеклу. Ausg.
2000, S. 32
6. Sobek, Werner u. a.: Конструкции с применением стекла — Прочность
и несущая способность. In: Schittich, Christian u. a.: Glasbau Atlas.
Munchen/Basel 1998, S. 91-92
7. Подробный обзор различных видов остекления с соответствующими детальными
чертежами: in Schittich, Christian u. a.: Glasbau Atlas. Munchen/Basel
1998, S. 152-167
По материалам Fassaden_Atlas
