Разрушающие нагрузки стекла

Проанализируем более подробно характер разрушения стекла под действием различных нагрузок. Специфической особенностью стекла является необходимость учета ослабленных за счет технологических микротрещин кромок, на которых собственно и возникают максимальные напряжения изгиба. В этой связи можно говорить о том, что наибольший риск разрушения существует на кромках стекла.
При этом причиной разрушения стекол, которое начинается с краю (где стекло было отрезано), являются локальные растягивающие напряжения. Если на краю стекла уже имеются трещина или микротрещина, даже небольшие краевые растягивающие напряжения разрушают стеклянную пластину.

Температурные нагрузки
Растягивающие краевые напряжения могут быть вызваны разностью температур в разных частях стекла. Когда на улице стоят зимние морозы, теплый воздух, идущий наружу из помещений, нагревает поверхности стекла. При этом температура краевой зоны стекла, закрытой оконным профилем, как правило, ниже температуры в его центре.
Центральные части стекла, имеющие более высокую температуру по сравнению с краевыми зонами, стремятся расшириться. При этом более холодные краевые участки препятствуют расширению, что приводит к возникновению в них растягивающих напряжений. Трещины и микротрещины работают на поверхностях краев стекол, как клинья, которые разрушают стекло, разрывая его. Характерная картина разрушения стекла под действием температурных напряжений в краевой зоне показана на Рис. 1. Картина разрушения показывает место зарождения трещины и характеризует характер и величину напряжений.

• Share

Рис. 1. Характерная картина разрушения стекла под действием температурных растягивающих напряжений в краевой зоне:
а) единичная трещина, б) напряженное состояние по контуру

Риск разрушения, которое имеет начало по краям стекол, увеличивается в солнцезащитных стеклах, поглощающих тепловое солнечное излучение, под действием которого средняя часть стеклянной пластины сильно нагревается. Тени, которые могут падать на стекла, клейкая лента и рекламные объявления, наклеиваемые на стеклянную поверхность, увеличивают разницу температур между различными участками стекла, и вероятность разрушения возрастает.
Риск разрушения пластин обычного прозрачного строительного стекла и вероятность этого закономерно связаны со скоростью подъема температуры. Обычные (не экстремальные) перепады температуры наружного воздуха не могут быть причиной значительных напряженных состояний, которые могли бы привести к разрушению.
Когда разница температур между различными участками стеклянной пластины составляет 20 °С, риск разрушения отсутствует. При достижении разницы температур 40 °С вероятность разрушения составляет 20%. Когда разница температур равна 55 °С, вероятность разрушения равна 50% или, иначе говоря, половина стекол может разрушиться. И, наконец, когда разница температур превышает 90°С, все обычные прозрачные строительные стекла разрушаются.
Температурное разрушение стекол может произойти и вследствие непосредственно термоудара. Однако этот случай гораздо менее вероятен, чем разрушение, вызванное краевыми и поверхностными напряжениями.

Ударные нагрузки

Нагрузка под влиянием ударной волны
Взрыв массы или газа рождает взрывную волну, давление которой вырастает за 0.01-0.1 секунды, как правило, до значений порядка 5-50 кН/м2. На величину и продвижение взрывной волны оказывают влияние удаленность и расположение места взрыва по отношению к рассматриваемому объекту, а также характер поверхностного слоя материалов, на которые воздействует волна. При этом величина избыточного давления, возникающего в результате взрыва, не является величиной постоянной, а изменяется с течением времени (в долях секунды). Характер продвижения взрывной волны показан на Рис. 2.

• Share

Рис. 2. Продвижение взрывной волны.
(По данным Инженерного бюро Аулис Бертин — Финляндия)

При проектировании светопрозрачных конструкций с точки зрения вопросов взрывобезопасности следует рассматривать функциональное назначение остекления и задачи, связанные с его поведением в момент аварийного взрыва. Так, при проектировании жилых зданий остекление часто рассматривается в качестве легкосбрасываемых конструкций (ЛСК), обеспечивающих выход взрывной волны наружу при аварийном взрыве природного газа в одной из квартир. В этом случае обеспечивается снижение избыточного давления внутри квартиры за счет истечения газа (свежей смеси или продуктов сгорания) через открытый проем. Если время вскрытия остекления велико, взрывное давление воздействует в течение этого времени на несущие конструкции — стены и перекрытия, что может вызвать прогрессирующее обрушение здания.
Проектирование остекления в местах массового скопления людей (витрины магазинов, подземные торговые комплексы, зрелищные здания и др.) необходимо рассматривать, исходя из требований эвакуации и минимально возможного разброса опасных для людей осколков при аварийном взрыве. В этом случае остекление, в отличие от жилых зданий, должно оказывать по возможности большее сопротивление взрывной волне в течение возможно большего времени.

Различные удары
На стекла могут быть направлены нагрузки, вызываемые ударами различными предметами. Их можно условно разделить на удары твердыми, острыми и тяжелыми предметами, а также на удары, вызываемые различными пулями.
Показателем устойчивости стекла к воздействию удара является величина энергии (работы), затраченной на его разрушение. Поскольку сопротивление удару является основным показателем при проектировании противовзломных окон, имеет смысл привести краткое описание оценочных методик, применяемых для стекол.
Так, в соответствии со стандартами Финляндии, класс безопасности изделия из стекла и его ударная прочность по отношению к разрушению твердым предметом определяется следующим образом. На испытываемую стеклянную деталь размером 1100 мм і 900 мм падает стальной шар весом 4110 г и диаметром 100 мм. Испытания считаются успешно пройденными, если шар не прошел сквозь испытываемую деталь. Классификация по соответствующим классам безопасности приведена в табл. 1.

Таблица 1. Классификация классов безопасности стекол по ударной прочности к твердому предмету

Таблица 2. Классификация классов безопасности стекол по ударной прочности к тяжелому предмету

Для проведения испытаний на ударную прочность к острому предмету деталь устанавливается в специальный испытательный станок. Острый предмет имеет форму острого топора, и его масса должна быть 2 000 г. Размер испытываемой детали равен 1100 мм x 900 мм.
При проведении испытаний на ударную прочность к тяжелому предмету на испытываемую стеклянную деталь с разной высоты падает кожаный мешок весом 45 кг. Размер испытываемой детали равен 865 мм x 1930 мм. Классификация по соответствующим классам безопасности приведена в табл. 2.

И.В. Борискина, А.А. Плотников, А.В. Захаров,
“Проектирование современных оконных систем гражданских зданий”