Стекло как конструктивный строительный материал
О пыты и рассуждения ведут к созданию концепции надежности, на основе которой могут быть разработаны методы расчетов и определения размеров, а также стандарты в области конструирования. В настоящее время ведутся разработки в различных областях применения стекла, которые призваны помочь инженеру эффективно применять этот материал в строительстве, соблюдая необходимые требования безопасности.
Расчет и определение размеров
Общие положения
При проведении расчетов следует учитывать наряду с обычными видами воздействий и нагрузок, такими, как собственный вес, снег и ветер, также и принудительные воздействия (например, деформация фундамента). А также, жесткий и мягкий удар, самопроизвольное разрушение в результате никелево-сульфидного роста у однослойных остеклений (ESG), не прошедших соответствующего термического, а также климатического воздействия, особенно для изоляционного остекления. С другой стороны, нельзя забывать о прочности стекла, значении многослойной пленки у триплекса, а также условиях окружающей среды и длительности воздействия нагрузок. Кроме того, при проведении расчетов следует обратить внимание на свойства системы, такие как эффект связи у изоляционных остеклений или необходимость учета теории второго порядка. Трудности при определении размеров стеклянных элементов обусловлены наличием зависимости между воздействием (его силой и длительностью) и сопротивлением. Это в значительной степени обуславливает подразделение на частичные коэффициенты надежности для воздействия и сопротивления. До сих пор не существует надежного и общепризнанного метода расчета размеров для конструктивных строительных элементов из стекла. В Германии в современных технических условиях, например: TRLV (Технические условия для применения линейно установленного остекления) расчет производится путем сравнения действующего напряжения при растяжении с допустимым напряжением:  Y-- общий коэффициент надежности, бR -- прочность стекла. Понятие общий коэффициент надежности означает, что коэффициент одновременно учитывает все погрешности и влияния, обусловленные посторонними воздействиями, сопротивлениями стекла и моделью расчета. При этом важно, что данный общий коэффициент надежности не требует дополнительного учета влияния величины поверхности стекла и длительности нагрузки. Исходя из самой концепции расчета, несущественно, определяется ли общий коэффициент надежности в зависимости от воздействия или сопротивления. Таким образом, на величину фактической надежности влияют условия (например: теория второго порядка). При использовании вероятностной концепции расчета размеров можно провести достаточно последовательный учет вышеназванных явлений. Отдельные воздействия (начиная от длительности нагрузки и заканчивая величиной площади) определяются с помощью частичных коэффициентов надежности и специальных понижающих коэффициентов для прочности стекла. Представленная в этой статье концепция основывается на работах Шена (Shen) и содержит некоторые дополнения. Основополагающее уравнение расчета выглядит следующим образом:  Qk,1 главное значение непостоянных воздействий, Qk,i другие непостоянные воздействия, YG частичные коэффициенты надежности для постоянных воздействий, YQ,i комбинационные коэффициенты надежности для непостоянных воздействий, YYO,iкомбинационные коэффициенты надежности для непостоянных воздействий, бkхарактеристическая величина прочности стекла, YRчастичный коэффициент прочности стекла, nDкоэффициент воздействия длительности нагрузки на прочность стекла, nFкоэффициент воздействия величины площади на прочность стекла, f предельная величина прогиба Расчет несущей способности проведен правильно, если рассчитанное согласно ему воздействие меньше или равно рассчитанной величине сопротивления. Связь сдвига у многослойного стекла (VSG/VG)
В зависимости от области температур и длительности нагрузки у триплекса и многослойного стекла (VSG или VG) наблюдается более или менее устойчивая связь сдвига между слоями, так как ПВБ (поливинилбутиральные)-пленки (термопласты) и реактивные смолы обладают ярко выраженной ползучестью. Так, при кратковременной нагрузке (например: воздействие ветра) и температурах ниже 50°C наблюдается относительно прочная связь сдвига, однако при температурах выше 50°C, напротив, почти полное отсутствие связи сдвига (Рис.1).  При разработке всех современных стандартов (тот же TRLV) исходят из того, что для определения несущей способности при воздействии нагрузок можно отказаться от определения эффекта сдвига. Однако для изоляционного стекла необходимо дополнительно учитывать граничное состояние прочности связи сдвига. Следует обратить внимание на тот факт, что пренебрежение при расчетах эффектом связи не всегда оправдано. В то время, как эффектом связи при воздействии внешних нагрузок, как правило, можно пренебречь, при принудительных воздействиях наличие связи необходимо учитывать. Так, принудительные воздействия (например: влияние деформации) приводят к высоким нагрузкам на стекло при наличии устойчивой связи. Эффект связи у изоляционного стекла Вследствие того, что в пространстве между слоями находится газ, возникает эффект связи, который необходимо учитывать при выборе размеров. Под воздействием климатических условий (изменение температуры и давления) могут возникать дополнительные нагрузки на стекло. Наряду с этим, при действии внешних нагрузок может быть также доказано, что нагрузку несут оба слоя, а не только находящаяся под воздействием нагрузки сторона. Величина эффекта связи может быть рассчитана на основе общего газового уравнения и с учетом жесткости слоев (Рис.2).  С помощью соответствующих расчетов с использованием метода конечных элементов и общего газового уравнения связь может быть рассчитана для любых граничных условий. Фельдмайер дополнительно к привычным внешним воздействиям (давление ветра и т.п.) рассчитал специально для изоляционного стекла эффект воздействия климатических условий (Рис.3).  Таким образом, для неподатливых систем справедливо следующее:  Действительная податливость слоев может быть установлена с помощью соответствующего расчета. Нагрузки, возникающие под влиянием климатических условий и т.д., следует рассматривать в зависимости от ситуации в комплексе с другими нагрузками. Теория второго порядка
Значение теории второго порядка,тоесть,равновесия деформированной системы, хорошо известно в различных областях инженерного строительства. В настоящее время она, хотя и медленно, находит свое применение и для проведения практических расчетов. Вто время как для конструктивных элементов, испытывающих напряжение при сжатии, применение положений теории второго порядка необходимо по причинам обеспечения надежности, для конструктивных элементов, испытывающих напряжение при растяжении, на первый план выходят экономические соображения. У стеклянных элементов в зависимости от конструкции могут наблюдаться оба вида воздействия. В простых случаях (например: круглое стекло) вычисления производятся на основе аналитического расчета. Для расчета конструктивных элементов со сложной геометрией, как правило, применяются численные методы (например: метод конечных элементов). На примере круглого стекла рассмотрим действие нагрузки: с помощью двух отдельных расчетов можно определить деформацию стекла под действием изгиба и мембраны для двух составляющих нагрузки ризгиба и рмембраны. Путем отождествления максимальных значений деформации (различными фигурами деформации можно пренебречь) могут быть рассчитаны составляющие нагрузки (Рис. 4):  Локальные нагрузки
Особого внимания именно у стеклянных элементов заслуживает моделирование для определения релевантных нагрузок, особенно в области пиковых нагрузок. Хрупкость стекла обуславливает необходимость определения максимальных нагрузок с достаточной степенью надежности. В первую очередь это касается локальных нагрузок, например: на опорных конструкциях. Локальное моделирование (с помощью метода конечных элементов) следует адаптировать для использования в каждой конкретной ситуации (Рис. 5).  Проведение простых расчетов, таких, как определение напряжений стекла без точного учета геометрии отверстий, может привести к опасным просчетам. Именно локальные конструкции, например: фаски в зоне отверстий и т.д. оказывают большое влияние на величину нагрузки. Для однослойного cтекла (ESG) и многослойного стекла (TVG) дополнительно необходимо определять предварительное напряжение сжатия в локальной зоне. На основе собственных исследований удалось установить, что при соответствующем исполнении фаски (Рис. 6) нет необходимости в уменьшении действующего напряжения растяжения в зоне отверстий, подверженных изгибу.  Экспериментальные исследования
При использовании конструктивных элементов из стекла в строительстве большую роль играют экспериментальные исследования. Хрупкость стекла и трудности при расчете возможных пиковых напряжений зачастую требуют проведения испытаний для подтверждения надежности. Так, до сих пор не представляется возможным достоверно просчитать поведение триплекса (VSG) после его разрушения. Однако для многих конструкций требуется предоставить расчет остаточной несущей способности, т.е., несущей способности после разрушения отдельных стеклянных элементов (например: для потолочных остеклений). Это же справедливо для остеклений, устойчивых к разрушению и доступных для прохода, у которых прочность по отношению к возможным нагрузкам может быть лишь ограниченно определена с помощью расчетов. В том случае, когда разлом стекла уже произошел, а окончательное разрушение должно быть планомерно предотвращено с помощью дополнительных резервов (например: несущей способности пленки), возникает вопрос о необходимости проведения экспериментального определения. Для разработки концепции испытаний большое значение имеет четкая постановка цели. Если испытания должны служить лишь подтверждением расчетов, можно ограничиться проведением небольшого количества испытаний. Однако, если эксперименты призваны заменить расчет, необходимо учитывать предельные условия, а количество испытаний должно обеспечивать получение достоверных и убедительных статистических данных. Таблица 1 Конструкции и постановка задачи для экспериментальных
исследований
Таблица 1 дает представление об экспериментальных исследованиях, которые проводятся в зависимости от конструкции и предъявляемых к ней требований. Принципиальной трудностью при проведении экспериментальных испытаний является трактовка приведенных выше требований по надежности. Так как сопротивление в частности не может быть "настроено" на характеристическую или определяемую величину, остается единственная возможность -- изменить нагрузку. Со стороны сопротивления могут возникнуть дополнительные эффекты, обусловленные техническими условиями испытаний, которые должны быть учтены по соображениям надежности. -- Эффект связи, которым, как правило, при проведении расчетов для триплекса или многослойного стекла пренебрегают, изменяется в ходе испытаний в зависимости от длительности воздействия нагрузки и температуры. -- При экстремально короткой продолжительности воздействия, например: при испытаниях ударной нагрузкой, стекло демонстрирует значительно более высокую устойчивость к действию нагрузки по сравнению с обычными значениями прочности. В то время, как первый эффект должен быть учтен при проведении испытаний с помощью соответствующих мероприятий, увеличение прочности в зависимости от длительности воздействия является эффектом, который может быть учтен при расчете несущей способности под воздействием динамической нагрузки. Испытания и контроль
Конструктивные элементы из стекла более чем какие-либо другие требуют ответственного подхода как со стороны компетентных и опытных инженеров уже на этапе разработки и конструирования, так и со стороны высококвалифицированного персонала на этапе производства. Действующий в строительстве принцип строгого контроля в данном случае должен неукоснительно соблюдаться по всей цепочке. С этой целью "Союз по контролю в строительстве" (BUV) в Германии разработал анкету, в которой были учтены все важнейшие аспекты: Разработка / Конструирование / Расчет
Производство
Конструирование / Изготовление
Особого внимания заслуживает определение значений сопротивления. Обычно исходят из того, что значения, полученные в ходе испытаний, должны быть обработаны с помощью тех же статистических методов, что использовались при определении характеристических величин. Однако, так как в рамках испытаний обычно определяется лишь ограниченное количество значений, с целью сохранения достоверности данных допускается значительное уменьшение среднего значения по сравнению с соответствующей фрактильной величиной (Fraktilwert). С учетом того, что на практике обычно можно определить минимальное значение сопротивления, предлагается специальный метод определения, который, что касается обеспечения надежности элементов, ничуть не уступает стандартному. Принцип этого метода изображен на Рис. 7. При постулировании заданного минимального значения сопротивления в качестве величины, критичной для надежности, рассматривается лишь величина разброса воздействия.  Если предположить, что вероятность разрушения должна быть меньше 10-6/год, то соотношение между 5% Fraktilwert и заданным минимальным значением сопротивления определяется в зависимости от применяемого общего коэффициента надежности и вариационного коэффициента воздействия. На Рис. 8 эта зависимость представлена в графическом виде.  На основании этих исследований можно сделать следующий практический вывод: в рамках испытаний вполне достаточно контроля минимального значения сопротивления в пределах 5% Fraktilwert. Лишь в тех случаях, когда это определение невозможно, необходимо проведение дальнейших испытаний на основе методов статистического распределения.
Профессор, доктор-инженер |
