Czy szklane podłogi są bezpieczne?
Śmiertelny wypadek w Indonezji
Jakiś czas temu w Banyumas na Jawie Środkowej miała miejsce tragedia. Pękła szklana podłoga na moście widokowym dla turystów, w wyniku czego dwie osoby spadły z wysokości kilkunastu metrów. Niestety jedna z nich zmarła. To rodzi pytanie, czy popularne atrakcje w postaci szklanych mostów i tarasów widokowych są bezpieczne. Odpowiedź brzmi: tak, pod warunkiem, że ktoś nie popełni tak kardynalnego błędu jak projektant mostu w Banyumas.
Szkło hartowane?
Inżynier projektujący most, aby zapewnić maksymalne bezpieczeństwo, będzie chciał sięgnąć po materiał jak najmocniejszy. W przypadku szkła, największą wytrzymałość zapewnia szkło hartowane, ponieważ ma największą wytrzymałość na zginanie. Wydaje się więc być oczywistym wyborem przy projektowaniu szklanej podłogi. Takiego właśnie wyboru dokonał projektant mostu w Banyumas. Sprawdźmy czy słusznie.
Czy szkło hartowane wytrzyma?
Z informacji znalezionych w sieci wynika, że tafla była kwadratem o boku 1,22 m, podpartym jak na zdjęciu powyżej. Grubość szkła to 12 mm. Zamodelowałem taki przypadek w programie SJ Mepla, służącym do obliczeń mechanicznych szkła.
Jako obciążenie założyłem 16 osób o wadze 100 kilogramów każda.
Wyniki symulacji pokazują wyraźnie - szkło bez problemu wytrzyma. Maksymalne naprężenie to 15,87 MPa, podczas gdy dopuszczalne jest pięć razy większe (80 MPa). Czy więc projektant mostu w Banyumas nie popełnił błędu?
Owszem, popełnił. Ponieważ nie wziął pod uwagę dwóch, w tym wypadku kluczowych, wad szkła hartowanego:
Szkło hartowane, mimo bardzo dużej wytrzymałości na zginanie, ma słabe punkty. Źle znosi punktowe uderzenia, w szczególności w krawędzie. Uderzenie w krawędź ostrym kamykiem wciśniętym w podeszwę buta, może spowodować większe szkody niż kilkunastu ludzi stojących na tafli. Ponadto szkło hartowane może pękać nawet zupełnie samoistnie. Dzieje się tak na skutek inkluzji siarczku niklu. Więcej na ten temat piszę w artykule o "wybuchających" szklanych stołach: LINK.
Szkło hartowane pęka w drobny mak. Niezależnie od tego w którym miejscu nastąpi uszkodzenie, tafla zawsze rozsypie się na całej powierzchni. Z perspektywy stojącej na niej osoby, szkło hartowane w momencie stłuczenia po prostu przestaje istnieć. Jest to tak zwana mała (a właściwie zerowa) nośność szczątkowa.
Nośność szczątkowa
Inżynier projektujący szklaną podłogę musi zapewnić nie tylko odpowiednią wytrzymałość i odporność na pęknięcia. Musi również zadbać o to, żeby podłoga była nośna nawet wówczas, gdy szkło pęknie. Innymi słowy, musi zapewnić, że szkło będzie miało odpowiednią nośność szczątkową, czyli zdolność do przeniesienia określonych obciążeń nawet po pęknięciu.
Szklany panel może mieć różną nośność szczątkową, w zależności od rodzaju szkła oraz sposobu mocowania.
Szkło hartowane ma zerową nośność szczątkową. A takie właśnie zamontowano na moście w Banyumas. I to był błąd, kosztujący życie człowieka.
Szkło laminowane
Największą natomiast nośność szczątkową ma szkło laminowane. Składa się ono z co najmniej dwóch tafli połączonych specjalną warstwą folii. Zapewnia dużą nośność szczątkową, bo po rozbiciu fragmenty szkła cały czas są przyklejone do folii. Takie szkło stosuje się np. jako przednią szybę samochodową. Po ewentualnym rozbiciu, tafla pozostaje w ramie, a odłamki nie wpadają do wnętrza pojazdu.
Jak zbudowana jest szklana podłoga?
W szklanych podłogach stosuje się zazwyczaj szkło laminowane złożone z co najmniej trzech tafli. Ale funkcję nośną pełnią jedynie dolne tafle. To one odpowiadają za bezpieczeństwo. Nie są jednak zrobione ze szkła hartowanego, mimo że jest ono najmocniejsze. Używa się tu szkła odprężonego (zwykłego) lub półhartowanego (wzmacnianego termicznie).
Dlaczego? Szkło odprężone, lub półhartowane pęka na duże fragmenty. Dzięki temu, przyklejone do folii odłamki szkła zapewniają znacznie większą sztywność w przypadku stłuczenia tafli, czyli właśnie wspomnianą nośność szczątkową. W przeciwieństwie do szkła hartowanego, którego drobne stłuczone fragmenty przyklejone do folii, sprawiają, że takie szkło laminowane zachowuje się jak płachta i może wysunąć się z ramy. Świetnie widać to na poniższym zdjęciu.
Innymi słowy, szkło dobiera się stosując następujący tok myślenia:
"Nie zastosuję najmocniejszego szkła (hartowanego), bo w przypadku pęknięcia będzie stanowić niebezpieczeństwo. Lepiej użyję słabszego szkła, które może i pęknie szybciej, ale nawet jak pęknie, to nadal będzie bezpieczne."
Wierzchnia warstwa - szkło hartowane
Tak więc dwie dolne tafle zapewniają nośność. Wierzchnia warstwa jest natomiast wykonana ze szkła hartowanego i zabezpiecza podłogę na powierzchni przeznaczonej do chodzenia. Ale w obliczeniach nośności bierze się pod uwagę przypadek, w którym górna tafla jest stłuczona i stanowi dodatkowe obciążenie dla pozostałych. Innymi słowy, w obliczeniach z góry zakłada się pęknięcie górnej tafli.
Dlatego jej stłuczenie nie będzie miało wpływu na bezpieczeństwo. Co więcej, gdyby pękły nawet wszystkie składowe szkła laminowanego, taka podłoga nadal byłaby w stanie przenieść określone obciążenia.
Prawidłowo wykonana szklana podłoga, mimo pęknięcia górnej warstwy jest całkowicie nośna. Widać na niej charakterystyczną pajęczynę pęknięć, a mimo to można po niej bez obaw skakać. Taki eksperyment można wykonać na krakowskim rynku. Przy stojącym tam kościele Świętego Wojciecha, znajdują się szklane podesty. Z czasem niemal wszystkie wierzchnie warstwy popękały, ale przez lata nie są wymieniane. Można po nich chodzić, bo pęknięcie wypływa jedynie na estetykę, a nie na bezpieczeństwo.
To jak powinna być zbudowana szklana podłoga?
Wierzchnia warstwa z najmocniejszego szkła, czyli szkła hartowanego. Pełni funkcję ochronną. Pęknięcie tej warstwy może nastąpić na skutek punktowych uderzeń, lub nawet samoistnie. Pęknięcie choć wygląda groźnie, bo pojawia się w postaci pajęczyny na całej powierzchni, nie wpływa na bezpieczeństwo użytkowania tafli.
Dwie (lub więcej) kolejne warstwy ze szkła odprężonego lub półhartowanego o odpowiednio dużej grubości. Zwykle 10-12 mm każda. Nie są tak wytrzymałe jak szkło hartowane, ale za to w przypadku pęknięcia są w stanie utrzymać duże obciążenie dzięki określonej nośności szczątkowej.
Pomiędzy taflami stosuje się warstwy folii PVB o grubości co najmniej 1,52 mm.
Wracając do mostu w Banyumas. Wyczytałem, że nie był on projektowany przez uprawnionego projektanta. Wykonały go osoby znające się na turystyce a nie na konstrukcjach. Stąd tak tragiczny finał. Tak kardynalne błędy zdarzają się jednak niezmiernie rzadko i wciąż będę upierał się przy tym, że szklane podłogi są bezpieczne.
Szklany podest w Chicago
Robiąc reaserch do tego artykułu trafiłem również na opis zdarzenia z budynku Willis Tower w Chicago. Kilka lat temu, na tamtejszym szklanym tarasie zawieszonym kilkaset metrów nad ziemią, szkło pękło pod stopami turystów. I co? I nic. Pokryło się groźnie wyglądającą siatką spękań, wywołało przerażenie, ale nic nie miało prawa się stać. Bo pękła jedynie wierzchnia warstwa, która nie ma wpływu na nośność elementu.
Źródło: https://www.thesun.co.uk/news/9284129/willis-tower-glass-ledge-cracks-video/
W jednym z artykułów na temat tego wydarzenia, autor napisał "Szklane podłogi nie są tak bezpieczne, jak się wydawało." Nie zgadzam się z tym. Szklane podłogi są bezpieczne. Ale nie dlatego, że nie pękają. Pękają i to czasem zadziwiająco łatwo. Szklane podłogi są bezpieczne bo są projektowane w taki sposób, żeby pełniły swoją funkcję nawet po całkowitym stłuczeniu.
Bibliografia
https://jateng.tribunnews.com/2023/10/25/update-dpu-banyumas-periksa-jenis-dan-ketebalan-jembatan-kaca-the-geong-hutan-pinus-limpakuwus
https://usglassmag.com/2023/10/tragedy-strikes-as-glass-bottom-bridge-shatters-in-indonesia/
https://noizz.pl/design/szklana-podloga-na-103-pietrze-willis-tower-pekla-pod-stopami-turystow/hg6yv4e
