Szyba zespolona jest jak paczka chipsów
Szyba zespolona jest jak paczka chipsów - obciążenia klimatyczne
Sprawdzając wytrzymałość szkła zespolonego trzeba brać pod uwagę szereg obciążeń, które będą oddziaływały na przeszklenie. Oczywistym jest, że należy uwzględnić siłę wiatru, ciężar własny szyby, ewentualne obciążenia śniegiem, czy obciążenia użytkowe. Ale jest jeszcze jedno obciążenie, które nie jest tak oczywiste, a które stanowi coraz większe zagrożenie. Mowa o obciążeniu klimatycznym.
Obciążenia klimatyczne szyb zespolonych
Przy czym samo nazewnictwo tych obciążeń jest dość mylące. Według Eurokodu 1 obciążenia klimatyczne dotyczą wiatru i śniegu. Natomiast w normach dotyczących obliczeń szkła zespolonego - DIN 18008, czy EN16612 - określenie "climatic loads" odnosi się jedynie do obciążeń, o których mowa w tym artykule. A mianowicie chodzi o obciążenia wynikające z nadciśnienia lub podciśnienia wewnątrz komór szkła zespolonego. W dalszej części artykułu będę je więc nazywał obciążeniami klimatycznymi. Będę też używał określenia "naprężenia klimatyczne", czyli naprężenia spowodowane obciążeniami klimatycznymi, oraz "pęknięcie klimatyczne" czyli pęknięcie spowodowane tymi naprężeniami.
ρV/T = constans
Szkło zespolone składa się z dwóch lub trzech (bardzo rzadko więcej) szyb. Pomiędzy nimi znajdują się komory wypełnione gazem - zazwyczaj argonem. Komory te są szczelne i ilość gazu wewnątrz nie może się zmieniać. Tymczasem zgodnie z równaniem Clapeyrona:
ρV/T = constans
ρ - ciśnienie
V - objętość
T - temperatura
Oznacza to, że skoro nie zmienia się ilość gazu, to przy zmianach temperatury lub ciśnienia, będzie zwiększała się jego objętość.
I to w istocie się dzieje - gaz zawarty w komorze, na skutek zmian ciśnienia atmosferycznego i temperatury, zwiększa lub zmniejsza swoją objętość odkształcając szyby. Zdarza się, że oddziałuje tak mocno, że szyba pęka.
Szyba zespolona jest jak paczka chipsów
Zachowanie szkła zespolonego może sobie wyobrazić każdy, kto widział zamkniętą paczkę chipsów na pokładzie samolotu. Podczas lotniczej podróży na dużej wysokości, w kabinie pasażerskiej panuje znacznie niższe ciśnienie niż na ziemi. Tymczasem zabrana z ziemi paczka chipsów, pakowana była przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym.
Na pokładzie samolotu napompuje się więc, a w skrajnych przypadkach pęknie. Dzieje się tak dlatego, że zmieniło się ciśnienie na zewnątrz paczki. Zgodnie z równaniem Clapeyrona, zwiększyła się więc objętość gazu wewnątrz paczki chipsów.
Tak samo zachowuje się szyba zespolona. Wnętrze komory jest szczelne, ilość gazu wewnątrz jest stała, więc na skutek zmian ciśnienia i temperatury, gaz będzie zwiększał lub zmniejszał swoją objętość, oddziałując na szyby.
Co wpływa na wielkość obciążeń klimatycznych?
1. Zmiany ciśnienia związane z różnicą wysokości n.p.m. miejsca produkcji szyby zespolonej i jej montażu.
2. Wahania ciśnienia atmosferycznego.
3. Wahania temperatur.
Naprężenia klimatyczne w praktyce
Opiszę teraz dwie skrajne sytuacje związane z nałożeniem się kilku czynników.
1. Zasysanie tafli do środka zespolenia
Różnica wysokości n.p.m.
Załóżmy, że szyby są produkowane gdzieś na południu Polski, w zakładzie znajdującym się wysoko n.p.m.. Następnie są transportowane na tereny położone niżej. Tam ciśnienie atmosferyczne jest wyższe, natomiast wewnątrz zespolenia ciśnienie pozostaje stałe. Szyby zasysają się więc do wnętrza zespolenia. Naprężenia w szkle rosną.
Wahania ciśnienia
Szyby są już zamontowane i przychodzi wyż, więc wzrasta ciśnienie atmosferyczne. Wewnątrz zespolenia ciśnienie się nie zmienia, więc powietrze na zewnątrz zespolenia jeszcze bardziej wciska nam szyby do wnętrza komory. Naprężenia w szkle rosną jeszcze bardziej.
Wahania temperatur
Dodatkowo przychodzi zima, temperatury spadają, a gaz wewnątrz zespolenia schładza się. Wskutek tego zmniejsza swoją objętość, tworząc dodatkowe podciśnienie wewnątrz zespolenia, jeszcze bardziej zasysając szyby do środka. Naprężenia w szkle znów rosną.
W normalnie funkcjonującym budynku szyba i jest częściowo ogrzewana z wnętrza budynku, więc gaz nie ma możliwości schłodzenia się do bardzo niskich temperatur. Ale gdy budynek dopiero powstaje i jest jeszcze nieogrzewany, albo podczas składowania zespoleń na budowie przed ich montażem, gaz wewnątrz zespolenia może zimą osiągnąć nawet ujemne temperatury. Tak schłodzony znacznie zmniejszy swoją objętość i zassie tafle, zwiększając naprężenia.
2. Wybrzuszanie tafli na zewnątrz zespolenia
Różnica wysokości n.p.m.
Odwrotna sytuacja - szyby produkowane w zakładzie położonym nisko n.p.m. jadą na montaż w wyżej położone rejony. Ciśnienie w wyższych partiach jest niższe, podczas gdy ciśnienie w zespoleniu pozostaje stałe. Wobec tego tafle są wypychane na zewnątrz. Szkło się odkształca, a naprężenia rosną.
Wahania ciśnienia
Przychodzi niż, ciśnienie atmosferyczne spada jeszcze bardziej. Efekt się pogłębia. Naprężenia rosną jeszcze bardziej.
Wahania temperatur
Latem przychodzą upały i dodatkowo ogrzewają szybę. Na skutek rozszerzalności cieplnej gaz zwiększa swoją objętość i wybrzusza tafle jeszcze bardziej. Naprężenia w szkle znów rosną.
Sytuacja będzie jeszcze gorsza gdy zostanie użyte np. ciemne szkło o dużej absorbcji. Wówczas szyba nagrzeje się bardziej, a razem z nią gaz zawarty w komorach. Tak samo zadziała montaż urządzeń przeciwsłonecznych, jak rolety czy żaluzje, lub innych elementów zwiększających temperaturę zespolenia.
Słyszałem też o pękaniu klimatycznym szyb zespolonych podczas ich transportu przez górskie przełęcze. Na dużych wysokościach ciśnienie atmosferyczne jest znacznie niższe niż w miejscu produkcji zespoleń. Dodatkowo, gdy taki transport odbywa się latem, szyby nagrzewają się w nieklimatyzowanej naczepie. To wszystko sprawia, że na miejsce montażu szyby mogą dojechać popękane.
Co się może stać?
No właśnie, jaki konkretnie skutek mogą mieć te odkształcenia tafli?
1. Nieestetyczny wygląd
Każda szyba zespolona jest mniej lub bardziej narażona na wybrzuszanie i zasysanie. Ale im bardziej ten efekt będzie nasilony, tym gorzej będzie wyglądać fasada. W szczególności gdy szkło jest mocno refleksyjne, a odbijany w nim obraz mocno się zniekształci.
2. Rozszczelnienie pakietu.
Na skutek ugięć, powstają naprężenia na uszczelniaczu szkła zespolonego. Ruch tafli rozciąga i ściska szczeliwo, osłabiając w ten sposób połączenie i mogąc powodować rozszczelnienie pakietu. W takim przypadku do wnętrza szyby zespolonej może dostać się wilgoć. Dodatkowo, w przypadku rozszczelnienia, z wnętrza komory ucieka argon, wpływając negatywnie na właściwości izolacyjne przeszklenia.
3. Pękanie
W skrajnych przypadkach, naprężenia mogą być tak wysokie, że szkło pęknie. Jak będzie wyglądało takie pęknięcie? O tym w następnym punkcie.
Pękanie szkła na skutek naprężeń klimatycznych
Siatka spękań szkła, które pękło na skutek naprężeń klimatycznych jest bardzo charakterystyczna. Pęknięcia zaczynają się w okolicach narożników i łączą się w środkowej części tafli. Czasem też może to być jeden łuk, łączący dwa narożniki wzdłuż dłuższej krawędzi.
Jakie szyby są najbardziej narażone na pękanie klimatyczne?
Niektóre szyby są szczególnie narażone na ryzyko pękania klimatycznego. Poniżej opisałem najważniejsze czynniki.
Rozmiar przeszklenia
Intuicja może podpowiadać nam, że najbardziej narażone na pękanie będą największe przeszklenia. Błąd! Duże tafle szkła łatwiej się odkształcą, przez co naprężenia będą mniejsze. Większe naprężenia uzyskamy w małych, w szczególności wąskich taflach. Istotny jest więc rozmiar, jak i stosunek długości boków.
Z tego względu, wykonując analizę statyczną szyb w obiekcie trzeba wziąć pod uwagę nie tylko największe formatki, które są najbardziej narażone na pozostałe oddziaływania, np. wiatr, ale także małe, wąskie formatki, w których występuje największe ryzyko pęknięć klimatycznych.
Grubość szkła
Intuicja może nam podpowiadać, że im grubsze szkło zastosujemy, tym będzie ono mocniejsze. Błąd! Cienkie tafle odkształcą się łatwiej, co zredukuje naprężenia. Grube tafle, odkształcone w tym samym stopniu, będą miały znacznie wyższe naprężenia, a więc ryzyko pęknięcia będzie większe.
Wykonując analizę statyczną, często zdarza się, że szyby są zbyt cienkie aby przeciwstawić się np. dużym siłom wiatru. Zwiększamy więc grubość pakietu i przeliczamy od nowa. Wówczas okazuje się, że z wiatrem nie ma już problemu, ale pojawia się problem z naprężeniami klimatycznymi. To sprawia, że intuicyjne podejście na zasadzie "im grubsze szkło tym mocniejsze" zupełnie się tu nie sprawdza, a indywidualna analiza statyczna dla każdego obiektu jest koniecznością.
Szerokość ramek dystansowych
Duży wpływ na naprężenia klimatyczne ma również szerokość ramki dystansowej czyli szerokość komory. W szerszych komorach znajduje się więcej gazu, a więc jego różnice objętości też będą większe.
Będzie coraz gorzej
W Polsce przez lata dominowały przeszklenia jednokomorowe, w których problem zbyt dużych naprężeń klimatycznych występował rzadko. Od kilku lat, przepisy wymuszają jednak stosowanie szkła dwukomorowego. Takie szyby są dużo lepszymi izolatorami, ale są też bardziej narażone na obciążenia klimatyczne. Dlaczego?
W przypadku zespolenia z jedną komorą, przy zmianach ciśnienia czy temperatury, odkształcą się obie szyby.
W przypadku dwukomorówki, w tych samych warunkach, odkształcić się będzie mogła tylko jedna szyba w danej komorze. Środkowa szyba jest wspólna dla obu komór, więc nie odkształci się bo będzie równoważona ciśnieniem z obu stron. W efekcie, to skrajne szyby będą musiały "zrobić miejsce" dla zwiększonej objętości gazu - każda w swojej komorze.
Wracając do porównania z paczką chipsów - jeśli na pokładzie samolotu, weźmiemy dwie "napompowane" paczki chipsów i przyłożymy do siebie tak mocno, aby stykające się ścianki były płaskie, wówczas skrajne ścianki opakowań jeszcze bardziej napęcznieją.
Jak się bronić przed naprężeniami klimatycznymi?
1. Indywidualna analiza
Analiza statyczna biorąca pod uwagę miejsce produkcji zespolenia, miejsce montażu i ewentualne inne czynniki jest niezbędna, aby oszacować możliwość pękania klimatycznego. Normy dotyczące szyb zespolonych oraz zaawansowane oprogramowanie dają nam dużą pewność, czy dane przeszklenie jest narażone na pęknięcia.
2. Hartowanie zewnętrznych tafli
Jeśli obliczenia wykazały zwiększone ryzyko pęknięć lub chcemy mieć pewność że szkło nie pęknie bez wykonywania odpowiednich obliczeń, można zahartować zewnętrzną i wewnętrzną taflę (obie skrajne). Szkło hartowane ma znacznie większą wytrzymałość, dlatego skutecznie eliminuje problem pękania klimatycznego.
3. Stosowanie membran
Alternatywnym rozwiązaniem jest permanentne rozszczelnienie pakietu szybowego poprzez zastosowanie membrany, takiej jak Swisspacer Air. Jest to kapilara umieszczona w metalowej osłonie i przegrodzona warstwą chroniąca przed wilgocią. Wyrównuje ona ciśnienie wewnątrz komory z ciśnieniem atmosferycznym. Wewnątrz komory stosuje się powietrze zamiast argonu co zmniejsza właściwości termoizolacyjne szyby ale można częściowo niwelować ten efekt stosując szerszą ramkę dystansową.
Podsumowanie
Mam nadzieję, że powyższym opisem zdołałem wytłumaczyć podstawy dotyczące tych mało intuicyjnych obciążeń. Wiedza na ten temat będzie przydawać coraz częściej, bo jestem pewien, że wraz ze wzrostem udziału szkła dwukomorowego w polskich budynkach, będzie zwiększać się ilość pęknięć klimatycznych.
Bibliografia
• Norma DIN 18008-2,
• https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/gazowe-prawa;3904479.html
• "Sprzężone gazowo płyty szklane w budownictwie. Sposoby badań i obliczeń.", Zbigniew Respondek
• "Insulated glass units with pressure compensation", Bernhard Weller, Mirko Köhler
• "Climate loads in insulating glass units: comparison of theory and experimental results", Stephan Buddenberg, Peter Hof, Matthias Oechsner