W przypadkach przewidywanego bezpośredniego działania promieni słonecznych na szyby hartowane powinny one być poddane wyżarzaniu.
Samoistne pękanie szyb hartowanych zespolonych jest spowodowane uwalnianiem się siarczku niklu pod wpływem promieni słonecznych. Siarczek niklu uwalnia się podczas procesu hartowania i problem dotyczy tylko hartowanych tafli szklanych. Neutralizację występowania uwolnionego siarczku niklu powoduje proces wyżarzania, tzw. heat soak test lub inaczej HST.
W latach 2010–2012 w jednej z galerii handlowej na terenie Dolnego Śląska zaczęły samoistnie pękać tafle szklane elewacyjne i dachowe.Początkowo zarządca obiektu sprawę bagatelizował, jednak w wyniku powtarzających się awarii w postaci pęknięć tafli szklanych zlecił wykonanie badań i niezbędnych czynności w celu ustalenia przyczyn powtarzających się pęknięć. Badany panel szklany składał się z szyby hartowanej zewnętrznej o grubości 8 mm z pustką powietrzną wypełnioną argonem i z szybami zewnętrznymi klejonymi o grubości 5 mm + 0,76 mm + 5 mm. Panel ma następujące właściwości w stosunku do promieniowania i energii świetlnej (wg EN 410):
– współczynnik przepuszczalności bezpośredniej promieniowania słonecznego – Te(Et) = 34%;
– współczynnik odbicia bezpośredniego promieniowania słonecznego – 32% (24%);
– współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego – g = 40%.
Ponadto panele dachowe są osadzone w kształtownikach aluminiowych z przekładką termiczną systemu ALUPROF®, z uszczelnieniem zewnętrznym realizowanym na poziomie zewnętrznej płaszczyzny tafli szyby zespolonej za pomocą spoiny silikonowej (20 mm) wykonanej z silikonu pogodowego. Silikon pogodowy uszczelnia styk pomiędzy listwą dociskową a zewnętrzną taflą szyby zespolonej.
Prezentowana tafla szklana jest produkowana techniką float, tzn. masę szklarską wylewa się na rozgrzaną cynę, uzyskując tym sposobem wysokiej jakości tafle o jednolitej grubości oraz błyszczącej polerowanej powierzchni. W czasie produkcji szkło poddawane jest procesowi hartowania, przez co jego wytrzymałość na zginanie wzrasta 3–8-krotnie. Technika hartowania szkła polega na wprowadzeniu naprężeń własnych. Taflę szklaną należy podgrzać do temperatury powyżej 640oC i następnie gwałtownie ją ostudzić. Najszybciej schładza się warstwa zewnętrzna tafli. Później następuje spadek temperatury w części środkowej tafli. To powoduje kurczenie się masy szklanej wewnętrznej, podczas gdy masa zewnętrzna uległa już skurczeniu. Powstają wówczas naprężenia własne powodujące w strefie zewnętrznej ściskanie, natomiast w strefie środkowej powstają naprężenia rozciągające. Należy nadmienić, że szkło ma dobre właściwości na ściskanie, natomiast jego wytrzymałość na rozciąganie jest o rząd wielkości mniejsza. Wprowadzenie naprężeń własnych powoduje wzrost wytrzymałości tafli szklanej na zginanie przez redukcję naprężeń rozciągających od zginania.
Fot. 1 Pęknięta tafla szklana
Stan techniczny świetlików dachowych
Podczas oględzin konstrukcji aluminiowo-szklanych stwierdzono, że stan techniczny świetlików, tj. paneli szklanych o wymiarach 2,0 x 1,0 m, jest bardzo dobry. Wykonanie uszczelnień okien było poprawne i zgodne z aprobatą techniczną wydaną przez ITB.
Wykonano obliczenia statyczno-wytrzymałościowe zgodnie z niemieckimi normami [2, 3]. Należy nadmienić, że PN dotyczącej obliczeń paneli szklanych wypełnionych argonem nie ma. Panel szklany sprawdzono nie tylko na obciążenia klimatyczne, tj. obciążenie śniegiem i wiatrem, ale także na zmianę ciśnienia atmosferycznego w trakcie eksploatacji. Uzyskane wyniki potwierdziły, że panele szklane zostały poprawnie zaprojektowane i od obliczeniowych obciążeń klimatycznych stan graniczny nośności i użytkowania nie został przekroczony. Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe wykonano przy następujących założeniach:
– przy temperaturze zewnętrznej +45oC założono ciśnienie meteorologiczne na poziomie 100 kPa (odpowiada to obciążeniu 13,9 kN/m2 i naprężeniom σmaks.= 2,7 MPa);
– przy temperaturze zewnętrznej +3oC założono ciśnienie meteorologiczne na poziomie 104 kPa (odpowiada to obciążeniu 7,4 kN/m2 i naprężeniom σmaks.= 1,43 MPa);
– moduł Young wynosi E = 70 GPa [1, 4, 5];
– współczynnik Poisona szkła wynosi µ = 0,23 [1, 4, 5];
– współczynnik rozszerzalności termicznej szkła przyjęto αT= 0,0000121/K [1, 4, 5].
Naprężenia od obciążenia śniegiem i wiatrem wynosiły odpowiednio 16,6 i 2,7 MPa, przy naprężeniach dopuszczalnych 39,1 MPa. Otrzymane wyniki świadczyły zatem o dużym zapasie nośności tak obciążonych płyt szklanych i nie mogły być przyczyną pęknięć szyb.
Sprawdzono ponadto dobór profili aluminiowych i ich wykonanie zgodnie z [6, 7 i 8]. Profile aluminiowe były dobrane i wykonane poprawnie zgodnie z wymaganiami PN-EN.
Fot. 2 Pęknięta tafla szklana – charakterystyczny rozkład pęknięć
Analiza przyczyn pęknięć tafli szklanych
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń statycznych i wytrzymałościowych oraz analizy przyjętych i wykonanych rozwiązań konstrukcyjnych stwierdzono poprawność wykonania przykrycia szklanego. Ponadto wypełniona pustka panelu szklanego argonem i jej parametry początkowe gazu uzyskane w procesie produkcji spełniają wymagania norm przedmiotowych [6–14].
W trakcie przeprowadzonych analiz stwierdzono, że szyby hartowane nie były poddane procesowi HST, tzn. nie zostały poddane wyżarzaniu. W procesie produkcji szkła mogą się dostać (uwolnić) cząstki siarczku niklu (NiS). Pod wpływem ogrzania szkła w procesie hartowania cząstka siarczku niklu zawarta w tafli szkła zmienia swoją objętość. Nagłe schłodzenie tafli szkła w kolejnym etapie powoduje jej zahartowanie, ale „zagubiona” w niej cząstka siarczku niklu potrzebuje dłuższego czasu, aby powrócić do pierwotnej objętości i zostaje „zamrożona” w tym stanie. Powoduje to wytworzenie dodatkowych naprężeń w szkle. Zjawisko to zachodzi podczas słonecznej pogody w okresie letnim lub zimowym i może powstawać przy różnych temperaturach zewnętrznych. W zamontowanej w fasadzie i zadaszeniu hartowanej tafli szklanej z wtrąceniem cząstki niklu, która zostaje nagrzana pod wpływem promieniowania słonecznego, następuje uwolnienie wzrostu objętości cząstki, co powoduje dodatkowe naprężenia wewnętrzne. Jeżeli taka cząstka znajduje się w strefie naprężeń rozciągających, to istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, że zostanie przekroczony graniczny poziom naprężeń i nastąpi spontaniczne pęknięcie tafli szklanej. To zjawisko eliminuje proces heat soak test (HST). Elementy konstrukcyjne, np. żebra szklane, zawsze muszą być poddawane temu procesowi. Pomimo zwiększenia kosztów produkcji i wydłużenia czasu wykonania szyb hartowanych poddanych procesowi HST powinno się je montować w przypadkach bezpośredniego działania promieni słonecznych. W ten sposób można wyeliminować w przyszłości samoczynne pękanie szyb i tym samym nie narażać właściciela na znaczne koszty wymiany paneli szklanych. W cytowanych normach nie ma zaleceń oraz wymogów, kiedy i dla jakich paneli należy stosować proces heat soak test po hartowaniu szyb.
Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych analiz stwierdzono konieczność stosowania procesu wyżarzania HST paneli szklanych po hartowaniu, a szczególnie paneli zewnętrznych zainstalowanych w miejscach nasłonecznionych (np. strona południowa i niezacieniona). Elementy konstrukcyjne, tj. żebra szklane, pojedyncze panele szklane, powinny być poddawane wyżarzaniu HST obligatoryjnie ze względu na konstrukcyjny charakter pracy tych elementów.
inż. Jan Gierczak
Politechnika Wrocławska
Katedra Konstrukcji Metalowych
UWAGA: Artykuł oparty na referacie przygotowanym na XXVI Konferencję „Awarie Budowlane” (Szczecin–Międzyzdroje 2013 r.).
Literatura
1. Austr alia Standard, Glass In buildings – selection and installation, AS 1288-2006.
2. DIN 18008-1 Glas im Bauwesen- Bemessungs- und Konstruktionsregeln. Teil 1: Begriffe und allgemeine Grundlagen.
3. DIN 18008-2 Glas im Bauwesen- Bemessungs- und Konstruktionsregeln. Teil 2: Linienförmig gelagerte Verglasungen.
4. Pr EN 13474-1 Glass in building Design of glass panes – Part 1: General basis of design.
5. Pr EN 13474-2 Glass in building Design of glass panes – Part 2: Design for uniformly distributed loads.
6. PN-EN 1999-1-1 Eurokod 9 Projektowanie konstrukcji aluminiowych. Część 1-1: Reguły ogólne.
7. PN-EN 1090-1 Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Część 1: Zasady oceny zgodności elementów konstrukcyjnych.
8. PN-EN 1090-3 Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Część 3: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji aluminiowych.
9. PN-EN 1279-5+A2 Szkło w budownictwie. Izolacyjne szyby zespolone. Część 5: Ocena zgodności.
10. PN-EN 1279-1 Szkło w budownictwie. Szyby zespolone izolacyjne. Część 1: Wymagania ogólne, tolerancje wymiarowe oraz zasady opisu systemu.
11. PN-EN 1279-2 Szkło w budownictwie. Szyby zespolone izolacyjne. Część 2: Długotrwała metoda badania i wymagania dotyczące przenikania wilgotności.
12. PN-EN 1279-3 Szkło w budownictwie. Szyby zespolone izolacyjne. Część 3: Długotrwała metoda badania i wymagania dotyczące ubytku gazu oraz tolerancje koncentracji gazu.
13. PN-EN 1279-4 Szkło w budownictwie. Szyby zespolone izolacyjne. Część 4: Metody badania fizycznych właściwości uszczelnień obrzeży.
14. PN-EN 1279-5 (zastępuje PN-B-13079:1997) Szkło w budownictwie. Szyby zespolone izolacyjne. Część 5: Ocena zgodności z normą.
