Wytrzymałość szkła zespolonego vs obciążenie klimatyczne

Zastosowanie szkła zespolonego to obecnie jeden z najpopularniejszych sposobów konstruowania stolarki okiennej. Nie ma w tym nic dziwnego, bowiem szyby zespolone zapewniają szereg zalet, takich jak mniejsza przepuszczalność ciepła czy ochrona przed hałasem. Ważne jest jednak to, by pakiet taki był odpowiednio skomponowany oraz wytrzymały. Sprawdzając ten ostatni aspekt, należy wziąć pod uwagę różne obciążenia, jakie mogą oddziaływać na przeszklenie. Nie chodzi tu jednak jedynie o siłę wiatru, czy ciężar samej szyby, a coraz częściej o pewne obciążenie, które zaczyna stanowić coraz większe zagrożenie dla szyb zespolonych. Jest nim obciążenie klimatyczne.

Czym jest obciążenie klimatyczne szyb zespolonych?

Sama nazwa zjawiska, jakim jest obciążenie klimatyczne, bywa myląca. Dzieje się tak, ponieważ według Eurokodu 1 dotyczy ono wiatru oraz śniegu, a z kolei normy DIN18008 oraz EN16 zakładają, że obciążenie klimatyczne wynika z nadciśnienia bądź podciśnienia wewnątrz komór szyb zespolonych. Dla porządku w dzisiejszym tekście przyjmiemy drugą z tych klasyfikacji, dodając do niej pojęcia, takie jak:

naprężenie klimatyczne – naprężenie wywołane przez obciążenie klimatyczne,
pęknięcie klimatyczne – pęknięcia spowodowane naprężeniem.

Obciążenie klimatyczne, a równanie Clapeyrona

Szkło zespolone w przeważającej większości składa się z dwóch bądź trzech szyb, pomiędzy którymi znajdują się komory z gazem, takim jak argon. Komory te powinny być szczelne, tak by ilość gazu nie zmieniała się. Jeśli weźmiemy tutaj pod uwagę równanie Clapeyrona, które brzmi:

Pv/T= constans

p – ciśnienie
V – objętość
T – temperatura

zauważymy, że skoro ilość gazu we wnętrzu komór nie zmienia się, to przy zmianach ciśnienia i temperatury będzie zwiększać się jego objętość. Tak samo dzieje się z szybami zespolonymi, gdzie gaz zawarty w komorach zwiększa lub zmniejsza swoją objętość na skutek zmian temperatury i ciśnienia. W konsekwencji może to prowadzić do odkształcenia się szyb, a nawet ich pękania.

Budowa szyby zespolonej

Szyba zespolona jak zamknięte opakowanie w samolocie

Powyższą prawidłowość dotyczącą szyb zespolonych można śmiało odnieść do zachowania zamkniętej paczki z jedzeniem, takim jak popcorn czy rogalik, znajdującej się na pokładzie samolotu. W trakcie lotu w kabinie pasażerskiej panuje zdecydowanie niższe ciśnienie, niż na ziemi, gdzie pakowana była paczka. Z uwagi na tak drastyczną zmianę ciśnienia otoczenia paczka zabrana do samolotu bardzo szybko napompuje się, a nawet może pęknąć z uwagi na zmianę objętości gazu w jej wnętrzu. Identycznie zachowują się szyby zespolone, w których gaz zwiększa lub zmniejsza swoją objętość na skutek zmian ciśnienia praz temperatury.

Szyby mogą jednak pęknąć z różnych przyczyn. Skąd wiedzieć, że przyczyną jest naprężenie klimatyczne? Pęknięcie ma charakterystyczny wygląd (patrz zdjęcie poniżej).

Pęknięcie szyby z powodu obciążenia klimatycznego

Ugięcia szkła na skutek zmian temperatury oraz ciśnienia atmosferycznego

Konsekwencje naprężenia klimatycznego dla szyb zespolonych

Aby zrozumieć, jak naprężenie klimatyczne oddziałuje na szyby zespolone, warto rozważyć dwie skrajne sytuacje.

1. Zassanie tafli do środka zespolenia, które może mieć związek z:

Różnicą wysokości n.p.m. – w przypadku, gdy szyba zostanie wyprodukowana na południu kraju, w zakładzie umiejscowionym wysoko n.p.m., to przy transporcie w miejsce położone niżej, o wyższym ciśnieniu atmosferycznym, ciśnienie w jej wnętrzu pozostanie stałe. Może to prowadzić do wzrostu naprężenia w szybie i zasysania jej do wnętrza zespolenia.
Wahaniami ciśnienia – w takich przypadkach, podobnie jak wcześniej, ciśnienie wewnątrz komór nie zmienia się, gdy na zewnątrz szyb ulega ciągłym zmianom. Sprzyja to zasysaniu szyb do wewnątrz oraz wzrostom naprężenia w szkle.
Wahaniami temperatur – takie sytuacje mogą mieć miejsce zimą, gdy temperatura spada, a gaz znajdujący się wewnątrz pakietu schładza się i zmniejsza swoją objętość. Utworzone w ten sposób podciśnienie zasysa szyby do środka i zwiększa naprężenie w szkle. Oczywiście w przypadku dobrze ogrzewanych pomieszczeń takie sytuacje nie mają miejsca.

2. Wybrzuszenie tafli na zewnątrz zespolenia związane z:

Różnicą wysokości n.p.m. – w przypadku, gdy szyby zostaną wyprodukowane w zakładzie znajdującym się nisko n.p.m. i zostaną przetransportowane w rejony usytuowane wyżej, gdzie ciśnienie jest niższe, tafle szkła mogą zostać wypchnięte na, zewnątrz, co prowadzi do ich odkształcania i wzrostu naprężenia.
Wahaniami ciśnienia – jest to analogiczna sytuacja, która występuje, gdy na dany teren przychodzi niż prowadzący do spadku ciśnienia atmosferycznego.
Wahaniami temperatury – sytuacje takie mają miejsce latem, kiedy temperatura znacznie wzrasta, a gaz w komorach zwiększa swoją objętość. Naprężenia rosną, a tafla wybrzusza się.

Skutki odkształcenia tafli

Wśród skutków, jakie może przynieść odkształcenie tafli szyby zespolonej, wyróżniamy:

Nieestetyczny wygląd – silne wybrzuszenie lub zassanie szyby może powodować zniekształcenia tafli, a nawet prowadzić do powstania efektu soczewki. W takich przypadkach zassana szyba potrafi skupiać promienie słoneczne, a nawet powodować pożary.
Rozszczelnienie pakietu szybowego – ugięcia powstałe w wyniku zassania lub wybrzuszenia mogą spowodować naprężenia na uszczelniaczu szyb zespolonych. Jest to prosta droga do rozszczelnienia pakietu, z którego zacznie uciekać gaz, zmniejszając tym samym właściwości izolacyjne okna.
Pękanie – występuje ono w skrajnych przypadkach, a najbardziej narażone są na tego typu wady wąskie i cienkie tafle szkła.

Jak uchronić się przed naprężeniami klimatycznymi?

Analiza czynników — istotnymi działaniem, który może ustrzec nas przed koniecznością zmagania się z naprężeniami klimatycznymi będzie, przede wszystkim indywidualna analiza czynników wpływających na występowanie tego zjawiska. Warto tu również zwrócić uwagę na normy dotyczące szkła zespolonego, które pozwolą nam zyskać pewność, czy dany rodzaj przeszklenia będzie podatny na pęknięcia.

Hartowanie tafli zewnętrznych – szkło hartowane ma zdecydowanie większa wytrzymałość niż standardowa tafla, dlatego takie działanie zmniejszy możliwość wystąpienia pęknięć.

Stosowanie membran – jest to alternatywne rozwiązanie polegające na rozszczelnieniu pakietu przy pomocy specjalnej membrany. Pozwala ona na wyrównanie ciśnienia wewnątrz komory, z tym występującym w atmosferze.

Metoda oceny jakości szyb zespolonych

Jak ocenić jakość szyby zespolonej?

W celu oceny jakości szyby zespolonej należy przyglądnąć się jej pod konkretnym kątem. W czasie obserwacji należy stanąć 2 m od szkła i patrząc na szybę pod kątem prostym, przy pionowej pozycji szyby na jednolitym szarym tle, dokonać oceny. Jeśli nie ma możliwości ustawienia szkła na szarym tle, można ustawić obiekt na tle szarego nieba. Jeżeli szyba zespolona posiada wady — powinny one zostać wychwycone podczas takiej obserwacji.