Спонтанное разрушение стеклопакетов

Решение некоторых проблем применения стекла в архитектуре

Автор статьи Р.Н. Грицель, директор СП ООО «Завод стеклопакетов и архитектурного стекла» (торговая марка GLASSBEL)
В 2002 г. в Москве в подземном переходе ст. метро «Пушкинская» произошел террористический акт. И главным фактором травмирования людей стал не собственно взрыв, а разлетевшиеся осколки «сырого» стекла перегородок магазинов.Это событие привлекло пристальное внимание к проблеме безопасности остеклённых поверхностей. Правительством Москвы были срочно введены в действие специальные нормы МГСН 2.10.05, которые основываются на межгосударственном ГОСТ 30826-2001 «Стекло многослойное строительного назначения. Технические условия». Примерно через полгода после реконструкции Дворца водного спорта в Минске – возведения полностью остеклённого обновленного фасада весной 2004 г. возникло неожиданное явление: внешние стёкла стеклопакетов начали массово разрушаться при отсутствии видимых механических воздействий. Спонтанное разрушение стеклопакетов
Объяснение причин спонтанного разрушения стекла было различным: от ошибок в монтаже алюминиевой стоечно-ригельной системы, в неправильном креплении стеклопакетов, деформации вследствие неравномерных осадок до использования некачественного импортного тёмно-синего стекла марки Stopsol Supersilver Dark Blue. Последняя версия получила наибольшее распространение. Между тем, причиной разрушения стеклопакетов стал термошок – спонтанное разрушение окрашенного в массе стекла вследствие развития внутренних напряжений при нагревании-охлаждении. Контур стекла после раскроя всегда содержит мелкие отколы, являющиеся местными концентраторами напряжений. Нагрев-охлаждение стекла, особенно неравномерные, приводят к нарастанию напряжений в краевой зоне, что проявляется в виде трещин и отколов. Известно, что простое притупление контурной кромки стекла после раскроя, т.е. устранение концентраторов напряжений, увеличивает его прочность примерно в 1,5 раза. При проектировании фасадов с использованием окрашенного в массе стекла обязательно следует учитывать величину коэффициента поглощения энергии ЕА. Согласно Европейскому стандарту EN12150/2 обязательному упрочнению должно подвергаться стекло, имеющее ЕА более 50%.Стекло марки Stopsol Supersilver Dark Blue имеет величину ЕА 58% и является классическим примером высокого теплопоглощения. Юго-западный фасад Дворца водного спорта с наступлением весны стал подвергаться интенсивному нагреванию. Циклический неравномерный нагрев и охлаждение вызвали массовый термошок вследствие банального нарушения требований норм. Безопасность больших поверхностей остекления Разрушение оконного стекла редко приводит к травмам, т.к. размеры осколков обычно относительно невелики и они, как правило, остаются зажатыми по контуру в раме. Иные последствия возможны при обрушении элементов остекления высотного здания или витрины большого размера. Безопасность больших поверхностей остекления обеспечивается двумя методами: закалкой (термоупрочнением) и ламинацией (триплексованием). Эти методы и общая концепция заимствованы из опыта применения автомобильного стекла. Закалённый лист стекла разрушается одновременно на мелкие осколки с тупыми краями, обрушение которых даже с большой высоты, как правило, не вызывает травмирования людей. Ламинированное стекло разрушается подобно ветровому стеклу автомобиля: острые осколки остаются прикрепленными к PVB-пленке. Заметим, что стекло, оклеенное плёнкой с одной стороны, безопасным не является и не исключает возможность спонтанного разрушения вследствие термошока. Как правило, в высотных зданиях используют стеклопакеты с внешним закалённым стеклом и внутренним ламинированным, а при остеклении зенитных фонарей применение данного типа стеклопакета является обязательным. Это обеспечивает безопасность как внутри (невозможно выпадение), так и снаружи (мелкие падающие осколки имеют тупые края). В последнее время для обеспечения полной безопасности и в связи с распространением систем двойных вентилируемых фасадов всё чаще используют ламинированное закалённое (термоупрочненное) стекло. Связано это, в том числе, и с отмеченными случаями спонтанного разрушения закалённого стекла в случае возможного попадания в его состав при изготовлении включений cульфита никеля (NiS). Трансформация этого соединения под воздействием солнечного облучения в соль Ni7S6, происходит с резким увеличением объёма и взрывоподобным разрушением закалённого стекла. Оптические искажения на поверхностях фасадов В 2004 г. заводом GLASSBEL осуществлялась поставка уникальных стеклопакетов для элитного фитнес-клуба жилого комплекса в Москве. Размер стеклопакетов составлял 2420х4460 мм при использовании согласно проекту внешнего закалённого прозрачного стекла марки Optiwhite толщиной 10 мм и внутреннего ламинированного низкоэмиссионного формулы 6.6.2 LowE, т. е. толщиной 12,76 мм, с заполнением камеры стеклопакета аргоном. При изготовлении этого заказа на заводе уделялось пристальное внимание контролю качества, в особенности идеальной плоскостности стеклопакетов для получения абсолютно ровного фасада.Поставка первых партий стеклопакетов осуществлялась весной-летом 2004 г., при их приёмке не выявили никаких отклонений от требований по качеству. Однако в октябре-ноябре заказчик обнаружил явную вогнутость внешних стёкол установленных на фасад стеклопакетов, превышающую допустимые нормы согласно п.3.9 ГОСТ 24866-99 (0,001 длины наименьшей стороны). Была выставлена претензия, ставшая предметом длительной дискуссии.Физическое объяснение нарушения плоскостности заключено в неправильной формуле стеклопакетов, заложенной в проекте. Задавшись целью обеспечить полную безопасность остекления (внутреннее ламинированное стекло) и идеальную оптику (внешнее просветленное), проектировщик не учел главный принцип обеспечения плоскостности. Дело в том, что стеклопакет представляет собой камеру из двух параллельных стёкол, заполненную воздухом или инертным газом. Последние имеют некоторое начальное давление, равновесное окружающему, на момент герметизации на производстве. При изменении температуры окружающей среды давление внутри стеклопакета меняется. В жаркий период года оно может быть больше, а в холодный – меньше атмосферного. Соответственно, происходит деформирование стёкол в виде выпуклости или вогнутости. Деформирование всегда больше в направлении элемента меньшей изгибной жёсткости. Именно это и произошло на упомянутом объекте. Более толстое внутреннее стекло практически осталось плоским, а внешнее вогнулось. Заметим, что с наступлением весны стеклопакеты опять стали плоскими. Если бы изначально толще было внешнее стекло, вогнутость на фасаде была бы минимальной. Деформирование стёкол часто происходит уже при производстве стеклопакетов в случае повсеместно используемой несовершенной технологии горизонтальной опрессовки и герметизации (когда стеклопакет деформируется под собственным весом). В результате вместо реализации замысла архитектора – возведения фасада идеальной геометрии и зеркальности, появляются неприглядные объекты с хаотическими бликами. При обсуждении теплотехнических свойств стеклопакетов существует предвзятое и некомпетентное мнение о неэффективности их заполнения инертными газами (обычно аргоном). Оставив рассмотрение теплотехники в отдельной главе, отметим исключительно положительную роль аргона для обеспечения плоскостности фасадных стеклопакетов.Воздух является смесью различных газов, включающих и водяной пар. После герметизации молекулярное сито адсорбирует всю влагу воздуха, в результате чего в камере стеклопакета обеспечивается идеально сухая среда с невозможностью возникновения «точки росы» и запотевания. Однако адсорбция водяного пара неизбежно приводит к уменьшению давления внутри стеклопакета относительно начального – возникает неизбежная вогнутость стекол. А заполнение инертным газом, не содержащим водяной пар, является важным элементом обеспечения плоскостности. Используемый наиболее часто аргон, как тяжелый газ, также менее восприимчив к изменениям температуры. Для примера обратимся к фасаду здания МТС на проспекте Независимости в Минске. Поставка стеклопакетов размером 1300х2460 мм на этот объект осуществлялась предприятием в 2003 г. Идеальная зеркальность остекления была обеспечена за счёт применения более толстого внешнего рефлекторного стекла Antelio Clear и внутреннего, более тонкого, низкоэмиссионного, заполнения камеры аргоном, а также использованием вертикальной опрессовки и герметизации изделий. Проблема «королевства кривых зеркал» фасадов заключается также в повсеместной неразумной экономии, когда в стеклопакетах используют стёкла минимально допустимых толщин. В данном разделе мы не рассмотрели искажения оптики вследствие деформирования стекла в процессе закалки. Однако заметим, что чем тоньше стекло, тем более оно чувствительно к такому деформированию. Теплотехнические свойства стеклопакетов
В мире наблюдается устойчивая тенденция к повышению цен на энергоносители. При этом страны СНГ имеют временную отсрочку перед приходом мировых цен на газ и нефть. Существует уникальная возможность подготовиться к неизбежному росту стоимости энергии. Известно, что порядка 40% потерь тепла в зданиях происходит через оконные проёмы. В связи с постоянным увеличением площадей остекления жилых и общественных зданий эти потери могут существенно возрасти.В Беларуси нормами СТБ 939-93 «Окна и балконные двери для зданий и сооружений. Общие технические условия» установлена требуемая минимальная величина сопротивления теплопередаче окна 0,6 м2 /Вт или 1,67 Вт/м2. Это существенно меньше норм, установленных в Евросоюзе – 0,83 м2 /Вт или 1,2 Вт/м2 и несколько больше нормы, установленной в России, – 0,55 м2 /Вт (последняя в скором времени будет ужесточена). Следует признать, что норма 0,6 несколько устарела. Принята она из расчёта использования двухкамерного стеклопакета из 3-х обычных стёкол, вставленных в деревянную или пластиковую раму. Но известно, что максимальная величина сопротивления теплопередаче двухкамерного стеклопакета не бывает выше 0,57 (а обычно 0,53–0,55 – в зависимости от использования той или иной толщины дистанционной рамки и размера). Недостающая величина сопротивления теплопередаче достигается за счёт рамы. *Двухкамерный стеклопакет из трёх обычных стёкол является архаичным продуктом для нашего климата. * В Европе повсеместно используются однокамерные, более лёгкие стеклопакеты с применением энергосберегающих стёкол. Такой стеклопакет, заполненный воздухом, обеспечивает сопротивление теплопередаче как минимум на 20% выше – порядка 0,71 м2 /Вт, а при наполнении аргоном – более чем на 25% выше – порядка 0,83.Однокамерный стеклопакет на одну треть легче повсеместно используемого двухкамерного, т. е. является на одну треть менее материалоёмким. Поэтому в фасадном остеклении в основном используют энергосберегающие однокамерные стеклопакеты. Поведение же потребителей часто основывается на бытующем заблуждении, что 2 камеры лучше чем одна, а также недостаточной информированности проектировщиков, закладывающих в проекты архаичные решения. Ошибочно считать, что теплотехнические свойства стеклопакетов исчерпываются обеспечением высоких величин сопротивления теплопередаче. Известно, что кондиционирование помещений требует затрат энергии до 25% больше, чем для отопления. При больших поверхностях остекления контролю издержек на эксплуатацию здания в части расходов на кондиционирование необходимо уделять особое внимание. В настоящее время теплотехнический расчёт при проектировании, как правило, ограничивается учётом теплопотерь. Последний часто затрудняется тем, что при больших площадях остекления существенно меняется баланс теплообмена в соотношениях излучения, теплопереноса и конвекции, учёт которого требует как расчёта, так и инженерных приёмов на основе мировой накопленной практики. Архитектору не обязательно знать все имеющиеся в мире марки стёкол и их свойства. Однако неправильно ограничиваться только эстетическими требованиями к фасаду: цвету, зеркальности и т.п. Обязательно в проекте должны быть учтены теплотехнические свойства остекления в части стоимости последующей эксплуатации и гигиенических условий нахождения в помещениях человека. Заключение
В данной статье мы не пытались всеобъемлюще осветить все аспекты применения стекла в архитектуре. Сделана лишь попытка показать, что использование стекла, получившего за последние десятилетия большее развитие, нежели любой иной строительный материал, требует специальных знаний. Остеклённый фасад является многофакторной системой, при проектировании которой необходимо учесть эстетику, безопасность, экономичность эксплуатации, долговечность, возможность ухода и многое другое. Не все эти аспекты нашли свое отражение в отечественных нормативных актах. Поэтому изучение мирового опыта и разумное заимствование проверенных решений настоятельно необходимо. Р.Н. Грицель,

директор СП ООО «Завод стеклопакетов и архитектурного стекла» (торговая марка GLASSBEL)

Источник «Окна Двери Фасады»