Питання якості, міцності і безпеки вітчизняних виробів з зміцненого скла при проектуванні будівельних конструкцій

Термозміцнені і повністю загартовані стекла є зміцненими світлопрозорими матеріалами, що поєднують конструкційні функції і роль заповнення прорізів. При проектуванні сучасних будівельних конструкцій скління, прозорих несучих і огороджувальних структур складною і актуальною проблемою є забезпечення міцності, надійності, довговічності та безпеки будівельних елементів зі скла, так як за сукупністю характеристик конструкційної міцності скло принципово відрізняється від інших будівельних матеріалів. Складність проблеми визначається відсутністю конкретних даних про міцність з боку виробників базового скла, вигоробників скляних елементів з виготовленого і зміцненого скла і гарантій міцності будівельних організацій, що здійснюють проектування, монтаж та експлуатацію скляних архітектурних конструкцій. Актуальність проблеми зумовлена ​​інтенсифікацією технічного прогресу і розширенням сфери застосування скла в сучасній архітектурі закордонних країнах і в Україні.



У доповіді наведено результати наукових досліджень Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України та ряду зарубіжних організацій, які показують, що при проектуванні будівельних конструкцій фактична конструкційна міцність скловиробів не може бути гарантована належним вибором типу скла і виду зміцнення, якщо на всіх етапах виробництва, монтажу та експлуатації склолементів належним чином не контролюються параметри, що впливають на механічну поведінку скла.

З використанням зразків і елементів стосовно до умов виробництва Компанії «Альтіс- Гласс» показано, що вся промислова технологія, включаючи стадії різання, механічної обробки і термічного зміцнення, а також збірки скляних вузлів і конструкцій, повинна бути оптимізована за критеріями якості і міцності, щоб гарантувати задану несучу здатність, довговічність і безпеку конструкцій. Без цього ефективність конструкційного застосування скла знижується в кілька разів, і виникають труднощі при проектуванні відповідних будівельних конструкцій.

Головними факторами, що визначають механічний опір будівельних елементів з виготовленого листового скла, є поверхневі дефекти типу мікротріщин, подряпин, сколів, розміри та геометричні параметри яких значно залежать від виду та якості вихідного скла, способів і технологічних режимів механічної обробки краю, отворів і вирізів. На несучу здатність склолементів сильний вплив надають умови силового або термічного навантаження, а саме, характер і ступінь рівномірності розподілу напружень, режими зміни навантаження — короткочасного, тривалого або циклічного. Температура і зовнішнє середовище при експлуатації також впливають на опір руйнуванню склолементів.

Загартування і інші види термічного зміцнення будівельного скла є ефективним способом підвищення його конструкційних властивостей. Однак фактичний рівень міцності, довговічності і характер руйнування зміцнених склолементів можуть сильно і непередбачувано змінюватися, якщо на виробництві не приділяється належна увага контролю якості і міцності згідно з відомими і загальнодержавними стандартами і нормами. Наслідком цього є руйнування будівельних конструкцій або їх завищена матеріаломісткість і вартість.

При оцінці міцності конструкцій з загартованого скла слід виходити з того, що в порівнянні і міцністю вихідного скла з'являється важливий додатковий фактор для підвищення механічного опору за рахунок гартувальних стискаючих напруг, які формуються в тріщинах поверхневого шару скла. За рахунок цих напруг граничне навантаження, необхідне для критичного розкриття мікротріщин і руйнування скляних деталей при механічному і тепловому навантаженні, може бути значно збільшене.

Це збільшення може бути різним у залежності від фактичних режимів термічного зміцнення, стану технологічного обладнання, кваліфікації персоналу та багатьох інших факторів, вплив яких важко оцінити без проведення спеціальних випробувань в умовах виробництва або в спеціалізованій організації, що має досвід в області конструкційної міцності скла.

Обговорюються отримані вперше результати комплексного дослідження конструкційної міцності на поперечний вигин пластин і зразків з відпаленого і зміцненого скла з урахуванням характеру і рівня поверхневої дефектності, а також реальних умов даного промислового виробництва загартованого скла. Враховано вимоги Європейських стандартів на загартоване і термічно зміцнене скло для будівництва та архітектури і способи оцінки його механічної міцності. Показано, що реальний рівень міцності на вигин вітчизняного загартованого будівельного скла за певних умов може бути в 2 і більше разів вище передбаченого існуючими вітчизняними та міжнародними стандартами та будівельними нормами. Це може бути використано для створення міцних будівельних конструкцій з листового скла з підвищеною працездатністю і довговічністю в порівнянні з відомими аналогами.

З використанням спеціальної методики фрактографіі виконана оцінка фактичних форм і розмірів вихідних мікротріщин у фокусі руйнування загартованих скляних елементів, а також на основі лінійної механіки руйнування розрахований рівень «чистого» опору поверхні скла крихкому руйнуванню. Були також оцінені розрахунком локальні гартівні напруги біля виявленої при випробуванні «слабкої ланки» - джерела руйнування на поверхні загартованого скла.

Було встановлено, що дефектність поверхні зміцненого скла зростає при термічній обробці скляного елемента і в результаті цього «чисте» опір скла знижується в порівнянні з міцністю вихідного скла. Запропоновано підхід для врахування цього явища при оцінці несучої здатності будівельних конструкцій і для вдосконалення технології виробництва загартованого скла і емаліта.

Отримані дані про рівень гартівних напружень в промислових виробах і зразках з листового скла товщиною від 4 до 12 мм, які характеризуються меншим ступенем однорідності в порівнянні з результатами вимірювання напруг оптичним методом, отриманими зарубіжними авторами. Цей результат показує, що існуючі стандартні способи неруйнівного контролю гартівних напруг не повною мірою відображають фактичний розподіл гартівних напруг на різних ділянках поверхні склолементів, що, в свою чергу, призводить до підвищеного діапазону даних про міцність будівельного скла різних виробників і вимагає зниження величини допустимих напружень при проектуванні будівельних конструкцій.

За результатами дослідження зроблено висновок про те, що технологія термічного зміцнення скла повністю визначає базові складові міцності загартованого та термозміцненого скла. Цими базовими складовими є опір руйнуванню поверхні скла і гартівні поверхневі напруги стиснення, які повинні бути точно контрольовані для забезпечення несучої здатності конструкційних скляних елементів в архітектурі.

Нова експериментальна методика точної оцінки обох складових згинальної міцності зміцненого скла, розвинена в даному дослідженні, може бути використана для оптимізації технологічних режимів гартування у переробній скляній промисловості і при виборі допустимих напружень, деформацій і навантажень на стадії проектування відповідальних будівельних конструкцій з вихідного і термічно зміцненого листового скла.

Справжнє дослідження виконане завдяки фінансовій підтримці Національної Академії наук України з науково-технічного проекту № 9 та технічної допомоги Компанії «Альтіс- Гласс» - промислового партнера по проекту.

Родичев Ю.М.
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України, Київ, Україна
E - mail: rym@ipp.kiev.ua, тел./Факс +38 044 2865257, тел. +38 044 2859613

Музика Ю.К.
Компанія «Альтіс- Гласс», Київ, Україна, ukraltis@com.ua

Доповідь висвітлювався в рамках семінару «Стан та шляхи вдосконалення застосування СПК», організаторами якого виступили:
• ТК «Світлопрозорі конструкції»
• Асоціація «Українські виробники світлопрозорих конструкцій»
• Спеціалізоване видання віконного виробництва - журнал «СКВО»

Посилання:
[1] Rodichev Yu.M., Netychuk A.V., Bodunov V.P., Yevplov Yu.N. Bending Strength and Fracture of Glass Materials under the Different Loading Conditions, “Glass Performance Days” Conf. Proc., Tampere, Finland, 2007.-P.P.615-618.
[2] Rodichev Yu.M., Influence of technology and scale effect on
bending strength of thermally strengthened flat glass elements.
Journal “Translucent constructions”.- Sankt - Petersburg.- N 3 (59).
2008.- PP 43-51
[3] Veer F.A., Louter P.C., Bos F.P. The strength of architectural glass.- Challenging Glass. Conference on Architectural and Structural Applications of glass.-Faculty of Architecture, Delft University of Technology.- May 2008.- PP419 – 428.
[4] Schiavonato M., Mognato E., Redner A.S., Stress measurement, fragmentation and mechanical strength.- Proceedings of International Conference „Glass Processing Days 2005”.- Tampere,
Finland.- PP. 92-95
[5] Сorti R., Kaonpää A., Nikkilä A.-P. Effect of different edges treatments on the 4-point
bending strength of normal and tempered glass.-GPD-2005 Conf. Proc.-Tampere.-
Finland.-2005.-PP 50-53.