Структурное остекление. SSG — основные принципы проектирования

Под названием «Структурное Остекление» принято понимать технологию крепления фасадных плит или панелей к конструкции здания, где клей является только вяжущим веществом. Само название выводится из первоначального применения его для обозначения крепления листов стекла к фасаду здания. С развитием технологии силиконов под названием «Структурное Остекление» в настоящее время может иметься в виду также конструкционное склеивание таких элевационных материалов, как: стекло анодированное или покрытое алюминием, нержавеющая сталь, титан или натуральный камень. Склеиванию могут подвергаться как отдельные панели, так и комплексы панелей, например, комплексные рамы.



Различается пять основных типов структурного остекления (классификация касается конструктивных решений, а не применяемых материалов):
1. Двусторонняя система характеризуется тем, что два бока элевационной панели склеиваются, а остальные крепятся механически, например, в обвязке.
2. Четырехсторонняя система характеризуется креплением элевационной панели только с помощью конструкционного клея.
3. Стержневая система, где отдельное или комплексное стекло крепится с помощью специального стержня, помещенного в просверленном отверстии. Клей в этом случае выполняет двоякую роль – крепления стержня в отверстии и уплотнения. В некоторых системах с комплексным стеклом только внутреннее стекло просверлено и укреплено с помощью стержня, а наружное «висит» на силиконе, например, система Сэдев Бэтимент.
4. Стержневая система клеенная отличается от предыдущей тем, что стержни приклеиваются непосредственно к стеклу (без сверления отверстий), все в целом склеивается исключительно конструкционным способом.
5. Система стеклянных ребер основана на принципе элевации с применением стеклянных ребер, являющихся вертикальными элементами, придающими жесткость. Ребра крепятся механическим способом к конструкции здания, а фасад целиком, в основном стеклянный, приклеивается конструкционными клеями к стеклянным ребрам.

Поставщики фасадных систем в своих решениях принимают определенные максимальные допустимые размеры применяемых панелей. При структурном остеклении каждая система, помимо максимальных размеров панелей, дает также размеры силиконового соединения, которые обеспечивают требуемую безопасность и долговечность предлагаемого решения. Однако на поставщике конструкционных силиконов лежит ответственность за правильное измерение силиконового соединения в каждом индивидуальном случае. Поэтому при каждом проекте структурного фасада производится расчет выносливости с учетом условий, выступающих в данном проекте. Принципы расчетов были разработаны в результате сотрудничества производителей конструкционных силиконов и сертифицирующих учреждений с помощью Рабочей Группы ЕС Atc и были напечатаны в документе «Техническое руководство по апробированию систем, склеиваемых структуральным способом», представляющем собой указания по расчетам и сертификации систем и конструкционных силиконов, применяемых в SSG. Различаются два основные конструкционные типа, каждый в двух вариантах (Рис . 1):

ТИП I (подпираемые системы), где вес элевационной панели переносится на несущую конструкцию с помощью механических опор:
— вариант 1 – механическая защита от выпадения
— вариант 2 – защита отсутствует

ТИП II (не подпираемые системы), где собственный вес элевационной панели переносится на несущую конструкцию исключительно с помощью силиконового соединения:
— вариант 1 – механическая защита от выпадения;
— вариант 2 –защита отсутствует.



При подборе размеров силиконового соединения принимается во внимание:
• влияние ветра – следует учитывать напор, всасывание и вибрацию элевационной панели. Эти данные должны исходить от проектировщика и даваться с учетом максимального напора ветра по данным минимум за 10 лет с учетом размещения и формы здания. Для наклонных элементов следует учитывать также нагрузку под снегом.
• Влияние температуры – следует учитывать термическое расширение элементов системы, как в суточном цикле, так и в годичном;
• способ переноса собственного веса элевационной панели. Расчеты для систем ТИПА I (подпираемых): очень важно правильно определить размеры (длину) установочных бревен, подпирающих элевационную панель.

В принципе следует применять две установочные планки толщиной минимум 3 мм, помещенные на расстоянии 1/ 4 от кромки, длину подпираемой кромки панели. В этом случае длина установочных бревен определяется уравнением:

L = S x 25/U, где:
L – длина установочной планки;
S – площадь стекла в м²;
U – допустимая сила нажима на материал установочной планки в N/мм².



Расчет размеров силиконового соединения:

h = [ a/2 x W/q ] x 10 -6 мм, где :
h – высота силиконового соединения в мм;
a – длина более короткого бока панели в мм;
W – напор ветра в Ра;
q – допустимая эластичность силикона в N/мм².




Толщина силиконового соединения рассчитывается по формуле:

e = E0/3 x Td/td в мм, где:
e – толщина силиконового соединения в мм;
E0 – модуль упругости силикона для тангенциальных усилий в N/мм 2;
Td – максимальное температурное удлинение в данных условиях;
td – максимальная допустимая упругость силикона при динамических силах сжатия. Величина Td рассчитывается в зависимости от того, какой бок панели подпирается , по уравнениям: если b >a (подпирание стороны а), то:

Td = [ (Tc – Ta ) x ac – (T0 – Ta) x av ] x [ (a/2)2 + b 2 ]1/2.

Если (подпирание стороны а), то:
Td = [ (Tc – Ta ) x ac – (T0 – Ta) x av ] x [ (b/2)2 + a 2 ]1/2, где:
a – ширина панели;
b – длина панели;
Tc – максимальная температура несущей рамы (обычно принимается 55 0С);
T0 – средняя температура окружающей среды (обычно принимается 20 0С);
Tv – максимальная температура панели (стекла) – обычно принимается 80 0С;
ac – коэффициент температурного расширения материала рамы;
av – коэффициент температурного расширения материала панели (на практике не допускается, чтобы толщина силиконового соединения была меньше 6 мм, а отношение толщины и высоты размещалось в интервале: 3 е >h >е).

Расчеты для систем ТИПА II (не подпираемые):

В этом случае принимается, что весь вес панели переносится через силиконовое соединение на вертикальных кромках панели.

Высота соединения рассчитывается исходя из зависимости:

h = (Rv x a x b x d) / (a или b) x ts в мм
(выбор a или b в зависимости от того, какая кромка является вертикальной)

при сохранении условия:

h = [a/2 x W/q ] x 10 -6 в мм, где:
h – высота силиконового соединения;
a – ширина панели в мм;
b – длина панели в мм;
d – толщина панели в мм;
Rv – плотность материала панели в N/мм²;
ts – максимально допустимая упругость силикона при статичных силах сжатия в N/мм²;
W– напор ветра в Ра;
q– допустимая эластичность силикона в N/мм².

Толщина силиконового соединения рассчитывается по формуле:

e = E0/3 x Td/td в мм, где:
e – толщина силиконового соединения в мм;
E0 – модуль упругости силикона для тангенциальных усилий в N/мм²;
Td – максимальное температурное удлинение в данных условиях;
td – максимальная допустимая упругость силикона при динамических силах сжатия. Величина Td рассчитывается из зависимости:

Td = [ (Tc – Ta ) x ac – (T0 – Ta) x av ] x [ (a/2)2 + ( b/2)2 ]1/2 где:
a – ширина панели;
b – длина панели;
Tc – максимальная температура несущей рамы (обычно принимается 55 0С);
T0 – средняя температура окружающей среды (обычно принимается 20 0С);
Tv – максимальная температура панели (стекла) (обычно принимается 80 0С);
ac – коэффициент температурного расширения материала рамы;
av – коэффициент температурного расширения материала панели.

На практике необходимо следить за тем, чтобы толщина силиконового соединения была не менее 6 мм, а отношение толщины и высоты размещалось в интервале 3 е >h >е. В случае применения стекла в качестве элевационных панелей можно пользоваться как отдельными листами, так и комплексными стеклами. В этом последнем случае допускаются только комплексы, состоящие из двух листов стекла. При подборе толщины стекла следует пользоваться основными принципами подбора толщины стекла в зависимости от площади остекления и отношения боков, а также нагрузок от ветра и снега. Так, например, для отношения боков a/b <3 для единичного листа стекла применяется зависимость:
d = [(a x b) x W / 72 ]1/2 (обозначения такие же, как выше).

В случае комплексных стекол следует установить как эквивалентную толщину стекла, так и размеры уплотнения силиконом. Это очень важно потому, чтобы не переносить механически опыт производства типовых комплексных стекол. При применении комплексного стекла для структурного остекления расчет высоты остекления производится исходя из зависимости:

h s = [a/2 x W/q ] x 10 - 6 в мм,
если толщина наружного листа d 1 больше толщины внутреннего листа d 2, и

h s = [a/2 x W/2q ] x 10 -6 в мм,

если толщина наружного листа d 1 меньше толщины внутреннего листа d 2 (обозначения такие же, как выше). За минимальную высоту уплотнения принимается 6 мм. Толщина соединения определяет ширину применяемой дистанционной рамки. С учетом того, что не применяются рамки меньше 6 мм, условие минимальной толщины уплотнения считается выполненным. Подбор типа стекла зависит от требований архитектора, инвестора и пользователя, и должен удовлетворять следующие критерии:
• эстетический – цвет, отражение света и т.п.;
• термоизоляцию – по отношению к потерям тепла из здания в окружающую среду, определяемых через коэффициент «U» (это важно в течение отопительного сезона), а также общей передаче солнечной энергии, определяемой коэффициентом «b» или «shading-coefficient» (это важно в течение летнего периода и особенно в климатизированных помещениях);
• безопасность – как с точки зрения пользователей внутри здания, так и прохожих. Следует подчеркнуть, что сложившееся убеждение о безопасности закаленного стекла, к сожалению, несостоятельно. Правда, это стекло характеризуется значительно большей устойчивостью к разрушающим напряжениям, однако одновременно в случае разбивания стекла оно распадается на мелкие куски. Уже с высоты около 6 м падающие куски закаленного стекла толщиной 6 мм вызывают опасные травмы головы у случайных прохожих, а при высоте более 10 м представляют угрозу для жизни. Хорошей альтернативой являются стекла полузакаленные (после разбивания они не выпадают из рамы) или стекла ламинированные, а также закаленные и ламинированные.
• конструкционные – как с точки зрения выносливости, долговечности и устойчивости к погодным условиям.

В случае структурного остекления должны быть выполнены дополнительные критерии:
• для стекол с покрытиями должны быть проведены тесты на сцепляемость и совместимость покрытия с предлагаемыми силиконами. Это касается также всех типов покрытий, применяемых для непрозрачных стекол. В случае покрытий, наносимых в вакуумной технике (стекло с мягким покрытием), обычно возникает необходимость удаления покрытия на всем пространстве приклеивания, что не является обязательным при пиролитических покрытиях (стекло с твердым покрытием).

1. Применение закаленных стекол в принципе ограничено наружным стеклом. В случае ступенчатого стекла, должны быть выполнены следующие дополнительные критерии, позволяющие применять закаленное стекло: — тогда, когда силиконовое соединение находится точно напротив уплотнения комплексного стекла;

2. тогда, когда силиконовое соединение находится не на наружном стекле.
• для непрозрачных стекол покрытия типа эмали или силикона всегда следует удалять из пространства приклеивания;
• всегда следует учитывать стресс, вызываемый нагреванием стекла, особенно на элевациях, подверженных непосредственному воздействию солнечных лучей.

Правильно спроектированный и рассчитанный структурный фасад является полностью безопасным и возможности, которые создает система склеивания элевационных панелей, дают архитекторам ни с чем не сравнимую свободу самовыражения.