Проблемы безопасного остекления кровель

Существующее положение

В последнее время современными архитекторами создается множество грандиозных проектов зданий и сооружений, в которых большое внимание уделяется естественному освещению. Создание прозрачных конструкций фасадов и прозрачных крыш не только придает легкость и воздушность любым сооружениям, но и делает процесс нахождения в них людей более комфортным. Это применимо к любым типам сооружений – торговым центрам и производственным помещениям, выставочным залам и концертным площадкам и пр. В данной статье будет рассмотрен конкретный вопрос создания стеклянных крыш и проблемы, связанные с их производством.

Создание светопрозрачных конструкций фонарного остекления должно выполнять три основных задачи: обеспечить проникновение дневного света, обеспечить прозрачность, а также безопасность людей, находящихся под такой конструкцией или в непосредственной близости от ее проекции на землю. Страшно даже представить, что произойдет, если с огромной высоты (а конструкции, которые рассматриваются в данном случае, имеют высоту не менее 10 м) произойдет обрушение.

Вопросы проектирования конструкций остекления фонарей частично рассматриваются в «Инструкции по проектированию, монтажу и эксплуатации стеклопакетов», разработанной и утвержденной в 1975 г. С тех пор все проекты по созданию стеклянных зенитных фонарей делаются исходя из требований, описанных в данной инструкции (напомню, созданной 34 года назад). Стекла, предусмотренные в данном документе, могут быть:

«2.2. В стеклопакетах применяются следующие виды листового силикатного строительного стекла: оконное, витринное неполированное, витринное полированное, теплоотражающее, теплопоглощающее и закаленное».

При этом максимальная площадь стеклопакетов для зенитных фонарей не может быть больше 2 м2.

Такие требования, особенно касающиеся максимальных площадей окон, действительно имели смысл в момент создания инструкции. В случае разрушения простое силикатное стекло разбивается на осколки, которые, падая с высоты, приобретают свойства гильотины, и от них практически невозможно спастись. Закаленное стекло (рис. 1) разрушается не так критично, как «сырое», однако «дождь» из фрагментов стекла, падающий на головы людей, также весьма опасен и может привести к травмам. Причем если закаленное стекло при его производстве не прошло процедуру проверки на внезапное разрушение (так называемый Heat Soak Test), то оно может разрушиться спонтанно, даже без внешнего механического воздействия.

Есть разные способы обеспечения безопасности стеклянной конструкции от внешних воздействий, которые зависят от степени возможных повреждений. Обычно используют многослойные стекла, где внешний слой изготавливается из закаленного стекла, а внутренний представляет собой двухслойное ламинированное стекло. Такая конструкция надежно обеспечивает защиту от атмосферных осадков, возможных попаданий камней, птиц и т.д. Однако если необходимо повысить прочностные характеристики остекленного здания для обеспечения безопасности при сильных ураганах, террористических актах, взрывах и т.п., также используют многослойное стекло, но как для внешнего, так и для внутреннего слоя используется двухслойное ламинированное стекло (на основе иономерных адгезивных полимерных пластин). Такая конструкция является значительно жестче и прочнее. Так, например, даже после разрушения стекла жесткость прослойки не позволяет конструкции выпасть из опор, что дает возможность и время для замены разрушенного элемента.

Ламинированное стекло – основа безопасности остекления крыш

Уже в течение многих десятилетий существует новый тип стеклянной конструкции – многослойное (ламинированное) стекло. Оно представляет два или более слоев стекла (как сырого, так и закаленного или термоупрочненного), соединенных между собой (прочно склеенных) одним или более слоями адгезивного полимера (рис. 2). Такие конструкции повсеместно применяются в автомобильной промышленности для производства безопасных лобовых стекол. Естественно, подобные решения стали пробовать применять в архитектурном остеклении. Структурные функциональные характеристики многослойного безопасного стекла существенно отличаются от функциональности однородного материала. Создается чрезвычайно прозрачная конструкция, стойкая к действию природных явлений, вандализму, взрывам и другим опасным воздействиям. В случае разрушения стекла стеклянные фрагменты остаются на прослойке, не разлетаясь на опасные осколки, которые могут ранить людей. Именно по этой причине многослойное безопасное стекло является единственной формой остекления, которая, по мнению многих специалистов, может применяться в остеклении фонарей и крыш. В настоящее время, как уже сказано выше, в 95 % случаев используются адгезивные прослойки из поливинилбутираля (ПВБ).

Однако для конструкций многослойного стекла с применением ПВБ существует ряд ограничений и сложностей при его проектировании. В основном это связано с механическими свойствами данной прослойки. Рассмотрим принципиальную схему работы конструкции при фонарном остеклении. При определенных допущениях можно считать, что основным типом деформаций стеклянных пластин, применяемых при таком остеклении, является изгиб (рис. 3). При приложении к двум (или более) стеклам нагрузки, как показано на рис. 3, между двумя внутренними поверхностями, которые находятся в прямом контакте друг с другом, происходит сдвиг, поскольку одна из двух поверхностей растягивается, в то время как другая — сжимается. Если оба стекла ламинированы с помощью адгезивной полимерной прослойки, она будет компенсировать искривление. Другими словами, она будет способна поглощать усилия сдвига (см. рис. 3).

ПВБ-прослойки эффективно поглощают усилия сдвига только тогда, когда они подвержены кратковременным нагрузкам. Таким образом, безопасность стекол с данными прослойками, обеспечивает превосходную защиту от экстремальных влияний, таких как вандализм, ураганы или взрывы. Однако ПВБ — это мягкий полимер, в котором возникают текучие деформации при долговременной нагрузке. В результате работа стекол, ламинированных ПВБ и подверженных долговременной нагрузке при изгибе, практически ничем не отличается от работы двух стекол, которые не были скреплены. Поэтому статические вычисления в настоящее время рассматривают только свойства стеклянных элементов и не учитывают эффект адгезивной связи многослойного стекла.

Ионопласты – принципиально новые решения для безопасности остекления

В последние годы все большую долю мирового рынка безопасных многослойных стеклянных конструкций завоевывают новые иономерные пластины DuPont™ SentryGlas®. Эта новая прослойка изначально была создана в конце 1990-х гг. для остекления в ураганно-опасных зонах. Их прочность на растяжение значительно выше, чем прочность ПВБ, а их жесткость при комнатной температуре фактически в сто раз выше (рис. 4). Также улучшена работа при повышенных температурах (рис. 5). Статическая работа безопасных многослойных стекол с SentryGlas® коренным образом отличается от работы стекол, ламинированных ПВБ. В результате конструкция из многослойного стекла может нести более серьезные нагрузки или, при одинаковых нагрузках, может быть уменьшена по толщине без потери безопасности.

Такие характеристики создают новые и интересные возможности для архитекторов и почти безграничную свободу дизайна и проектирования, поскольку свойства новых материалов позволяют создавать многослойные стекла, размеры которых ограничены только размерами автоклавов, используемых при их производстве. Наибольший стеклянный элемент, который может быть произведен на сегодняшний день, имеет следующие размеры: 3 м в ширину и 13,5 м в длину (Германия, компания Seele).

Улучшенные механические характеристики иономерных пластин по сравнению с пленками ПВБ логично требуют пересмотра подходов к проектированию конструкций из многослойных стекол, а также требуют учитывать свойства адгезивного слоя (ионопласта) при расчете многослойных конструкций, рассматривая их не как независимые пластины стекла, а как композитные системы.

Исследования работы новых материалов для производства безопасного ламинированного стекла

Естественно, вопросы применения новых материалов в конструкциях, особенно, когда дело касается безопасности для жизни и здоровья людей, требуют внимательного изучения. Компания DuPont провела исследования напряженно- деформированного состояния ламинированных стекол при изгибе (как уже отмечено выше – это основной тип работы конструкций светопрозрачных крыш). При этом проводилось исследование работы конструкций аналогичных размеров, ламинированных ПВБ, SentryGlas®, и их сравнение с монолитным стеклом.

Рассматривались три типа конструкции:

• 5 мм стекло / 0,76 мм ПВБ / 5 мм стекло

• 5 мм стекло / 0,76 SentryGlas® / 5 мм стекло

• 10 мм монолитное стекло

Исследования проводились по методике ISO 1288-3, контролировались напряжения в стекле и его деформации.

Некоторые результаты исследований представлены на рис. 6. Видно, что при увеличении нагрузки, напряжения в стеклах существенно расходятся, при этом напряжения в многослойных стеклах с использованием SentryGlas® значительно меньше не только по сравнению с аналогичными конструкциями из ПВБ, но и по сравнению с монолитным стеклом толщины. Так, уже при достижении нагрузки 200 Н, напряжения в образце с SentryGlas® в два раза ниже, чем в аналогичном образце с ПВБ. Та же ситуация и с прогибами конструкции.

Из вышесказанного можно сделать следующий вывод: жесткость SentryGlas® настолько высока, что между стеклами наблюдается практически идеальная передача напряжений. Это относится как к широкому диапазону температуры (результаты не представлены в статье, но имеются в наличии у автора), так и к длительному нагружению.

Значительной опасностью при остеклении крыш является также обрушение стекла в случае точечных креплений стеклянных конструкций. При проектировании фонарного остекления штаб-квартиры компании Endesa (Мадрид) проводились исследования влияния нагрузки, приложенной к стеклянной конструкции, ламинированной ПВБ и SentryGlas®. Как показано на рис. 7, при достижении нагрузки в 330 кг стекло было разрушено и нагрузка зафиксирована. При этом постоянно фиксировались прогибы пластин. Изделие с ПВБ выпало из опор через 7 мин после действия нагрузки, тогда как изделие с SentryGlas® оставалось неповрежденным.

Таким образом, SentryGlas® позволяет производить безопасные многослойные стекла с высокой несущей способностью, с отличным соотношением эффективности и веса конструкции, обеспечивающие высокий уровень безопасности.

По сравнению с изделиями с ПВБ изделия с SentryGlas® имеют следующие преимущества:

• снижение толщины стекла, зачастую на один или два типоразмера,

• установка стекол больших пролетов при заданных нагрузках,

• снижение количества точечных опор при безрамном остеклении.

Это позволяет существенно снизить вес остекления и, следовательно, снизить расходы при строительстве большепролетных стеклянных конструкций.

Другие аспекты работы безопасных многослойных стекол при остеклении крыш

Однако вопросы проектирования светопрозрачных крыш сводятся не только к напряженно-деформированному состоянию. Учитывая то, что эти конструкции находятся на границе между открытым воздухом и помещением, а также, как уже сказано выше, их задачей является максимально возможное обеспечение проникновения естественного освещения в помещение, большое значение для проектирования имеют вопросы оптических свойств стеклянных конструкций. Здесь мы опять видим огромное преимущество SentryGlas® по сравнению с ПВБ.

Любой полимерный материал имеет так называемый индекс желтизны, который определяет пожелтение материала со временем. На это влияют погодные условия (ультрафиолет, влага и пр.), а также старение самого материала. ПВБ-пленки имеют индекс желтизны от 6 до 12, в то время как этот показатель для SentryGlas® равен 1,5. Семилетние натурные исследования в штате Флорида, США (средняя температура воздуха +45 °С, средняя влажность воздуха 85 %), показали полное отсутствие каких-либо оптических изменений в пластинах с использованием SentryGlas®. Исследования в ОАО «Институт Стекла», проведенные в соответствии с ГОСТ 30826-2001 «Стекло многослойное строительного назначения» на оптические свойства после испытаний кипячением, облучением ультрафиолетом, замораживанием и нагревом, показали абсолютное отсутствие каких-либо оптических изменений. Подобные свойства многослойных стекол весьма важны для использования в фонарном и фасадном остеклении в связи с тем, что помимо постоянной прозрачности конструкции иногда требуются плановые или ремонтные замены элементов остекления. В случае, если стеклянная панель, собранная с использованием ПВБ либо других адгезивных полимеров, со временем помутнеет (а следовательно, помутнеют и все соседние панели), подобрать стекло с аналогичной оптикой будет невозможно, что приведет к эффекту шахматной доски.

Мировая практика проектирования и строительства большепролетных фонарных остеклений крыш

На иллюстрациях к данной статье представлены некоторые из проектов остекления крыш с использованием SentryGlas®.

Так, при проектировании стеклянной крыши торгового центра Yorkdale в Торонто, Канада (авторы ММС International architects) использовалась конструкция стеклопакета (рис. 8):

• 10 мм закаленное стекло / воздушная рамка / 8 мм стекло / SentryGlas® / 8 мм стекло.

Использование ПВБ в данном проекте потребовало бы следующую конструкцию:

• 10 мм закаленное стекло / воздушная рамка / 12 мм стекло / SentryGlas® / 12 мм стекло.

Таким образом, экономия стекла (а следовательно, и массы конструкции) составила 24 %. Расчет производился на снеговую нагрузку 3,1 КПа (в Москве и Санкт-Петербурге снеговая нагрузка составляет 1,8 КПа). Размеры панелей на проекте — 2,13х1,4 м, т.е. имели площадь около 3 м2.

При проектировании крыши офисного центра Endesa, о котором говорилось выше, использовалась конструкция: 8 мм стекло / SentryGlas® / 8 мм стекло.

Задача безопасности при проектировании была одной из основных, так как в здании работает более 1300 человек, а крыша расположена на высоте 32 м. При этом масса стекла снизилась на 25 %, что при общих данных кровли (3300 м2, общая масса 135 т) составило порядка 45 т. При этом размеры стеклянных панелей были 2,7х1,35 м, что составляет 3,65 м2.

Как видим, мировая практика показывает, что можно активно применять усиленные конструкции многослойного стекла в архитектуре крыш, при этом стеклянные панели можно использовать размерами больше, чем 2 м2.

Проблемы безопасного остекления крыш в России

Возникает вопрос, почему в России нет подобных проектов? Ответ прост – они есть. Но парадокс в том, что на сегодняшний день единственным нормативным документом, определяющим проектирование светопрозрачных фонарных покрытий, является уже упомянутая в начале инструкция.

За 34 года с момента создания этого документа строительная наука, с точки зрения создания современных материалов, существенно шагнула вперед, однако строители вынуждены пользоваться такими устаревшими документами. И любое применение новых типов материалов и разработок в настоящее время требует от них определенной смелости, поскольку (как в нашем случае) проектирование и монтаж безопасных современных конструкций – это отход от инструкции, поэтому проще делать то, что написано 34 года назад, даже в ущерб безопасности, но зато можно избежать нареканий контролирующих органов, дескать, все сделано по правилам.

Применение новых материалов требует от таких организаций определенной смелости и ответственности, которую не всем и не всегда хочется на себя брать. Результат — повсеместное использование увеличенных размеров для конструкций, которые получаются толще, тяжелее и, как следствие, более дорогими, чем это требуют поставленные задачи.

Безопасное стекло с использованием DuPont™SentryGlas® открывает захватывающий вид с высочайшего небоскреба Северной Америки Вознесшаяся поверх небоскребов Чикаго «Башня Уиллиса» (прежде известная как «Башня Сирса» или «Сирс-тауэр») – самое высокое здание в Северной Америке. Совсем недавно благодаря конструкционным прослойкам DuPont™ SentryGlas® у нее появилась новая отличительная особенность – «подвесной ярус», весь составленный из стеклянных смотровых кабин, из которых открывается захватывающий дух вид.

Посетители, стоящие на высоте 103 этажей над поверхностью земли в Подвесном ярусе «Башни Уиллиса», находятся в полной безопасности благодаря прочным, прозрачным настилам из DuPont™ SentryGlas®, способным выдержать многотонные нагрузки.

«Подвесной ярус – превосходный пример того, как компания «Дюпон» использует научные открытия для того, чтобы обезопасить людей и здания, – заметил Уильям Ф. Уэбер, вице-президент и генеральный управляющий компании DuPont Packaging & Industrial Polymers, занимающейся разработкой и производством полимеров для упаковки и промышленного применения. – Высокоэффективный материал SentryGlas® позволяет создавать конструкции безопасного остекления, которые выдерживают высокие ветровые и весовые нагрузки, поэтому его можно применить там, где простое стекло никогда бы не выдержало».

Адгезивная пластина SentryGlas® – главный компонент остекления многих общественных зданий, в том числе недавно реконструированного павильона театральных касс в г. Нью-Йорке (первого общественного здания с несущими стенами из стекла); музея Больцано в Италии; Уэстфилдского пассажа в Лондоне (крупнейшего в Европе торгового центра); здания Федерального суда в г. Майами (США) и многих других.

Б.С. Ухов, канд. техн. наук, руководитель отдела безопасного архитектурного остекления ООО «Дюпон Наука и Технологии»