К вопросу о прочностных характеристиках листового архитектурного стекла и стеклопакетов. Требования и методы испытаний

строительные материалы и конструкции

К вопросу о прочностных характеристиках листового архитектурного стекла и стеклопакетов. Требования и методы испытаний

A.B. Пчелинцева, H.A. Пантюхов, С.И. Тихомирнов

Введение в проблему. В имеющейся на сегодняшний день нормативной базе РФ отсутствуют стандарты на методы испытаний строительного стекла на прочность и жесткость. В имеющихся стандартах на стекло, которые гармонизированы с международными и европейскими нормами, приведены лишь отдельные методы определения безопасности стекла при эксплуатации:

— ГОСТ 111-2001 «Стекло листовое»;

— ГОСТ 30698-2000 «Стекло закаленное строительное»;

— ГОСТ 30826-2001 «Стекло строительное многослойное»;

— ГОСТ Р 51136-2008 «Стекла защитные многослойные».

Перечисленные стандарты не содержат методики испытаний стекла, как элемента строительной конструкции, на прочность (напряжение сжатия, растяжения, разрушения) и жесткость (прогибы) и не гармонизированы с европейскими нормами.

В ГОСТ 24866-99 «Стеклопакеты клееные строительного назначения» устанавливаются следующие требования: «стеклопакеты должны выдерживать эксплуатационные нагрузки, в том числе ветровые. При расчете стеклопакетов на прочность каждое стекло в стеклопакете рассчитывают отдельно в зависимости от действующей на него нагрузки». Расчетное сопротивление листового стекла на растяжение при изгибе рекомендуется принимать равным 15 МПа (150 кгс/см2). Но методики испытаний и расчетов не приведены.

По своим свойствам листовое стекло является твердым хрупким материалом, прочность которого зависит от многих факторов, а разрушение в конструкциях носит внезапный характер. Область применения листового стекла в архитектуре и строительстве в последние годы стремительно расширяется. Вопрос прочности и, следовательно, безопасности приобретает все большее и большее значение. Своевременное введение в действие законодательных актов (технических регламентов), направленных на обеспечение повышенных требований к безопасности строительных материалов и, в частности, стекла должно способствовать разработке соответствующей нормативной базы, устанавлива-

ющей расчетные и лабораторные методы прочностных испытаний строительного стекла.

На сегодняшний день у отдельных производителей стекла (например, в компании ДОС) успешно функционируют технические отделы, в задачу которых входит квалифицированный подбор стекла для использования в строительных конструкциях. Недостаточность российской нормативной базы значительно усложняет эту работу, особенно в области безопасного остекления. В большом количестве случаев приходится ориентировать потребителей на европейские нормы.

Такое положение нередко приводит к тому, что еще на стадии монтажа стеклопакетов в составе светопрозрачных фасадов и кровель, а также в процессе эксплуатации происходит их разрушение.

В декабре 2009 года вышел в свет Федеральный закон Российской Федерации № 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (вступает в силу 1 июля 2010 г.). К сожалению, данный документ не содержит даже минимальных требований к безопасности применения строительного стекла и светопрозрачных конструкций (СПК) современных зданий.

До настоящего времени неясен вопрос по проекту Федерального закона (Ф3) «О безопасности стекла и изделий из него, применяемых в зданиях и сооружениях».

К примеру, в проекте регламента (ст. 9) содержатся следующие требования.

• Стекло и изделия из него, применяемые в стеклянных конструкциях зданий и сооружений, в том числе: стеклянных стенах, дверях, окнах, остеклении балконов и лоджий, витринах, ограждении зимних садов, торговых павильонах, светоп-розрачных фасадах и перегородках, стеклянных полах, ступенях лестниц, ограждениях лестниц, лестничных перилах, потолках, зенитных фонарях, мансардных окнах, крышах, козырьках, входных группах, должны быть выбраны и спроектированы так, чтобы в нормальных условиях эксплуатации обеспечить безопасность людей в случае разрушения стекла.

В частности, возможное разрушение конструкции не должно приводить к опасности падения чело-

строительные материалы и конструкции

века через конструкцию, а также к травматизму людей, оказавшихся под разрушающейся конструкцией.

• Изделие и его крепления должны выдержать все нагрузки (эксплуатационные, климатические и другие), которым они могут подвергаться в обычных условиях эксплуатации, если в конструкции зданий или сооружений не предусмотрено соответствующей стационарной защиты (заграждения) от контакта человека со стеклом.

В Статье 10 проекта регламентируются основные принципы безопасного разрушения при применении стекла в строительных стеклянных конструкциях.

• Стекло и изделия из него не должны разрушаться в условиях нормальной эксплуатации под действием расчетных климатических и других предполагаемых, в зависимости от назначения и расположения остекления, видов нагрузок.

• При проектировании, строительстве, эксплуатации (в том числе ремонте) зданий и сооружений выбор стекла и/или изделия из него, устанавливаемого в наружное остекление, должен производиться в соответствии с:

— установленной в задании на проектирование остекления или в нормативных документах эксплуатационной нагрузкой;

— весом остекления;

— минимальной и максимальной возможными температурами, а также минимальным и максимальным атмосферным давлением региона применения остекления в соответствии с достоверными данными многолетних метеорологических наблюдений;

— максимальным ветровым давлением на остекление для региона и высоты применения в соответствии с достоверными данными многолетних метеорологических наблюдений;

— максимальной снеговой нагрузкой (с учетом возможности образования снеговых мешков) для региона применения в соответствии с достоверными данными многолетних метеорологических наблюдений;

— интенсивностью и продолжительностью солнечного излучения, поглощаемого остеклением;

— сейсмическими нагрузками (для сейсмо-опасных районов);

— прочими нагрузками на остекление, учет требований к которым для зданий и сооружений установлен законодательством Российской Федерации.

• Изделие из стекла в совокупности с конструк-

цией должны обеспечить отсутствие разрушения стекла в условиях эксплуатации, требования к которым установлены Заданием на проектирование и действующим законодательством.

• Для обеспечения безопасности людей, а также для защиты людей и имущества от осколков стекла в местах повышенной опасности использование безопасного стекла (многослойного или закаленного) является обязательным. Местами повышенной опасности являются стеклянные конструкции, установленные в местах скопления и прохода людей: двери, стеклянные потолки и крыши, светопрозрачные фасады и перегородки, стеклянные полы, ступени лестниц, ограждения лестниц, лестничные перила, зенитные фонари, мансардные окна, стеклянные козырьки и др.

Для создания современной нормативной базы РФ по строительному стеклу и светопрозрачным конструкциям необходима ее гармонизация с требованиями международных и европейских норм.

Европейская нормативная база касательно вопросов испытания стекла на прочность представлена следующими стандартами.

— ASTM C 158 1989E Strength of glass by Flexure Determination of modulus of rupture (Прочность стекла при определении предела прочности при изгибе).

— prEN 1288 — 1 1999E — Glass in buiding — Determination of the bending strength of glass. Pt. 1: Fundamentals of testing glass (Стекло в строительстве: Определение прочности стекла при поперечном изгибе. Ч. 1: Основные положения при испытаниях стекла).

— prEN 1288 — 2 1999E — Glass in buiding — Determination of the bending strength of glass. Pt. 2: Coaxial double ring test on flat specimens with large test surface (Стекло в строительстве: Определение прочности стекла при поперечном изгибе. Ч. 2: Проведение испытаний флоат-стекла больших размеров с помощью метода двойного коаксиального кольца).

— prEN 1288 — 3 1999E — Glass in buiding — Determination of the bending strength of glass. Pt. 3: Test with specimen supported at two points (four point bending) (Стекло в строительстве: Определение прочности стекла при поперечном изгибе. Ч. 3: Метод с использованием двухточечного опирания образца (4 точки изгиба).

— prEN 1288 — 4 1999E — Glass in building — Determination of the bending strength of glass. Pt. 4: Testing of channel shaped glass (Стекло в строительстве: Определение прочности стекла при поперечном изгибе. Ч. 4: Испытание гнутого стекла).

— prEN 1288-5 1999E — Glass in building —

строительные материалы и конструкции

Determination of the bending strength of glass. Pt. 5: Coaxial double ring test on flat specimens with small test surface. (Стекло в строительстве: Определение прочности стекла при поперечном изгибе. Ч. 5: Проведение испытаний флоат-стекла малых размеров с помощью метода двойного коаксиального кольца).

Область применения, например, в проекте норм prEN 1288 3 1999E определена следующим образом: Стандарт устанавливает методы определения прочности на изгиб, включая краевые эффекты листового стекла, используемого в строительстве. Метод также может использоваться при определении прочности на изгиб отдельно стекла и его краев (кромок).

Для настоящего Стандарта приняты следующие термины и определения, условные обозначения.

• Напряжение при изгибе — растягивающее изгибающее усилие, возникающее в толще образца.

• Эффективное напряжение при изгибе — среднее значение растягивающего изгибающего усилия, вычисленное с учетом неоднородности зоны напряжений.

• Изгибающее усилие — напряжение при изгибе или эффективное напряжение при изгибе, которое приводит к разрушению образца.

В стандарте определены требования к испытательному оборудованию и средствам оперативного контроля геометрических параметров испытуемых изделий, требования к образцам для испытаний (количество, размеры, условия хранения).

Методика проведения испытаний устанавливает порядок проведения испытаний, а также алгоритм дальнейшей обработки и анализа данных.

Изгибающий ролик

50

'//////////////////А

Резиновый уплотнитель

50 Поддерживающий ролик

Образец

Ж

Рисунок 1. Установка образца для испытаний

L = 200±1 мм; L = 1000±2 мм

ду изгибающими роликами после перелома, если это возможно сделать на образце.

Испытания на изгиб. Образец должен быть установлен так, как это показано на рисунке 1. Резиновые уплотнители толщиной 3 мм и жесткостью (40± 10) IRHD (в соответствии с ISO 48) должны быть установлены между образцом и изгибающими и поддерживающими роликами.

Испытания должны проводиться при температуре воздуха 23±5°С и относительной влажности воздуха в пределах от 40 до 70%. В течение всего времени проведения испытаний температура не должна изменяться более чем на 1 °С ввиду возможности появления температурных напряжений в образце.

Образец должен быть изогнут с равномерно возрастающей нормируемой нагрузкой (2 ±0,4) Н/мм2 до разрушения. Максимальная нагрузка должна быть измерена и также должно быть зафиксировано время достижения максимальной нагрузки.

Обработка данных. Для анализа полученных данных следует использовать только те образцы, в ко-

Измерение ширины и толщины каждого образца. Ширина образца должна быть определена как среднеарифметическое значение трех измерений.

Толщина образца должна быть определена как среднеарифметическое значение четырех измерений с точностью до 0,05 мм. Места измерений должны находиться по разные стороны от изгибающих роликов для исключения повреждения испытуемой поверхности. Измерения должны проводиться относительно одной из кромок (торцов) образца.

Помимо этого, возможно определять толщину, исходя из минимального требуемого количества образцов (4 шт.), путем измерения толщины на площади меж-

Рисунок 2. Безразмерный коэффициент ke в зависимости от y/h

строительные материалы и конструкции

торых разрушение происходило между изгибающими роликами.

Для прямоугольной секции, где Т = ВЬ2/6, и с нагрузками, принятыми, как показано на рисунке 2, прочность на изгиб:

/ -,/, , ч \

'ьв

= к

3

2 B2h

+ а

bG

GbG

Зр gL\ 4 h

где p — плотность образца, кг/мм2.

У h

3 F„

4EBh

L

3 i

L,  L,

0,14 -

0,12 -

4. 0,1 -

к 0,08 -

I 0,06 -

^ 0,04 -

0,02 -0

где В — ширина образца, мм; Ь — толщина образца, мм; к —безразмерный коэффициент (см. п. 6.2 ргЕЫ 1288-1:1998); ^ — расстояние между осями поддерживающих роликов, мм; Lb — расстояние между осевыми линиями изгибающих роликов, мм; <5ьо — напряжение при изгибе, вызываемое собственным весом образца, Н/мм2.

Напряжение при изгибе Оье, вызванное собственным весом образца, следует определять по формуле (2):

OlDOLTÏOinOl/lOLnOinO m

Ч1 Ov 'Ч- Ov О О о —

о 1ПО »1

Определение прочности на изгиб всей площади образца, включая краевые зоны. Для расчета полное изгибающее усилие (условное изгибающее усилие образца стекла, для которого неровности толщины не позволяют точно вычислить изгибающее усилие) на площади поверхности, включая кромки, устанавливается при значении коэффициента к = к = = 1 (см. ргЕЫ 1288-1).

Коэффициент к = ке в формуле (1) зависит от прогиба образца в центральной части. Центральный прогиб у может быть определен прямыми испытаниями или рассчитан с достаточной точностью по формуле 3:

где E — модуль упругости (модуль Юнга) силикатного стекла, Е = 70 103 Н/мм?.

Значение ke, используемое в формуле (1), следует определять из рисунка 2. Коэффициент k является функцией от значения y/h (см. prEN 1288-1).

По результатам проведенных испытаний и анализа полученных данных составляется отчет, который включает в себя результаты, тип и наименование испытуемого стекла, количество испытанных образцов, измеренные геометрические параметры для каждого из образцов, изгибающие усилия, время до разрушения и т.д.

Предел прочности на разрушение, Н/мм2

Рисунок 3. Частотная диаграмма прочности листового стекла на изгиб

В 2007 году под эгидой Европейской Ассоциации производителей листового стекла «Glass For Europe» было предпринято широкомасштабное исследование прочности на изгиб фасадных стекол. Были проведены испытания 741 образца с 11 различных европейских флоат-заводов. Испытания производились на образцах флоат-стекла толщиной 6 мм размером 1x1 м, метод испытания по EN 1288-2 (метод двойного коаксиального кольца). Количество образцов в одной серии (стекло, отобранное одномоментно с одной флоат-линии) — 25.

Разброс значений прочности листового стекла на изгиб составил от 30 до 116 МПа при среднем значении 71 МПа. Среднеквадратичное отклонение по всей программе испытаний составило 17 МПА. Частотная диаграмма результатов испытаний представлена на рисунке 3.

При этом корреляции между прочностью стекла и заводом-производителем обнаружено не было. Разница в средней прочности между сериями образцов с одной и той же флоат-линии была сравнима со среднеквадратичным отклонением по всей программе. Например, разница в средней прочности между сериями № 81516 и № 81517 равнялась 16 МПа. Среднеквадратичное отклонение прочности внутри одной и той же серии колебалось от 2,5 до 14 МПа.

Таким образом, было установлено, что прочность флоат-стекла зависит, в частности, от положения отобранного для испытаний образца с фло-ат-ленты и изменяется в широких пределах.

Для выяснения причин такого явления требуются дополнительные исследования. Тем не менее для выполнения прочностных расчетов остекления зданий на стадии проектирования и применения испытания все равно необходимо знать минимальные значения прочности.

строительные материалы и конструкции

Литература

1. ГОСТ 111-2001 Стекло листовое. Технические условия.

2. ГОСТ 24866-99 Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия.

3. ГОСТ 30698-2000 Стекло закаленное строительное. Технические условия.

4. ГОСТ 30826-2001 Стекло строительное многослойное. Технические условия.

5. ГОСТ Р 51136-2008 Стекла защитные многослойные. Общие технические условия.

6. ДБТМ С 158 1989Е Прочность стекла при определении предела прочности при изгибе.

7. ргЕЫ 1288 1 1999Е Стекло в строительстве. Определение прочности стекла при изгибе (поперечном). Ч. 1: Основные положения при испытаниях стекла.

8. ргЕЫ 1288 2 1999Е Определение прочности стекла при изгибе (поперечном). Ч. 2: Проведение испытаний флоат-стекла больших размеров с помощью метода двойного коаксиального кольца.

9. ргЕЫ 1288 3 1999Е Определение прочности стекла при изгибе (поперечном). Ч. 3: Метод с использованием двухточечного опирания образца (4 точки изгиба).

10. ргЕЫ 1288 4 1999Е Стекло в строительстве. Определение прочности стекла при изгибе (поперечном). Ч. 4: Испытание гнутого стекла.

11 .ргЕЫ 1288-5 1999Е Стекло в строительстве. Определение прочности стекла при изгибе (поперечном). Ч. 5: Проведение испытаний флоат-стек-ла малых размеров с помощью метода двойного коаксиального кольца.

К вопросу о прочностных характеристиках листового архитектурного стекла и стеклопакетов. Требования и методы испытаний

Прочностные характеристики листового стекла — стеклянных пластин для витрин и витражей,

заполнения глухих непрозрачных частей фасадных систем оболочки зданий, а также стеклопакетов для оконных и фасадных конструкций, определяют и обеспечивают надежность и долговечность све-топрозрачных ограждающих конструкций (СПК) здания в течение всего срока его эксплуатации (не менее 50 лет).

Программные комплексы, с помощью которых можно было бы оценить прочностные характеристики стекла на стадии предпроектных исследований и проектирования не сертифицированы в РФ.

To question about strengthening characteristics of sheet architectural glass and double-glazed windows. Requirements and test methods

by L.Pchelintseva, N.Pantyukhov, S.Tikhomirnov

Strengthening characteristics of flat glass — glass plates for show-windows and stained-glass windows, filling of deaf opaque parts of front systems of buildings cover, and also double-glazed windows for window and front designs, define and provide the performance of certain conditions, reliability and durability transparent protecting designs of buildings during all term of its operation (not less than 50 years).

Program complexes with the help of which it would be possible to estimate the strengthening characteristics of flat glass at a stage of predesign researches and designing are not certificated in the Russian Federation.

Ключевые слова: листовое стекло, прочностные характеристики стекла, напряжение при изгибе.

Key words: Flat glass, strength characteristics of the glass, bending stress.