PROJEKTOWANIE: BELKI ZE SZKŁA?
W artykule omówiono charakterystykę stalowo-szklanych elementów konstrukcyjnych. Podano również cechy stosowanego w nich szkła oraz przedstawiono sposób ich pracy. Zaprezentowano podejście projektowe, porównując wyniki z podobnymi elementami czysto stalowymi.
Szkło w konstrukcji jest stosowane od dawna, głównie jako wypełnienie ram okiennych czy jako ściany osłonowe budynków użyteczności publicznej, biurowców i apartamentowców. Coraz częściej inżynierowie budowlani spotykają się z rosnącymi wymaganiami architektonicznymi dotyczącymi transparentności konstrukcji, połączonej jednocześnie z dobrym wykorzystaniem nośności przekrojów. Naprzeciw ich oczekiwaniom wychodzi rozwiązanie w po staci hybrydowych belek stalowo-szklanych, złożonych z półek ze stali oraz szklanego środnika. Oba materiały łączone są poprzez połączenie klejone dobrane w sposób zapewniający przeniesienie sił nacisku z półki na środnik, co ze względu na kruchość szkła oraz jego małą wytrzymałość na zginanie stanowi istotną kwestię przy projektowaniu tego typu elementów.
Szkło jako materiał konstrukcyjny
W budownictwie stosuje się szkło krzemiankowe, które pod względem struktury jest materiałem nieuporządkowanym. Z faktu, że w strukturze wewnętrznej szkła nie można wyodrębnić żadnych regularnych płaszczyzn, po których jednostki budujące ją mogłyby się przesuwać, wynika idealna sprężystość jego zachowania się. Przy obciążeniu granicznym dochodzi do jego pęknięcia bez wcześniejszych oznak, co w konsekwencji prowadzi do zniszczenia fragmentu konstrukcji bez możliwości powrotu do formy wcześniejszej (brak odkształceń plastycznych). Szkło pod względem mechanicznym jest także wrażliwe na obciążenia miejscowe koncentracja naprężeń wywołana obciążeniem zarówno punktowym, jak i liniowym jest czynnikiem, który prowadzi do lokalnych pęknięć elementu. Te niezauważalne gołym okiem elementy powodują osłabienie struktury wewnętrznej oraz wywołują dalsze konsekwencje podczas pracy szkła w konstrukcji. W celu zwiększenia zakresu i możliwości stosowania szkła w konstrukcjach budowlanych powstały różne jego rodzaje odrębne pod względem procesu wytwarzania, a co za tym idzie, jego właściwości.
• Szkło hartowane ESG – szkło bezpieczne, które w wyniku pęknięcia rozpada się na małe kawałki o nieostrych brzegach. Hartowane termicznie szkło ESG jest otrzymywane w pojedynczym procesie nagrzania do temperatury 700°C i schłodzenia.
• Szkło półhartowane TVG – uzyskuje dwa razy większą wytrzymałość na zginanie w stosunku do szkła float. Otrzymywane jest w wyniku hartowania termicznego w cyklicznym procesie nagrzewania i ochładzania.
•Szkło laminowane VSG – składa się z tafli szkła ESG lub TSG sklejonych folią PVB albo żywic utwardzanych promieniami UV, które to połączenie zapewnia nieodpadanie kawałków szkła od płaszczyzny tafli w przypadku pęknięcia.
Belki stalowo-szklane
Gromadząc wcześniej podane informacje o szkle – jego właściwościach zarówno chemicznych, fizycznych, jak i mechanicznych – można odnieść wrażenie, że stworzenie belki ze szkła jest dość wymagające. Jest to tym trudniejsze, gdy zauważy się znaczącą dysproporcję między wytrzymałością szkła na ściskanie i rozciąganie. Względnie wytrzymałość na ściskanie szkła jest dwudziestokrotnie większa. Analogiczny problem napotkano w konstrukcjach betonowych, w których to beton posiada podobną do szkła cechę – również jest o wiele bardziej wytrzymały na ściskanie niż na rozciąganie. Pomysł wzmocnienia konstrukcji betonowej stalą, która wykazuje bardzo dobre cechy wytrzymałościowe, jeśli chodzi o rozciąganie, wdrożono do konstrukcji stalowych. Pierwsze próby wzmocnienia szklanych elementów konstrukcyjnych polegały na domocowywaniu do szklanych belek prętów stalowych w miejscach stref rozciąganych – zarówno stalowych prętów zwykłych [2], jak i kabli sprężonych [3]. Oba sposoby spowodowały wzrost wytrzymałości belki o kilkanaście procent w stosunku do belki z czystego szkła. Do późniejszych badań wprowadzono belki dwuteowe składające się ze szklanego środnika i stalowych półek. Połączenie stali ze szkłem jest realizowane poprzez klejenie przy użyciu różnych materiałów, głównie żywicy epoksydowej lub silikonu. Nie bez znaczenia pozostaje również geometria samego połączenia. Do tej pory opracowano 4 kształty połączeń stali ze szkłem, z różnymi z tego wynikającymi konsekwencjami. Porównując geometrie połączeń, można zauważyć, że najsztywniejsze, a przez to przenoszące największe obciążenia, jest połączenie z profilem U, a następnie z profilem L. Wynika to bezpośrednio z faktu łączenia dużej powierzchni stali i szkła (odpowiednio na 3 oraz 2 powierzchniach). Z drugiej zaś strony połączenia takie są dość pracochłonne w wykonaniu oraz droższe, trudniejsze w kontroli i naprawie, a także estetycznie mniej atrakcyjne w porównaniu do połączenia doczołowego oraz żłobionego. Generalnie zaleca się stosowanie połączenia doczołowego, nawet kosztem zmniejszenia wytrzymałości elementu.
Podejście do projektowania
W tej części omówione zostanie podejście obliczeniowe ze względu na różne stany wytrzymałościowe w porównaniu do belek czysto stalowych. W celu porównania wyników odnoszono się do referencyjnego przekroju profilu stalowego IPE300 o granicy plastyczności 355 MPa i długości 1 m, zakładając tę samą geometrię dla belki stalowo-szklanej, z pominięciem zaokrągleń.
Katarzyna Matras Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Warszawska
Opiekun naukowy: dr inż. Maciej Cwyl Zespół Konstrukcji Metalowych, Politechnika Warszawska
