Materiały i elementy stosowane do wykonania lekkiej obudowy - materiały ze szkła budowlanego

Współczesna architektura obiektów komercyjnych nie może się obyć bez elementów szklanych, zarówno w postaci przegród zewnętrznych, takich jak fasady szklano-metalowe (FOT. 1), witryny (FOT. 2), fasady w całości zbudowane ze szkła (FOT. 3), jak i przegród wewnętrznych w obiektach.

Możliwości szkła nie kończą się na płaskich i prostych formach elewacyjnych - szło można dowolnie giąć i przez to nadawać nowe kształty obiektom (FOT. 4-5). Materiał ten wpisuje się też w aktualny trend niskiego zapotrzebowania energetycznego obiektów. Może być elementem fasady aktywnej, dostarczającej energię elektryczną z ogniw fotowoltaicznych (FOT. 6).

Do obiektów budowlanych w znanej nam dziś płaskiej formie przeszkleń trafiło w XIV w., ale z uwagi na ograniczoną wydajności produkcji było dobrem luksusowym.

Pierwotnie szkło do szklenia okien wykonywane było w tej samej technice, którą do dzisiaj produkuje się różnego rodzaju naczynia szklane - przez wydmuchiwanie za pomocą piszczeli szklarskich w kulistą bańkę, a następnie spłaszczanie. Stosowana była również technika rozcinania wydmuchiwanego szklanego walca, którego ścianki rozprostowywano.

Szkło float

Na przestrzeni lat zmieniały się techniki wytwarzania płaskich tafli szkła, lecz największą rewolucją w tym zakresie było wynalezienie w 1952 r. przez Alastaira Pilkingtona metody float, która często nazywana jest od nazwiska wynalazcy procesem Pilkingtona.

W dzisiejszych zastosowaniach budowlanych płaskie szkło produkowane metodą float stanowi podstawę wykonywania wszelkiego rodzaju przeszkleń elewacyjnych współczesnych obiektów. Szkło to powstaje z masy szklanej złożonej z:

• 60% piasku kwarcowego (SiO₂),
• 20% węglanu sodu (NaCO₃)
• i 20% węglanu wapnia (CaCO₃),

zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 572-2:2012 [1], definiującej wymagania dla szkła budowlanego sodowo-wapniowo-krzemianowego.

Wymienione surowce podlegają stopieniu w temp. 1600°C, a następnie powstała masa szklana z dodatkiem stłuczki szklanej (w ilości do 20%) po odgazowaniu podlega ostudzeniu do temp. 1200°C. Ciekła masa szklana w atmosferze ochronnej rozlewana jest na powierzchnię płynnej cyny (temp. topnienia cyny 232°C, a temp. wrzenia 2602°C). Po ochłodzeniu masy szklanej do temp. 600°C szkło jest dalej chłodzone według ścisłego algorytmu, tak aby nie powstały w nim trwałe naprężenia wewnętrzne związane z procesem stygnięcia.

Stan naprężeń wewnętrznych w tafli szkła ma istotny wpływ na możliwość jego dalszego przetwarzania i obróbki (wiercenia, cięcia, krawędziowania, polerowania). Szkło takie nazywane jest również szkłem odprężonym.

Przy produkcji szkła metodą float uzyskuje się całkowicie płaskie tafle szklane o idealnej równoległości zasadniczych powierzchni, która odpowiada za brak zniekształceń oraz dobrą przezroczystość wyrobu finalnego.

Szkło float jest podstawowym produktem do tworzenia zarówno prostych (jednoszybowych) przegród szklanych, jak i produkcji różnych zestawów szybowych uzupełnianych dodatkowymi powłokami lub materiałami w celu tworzenia zaawansowanych i specjalistycznych rodzajów szyb i zestawów spełniających najróżniejsze wymagania współczesnego budownictwa.

Podstawowe właściwości szkła płaskiego float przedstawione w TAB. 1 są w większości niezmienne nawet dla wyrobów, które z niego powstają w wyniku przeprowadzenia dodatkowej obróbki, poprawiającej zarówno cechy użytkowe, jak i fizyczne tego materiału.

Oprócz podstawowych cech fizycznych i użytkowych płaskie szkło budowlane charakteryzuje się również bardzo dobrymi właściwościami chemicznymi związanymi z odpornością na wiele rodzajów zagrożeń środowiska atmosferycznego i działanie substancji chemicznych (TAB. 2). Jednak i ono podlega zjawiskom korozyjnym i destrukcyjnym związanym z oddziaływaniami czynników korozyjnych środowiska aplikacji wyrobów szklanych. Problem ten dotyczy przede wszystkim obszarów miejsko-przemysłowych [2].

Wytrzymałość na rozciąganie szkła nie jest parametrem materiałowym, lecz wartością pomiarową określaną na podstawie rachunku prawdopodobieństwa z poziomem pewności 95%. Taki sposób oceny związany jest z cechą wszystkich materiałów kruchych, gdzie wpływ na wynik ma stan i właściwość powierzchni poddawanej rozciąganiu. Naruszenia powierzchni zmniejszają znacznie tę wartość pomiarową. Badanie to przeprowadza się metodą podwójnego pierścienia zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 1288-2:2002 [9].

Szkło hartowane

Szkło hartowane monolityczne (oznaczane jako ESG) produkowane jest ze zwykłego szkła float. Może być wykonane również z innych rodzajów szkieł, np. ornamentowego, barwionego w masie.

Wyjściowe szkło float poddawane jest obróbce termicznej przez przeprowadzenie procesu hartowania. Szkło w czasie tego zabiegu podgrzewane jest w piecach do temp. 620-680°C, a następnie szybko schładzane strumieniem sprężonego powietrza. Taka procedura intensywnego oddziaływania termicznego ma na celu ustalenie stanu wewnętrznych naprężeń materiałowych rozłożonych na grubości obrabianej tafli szkła.

Proces szybkiego ochłodzenia powoduje "zamrożenie" w przypowierzchniowych warstwach szkła o gr. ok. 0,2 t stanu naprężeń ściskających, natomiast wewnętrzna strefa grubości szkła - o gr. 0,6 t pozostaje pod działaniem wewnętrznych naprężeń rozciągających (RYS. 1).

Tak utrwalony w materiale szklanym stan naprężeń wewnętrznych powoduje, że w przypadku rozbicia takiej tafli szkła rozpadnie się ona na wiele drobnych, luźno związanych, tępych kawałków (FOT. 8), które są mniej niebezpieczne dla ludzi i dają mniejsze ryzyko poważnego okaleczenia. Obróbka termiczna zmienia istotnie charakter rozbicia szkła float, przy którego rozbiciu powstają długie, ostre, spiczaste fragmenty, stanowiące istotne zagrożenie dla bezpieczeństwa i ochrony ludzi (FOT. 7). Stąd też szkło hartowane nazywane jest szkłem bezpiecznym i jest stosowane tam, gdzie istnieje ryzyko jego rozbicia.

Oprócz tego efektu wpływającego na bezpieczeństwo użytkowania uzyskuje się również inne pozytywne cechy nowego wyrobu:

• kilkukrotny wzrost wytrzymałości materiału poddanego hartowaniu (TAB. 3), (RYS. 2-3), przy zachowaniu na niezmienionym poziomie pozostałych parametrów fizycznych;
• zwiększenie odporności na oddziaływania termiczne w obrębie jednej tafli szkła (TAB. 3);
• zwiększenie wytrzymałości na uderzenie przez miękkie ciało, odkształcalne, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 12600:2004 [10];
• odporność na uderzenie piłką, np. zgodnie z normą DIN 18032 [11], co pozwala klasyfikować szyby o gr. co najmniej 6 mm jako odpowiednie do zastosowania w wielkopowierzchniowych przegrodach szklanych, nawet w salach sportowych i gimnastycznych;
• zmniejszenie ryzyka zranienia w przypadku rozbicia tafli szkła.

Zgodnie z wymaganiami bezpieczeństwa każda szyba hartowana musi być jednoznacznie i trwale oznaczona w widocznym miejscu, zgodnie z wymaganiami norm PN-EN 12150-1:2015-11 [12], PN-EN 12150-2:2006 [13].

Szkło hartowane instalowane jest wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość na obciążenia i bezpieczeństwo eksploatacji.

Istotną wadą szkła hartowanego jest brak możliwości obróbki mechanicznej po dokonaniu zahartowania. Wszystkie prace związane z jego obróbką w postaci wycinania rozmaitych kształtów, otworów, frezowania czy też gięcia muszą być wykonane przed jego zahartowaniem, jeszcze na odprężonym materiale szkła float.

Szkło hartowane wygrzewane termicznie

Szkło hartowane może być poddawane dodatkowej obróbce termicznej związanej z dodatkowym wygrzewaniem gotowych wyrobów. Mamy wtedy do czynienia ze szkłem hartowanym wygrzewanym termicznie (ESG-H).

Tego typu obróbka termiczna związana jest z koniecznością wyeliminowania (zdecydowanego ograniczenia) ryzyka samoistnego pękania szyb ze szkła hartowanego wystawionego w warunkach eksploatacji na działanie podwyższonej temperatury - co dotyczy głównie fasad budynków.

Ryzyko samoistnego pękania szyb hartowanych związane jest z przypadkami występowania w materiale wsadowym (szkle float) cząstek siarczku niklu (NiS), które mogą się znaleźć w surowcach wsadowych stosowanych do wytworzenia masy szklanej.

W szkle float takie zanieczyszczenia w żaden sposób nie wpływają na stan bezpieczeństwa eksploatacji. W szkle hartowanym podczas procesu szybkiego chłodzenia materiału szklanego dochodzi do zamrożenia cząstek siarczku niklu (NiS) w jego skrystalizowanej wysokotemperaturowej postaci.

Gdy w trakcie eksploatacji dochodzi do oddziaływania termicznego na szkło, struktura tego kryształu może zmieniać się przez zwiększenie jego objętości, które skutkuje samoistnym pęknięciem szyby.

Z uwagi na to, że nie można technologicznie wyeliminować ryzyka występowania tego typu zanieczyszczenia w fazie produkcji masy szklanej, szyby bezpieczne wystawione na działanie wysokiej temperatury poddawane są testowi HST (Heat Soak Test) zgodnie z normą PN-EN 14179-1:2016-09 [14]. Test ten polega na dodatkowym wygrzewaniu gotowych tafli hartowanego szkła w piecu w temp. ok. 290°C w celu przyspieszenia procesu przemiany fazowych NiS skutkujących zwiększeniem jego objętości. W przypadku obecności tego zanieczyszczenia szyby ulegają zniszczeniu w komorze grzewczej. Takie działanie ogranicza ryzyko (na poziomie 99%) użycia szyb, które po instalowaniu na obiektach będą samoistnie pękać, co jest zgodne z postanowieniami norm PN-EN 14179-1:2016-09 [14], PN-EN 14179-2:2006 [15].

Termicznie wygrzewane hartowane szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe nie traci swojej charakterystyki wytrzymałościowej na zginanie i odporności na różnice temperatur. Producent jest zobowiązany, aby szyby poddane temu testowi jednoznacznie oznaczyć, poza umieszczeniem informacji o ich hartowaniu.

Szkło hartowane oraz szkło wygrzewane termicznie poddawane jest testom na siatkę spękań, wytrzymałość na uderzenie wahadłem według normy PN-EN 12600:2004 [10], wytrzymałość na zginanie według normy PN-EN 1288-3:2002 [16].

Szkło półhartowane

Szkło częściowo hartowane (TVG) zgodnie z normami PN-EN 1863­‑1:2012 [17], PN-EN 1863-2:2008 [18] nie jest klasyfikowane jako szkło bezpieczne. Szkło to stosowane jest w wyrobach jako część składowa systemów wieloszybowych. Produkuje się je podobnie jak szło hartowane, lecz w procesie hartowania jego ochłodzenie przebiega dużo wolniej i równomiernie. Pozwala to znacznie zmniejszyć stan naprężeń wewnętrznych materiału szklanego decydujący o sposobie rozpadu stłuczonej szyby.

Szkło TVG nie jest narażone na ryzyko samoistnego pękania z powodu zanieczyszczenia siarczkiem niklu z uwagi na powolne schłodzenie materiału. Ten rodzaj szkła pęka promieniście, podobnie jak szkło float (FOT. 7).

W przypadku szyb z tego rodzaju szkła, w przeciwieństwie do szyb hartowanych, materiał szklany po rozbiciu wykazuje dużą stateczność szczątkową, która w zestawach szybowych daje możliwość utrzymania szyb w ramach, czego nie ma w szybach ze szkła hartowanego, tracących całkowicie nośność i stateczność w wyniku rozpadu na drobne kawałki. Parametry wytrzymałościowe tego szkła mieszczą się w przedziale wyznaczonym właściwościami szkła float i szkła hartowanego (TAB. 4).

Szkło po procesie wzmocnienia termicznego, podobnie jak szkło hartowane, nie może być poddawane procesom cięcia lub wiercenia i jakimkolwiek operacjom szlifowania krawędzi, piaskowania czy też wytrawiania kwasem, bo będą one zmniejszać jego wytrzymałość lub prowadzić do jego zniszczenia.

Szkło laminowane

Szkło laminowane bezpieczne (VSG) powstaje w wyniku trwałego połączenia ze sobą co najmniej dwóch tafli szkła za pomocą umieszczonej między nimi elastycznej i wytrzymałej folii z poliwinylobutyralu - PVB (RYS. 4).

Takie połączenie powoduje przekształcenie pojedynczych szyb w element konstrukcyjny, który poza wymaganą przejrzystością ma wiele istotnych i cennych cech zarówno konstrukcyjnych, jak i związanych z bezpieczeństwem.

Do wykonania szkła laminowanego można zastosować wszystkie wcześniej wymienione rodzaje szkła, łącznie z ewentualnymi powłokami, które zostaną wcześniej na nie naniesione.

Bezpieczeństwo szkła laminowanego oparte jest na wysokiej wytrzymałości na rozrywanie środkowej warstwy wykonanej z folii PVB oraz jej doskonałej przyczepności do stykającej się z nią powierzchni szkła.

W razie zewnętrznego przeciążenia kompozytu szklanego w wyniku pchnięcia, uderzenia lub oddziaływania innych sił szkło może pękać, jednak jego fragmenty utrzymają się dzięki przyczepności do warstwy folii PVB.

Uszkodzona szyba pozostaje w całości strukturalnej i z reguły jej spękanie nie narusza stateczności przeszklenia pozostającego w obramowaniu.

Grubość folii PVB zmienia się w zakresie 0,38–2,28 mm i jest zależna od przewidzianych zastosowań szkła.

Szyby laminowane produkowane są zgodnie z normą PN-EN 14449:2008 [19] pt. "Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe" oraz serią norm PN-EN 12543 [20-25]. W czasie produkcji dwie lub więcej czystych tafli szkła dowolnego rodzaju, zależnie od potrzeb klienta, łączonych jest ze sobą za pomocą umieszczonej między nimi wytrzymałej i elastycznej warstwy folii wewnętrznej PVB.

Powstały zestaw zostaje wstępnie podgrzany do temp. ok. 200°C i sprasowany metodą walcowania (zgrzany mechanicznie). Następnie pakiety szkła z folią umieszcza się w autoklawie, gdzie pod ciśnieniem ok. 10 barów i w temp. 130°C w określonym czasie z półprzezroczystego wstępnego zestawu powstaje całkowicie przezroczyste laminowane szkło bezpieczne.

Cechy fizyczne i właściwości chemiczne szyb laminowanych są takie same jak szkieł bazowych, z których zostały one wykonane.

Szkło laminowane jako nowy produkt posiada wiele atrakcyjnych cech, które pozwalają je stosować nie tylko w oknach czy też fasadach, lecz także jako element konstrukcyjny. Aby szkła laminowane można było stosować w określonych miejscach i w określonych warunkach użytkowych, są ono badane według kryteriów normowych na różne oddziaływania. Do takich kryteriów należą:

• odporność na atak ręczny według normy PN-EN 356:2000 [26] dla szyb przeznaczonych na przegrody antywłamaniowe w celu obniżenia ryzyka włamania i ochrony przed aktami wandalizmu;
• kuloodporność według normy PN-EN 1063:2002 [27] jako zabezpieczenie ludzi i mienia przed bezpośrednim ostrzałem z broni różnego kalibru;
• odporność na siłę eksplozji i zdolność jej tłumienia, zgodnie z normą PN-EN 13541:2012 [28];
• odporność na obciążenia zmęczeniowe związane z codzienną eksploatacją;
• ochrona przez zranieniem;
• ochrona przed wypadnięciem z ram i elementów mocujących punktowo;
• warunki nośności przeszklenia zlokalizowanego nad głową (przeszklenie odchylone od pionu o więcej niż 10°) – w poszyciach dachowych, świetlikach, gdzie istotnym elementem jest zapewnienie warunku niespadania fragmentów szkła, a już w ogóle całej szyby, w przypadku jej uszkodzenia;
• określenia warunków poruszania się po szybach w ramach prowadzenia czynności eksploatacyjnych i konserwacji zgodnie np. z niemieckimi przepisami technicznymi TRLV [29] i TRPV [30] czy też częścią norm serii DIN 18008 [31];
• stabilność szczątkowa dla przegród szklanych pionowych, które przez określony czas od uszkodzenia powinny pozostawać na swoim miejscu;
• nośność szczątkowa dla przegród montowanych nad głową, które w warunkach uszkodzenia szyby muszą przez określony czas przenosić co najmniej ich ciężar własny.

Badanie odporności na atak ręczny przeprowadza się przez jednokrotne lub wielokrotne uderzenie kulą stalową o masie 4,11 kg, spadającą swobodnie z określonej wysokości: od 1,5 m do 9 m, na testowane szkło o wymiarach 110×90 cm umieszczone poziomo. Miejsca uderzeń kulą w taflę szkła ma tworzyć trójkąt równoboczny o boku 13 cm. Wysokość upadku zmienia się w zależności od klasy szkła (TAB. 5).

W teście tym kula nie powinna przebić szkła po trzecim/dziewiątym uderzeniu. Dla trzech najwyższych klas badanie przeprowadza się na szkle ustawionym pionowo z użyciem narzędzi typu młot i siekiera o masie 2 kg. Ocenie podlega liczba uderzeń potrzebna, aby utworzyć w szybie otwór o wymiarach 40×40 cm, przyjmowany jako pozwalający na przejście człowieka.

W przypadku kuloodporności szyby ostrzeliwane są jedno- lub trzykrotnie z różnego rodzaju broni palnej, o różnej wielkości pocisków, z prędkością wahającą się w granicach 360-950 m/s.

Ostrzału szyb dokonuje się z odległości 5 m i 10 m w zależności od rodzaju pocisku.

Wyróżnia się szkło bezodpryskowe (NS) i szkło odpryskowe (S) w zależności od jego zachowania pod wpływem uderzenia pocisku. Oznaczenia klas ostrzału BR1–7 i SG1–2 precyzuje odpowiednia tabela normowa [27].

Badanie odporności na siłę eksplozji i zdolność jej tłumienia przeprowadza się na próbkach o powierzchni 1 m2, a szyby klasyfikuje się m.in. w zależności od wartości ciśnienia fali uderzeniowej (od 50–250 kPa) i poziomu wartości impulsu jednostkowego.

• Oznaczenie klasy tłumienia siły rozsadzania: ER1–4.
• Odporność na eksplozję zapewnia jednocześnie spełnienie wymagań antywłamaniowych dla szyb.

Jak wynika z przedstawionego spektrum badań, szkło laminowane staje się materiałem o wszechstronnych możliwościach, a liczba kombinacji rodzaju stosowanych rodzajów szyb, ich grubości, grubości i liczby warstw folii PVB oraz nanoszonych powłok jest wprost nieograniczona, co umożliwia spełnienie wielu kryteriów użytkowych i technologicznych oczekiwanych we współczesnych obiektach.

Szyby zespolone

Powstanie szyb zespolonych jest odpowiedzią przemysłu szklarskiego na potrzebę dostarczenia budownictwu wyrobów szklanych przeziernych o wyższych właściwościach termoizolacyjnych niż te, które daje pojedyncza tafla szkła.

Hermetyczne zespolenie ze sobą co najmniej dwóch szyb z odstępem wypełnionym gazem szlachetnym cięższym od powietrza: argonem lub znacznie droższym kryptonem, znacznie poprawia właściwości termiczne.

Szerokość komory uzależniona jest od rodzaju stosowanego gazu: 15-18 mm dla argonu (najczęściej stosuje się ramki szerokości 16 mm) i 10-12 mm dla kryptonu.

Przestrzeń w szybie zespolonej wypełniona jest w ok. 90% gazem szlachetnym, resztę stanowi powietrze (RYS. 5).

Szyba zespolona powstaje z połączenia co najmniej dwóch tafli szkła płaskiego, łączonych za pośrednictwem obwodowej ramki dystansowej. Szyby klei się do ramek za pomocą butylu, który występuje w postaci uszczelki butylowej uszczelniającej połączenie ramki z szybą.

Po obwodzie zewnętrznym przestrzeń między szybami i ramką wypełniana jest wtórnym uszczelnieniem wykonanym z polisulfidu lub poliuretanem. W przypadku gdy szyba będzie eksploatowana bez zakrycia krawędzi szybowych, stosowany jest silikon odporny na promieniowanie UV. Wadą tego ostatniego rozwiązania jest niska szczelność silikonu na dyfuzję gazów, przez co szyby takie często wypełniane są jedynie powietrzem, a nie gazami szlachetnymi.

Elementem decydującym o wysokiej termoizolacyjności szyb zespolonych są ramki dystansowe, które mogą być wykonane z aluminium, ze stali nierdzewnych czy też, coraz częściej, z tworzyw sztucznych w połączeniu z foliami metalowymi lub z tworzyw termoplastycznych (ramki ciepłe).

Takie działanie ma na celu ograniczenie wpływu obwodowego mostka termicznego, jaki występuje przy elementach z metalu usytuowanego na obwodzie szyby zespolonej (ψ - liniowy współczynnik przenikania ciepła w miejscu mostków termicznych - co opisano w [35]).

Ramki dystansowe, oprócz zadania przypisanego im w samej nazwie, są miejscem, gdzie umieszczany jest środek osuszający (sito molekularne) przestrzeń międzyszybową, który odpowiada za brak zjawisk związanych z wykropleniem się wody wewnątrz zestawu szybowego.

Powłoki na szkle

W celu poprawienia parametrów przegrody szklanej szkło okienne może być pokrywane różnego rodzaju powłokami. Powodem nakładania powłoki może być też chęć nadania szkłu określonej kolorystyki czy grafiki. W przypadku powłok funkcyjnych wyróżnia się powłoki nanoszone:

• metodą pirolityczną, która polega na rozpyleniu tlenków metali na gorącą powierzchnię szkła (800°C), przez co zostają one zapieczone w powierzchni szkła; w ten sposób powstaje prosta jednofunkcyjna powłoka o ograniczonych właściwościach;
• metodą magnetotronową, która polega na nakładaniu kilku warstw powłoki spełniających różne funkcje: np. powłoka funkcyjna ze srebra i chromoniklu odpowiadająca za odbicie promieniowania podczerwonego, zarówno w zakresie krótkich, jak i długi fal, która ma silny wpływ na wartość współczynnika przenikania ciepła U, współczynnik przepuszczalności energii g oraz przepuszczalność światła L_t.
  Kolejne dwie warstwy zapewniają ochronę przed wpływami mechanicznym i chemicznymi, warstwy zewnętrzne odpowiadają zaś za odbicie, transmisję światła i barwę powłoki oraz za odporność mechaniczną (RYS. 6).
  Tak złożona powłoka grubości zaledwie 100 nm cechuje się dużym wpływem na ostateczne parametry przegród szklanych.

Aspekt kolorystyczny szkła stosowanego w fasadach (np. nieprzezierne spandrele montowane w pasach międzykondygnacyjnych) zapewniany jest przez nanoszenie farb na powierzchnię szkła metodą walcowania lub sitodruku, które następnie podlegają wypaleniu w trakcie procesu hartowania szyb.

Stosowane są również folie transferowe pokrywające szyby, które łączą się ze szkłem w procesie hartowania lub są umieszczane między warstwami folii PVB, co gwarantuje odpowiednie zespolenie w procesie laminowania.

Do nanoszenia rysunku na folie stosowana jest technika druku cyfrowego. Zabiegami, które można dodatkowo zastosować na szkle, są piaskowanie lub wytrawianie za pomocą kwasów.

Szyby pokrywane powłokami malarskimi, jak i z wtopionymi grafikami mogą stanowić elementy składowe szyb zespolonych. Do powłok funkcyjnych nanoszonych na szkło należy zaliczyć warstwy odpowiadające za samooczyszczenie się szyb w warunkach normalnej eksploatacji, a także powłoki antyrefleksyjne.

Cechy techniczne i użytkowe szkła budowlanego

Istotną grupę cech użytkowych szkła budowlanego stanowią takie zagadnienia, jak:

• termoizolacyjność,
• ochrona przed przegrzewaniem pomieszczeń,
• dźwiękochłonność przegród szklanych - ważony wskaźnik izolacyjności R_w,
• ognioodporność przegród szybowych,
• wskaźnik oddawania barw R_a,
• współczynnik całkowitej przepuszczalności energii g,
• wskaźnik selektywności S,
• stopień przepuszczalność światła L_t,
• odbicie światła LR,
• stopień przepuszczalności promieniowania UV,
• współczynnik zacienienia b,
• współczynnik odbicia energii słonecznej ER,
• współczynnik absorpcji energii słonecznej EA,
• bezpośrednia przepuszczalność energii słonecznej ET.

Termoizolacyjność

Parametr ten jest jednym z podstawowych elementów branych pod uwagę w czasie doboru rodzaju oszklenia ze względu na koszty eksploatacji obiektu, zarówno w okresie zimowym, jak i letnim, a także komfort termiczny użytkowania pomieszczeń.

Na izolacyjność termiczną szkła wpływają takie elementy, jak:

• liczba i grubość zastosowanych tafli szkła,
• liczba gazowych komór międzyszybowych (1, 2 lub 3),
• rodzaj zastosowanego w nich gazu (powietrze, argon, krypton),
• rodzaj zastosowanych przeziernych powłok niskoemisyjnych
• oraz rodzaj obwodowej ramki dystansowej, która jest liniowym mostkiem termicznym.

Ciepło przez szybę zespoloną tracone jest na trzy sposoby:

• konwekcję (ruch) gazów zawartych między szybami przylegającymi do dwóch różnych ośrodków temperaturowych;
• przewodnictwo cieplne zestawu szybowego i warstwy gazowej usytuowanej między dwoma ośrodkami temperaturowymi;
• promieniowanie cieplne (radiację w postaci fali elektromagnetycznej), które przemieszcza się w ośrodku szybowym i jest wypromieniowywane na zewnątrz.

Aż 2/3 energii cieplnej tracone jest przez ostatni z wymienionych czynników. Zastosowanie przeziernych powłok niskoemisyjnych (Low-E) na powierzchni wewnętrznej jednej z szyb pozwala odbić aż 99% długofalowego promieniowania cieplnego, a tym samym prawie ograniczyć straty z tego tytułu. Powłoki te nie mają żadnego wpływu na dwa pozostałe czynniki powodujące straty.

W celu ograniczenia strat w wymienionych zakresach stosuje się gazy szlachetne, które są cięższe od powietrza i spowalniają ruch konwekcyjny oraz mają lepszą wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ (TAB. 6).

Dodatkowo optymalizuje się rozstaw szyb przez dobór szerokości ramki dystansowej, co ma wpływ na konwekcję.

Optymalne wartości szerokości ramek to:

• 16 mm dla powietrza,
• 15-18 mm dla argonu
• i 10-12 mm dla kryptonu.

Elementem dodatkowym, wpływającym na globalne straty ciepła przez zestaw szybowy, są ramki dystansowe, wykonywane coraz częściej z wyrafinowanych materiałów. Odpowiadają one za obwodowe mostki termiczne, ale również za przypadki roszenia szyb w okresach zimowych, przy dużej wilgotności powietrza w pomieszczeniach.

Należy zwrócić uwagę na fakt, iż wartości przewodności cieplnej szyb podawane są najczęściej dla przegród pionowych. W przypadku występowania szklanych powierzchni pochyłych lub wręcz poziomych wartości współczynnika przenikania ciepła tych samych elementów ulegają znacznemu pogorszeniu, a związane jest to ze zmianą warunków cyrkulacji gazów w przestrzeni międzyszybowej (RYS. 7-9).

Cechy techniczne i użytkowe szkła budowlanego

Ochrona przed przegrzewaniem pomieszczeń

Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie szkieł przeciwsłonecznych, które minimalizują efekt nagrzewania się pomieszczeń w okresie letnim i ograniczają efekt cieplarniany oraz znacznie redukują zapotrzebowanie na energię do ochładzania/klimatyzowania pomieszczeń. Jest to szczególnie ważne w przypadku wielkoformatowych fasad szklanych wystawionych na kierunki działania intensywnej operacji słonecznej.

Szyby termoizolacyjne przepuszczają niemal bez ograniczeń krótkofalowe zakresy promieniowania słonecznego, jednak większa część długofalowego promieniowania cieplnego jest odbijana. Ten efekt umożliwia pozyskiwanie z zewnątrz darmowej energii do ogrzewania w chłodnych porach roku, jednakże w lecie prowadzi do przegrzewania pomieszczeń.

Pierwotnym rozwiązaniem na ograniczenie ilości energii dostającej się do pomieszczeń było zastosowanie szkieł barwionych w masie (odcienie zielone, brązowe, szare), lecz wraz ze wzrostem grubości ograniczana była istotnie przepuszczalność światła przez przegrody. Poziom redukcji parametru Lt wynosi wówczas 50-60%. Samo barwienie powodowało zmiany w odbiorze kolorów przy patrzeniu przez szybę.

Współczesnym rozwiązaniem tego problemu są powłoki napylane na szkła, podobnie jak wcześniej opisane powłoki niskoemisyjne. Powłoki przeciwsłoneczne stosuje się na wewnętrznej powierzchni szyby zewnętrznej, która zazwyczaj dodatkowo jest szybą grubszą. W zależności od potrzeb architektonicznych mogą być stosowane powłoki o niskim odbiciu na zewnątrz, powłoki zwierciadlane lub z barwnym refleksem. Możliwe jest też zastosowanie technologii druku cyfrowego lub sitodruku czy też szkła laminowanego bezpiecznego.

Dźwiękochłonność przegród szklanych

Przegrody szklane jako elementy stykające się bezpośrednio z otaczającym budynek środowiskiem muszą zapewnić użytkownikom pomieszczeń odpowiednią ochronę przed hałasem zewnętrznym. Czynnikami wpływającymi na izolacyjność akustyczną są:

• grubość zastosowanej szyby w przegrodzie, która jest w stanie izolować akustycznie w zakresie 30-36 dB przy zmianie grubości szkła w zakresie 2-12 mm;
• zwiększenie odstępu szyb w zestawach szyb zespolonych (ok. 2,5 dB przy każdym skokowym powiększeniu rozmiaru ramki dystansowej według zasady 12-16-24 mm);
• zastosowanie asymetrycznej budowy układu szyb zespolonych (grubsza szyba zewnętrzna, co daje inną charakterystykę dynamiczną przekazywania drgań między taflami szkła);
• zastosowanie szyb laminowanych, które już z samego założenia są cięższe i grubsze, a łącząca poszczególne tafle szkła folia PVB jest dodatkowym elementem tłumiącym drgania (folia ta może jeszcze podlegać dodatkowej modyfikacji w tym zakresie).

Współczesne przegrody szklane pozwalają osiągnąć podstawowe wartości izolacyjności akustycznej Rw w zakresie 36-52 dB w zależności od konstrukcji przegrody.

Ognioodporność przegród szybowych

• Powszechnie stosowane w budownictwie szkło płaskie typu float jest całkowicie nieodporne w zakresie ochrony przed ogniem – pęka przy różnicy temperatury napowierzchni szkła wynoszącej >  40°C.
• Dla pożaru nie stanowią też żadnej bariery tzw. szyby bezpieczne.
• Szyba laminowana pęka równie szybko jak szkło float i rozsypuje się przy temp. ok. 250°C, kiedy to folia PVB po stopieniu przestaje utrzymywać szklane kawałki na miejscu.
• Szyby hartowane są bardziej odporne na wysokie temperatury, jednak nie wyższe niż 300–350°C.

Niejednokrotnie zarówno zewnętrzne, jak i wewnętrzne przegrody budowlane wymagają spełnienia warunków związanych z zapewnieniem wymaganej odporności ogniowej. Rozwiązaniem w tym zakresie jest stosowanie szyb ogniochronnych.

Szyby ognioochronne powstają przez połączenie co najmniej dwóch tafli szkła, między którymi umieszona jest przezroczysta warstwa żelowa - szkło typu Pyrobel (RYS. 10). W przypadku oddziaływania ognia, począwszy od temp. 120°C, w warstwie żelowej zachodzą reakcje, które powodują zwiększenie objętości materiału i jego stwardnienie, co skutkuje wzrostem izolacyjności termicznej przegrody przy jednoczesnej pewności, że przegroda nie utraci stateczności. W trakcie reakcji żelu na temperaturę szyba traci całkowicie przezierność.

Obecnie można otrzymać szyby o odporności ogniowej od EI30 do nawet EI120, ocenianej zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 13501­‑1+A1:2010 [33]. Tego typu szkło jest w stanie spełnić również wymagania nośności ogniowej R. Wraz z oczekiwanym wzrostem wymagań izolacyjnych wzrasta grubość całego zestawu szklanego (liczba zastosowanych tafli szkła oraz liczba i grubość warstw żelowych).

Innym, ograniczonym co do skuteczności rozwiązaniem jest szkło typu Pyrobelit, które jest szkłem laminowanym z wewnętrzną folią o właściwościach ognioodpornych. Uzyskuje ono jedynie najniższe klasy odporności ogniowej E na poziomie 30 min (RYS. 11).

Szkła ognioodporne mają mniejszą wartość współczynnika przewodności światła oraz duże wartości współczynnika przenikania ciepła, stąd też w zestawach do zastosowań zewnętrznych stanowią element składowy szyb zespolonych. Przy rozwiązaniach zewnętrznych należy również zwrócić uwagę na zachowanie się materiałów pęczniejących pod działaniem temperatury oraz promieniowania UV.

Cechy techniczne i użytkowe szkła budowlanego

Wskaźnik oddawania barw Ra

Parametr ten oznaczany jest według normy PN-EN 410:2011 [34] i jest istotny dla warunków użytkowania pomieszczeń przez ludzi. Opisuje, czy i jak zmienia się barwa danego obiektu podczas oglądania go przez określony zespół szybowy.

Wartość tego wskaźnika mieści się w przedziale 0-100, przy czym wartość 100 oznacza, że barwa obiektu oglądanego przez szyby jest identyczna z jego barwą bez przegrody. Szkła budowlane typu float posiadają najczęściej wartość R_a > 90, co uznawane jest za wynik bardzo dobry. Dla szkła barwionego w masie mieści się on w granicach R_a = 60–90.

Współczynnik całkowitej przepuszczalności energii g

Współczynnik g podaje, jaka część energii promieniowania słonecznego padającego na szybę przenika do pomieszczenia. Wartość tego parametru można regulować przez zastosowanie szkieł przeciwsłonecznych, co realizowane jest przez odpowiedni dobór szkła i powłok. Parametr ten ma wpływ na bilans energetyczny pomieszczeń w okresach zimowych, czyli tzw. zysków solarnych.

Wskaźnik selektywności S

Parametr ten stosowany jest w przypadku przeszkleń przeciwsłonecznych, których zadaniem jest ograniczenie ilości energii słonecznej docierającej do pomieszczenia, ale jednocześnie wymagany jest duży udział przechodzącego do pomieszczenia światła, istotny dla funkcjonowania obiektu.

Wskaźnik ten jest ilorazem przepuszczalności światła τ_v do całkowitej przepuszczalności energii g danego przeszklenia. Im większa wartość S, tym więcej światła dochodzi do pomieszczenia, nie powodując jego nagrzania.

Stopień przepuszczalność światła L_t

Parametr ten obrazuje, jaka część światła widzialnego, padającego pod kątem bliskim 90°, jest przepuszczana przez szkło lub zestawy szklane.

Odbicie światła L_R

Odbicie światła to parametr pokazujący, jaka część światła widzialnego, padającego pod kątem bliskim 90°, jest odbijana przez szkło.

Stopień przepuszczalności promieniowania UV

Parametr zarówno istotny dla ludzi (oparzenia słoneczne), jak również odpowiadający za zmianę kolorów elementów wyposażenia.

Współczynnik zacienienia b

Współczynnik ten używany jest do obliczenia zapotrzebowania na energię do chłodzenia budynku. Określa się go jako iloraz współczynnika przepuszczalności energii g danego przeszklenia do wartości tego współczynnika dla bezbarwnego szkła float o gr. 3-4 mm bez żadnych powłok funkcyjnych, którego wartość wynosi 0,87.

Współczynnik odbicia energii słonecznej ER

Parametr ten opisuje, jaka część promieniowania słonecznego, padającego pod kątem bliskim 90°, jest odbijana przez szkło z powrotem do atmosfery.

Współczynnik absorpcji energii słonecznej EA

Parametr ten pokazuje, jaka część promieniowania słonecznego, padającego pod kątem bliskim 90°, jest pochłaniana przez szkło.

Bezpośrednia przepuszczalność energii słonecznej ET

To parametr pokazujący, jaka część promieniowania słonecznego, padającego pod kątem bliskim 90°, jest bezpośrednio przepuszczana przez szkło.

Inne rodzaje szkła w fasadach budynków

Jak przedstawiono, budowlane szkło płaskie stosowane jako przegrody zewnętrze może spełniać różne funkcje techniczne i użytkowe. Należy je wykorzystywać odpowiednio do potrzeb każdej inwestycji, jak również do możliwości technologicznych przemysłu. Wiele rodzajów szkieł i rozwiązań konstrukcyjnych na nim opartych występuje na rynku pod nazwami własnymi poszczególnych producentów, co utrudnia ich porównanie, stąd też w razie potrzeb należy analizować poszczególne parametry techniczne i użytkowe szkła i powstających z niego przegród.

Szkło pełni nie tylko rolę płaskiej przegrody z jej najważniejszą cechą, jaką jest przezierność. Występuje również w postaci znanych od dawna kształtek szklanych typu luksfery, pustaki szklane, panele i płyty szklane Vitrolit. Stosowane jest także jako materiał ściśle izolacyjny, np. w formie wełny szklanej, która produkowana jest w postaci mat lub płyt, mogących mieć zastosowanie w izolacji ścian wentylowanych.

Literatura

1. PN-EN 572-2:2012, "Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo-wapniowo-krzemianowego. Część 2: Szkło float".
2. J. Faber, "Korozja szkła okiennego w warunkach aglomeracji miejsko-przemysłowej", "Świat Szkła", nr 9/2005.
3. PN-EN 572-1+A1:2016-03, "Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo-wapniowo-krzemianowego. Część 1: Definicje oraz ogólne właściwości fizyczne i mechaniczne".
4. ISO 7991:1987, "Glass. Determination of coefficient of mean linear thermal expansion".
5. PN-EN 673:2011, "Szkło w budownictwie. Określenie współczynnika przenikania ciepła (wartość U). Metoda obliczeniowa".
6. PN-ISO 719:1994, "Szkło. Odporność hydrolityczna ziaren szkła w temperaturze 98 stopni C. Metoda badania i klasyfikacja".
7. DIN 12116, "Testing of glass. Resistance to attack by a boiling aqueous solution of hydrochloric acid – method of test and classification".
8. ISO 695:1991, "Glass. Resistance to attack by a boiling aqueous solution of mixed alkali. Method of test and classification".
9. PN-EN 1288-2:2002, "Szkło w budownictwie. Określanie wytrzymałości szkła na zginanie. Część 2: Metoda współosiowego dwupierścieniowego badania płaskich próbek o dużych powierzchniach badanych".
10. PN-EN 12600:2004, "Szkło w budownictwie. Badanie wahadłem. Udarowa metoda badania i klasyfikacja szkła płaskiego".
11. DIN 18032, "Hale sportowe; nawierzchnie sportowe, wymagania i badania".
12. PN-EN 12150-1:2015-11, "Szkło w budownictwie. Termicznie hartowane bezpieczne szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe. Część 1: Definicje i opis".
13. PN-EN 12150-2:2006, "Szkło w budownictwie. Termicznie hartowane bezpieczne szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe. Część 2: Ocena zgodności wyrobu z normą".
14. PN-EN 14179-1:2016-09, "Szkło w budownictwie. Termicznie wygrzewane hartowane bezpieczne szkło sodowo-wapniowo­‑krzemianowe. Część 1: Definicja i opis".
15. PN-EN 14179-2:2006, "Szkło w budownictwie. Termicznie hartowane wygrzewane bezpieczne szkło sodowo-wapniowo­‑krzemianowe. Część 2: Ocena zgodności wyrobu z normą".
16. PN-EN 1288-3:2002, "Szkło w budownictwie. Określanie wytrzymałości szkła na zginanie. Część 3: Badanie na próbkach podpartych na dwóch podporach (czteropunktowe zginanie)".
17. PN-EN 1863-1:2012, "Szkło w budownictwie. Termicznie wzmocnione szkło sodowo-wapniowo".
18. PN-EN 1863-2:2008, "Szkło w budownictwie. Termicznie wzmocnione szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe. Część 2: Ocena zgodności wyrobu z normą".
19. PN-EN 14449:2008, "Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Ocena zgodności wyrobu z normą".
20. PN-EN ISO 12543-1:2011, "Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Część 1: Definicje i opis części składowych".
21. PN-EN ISO 12543-2:2011, "Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Część 2: Bezpieczne szkło warstwowe".
22. PN-EN ISO 12543-3:2011, "Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Część 3: Szkło warstwowe".
23. PN-EN ISO 12543-4:2011, "Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Część 4: Metody badań odporności".
24. PN-EN ISO 12543-5:2011, "Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Część 5: Wymiary i wykończenie obrzeża".
25. PN-EN ISO 12543-6:2011, "Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Część 6: Wygląd".
26. PN-EN 356:2000, "Szkło w budownictwie. Szyby ochronne. Badania i klasyfikacja odporności na ręczny atak".
27. PN-EN 1063:2002, "Szkło w budownictwie. Bezpieczne oszklenia. Badanie i klasyfikacja odporności na uderzenie pocisku".
28. PN-EN 13541:2012, "Szkło w budownictwie. Bezpieczne oszklenia. Badanie i klasyfikacja odporności na siłę eksplozji".
29. TRLV: Przepisy techniczne dotyczące stosowania przeszkleń podpartych liniowo, sierpień 2006, DIBt Official Communication 3/2007.
30. TRPV: Przepisy techniczne w zakresie projektowania, oceny i montażu obiektów budowlanych i ich elementów, sierpień 2006, DIBt Communication 3/2007.
31. DIN 18008, "Szkło w budownictwie. Zasady projektowania i wykonania".
32. PN-EN 12524:2003, "Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe".
33. PN-EN 13501-1+A1:2010, "Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 1: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień".
34. PN-EN 410:2011, "Szkło w budownictwie. Określanie świetlnych i słonecznych właściwości oszklenia”.
35. E. Urbańska-Galewska, D. Kowalski, "Wymagania stawiane lekkiej obudowie", "IZOLACJE", nr 5/2016, s. 76–86.
36. E. Urbańska-Galewska, D. Kowalski, "Układy konstrukcyjne lekkiej obudowy", "IZOLACJE", nr 6/2016, s. 60–68.
37. E. Urbańska-Galewska, D. Kowalski, "Systemy i rozwiązania elementów lekkiej obudowy", WPPK 2016 „Naprawy i wzmocnienia konstrukcji budowlanych - Konstrukcje metalowe, posadzki przemysłowe, lekka obudowa, rusztowania", Katowice–Szczyrk: PZITB o/Katowice, 2016, s. 213–306.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!