K problémům dimenzování nosných konstrukcí z konstrukčního skla

V současné době, kdy dochází k výraznému rozvoji a aplikaci velkoplošných skleněných dílců fasádních konstrukcí či transparentních systémů zastřešení, je třeba – stejně jako je tomu tradičně u konstrukcí z betonu, oceli, dřeva či zdiva – věnovat výraznější pozornost rozpracování teoretických postupů a technických procedur pro navrhování prvků a dílců z konstrukčního skla, zabezpečujících spolehlivost a efektivnost dimenzí ve vztahu k účinkům působícího zatížení, a též se zřetelem na trvanlivost, životnost, estetické působení i splnění ekologických požadavků.

KONCENTRACE NAMÁHÁNÍ

Charakter působení nosných systémů z konstrukčního skla, namáhaných účinky zatížení, je odlišný od působení konstrukcí z běžných tradičních stavebních materiálů. Tak například na rozdíl od ocelových konstrukcí, kde lze předpokládat zmírnění vlivu lokálních špiček napětí zplastizováním přetížené oblasti s následnou redistribucí namáhání v důsledku plastického chování materiálu, dochází v případě konstrukčního skla k vyčerpání pevnosti křehkým lomem bez redistribuce a předcházejícího pružně plastického působení materiálu. Otázky koncentrace namáhání jsou tedy pro křehké prosklené prvky a dílce problémem zásadního významu. Spolehlivost nosných dílců z konstrukčního skla ve vztahu k jejich skutečnému působení je třeba chápat z hlediska řady rozdílných aspektů ve srovnání s tradičními stavebními materiály.

Počáteční energie, nezbytná k porušení skla, může být velmi nízká a dokonce i počáteční porušení malého rozsahu může způsobit křehký lom a porušení celého dílce. Konstrukce s použitím skla jako nosného dílce by proto měla být navržena s využitím principu lokalizace (vymezení) a nešíření poruchy. Dojde-li k porušení části skleněné konstrukce, musí zbytek nosného systému (podpůrný ocelový skelet či další skleněné dílce) zůstat bezpečné, i když případně se sníženou hladinou spolehlivosti. Z uvedeného důvodu je účelné navrhovat prosklené konstrukce a dílce jako druhotné, resp. podružné konstrukční části a elementy, netvořící zpravidla primární nosný systém budovy, nýbrž zejména její obálku či dělící konstrukce.

Vzhledem k tomu, že sklo je křehký materiál a porušuje se vždy křehkým lomem, je z hlediska jeho spolehlivosti třeba rovněž uvážit a analyzovat problémy, související s možností iniciace, rozvoje a růstu trhlin a jejich vlivu na pevnost skleněného dílce. V uvedeném smyslu nabývá na významu zejména studium mechanizmu porušování skleněných dílců v procesu nárůstu zatěžovacích účinků až na hladinu objektivní mezní únosnosti systému. Na tuto otázku se podrobněji zaměříme dále, a to na základě výsledků experimentálního výzkumného programu, realizovaného ve zkušebně Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně v období od září 2003 do února 2004.

POPIS ZKUŠEBNÍCH TĚLES A USPOŘÁDÁNÍ EXPERIMENTŮ

Pro realizaci zatěžovacích zkoušek byly dodány celkem tři typy různého skladebného a materiálového uspořádání zkušebních těles, a to vždy po dvou identických kusech. V podmínkách, odpovídajících působení střešního skleněného dílce, bylo tedy odzkoušeno celkem 3 × 2 = 6 ks zkušebních těles. Přehled označení a konstrukčního i materiálového řešení jednotlivých typů zkušebních těles je uveden v tabulce 1. Kromě problému závislosti přetvoření (průhybu) v procesu nárůstu zatížení až do dosažení objektivní mezní únosnosti zkušebního tělesa je zvláště v případě nosných systémů z konstrukčního skla nezbytné analyzovat důsledky mechanizmu porušení skleněného dílce z hlediska bezpečnosti osob v překrytém prostoru. Účinek plného rovnoměrného zatížení byl při zatěžovacích zkouškách skleněných zkušebních dílců vyvozován s použitím efektivní zkušební metody, využívající princip zatěžování nosných dílců vakuováním [1]. Zkoušený skleněný dílec byl prostřednictvím čtyř kruhových kovových svěrných desek s centrálním šroubem zavěšen na dvojici pomocných paralelních rámů, simulujících nosnou ocelovou konstrukci přístřešku (obr. 1). Zavěšené skleněné deskové těleso bylo osazeno do odděleného zkušebního boxu, tvořeného tuhým obvodovým dřevěným rámem, a zkoušený dílec byl společně s obvodovým rámem překryt průhlednou fólií z plastické hmoty, přilepenou ke ztužené podlaze zkušebny. Z prostoru takto uzavřeného pod průhlednou fólií se při zkoušce odsává vzduch a zkoušený dílec je tedy rovnoměrně plošně zatěžován, a to působením účinku atmosférického přetlaku. Ilustrativní záběr, dokumentující uspořádání zatěžovací zkoušky, je uveden na obr. 2. Způsob odepření skleněného zkušebního tělesa a jeho skladebné i konstrukční uspo- řádání odpovídají předpokládanému řešení typického základního dílce reálné konstrukce zastřešení autobusového nástupiště.

VÝSLEDKY ZATĚŽOVACÍCH ZKOUŠEK

Skutečná hmotnost jednotlivých skleněných deskových zkušebních těles, zjištěná vážením, dosahuje následujících hodnot: tělesa T1, T2 163,00 kg, tj. 29,50 kg . m^-2, tělesa T3, T4 280,00 kg, tj. 50,72 kg . m^-2, tělesa T5, T6 214,40 kg, tj. 38,84 kg . m^-2.

Přehled zjištěných hodnot objektivní mezní únosnosti, charakterizovaných porušením zkušebních těles při působení přídavného plošného rovnoměrného zatížení p [kPa], vyvozeného při zatěžovací zkoušce (tj. nad rámec účinku vlastní tíhy zkušebního dílce), je uveden v tabulce 2. Z důvodu ověření důsledků porušení zastřešení z vrstveného kaleného skla pro bezpečnost osob v překrytém prostoru bylo zkušební těleso T5 porušeno mechanicky úderem kladiva uprostřed skleněného dílce při zatížení p = 3 kPa.

Přehled graficky zpracovaných výsledků měření pro všechny testy zkušebních těles T1 až T6 je uveden na obr. 3 až obr. 10. Vyznačeny jsou závislosti souhrnného plošného zatížení q = g + p od vlastní tíhy zkušebního dílce g a zatížení vakuováním p a odpovídajícího průhybu (wq) v procesu nárůstu zatížení při zatěžovací zkoušce, a to pro jednotlivá měřená místa, označená číselnými symboly, uvedenými ve schématu na obr. 1.

Dále jsou pro informaci zpracovány obdobné závislosti pro místa č. 12 a 13 (středy delších obvodových stran zkušebních těles), kde bylo dosaženo největšího průhybu při zatěžovacích zkouškách a navíc též pro střed všech zkušebních těles (místo č. 1), a to formou výsledných závislostí pro všechna zkušební tělesa stejné konstrukční a materiálové skladby, zpracované metodou nejmenších čtverců. Jednotlivá měřená místa (obr. 1) jsou označena v souladu s následující legendou:

MECHANIZMUS PORUŠENÍ ZKUŠEBNÍCH TĚLES

Kromě problému závislosti přetvoření (průhybu) v procesu nárůstu zatížení až do dosažení objektivní mezní únosnosti zkušebního tělesa je zvláště v případě nosných systémů z konstrukčního skla nezbytné analyzovat důsledky mechanizmu porušení skleněného dílce z hlediska bezpečnosti osob v překrytém prostoru. V uvedeném smyslu se proto dále podrobněji zaměříme na dokumentaci způsobu a průběhu porušení zkušebních těles při zatěžovacích zkouškách. Mechanizmus porušení jednotlivých zkušebních těles T1 až T6 na mezi objektivní únosnosti při působení plného rovnoměrného zatížení je zřejmý ze záběrů na obr. 11 až obr. 18.

Porušení zkušebních těles T1 a T2 ilustrují záběry na obr. 11 a 12. Jednovrstvé kalené sklo vykazuje příznivé pevnostní a deformační charakteristiky i hladinu mezní únosnosti. K porušení na mezi objektivní únosnosti dochází náhle, a to při iniciaci lomu skla v oblasti uchycení kovovými kruhovými deskami (obr. 11). Z hlediska bezpečnosti je příznivé, že se tabule skla rozpadne na malé části, nicméně všechny úlomky skla propadnou do překrytého prostoru (obr. 12).

Porušení zkušebních těles T3 a T4 ilustrují záběry na obr. 13 a 14. Dvouvrstvé nekalené sklo s mezilehlou fólií má z analyzovaných typů zkušebních těles relativně nejmenší únosnost a tuhost, a to zejména též z hlediska podílu mezního zatížení a vlastní tíhy skleněného dílce. Na hladině objektivní mezní únosnosti dochází k postupnému rozvíjení lomových linií skla (obr. 13); proces porušování dílce není jednorázový. Z hlediska bezpečnosti v překrytém prostoru je příznivé, že skleněný dílec zůstává i po porušení v zásadě celistvý a ztužující fólie umožňuje i manipulaci s celým zkušebním tělesem (obr. 14).

Porušení zkušebního tělesa T5 ilustrují záběry na obr. 15 a 16. Dvouvrstvé kalené sklo s mezilehlou fólií vykazuje příznivé přetvárné i pevnostní parametry, nicméně při uvažovaném uspořádání (uchycení skleněných střešních dílců ve čtyřech závěsných uzlech, realizovaných svěrnými kruhovými kovovými deskami s centrálním šroubem) je nezbytné uvážit též reálné důsledky porušení zastřešení na bezpečnost v překrytém prostoru, a to jak z hlediska dosažení hladiny mezní objektivní únosnosti skleněné desky, tak z hlediska příp. mechanického porušení, např. nárazem tuhého tělesa.

Celý nezkrácený článek včetně všech obrázků, tabulek a grafů najdete v čísle 4/2005.

Autor

• Prof. Ing. Melcher Jindřich DrSc.