Teoretická a experimentálna analýza sklenených prvkov

Za posledných desať rokov došlo k výraznému rozvoju a aplikácii veľkoplošných sklenených konštrukčných dielcov v stavebníctve, a to hlavne v prípade rôznych typov skladby a usporiadania sklenených fasádnych konštrukcií alebo konštrukcií zastrešenia. Konštrukčné sklo už nie je len súčasťou výplne otvoru steny objektu, ale často tvorí vlastný veľkoplošný transparentný systém ovplyvňujúci výrazne pohodu vnútorného prostredia aj architektonický výraz budovy.

V porovnaní skla s ostatnými konštrukčnými materiálmi je pôsobenie konštrukčného skla pri účinku zaťaženia doposiaľ do značnej miery nedostatočne teoreticky aj experimentálne rozpracovaným problémom. Intenzívny výskum uvedených dielčích otázok je nevyhnutelným predpokladom zabezpečenia spoľahlivosti, funkčnosti a efektívnosti novodobých moderných zasklených konštrukčných dielcov a stavebných systémov.

POUŽITIE SKLA
V súčasnej dobe môžeme sklo pokladať za univerzálny stavebný materiál. S nárastom šírky ponúkaného sortimentu skiel a produktov na báze skla je dôležité správne vybrať najvhodnejší produkt pre danú aplikáciu. Len špecializovaný odborník vie určiť, resp. predpokladať, ako sa daný materiál správa na základe stanovených okrajových podmienok v skutočnosti. V praxi sa nedá vyhovieť všetkým požiadavkám súčasne, a preto sa často robia kompromisy pri výbere alebo kombinovaní rôznych sklenených produktov.

Okná a zasklené fasády
Okná a fasády sú vertikálne prvky, ktoré slúžia ako deliaca konštrukcia medzi exteriérom a interiérom. Musia byť schopné odolávať zaťaženiu vlastnou váhou a vetrom. Sú komponentmi stavebnej konštrukcie, ktoré nemusia spĺňať žiadne dodatočné bezpečnostné požiadavky, ak takáto požiadavka nie je priamo definovaná účelom objektu. Napriek tomu musí byť ich materiál a skladba zvolená veľmi starostlivo – s ohľadom na tepelnú a zvukovú izoláciu konštrukcie.

Pochôdzne sklo
Sklo umiestnené pod určitým uhlom, vzhľadom na vertikálu, musí byť schopné odolávať zaťaženiu vlastnou váhou, saniu a tlaku vetra, zaťaženiu snehom alebo zaťaženiu vyvolanému prítomnosťou osôb (čistenie a údržba sklenenej konštrukcie). Takéto zasklenie sa samozrejme musí s ohľadom na tieto skutočnosti aj navrhnúť. Typy pochôdznych skiel zaraďujeme do dvoch kategórií:
 

• sklo s obmedzeným pohybom osôb,
• sklo s neobmedzeným pohybom osôb.

NAVRHOVANIE NOSNÝCH KONŠTRUKCIÍ ZO SKLA
Využívanie skla ako stavebného materiálu sa spopularizovalo len v nedávnej minulosti. Hlavným dôvodom je pokrok v technológii výroby skla, ktorý viedol ku konštrukčnému materiálu s vyššou kvalitou a vyššou mechanickou pevnosťou. Navrhovanie sklenených prvkov, resp. konštrukcií, vyžaduje podrobné znalosti mechanických vlastností tohto pevného, ale, bohužiaľ, veľmi krehkého materiálu. Sklo sa chová pri zaťažení takmer úplne elasticky.

Nevykazuje žiadne plastické rezervy a v množstve prípadov sú pre návrh sklenených prvkov rozhodujúce koncentrácie napätí, ktoré vznikajú v okolí trhlín, škrabancov alebo rýh na povrchu sklenených prvkov. Spoznanie týchto faktorov viedlo – a neustále vedie – ku vzniku nových metód pre návrh a posudzovanie nosných elementov vyrobených zo skla.

Najčastejšie je sklo využívané v stavebnom priemysle ako priehľadný, resp. priesvitný komponent deliaci vnútorný priestor, charakterizovaný klimatickými, akustickými a inými požiadavkami, od vonkajšieho priestoru. V takomto prípade zasklenie spĺňa funkciu bariéry či filtra medzi dvomi odlišnými prostrediami a má za úlohu blokovať alebo odrážať vybrané fyzikálne toky.

V dnešnej dobe je však nevyhnutné zaoberať sa otázkou, v akých prípadoch je možné považovať sklenený prvok za nosný konštrukčný element alebo za časť nosného systému. Preto vzniklo počas histórie navrhovania sklenených prvkov niekoľko spôsobov, ktorými je možné popísať mechanické vlastnosti a pôsobenie skla ako konštrukčného materiálu. Väčšina týchto metód je zaužívaná nielen pri návrhu sklenených, ale tiež betónových, železobetónových, oceľových a drevených konštrukcií.
 

V súčasnej dobe môžeme sklo pokladať za univerzálny stavebný
materiál (ilustračné foto)

Návrhové metódy
Existuje niekoľko prístupov, ako popísať mechanické chovanie a fungovanie skla. Na základe týchto metód boli neskôr odvodené metódy navrhovania a posudzovania sklenených konštrukcií. Nasledujúce tri metódy sa síce vzájomne líšia špecifickým teoretickým prístupom, ale napriek tomu nie sú protichodné, a teda môžu byť vhodným spôsobom kombinované. Metóda dovolených namáhaní Navrhovanie je založené na báze dovolených napätí. Výhodou tohto výpočtového prístupu je v prvom rade jeho jednoduchosť. Aby boli obsiahnuté všetky neznáme, všetky pravdepodobnosti porušenia konštrukcie a v rovnakom čase dosiahnutý aj adekvátny stupeň bezpečnosti, je nutné používať pomerne vysoké stupne bezpečnosti. Pre bežné typy skiel sú stupne bezpečnosti 2,5–3-krát vyššie ako je charakteristická pevnosť skla získaná pri experimentálnych skúškach.

Navrhovanie na základe pravdepodobnosti prasknutia, resp. zlomenia
Na popísanie štatistickej podstaty použiteľnej pevnosti skla sa využíva lomová mechanika. Uvedená metóda zohľadňuje vplyv trvania zaťaženia a okolitej vlhkosti. Veľmi dobre popisuje skutočné chovanie skla. Je presnejšia ako metóda dovolených namáhaní, ale je, bohužiaľ, takisto omnoho viac komplikovaná.
 

Obr. 1 – Geometria a zaťaženie tabule

Metóda medzných stavov
Prístup na základe metodiky medzných stavov využíva štatistické spracovanie vstupných hodnôt na strane pevnosti materiálu a strane zaťaženia. Okrem toho obsahuje rôzne modely porušenia konštrukcie. V súčasnosti je najpoužívanejšou metódou nielen pri návrhu sklenených konštrukcií. Koncepcia návrhu a posúdenia konštrukcie na základe metódy medzných stavov vyžaduje bezpodmienečnú garanciu vzhľadom na porušenie ktoréhokoľvek nosného prvku – bez ohľadu na funkciu elementu v konštrukcii.

Návrh podľa metódy medzných stavov musí zabezpečiť podmienky schopnosti prevádzky posudzovanej konštrukcie z hľadiska:

• medzného stavu únosnosti – schopnosť prvku vyhovieť všetkým napätiam, ktorými je daný prvok namáhaný,
• medzného stavu používateľnosti – schopnosť prvku vyhovieť maximálnym prípustným deformáciám.

Pri návrhu sklenených prvkov je navyše nevyhnutné posúdiť konštrukciu v prípade porušenia. Posudzujú sa nasledovné vlastnosti:

• zvyšková únosnosť porušeného skleneného prvku vzhľadom na náhle zrútenie,
• zvyšková stabilita konštrukcie ako celku.
   

TEORETICKÉ OVEROVANIE SKLENENÝCH KONŠTRUKCIÍ
Experimentálne overovanie moderných konštrukcií a materiálov je jedným z najdôležitejších zdrojov poznania skúmanej problematiky. Avšak nie vždy je možné – vzhľadom na rozsah a možnosti experimentu – skúmať danú problematiku komplexne. Komplexným skúmaním sa rozumie sledovanie vzájomnej interakcie medzi vyšetrovanou konštrukciou, prípadne materiálom, a veľmi širokým spektrom ovplyvňujúcich parametrov.

Príprava a realizácia laboratórnych skúšok je navyše vo väčšine prípadov značne časovo aj finančne nákladná, a z tohto dôvodu je nevyhnutné zaoberať sa otázkami korektnej tvorby teoretických modelov a ich aplikáciou na praktické úlohy.

V dnešnej dobe umožňujú výkonné počítače a výpočtové programy veľmi podrobné simulovanie laboratórnych experimentov, stavebných konštrukcií a podobne. Hlavnou výhodou tohto prístupu je, že sa dajú modelovať aj pomerne rozsiahle konštrukcie efektívne, bez zvýšených priestorových alebo finančných nárokov. Jednoduchšie je taktiež spracovávať rôzne parametrické štúdie.

V praxi je pri návrhu sklenených prvkov možné používať množstvo tabuliek a grafov pre rôzne rozmery, zaťaženie a štandardné podopretie prvkov. Je však nutné si uvedomiť, že takéto výsledky ponúkajú len približné určenie vnútorných síl a napätí, pretože v skle – neplastickom materiále – vznikajú v okolí otvorov a bodových podpier lokálne koncentrácie napätí, ktoré sú niekedy rovné 2,5–3-násobku medziľahlých napätí.

Modelovanie sklenených panelov
Uvedená výpočtová úloha sa zaoberá modelovaním sklenených tabúľ metódou konečných prvkov. Výpočet je zameraný na modelovanie vplyvu rôznych okrajových podmienok podopretia tabule, na jej deformačné a napätostné správanie. Na jednoduchých príkladoch je tiež badateľný značný rozdiel vo výsledkoch dosiahnutých na základe lineárneho a nelineárneho výpočtu.

Na výpočet bol použitý program firmy SCIA – Nexis 32, verzia 3.60.15. Hodnoty priehybu Uz [mm] sú uvedené pre stred rozpätia tabule, reakcie v podperách Rx, Ry, a Rz [kN, resp. kN/m] sú uvedené v absolútnych hodnotách.

The use of glass as a building material has grown in popularity in recent years. The reasons for this can be primarily found in developments in glass technology, which have led to higher mechanical strengths. Designing with glass demands a detailed knowledge of the mechanical properties of this strong but, unfortunately, brittle material.

Celý nezkrácený článek včetně tabulky naleznete v aktuálním čísle časopisu KONSTRUKCE 4/2006.

Autoři

• Ing. Slivanský Miloš
• prof. Ing. Brodnianský Ján PhD.