Многослойное стекло

В современной архитектурно-строительной практике стекло используется не только для производства декоративных навесных элементов, но и для производства несущих конструкций, например, колонн и балок. Последние исследования в этой области подтвердили надежность стеклянных конструкций, а следовательно объем применения стекла в архитектуре со временем будет только расти.

Разработанная в 1848 году технология получения листового литого стекла произвела революцию в строительстве, так как позволила недорого производить листы прочного стекла большого размера. Как следствие, в беспрецедентном для XIX века масштабе они были использованы при постройке лондонского The Crystal Palace в 1851 году, который стал «первой ласточкой» в ряду аналогичных зданий по всей Европе.

На стационарных зданиях светопрозрачные фасады впервые в мире стали широко использовать в Советском Союзе. Первое здание с фасадным остеклением было возведено в 1936 году в Москве по проекту Ле Корбюзье и известно как здание Наркомлегпрома.

В середине ХХ столетия развитие строительных технологий позволило использовать стеклянные фасады в высотном строительстве. Яркий пример – это построенный в Нью-Йорке в 1958 году Seagram Building, который в последствии оказал сильнейшее влияние на всю американскую архитектуру.

Современным рекордсменом по площади фасадного остекления является санкт-петербургский общественно-деловой комплекс «Лахта Центр», 85% фасада которого остеклено и состоит из примерно 16 тыс. различных по форме стелопакетов.

Современные стеклянные фасады – многофункциональное решение. Они обладают оригинальным сочетанием архитектурных и инженерных свойств. В первую очередь, разумеется, это эстетика фасада, отражающего окружение или демонстрирующего функциональность интерьерных и объемно-планировочных решений здания, что особенно важно для коммерческой недвижимости. Также полное остекление обеспечивает больший приток солнечного света в помещения, допускает относительно легкий уход и обслуживание, и в целом является более экологичным материалом, чем бетон. Закономерным направлением развития фасадного остекления стала разработка стекла, которое одновременно выполняет декоративные и несущие функции.

Правила проектирования, которые содержат описание испытаний несущих конструкций из многослойного стекла, регламентируют расчетные значения физико-механических характеристик, их стеклянных элементов и приводят обязательные требования к стеклянным конструкциям и их узлам, выполненным из цельного гладкого листового многослойного стекла следующих типов:

• закаленное (в том числе термовыдержанное);
• термоупрочненное;
• неупрочненное;
• стекло с промежуточным слоем из этиленвинилацетатной (EVA), поливинилбутиральной (PVB) пленки или прослойки из ионопласта (IP).

Действие СП 521.1325800.2023 распространяется на проектирование несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения, эксплуатируемых в сухом или нормальном влажностных режимах в диапазоне температур –40…+50°C, а также на проектирование внутренних конструкций зданий.

По функциональному назначению основными типами несущих конструкций, изготавливаемых из многослойного стекла, являются:

• Стержневые несущие элементы: колонны каркаса, фахверковые стойки и ригели, балки, прогоны, ригели каркаса, элементы связей, вертикальные и горизонтальные ребра жесткости светопрозрачных ограждающих конструкций.
• Плоские несущие элементы: вертикальные ограждающие конструкции, воспринимающие равномерно-распределенную горизонтальную нагрузку, плиты настилов, экраны ограждений.

Примечательно, что свод правил допускает использование элементов конструкций с меньшим расчетным сроком службы при условии возможности их замены. При этом проектная документация и инструкция по эксплуатации объекта недвижимости должны указывать расчетный срок службы этих элементов и описывать технологию их замены.

Нагрузки и воздействия, предельные показатели деформаций (прогибы, перемещения и амплитуды колебаний), пределы огнестойкости, непроницаемости, морозостойкости, расчетные значения температуры наружного воздуха и относительной влажности окружающей среды, защита строительных конструкций от воздействия агрессивных сред и пр. устанавливают по СП 2.13130, СП 14.13330, СП 20.13330, СП 22.13330, СП 28.13330, СП 44.13330, СП 50.13330, СП 54.13330, СП 55.13330, СП 118.13330, СП 131.13330, СП 267.1325800. Также при проектировании следует выполнять, в том числе, требования ГОСТ 27751, СП 16.13330, СП 63.13330, СП 64.13330.

В рабочих чертежах и при заказе материалов следует указывать:

• формулу стекла по ГОСТ 30826 с указанием марки, видов и толщин промежуточных слоев, приводить форму и номинальные размеры изделия, номинальные размеры и геометрию отверстий и вырезов (при их наличии), вид обработки кромок;
• вид термообработки (упрочнения) стекла и требования к нему согласно СП 521.1325800.2023;
• расположение и размеры соединений с указанием их конструкции;
• способы и объем контроля качества при изготовлении и монтаже;
• требования к защите конструкций от коррозии;
• требования по огнезащите.

При изучении существующих научных трудов в области расчетов многослойного упрочненного стекла следует отметить, что результаты натурных экспериментов могут сильно отличаться от теоретических значений и результатов численного моделирования. Так, например, в работе Травуша В.И. «Расчеты несущих конструкций из многослойного стекла на прочность и устойчивость» максимальные численные значения напряжений, полученные в результате моделирования и расчета, значительно меньше средних и минимальных результатов эксперимента (разница до 69%) и принятого максимально возможного напряжения (расчетного сопротивления) стекла (разница до 57%).

Такое снижение теоретической несущей способности связано со знакопеременным характером нагрузки, с термическими и механическими воздействиями, а также с возможными пороками: посторонними включениями, микродефектами и неровностями, которые вызывают концентрацию напряжений и приводят к резкой потере прочности.

Анализ результатов испытаний выявил следующие особенности:

• Разрушение сжатых и сжато-изгибаемых элементов происходит последовательно с обильным постепенным образованием трещин. Риск такого разрушения возможно нивелировать при соблюдении режима эксплуатации.
• Разрушение изгибаемых конструкций носит внезапный характер, поэтому необходимо введение значительных запасов при проектировании, а также следует избегать длинных пролетов и использовать сечения повышенной жесткости, чтобы исключить значительные прогибы конструкции.
• Анализ перемещений моделей под нормальной нагрузкой показал отсутствие резких скачков и перепадов перемещений вплоть до разрушения. Деформации увеличиваются последовательно и плавно с увеличением диапазона после появления первой трещины.

Свод справил обобщил мировой опыт проектирования несущих конструкций из многослойного стекла и результаты научных исследований в этой области. Утвержденный документ позволит повысить эффективность принимаемых проектных решений, обосновать их, предоставив специализированную современную нормативную базу, и сократить количество разрабатываемых СТУ, что упростит и удешевит процесс проектирования и позволит чаще применять многослойное стекло для реализации оригинальных архитектурных концепций.