Szyby zespolone - skład i własności mechaniczne szkła

Trudno wyobrazić sobie w sprawnym technicznie budynku okno bez jakiejkolwiek szyby. W zależności od typu konstrukcji okiennej powierzchnia przeszklona może stanowić od 45% dla niewielkiego okna piwnicznego, do 95% powierzchni całkowitej w przypadku oszklenia stałego. Tak znaczny udział powierzchni przeszklonych w powierzchni całej konstrukcji powoduje, że właściwości szyb zespolonych mogą w znaczący sposób wpływać i kształtować poziom właściwości eksploatacyjnych i użytkowych każdego okna. Z tego powodu umiejętność właściwego doboru przeszkleń może przyczyniać się bezpośrednio do spełnienia przez produkt wymagań podstawowych i szczegółowych określonych w przepisach prawa budowlanego, przepisach techniczno-budowlanych i postanowieniach specyfikacji technicznych. Zanim jednak powstanie odpowiednia szyba zespolona i całe okno, najpierw musi zostać wyprodukowane szkło o określonych właściwościach fizykochemicznych i to od omówienia podstawowych właściwości szkła warto rozpocząć omawianie zagadnień związanych z szybami zespolonomi.

Skład szkła

Stosowane w budownictwie szkła sodowo-wapniowo -krzemianowe mają następujący skład:

  • Substancja szkłotwórcza – krzemionka (70-72%) wprowadzana za pomocą piasku kwarcowego;
  • Tlenek sodu (ok. 14%) wprowadzany za pomocą węglanu sodu (topnik) lub siarczanu sodu (substancja klarująca);
  • Stabilizator – tlenek wapnia (ok. 10%) wprowadzany za pomocą mączki wapiennej;
  • Inne tlenki, np. tlenek glinu lub magnezu, które poprawiają własności fizyczne szkła, zwłaszcza odporność na działanie czynników atmosferycznych. Przy niektórych rodzajach szkła, dodatek określonych tlenków metali (np.: kobalt i nikiel barwią szkło na szaro, a tlenek żelaza barwi szkło na niebiesko) pozwala na barwienie szkła w masie.

Własności mechaniczne szkła

Gęstość szkła wynosi 2,5 g/cm3. W przypadku szkła płaskiego, tafla o powierzchni 1m2 i grubości 1 mm posiada masę 2,5 kg. Masa właściwa szkła, wyrażona w jednostkach urzędowego systemu miar, wynosi 2500 kg/m3. Można przyjmować, że masa jednego metra kwadratowego szyby (szkła) o grubości 4 mm wynosi 10 kg.

Wytrzymałość szkła na ściskanie jest bardzo wysoka i wynosi 1000 N/mm, czyli 1000 MPa. Oznacza to, że rozbicie sześciennej kostki szkła o bokach długości 1 cm x 1 cm x 1 cm wymaga obciążenia rzędu 10 ton!

Przy poddawaniu szkła zginaniu, jedna jego powierzchnia ulega ściskaniu, druga rozciąganiu. Wytrzymałość szkła na zginanie wynosi:

  • 40 MPa (N/mm2) w przypadku niehartowanego szkła float
  • 120-200 MPa (N/mm2) w przypadku szkła hartowanego (w zależności od grubości, obróbki krawędziowej i typu konstrukcji).

Szkło jest materiałem idealnie sprężystym, niepodlegającym trwałym odkształceniom. Jest również jednak materiałem bardzo kruchym, co oznacza, że przy przyłożeniu rosnącej siły zginającej, szkło ulega pęknięciu bez żadnych uprzednich objawów. Moduł Younga „E” (współczynnik sprężystości wzdłużnej) określa, jaką siłę rozciągającą należałoby teoretycznie przyłożyć do pręta szkła, aby spowodować podwojenie jego długości pierwotnej. Wyraża się on w jednostkach siły na jednostkę powierzchni i zgodnie z europejskimi normami, wartość modułu Younga dla szkła wynosi:

E = 7 x 1010 Pa = 70 GPa

W przypadku, gdy pręt szkła poddany zostanie rozciąganiu, jego przekrój ulegnie zwężeniu (skurczeniu poprzecznemu). Współczynnik Poissona (współczynnik odkształcenia poprzecznego) jest, to stosunek względnego odkształcenia poprzecznego rozciąganego pręta do jego wydłużenia względnego w kierunku rozciągania. W przypadku szkła budowlanego wartość współczynnika Poissona wynosi 0,2.

Rozszerzalność liniowa materiału wyraża się jako współczynnik określający wydłużenie materiału na jednostkę długości przy wzroście temperatury o 1°C. Współczynnik ten jest zazwyczaj podawany dla zakresu temperatur od 20 do 300 °C. Współczynnik rozszerzalności liniowej szkła wynosi 9 x 10-6 1/°C.

Przykład

Tafla szkła o długości 2.000 mm (2 m), w przypadku ogrzania o 30°C, ulegnie wydłużeniu o:

2000 x 9 x 10-6 x 30 = 0,54 mm

Podwyższenie temperatury o 100 °C powoduje wydłużenie 1 m szkła o około 1 mm.

W tabeli poniżej na podstawie informacji technicznej Saint-Gobain Glass podajemy współczynniki rozszerzalności liniowej niektórych innych materiałów oraz odniesienie tych wartości do rozszerzalności linowej szkła

Współczynnik rozszerzalności liniowejPrzybliżony stosunek w odniesieniu do szkła
Drewno (jodła) 4 x 106 0,5
Cegła 5 x 10-6 0,5
Kamień (wapniowy) 5 x 10-6 0,5
Szkło 9 x 10-6 1
Stal 12 x 10-6 1,4
Cement (zaprawa) 14 x 10-6 1,5
Glin 23 x 10-6 2,5
Polichlorek winylu PCW 70 x 10-6 8

Ze względu na niską przewodność cieplną szkła, częściowe rozgrzanie lub schłodzenie tafli szklanej wywołuje naprężenia, które mogą powodować jej pękanie „pod wpływem czynników termicznych”. Dla okien PVC najbardziej powszechny przykład ryzyka pękania szkła pod wpływem naprężeń termicznych dotyczy krawędzi szyby zespolonej osadzonej we wrębie szklenia kształtownika okiennego. Krawędzie poddane działaniu promieni słonecznych rozgrzewają się wolniej niż pozostała powierzchnia szyby. Jeśli warunki montażu lub użytkowania mogą powodować wysokie różnice temperatur na powierzchni szkła, należy podjąć odpowiednie środki ostrożności w zakresie montażu i obróbki krawędziowej szkła. Warto pamiętać, że dzięki dodatkowej obróbce cieplnej (hartowanie) szkło wytrzymuje różnice temperatur od 150 do 200 °C.

OKNOTEST.PL