English
Russian
открывает широкие перспективы для легких наружных стен
Тонкое термоупрочненное стекло обеспечивает широкие перспективы для легких наружных стен, сокращает использование сырья и в то же время открывает новые перспективы для архитектурного выражения благодаря своему превосходному оптическому качеству и высокой гибкости. Из-за структурных проблем, вызванных в основном низкой жесткостью продукта, реализация проектов с тонким термоупрочненным стеклом в качестве структурного элемента до сих пор была ограничена.
В этой статье делается попытка обойти эту проблему, используя примеры прошлых проектов из цельного стекла и текущих исследовательских проектов для изучения возможности структурного применения тонкого стекла в качестве мембранного элемента. Нецелесообразно использовать тонкое стекло в качестве элемента сжатия, поскольку риск прогиба больше, чем угроза чрезмерного напряжения.
В качестве альтернативы рекомендуется использовать его в качестве элемента растяжения, подкрепленного примерами из академических и промышленных исследовательских проектов. В этом случае был представлен новый тип держателя стекла, который может передавать нагрузку без момента термоупрочненному стеклу.
В современной архитектуре непрозрачные архитектурные элементы все чаще заменяются прозрачными элементами. Стремление к архитектурной прозрачности сделало использование стекла в качестве строительного материала все более и более популярным. Но что самое важное, с учетом ожидаемого роста реализация конструкций из термоупрочненного стекла становится все более сложной задачей, о чем свидетельствуют многочисленные существующие проекты по производству цельностеклянных конструкций по всему миру.
В общем, стекло толщиной менее 2 мм является тонким стеклом. Хотя тонкое или сверхтонкое стекло обычно используется в других отраслях, таких как электронная промышленность, стандартная толщина стекла, используемого в строительстве, обычно составляет от 2 до 12 мм. В этой главе описываются возможности и проблемы внедрения тонкого стекла в архитектурную среду.
По сравнению с обычным стеклом тонкое стекло выделяется своей меньшей толщиной при той же плотности, уменьшенным использованием сырья и малым весом. Эти аспекты не только обеспечивают потенциальные экономические преимущества, но и способствуют устойчивости всего здания за счет уменьшенного использования сырья. Это касается не только самого стекла, но и всего здания, поскольку малый вес стекла также снижает вес несущей конструкции.
Еще один аспект, который стоит упомянуть, заключается в том, что тонкое термоупрочненное стекло обладает большей гибкостью и превосходными оптическими качествами по сравнению со стеклом традиционной толщины. Вместо того чтобы рассматривать гибкость как недостаток, лучше рассматривать ее как возможность открыть путь для проектирования более прозрачных и визуально привлекательных конструкций. Если стекло используется для изготовления сложных форм, они будут ограничены либо из-за потенциально высокой стоимости процесса горячей гибки, либо из-за технических ограничений, таких как слишком большой минимальный радиус изгиба холодногнутого стекла (Topcu 2017).
Помимо академических исследовательских проектов, было выполнено большое количество промышленных исследовательских проектов, включающих холодную гибку тонкого термоупрочненного стекла, что доказывает степень деформации тонкого стекла и возможности, предоставляемые этой характеристикой.
Исследование, проведенное Seele в 2012 году, изучало минимально достижимый радиус тонкого стекла, сформированного в холодном состоянии в процессе ламинирования (рисунок 01). Испытание проводилось с двумя химически упрочненными стеклянными панелями, каждая толщиной 1 мм и промежуточным слоем SGP 0,89 мм. Сначала модель конечных элементов использовалась для моделирования образца, чтобы определить наименьший возможный радиус изгиба, а затем она была успешно реализована в испытании на изгиб. Изгиб выполняется с использованием 3D-печатной формы с радиусом 300 мм. Радиус стекла увеличивается до конечного значения 450 мм после релаксации, что немыслимо для стекла обычной толщины (Kloker 2012).
Еще одним исследованием, показывающим сгибаемость тонкого стекла, является текучая термоупрочненная стеклянная скульптура, предложенная и спроектированная Carpenter / Lowings Architecture & Design и Eckersley O'Callaghan Ltd (рисунок 02). В этом примере показана безрамная тонкая стеклянная скульптура, в которой холодная гибка выполняется путем точечной фиксации на углах химически упрочненных стеклянных элементов. Благодаря процессу холодной гибки, по сравнению с горячей гибкой стекла, результирующее оптическое искажение невелико. Другим эффектом, полученным за счет полученной формы, является жесткость геометрии, которая позволяет стеклу стоять независимо без помощи дополнительных подконструкций.
Хотя тонкое стекло является многообещающим в будущем, до сих пор оно не было реализовано ни в одном проекте в качестве структурного компонента. Это можно объяснить несколькими причинами. В этой статье рассматриваются только ограничивающие факторы с точки зрения структуры.
Первой проблемой, которую необходимо преодолеть, является низкая жесткость элемента на изгиб и его высокая чувствительность к выпучиванию, что справедливо для любого более тонкого материала. Однако в случае стекла его хрупкое поведение увеличивает риск серьезных последствий в случае отказа, что требует дополнительного внимания.
Среди вышеупомянутых проблем, с которыми мы сталкиваемся, отсутствие жесткости, несомненно, является наиболее требующим внимания, поскольку структурная концепция полностью зависит от нее. Как правило, применение стекла в строительстве ограничивается панелями, используемыми в качестве ограждающих конструкций зданий, а в некоторых случаях — в качестве барьеров. Поскольку пластина подвержена изгибу, тонкое стекло не обладает жесткостью из-за своей малой толщины и, следовательно, не предлагает большого потенциала в этом отношении. Возможный и более эффективный способ полностью использовать потенциал этого продукта — применить теорию мембраны.
Теория мембраны описывает состояние конструкции, в которой нагрузка в основном передается в виде нормальной силы, а изгибающий момент настолько мал, что его можно игнорировать. Со временем он оказался очень эффективным методом передачи нагрузок с минимальным количеством материала. Преимущество этого эффекта перед пластиной заключается в том, что напряжение равномерно распределяется по всему поперечному сечению. В отличие от случая пластин, пики напряжения или неравномерное распределение напряжения в поперечном сечении избегаются, и конструкционные материалы могут быть полностью использованы (рисунки 3 и 4).
Обычные геометрические формы, которые допускают поведение мембраны, — это арки, оболочки, купола и бочки, среди прочих форм. Все эти геометрические формы основаны на принципе цепной кривой: формы, которая появляется, когда цепь свободно закреплена на обоих концах. Если предположить, что цепь подвески склеена и перевернута вверх дном в точке соединения каждого звена, то полученная геометрия соответствует геометрии линии тяги (рисунок 5).
Линия тяги (LT) — это воображаемая линия, по которой в конструкции протекает нормальная сила. Она включает две силы: вес конструкции (W) и горизонтальную тягу (HT). Результирующая сила этих двух сил — это тяга (T), действующая в направлении линии тяги (рисунок 6).
В идеальной арке нормальная сила проходит через ее ось, что означает, что эта особая форма обеспечит максимальную устойчивость под собственным весом. Напротив, в бочке или куполе линия тяги будет немного отклоняться от центра поперечного сечения. Если линия тяги находится далеко от центра, будет создаваться тяговое усилие. Однако, пока линия тяги остается в пределах средней трети поперечного сечения, конструкция будет оставаться устойчивой (Dutton 2013).
Геометрическую форму тонкой оболочки можно распознать с помощью аналогичной концепции модели подвески. Этот метод также описывается как поиск структуры. Затем замените воображаемую цепь тканью, которая крепится к каждой опоре. Форма, образованная весом ткани, составляет основу обычных конструкций оболочек, включая монолитные купола, сетчатые оболочки или седловидные крыши.
Форма арки контролируется линией тяги и соответствует цепной линии. Для внешних нагрузок, которые могут быть асимметричными (например, ветер), геометрия должна быть дополнительно оптимизирована. В отличие от формы арки, форма тонкой оболочки не должна адаптироваться к нагрузке. Если форма арки регулируется в соответствии с нагрузкой, арка может передавать нагрузку только без изгибающего момента, а оболочка имеет возможность нести нагрузки без изгибающего момента, пока она поддерживается в плоскости оболочки и избегает концентрированных нагрузок (Schober 2015).
Seele реализовала проекты из цельного стекла в прошлом, где термоупрочненное стекло действует как элемент сжатия или сдвига в плоскости. Эти проекты подчеркивают, что даже с использованием технологий более 20 лет назад можно создавать экономически эффективные конструкции из цельного стекла.
Эти силы являются результатом собственного веса конструкции и предварительного напряжения, вызванного кабельной сетью, которая охватывает каждый узел вдоль узлов. Ключевым фактором в разработке этой конструкции являются материальные свойства стекла, которое может передавать сжимающие силы, превышающие силы растяжения. Хотя этот метод доказал свою эффективность, риск прогиба, вызванный тонкой конструкцией, ограничивает достижимые возможности стеклянного купола (Ludwig & Weiler 2013). Полностью стеклянная крыша сводчатого цилиндра музея Максимилиана была завершена в 2002 году, образуя самонесущую конструкцию на историческом дворе размером 37 м x 14 м с общим количеством стеклянных панелей 527 (рисунок 8). Единственным компонентом, который дополняет это полностью стеклянное ограждение, является трубчатая рама, которая определяет край сводчатого цилиндра. Конструкция оболочки с одинарной кривизной, образующая сводчатый цилиндр, может экономично изготавливать те же панели. Сжимающее напряжение передается на конструкцию в узлах.
С этой целью каждая панель поддерживается на узловой пластине колпачком из нержавеющей стали, установленным в углу. Штифт с регулировочным винтом в центре узла используется для позиционирования пластины, чтобы сформировать структурное соединение со стальным колпачком. Каждая панель изготовлена из многослойного безопасного стекла, которое состоит из двух слоев 12-миллиметрового термоупрочненного стекла размером 1,16 м x 0,95 м (seele GmbH 2020).
Оба вышеуказанных проекта показывают пример стекла в качестве элемента сжатия. Однако, поскольку для предотвращения деформации при сжатии структура оболочки требует минимальной толщины, эта концепция не идеальна для тонкого стекла. Одним из возможных решений для преодоления этого препятствия является возврат конструкции в исходное положение под собственным весом.
Таким образом, стекло будет подвергаться растягивающему напряжению. Как упоминалось в исследовании Weltbild Dome, стекло более эффективно при сжатии, чем при растяжении, но из-за избыточного напряжения риск изгиба тонкого стекла больше, чем риск разрушения. Таким образом, нагрузка передается более эффективно в форме растяжения, поскольку избегается нестабильное воздействие силы сжатия, тем самым устраняя риск деформации.
Проводится много исследований для изучения характеристик стекла при использовании в качестве растягивающего элемента. Их выводы имеют решающее значение для понимания того, сколько тонких стеклянных конструкций можно добавить в архитектурную отрасль.
В этой главе представлены два экспоната, демонстрирующих способность термоупрочненного стекла выдерживать растяжение.
Исследования, проведенные Техническим университетом Дармштадта, показывают пример существующей концепции гибкой кабельной сети, вдохновленной крышей Фрая Отто в Олимпийском парке Мюнхена. Поскольку покрытие крыши заменено тонким стеклом, конструкция обеспечивает большую прозрачность при сохранении легкого веса. Таким образом, кабельная сеть определяет форму конструкции в соответствии с уровнем предварительного напряжения каждого кабеля, а стекло действует как конформное покрытие, образуя прозрачную, защищенную от атмосферных воздействий конструкцию крыши и передавая нагрузки (рисунок 9).
Из-за большой деформации стекла, связанной с его толщиной, предположения линейной теории пластин больше не применимы, и для точных расчетов необходимо учитывать геометрические нелинейные эффекты. Стекло выдерживает комбинацию изгибающей силы и силы пленки. Чтобы обеспечить непрерывную структуру с плавным переходом между каждым стеклянным элементом, элементы линейно поддерживаются непрерывными зажимными стержнями (рисунок 10, Peters et al., 2019). Концепция использования тонкого термоупрочненного стекла в качестве структурной мембраны, возможно, наиболее эффективно была продемонстрирована в проекте «Гравитация» на сайте технологий стекла в 2018 году. Идея начать с мембраны под напряжением означает, что разрабатывается инновационный способ передачи требуемой нагрузки. Примерно в то же время системы склеивания, такие как TSSA от Dow, начали предлагать различные методы передачи силы внутрь и наружу поверхности стекла: когда ранее использовались более толстые стеклянные системы, минимизация фиксации означала разработку точечной фиксации и фокусировку силы на точке.
Экспонат включает в себя две стеклянные панели, ламинированные двумя листами тонкого стекла толщиной 2 мм и SGP, и прикрепленные к кромочной полосе из нержавеющей стали, которая подвешена к конструкции штатива. Этот компонент приближает 1,5-тонную качающуюся кабину к подиуму. Стеклянная панель имеет размеры 1 м x 2 м и состоит из двух термоупрочненных ламинированных стеклянных панелей. Детали крепления стекла односторонние, полностью полагаясь на клеевое соединение для передачи нагрузки.
Колебание массы автомобиля моделируется Define Engineers с использованием нелинейного динамического анализа переходных процессов. Точка подвеса на верхней части стекла позволяет автомобилю вращаться на 360 градусов и качаться на 15 градусов от вертикали в любом направлении, все подвешено на высокопрочных стальных стержнях диаметром 9,5 мм. Это моделируется в анализе как маятник с начальным смещением, равным максимальному углу качания, и минимальным затуханием 5%.
Динамически усиленное натяжение в системе (рисунок 11) используется для проектирования всех компонентов выставки. Нелинейный эффект стекла под напряжением (15 кН) компенсирует изгиб, в противном случае изгиб может произойти из-за собственного веса стекла или любой другой последующей нагрузки, так же как натянутая веревка, она остается прямой и может выдерживать боковые нагрузки. Результат использования постоянного натяжения в стекле заключается в том, что идеально прямые стеклянные панели увеличивают драматизм выставки.
Вешалка и все кронштейны тщательно спроектированы, чтобы избежать изгиба стекла внешними силами. Это достигается с помощью смещенного стального кронштейна (рисунок 12), который вносит момент в стальную конструкцию, но линия реакции совпадает с центральной линией стекла. Это приводит к эффективному изгибу стекла с нулевым натяжением.
Кроме того, шарнир сверху специально разработан для достижения максимального перемещения и минимального ограничения для уменьшения силы скручивания в стеклянной панели. В целом, чтобы пленка была загружена только в стекло, все внимание сосредоточено на деталях системы, чтобы высвободить как можно больше термоупрочненного стекла, сохраняя при этом устойчивость системы.
Термоупрочненное стекло приклеивается к полосе нержавеющей стали внутри детали подвески с помощью Dow TSSA, а затем соединяется с автомобилем. Верхняя часть представляет собой специально разработанную и изготовленную деталь подвески. Многослойное стекло использует SGP в качестве промежуточного слоя, а термоупрочненное стекло имеет режим разрушения, который позволяет передавать нагрузку на опорную стеклянную пластину через промежуточный слой. Обратите внимание, что детали односторонние, чтобы показать прозрачность фиксированных деталей и сохранить ясность стеклянного фасада. Это показывает, как представить его в архитектурной среде реального проекта.
Одной из главных особенностей проекта является прозрачное соединение между стеклом и кронштейном из нержавеющей стали, которое выполнено из прозрачного структурного силиконового клея DOWSIL™ (TSSA) компании Dow Chemical Company. Постоянное напряжение в слое TSSA оценивается примерно в 0,6 Н/мм², которое дополнительно увеличивается примерно до 0,7 Н/мм² из-за динамического эффекта качающейся машины. Последний экспонат в разделе Glass Technology Live показан на рисунке 13.
Seele использовал образцы тонкого стекла размером 400 мм x 600 мм, предоставленные Glaston, для проведения испытаний на прочность конструкции с целью подтверждения надежности TSSA. Испытательная область склеивания TSSA размером 300 мм x 40 мм должна выдерживать постоянную нагрузку 4,5 кН, что приводит к локальному пиковому напряжению приблизительно 0,6 Н/мм².
Для краткосрочных экспериментов увеличивайте силу до тех пор, пока стекло или TSSA не разрушится. Максимальная сила растяжения первых трех образцов достигла среднего значения 53,8 кН (рисунок 14). Четвертый образец (PK4) был намеренно подвергнут дополнительному изгибу, поэтому он не был включен в среднее значение.
После достижения максимального усилия весь ламинат разрушился. Вся поверхность TSSA была покрыта осколками термоупрочненного стекла, что указывает на то, что адгезивный слой все еще был цел после достижения максимального усилия (рисунок 15).
Долгосрочный эксперимент проводился в течение недели под усилием, требуемым конструкцией, и то же усилие было увеличено на 50%. Образец может выдерживать нагрузку без видимых изменений. Затем стеклянный слой был сломан, чтобы проверить остаточную емкость ламината. Хотя распространилась одна трещина, полного разрушения не произошло.
Тонкое стекло является многообещающим материалом. Благодаря применению традиционных методов инженерного проектирования в сочетании с инновационными материалами, требующими инновационных решений, можно создавать более легкие, более прозрачные и более оптически привлекательные конструкции.
Цель данной статьи — продемонстрировать преимущества этого нового продукта с его уникальными характеристиками, такими как малый вес или высокая гибкость. Напротив, упоминаются некоторые проблемы и ограничения, объясняющие трудности внедрения тонкого термоупрочненного стекла в застроенной среде, а также ограничения, установленные из-за присущих материалу свойств.
Связанные новости
