Звідки беруться оптичні викривлення на скляних фасадах і як їх уникнути?

Прогулянка великим містом дарує різноманітний естетичний досвід — і, на жаль, іноді доволі неоднозначний. Особливо, коли ви розглядаєте будівлі з великоформатним фасадним склінням на базі скла мультифункціонального призначення. Таке рішення має чудові теплотехнічні характеристики, а також підвищену дзеркальність. 

Тут і ховається причина нашого естетичного незадоволення. Замість фасаду, що рівно віддзеркалює навколишній світ, ми зазвичай бачимо дрібну сітку з кривих дзеркал. Чому ж гарна архітектурна ідея перетворюється на таку сувору реальність?

Оптичні дефекти можуть мати технічне походження. Наприклад, виникати під час гартування скла, коли утворюється так званий шифер. Через некоректно обрану температуру для гартівної машини скло просідає на валках і набуває синусоїдальної форми. І тут уже нічим не зарадиш. 

Такий брак трапляється в конструкціях низької цінової категорії чи тимчасових конструкціях невідповідального призначення. Хороша новина — ці випадки стають рідкістю, адже якість гартівних машин покращується разом із кваліфікацією персоналу. Погана новина — виробничий ланцюг все ще має слабкі ланки.

Є ще одна причина викривлень. Це оптичні дефекти, які виникають під час складання склопакетів та їх експлуатації. Про них ми і поговоримо детальніше.

Приклади оптичних дефектів

Почнімо зі збирання склопакетів, вибору числа камер і того, як усе разом впливатиме на оптику та теплофізику. 

Для визначення геометричних параметрів склопакета ми використали прилад MERLIN. Він дає можливість за допомогою лазерного променя отримувати абсолютні значення товщин скла, положення напилення, міжскляної відстані в різних зонах склопакета. 

Щоб краще зрозуміти проблему значних оптичних викривлень на склопакетах, розглянемо приклади на фото.

Викривлення на цих фасадах помітні неозброєним оком. Хоча одна з основних архітектурних вимог до світлопрозорої конструкції — отримання відображення без спотворень. Це формує естетичне враження, яке несвідомо впливає на позиціонування об’єкта у тій чи іншій репутаційно-ціновій категорії. 

Представлені на фото викривлення є навіть на склопакетах менших розмірів. Якщо їх збільшити (а це — тренд, архітектори часом закладають у проєкти склопакети площею понад 10 м²), то результат буде незадовільним. Це ще масштабніші викривлення, «схлопування» шарів у склопакеті й навіть руйнація.

Звідки беруться викривлення

Щоб з’ясувати джерело викривлень, фахівці Aestech провели емпіричні і розрахункові дослідження. Об’єкт — стандартний склопакет і склопакет підвищеної міцності (СПМ). Останній є розробкою Aestech та орієнтований на використання у світлопрозорих фасадних системах з великоформатною фрагментацією.

Ефекти «лінзування» і «схлопування» скла у склопакетах прямо пов’язані з «кліматичним» (внутрішнім) навантаженням. Йдеться про підвищений чи знижений порівняно з початковим — на момент виготовлення — тиск газу в склопакеті. Зміна тиску газу в склопакеті зумовлена кліматичними умовами експлуатації склопакетів: температурою повітря, зміною тиску з висотою, коливанням барометричного тиску.

Європейські стандарти (EN) багато уваги приділяють величині кліматичного навантаження, а також необхідності її врахування в різних випадках. Відповідно до EN13474-1, кліматичне навантаження може досягати +20,4 кПа і –23,4 кПа. Ці показники розраховані для європейських кліматичних умов. А за сукупності факторів внутрішнє навантаження у нашому кліматі може доходити –33,7 кПа у зимовий період і +20,8 кПа у теплу пору року. 

Від моменту герметизації склопакета внутрішнє навантаження чинить тиск на стекла і деформує їх. У міру деформації стекол відбувається зміна внутрішнього об’єму. Зміна внутрішнього об’єму пов’язана з внутрішнім тиском і описується рівнянням Менделєєва-Клапейрона. 

Оскільки у разі зміни об’єму й тиску в цьому випадку температура змінюється несуттєво, можна вважати температуру константою. Отже, якщо збільшується внутрішній об’єм, зменшується внутрішній тиск. Тобто наявність деформацій впливає на величину навантаження. Навантаження сприймається одночасно двома способами. Частина — за рахунок опору стекол деформаціям, а частина компенсується завдяки зміні об’єму газу під час деформації стекол. 

Вважається, що у звичайних склопакетах вітрове навантаження сприймає лише зовнішнє скло. Внутрішні шари з огляду на тримальні властивості є «паразитичними» і покликані впливати тільки на теплофізичні характеристики склопакета. Тому за умови шарнірного кріплення з усіх боків склопакета це твердження справедливе. 

Ідея склопакета підвищеної міцності (СПМ) полягає в тому, щоби примусити «паразитичні» внутрішні шари скла у склопакеті брати участь у загальному опорі вітровому потоку. Іншими словами, звичайний склопакет перетворюється із шарового (коли шари скла можуть вільно ковзати одне відносно іншого), на трубчастий. 

Останній передбачає, що стекла жорстко склеєні між собою через посилену дистанцію на основі профільних композитних рішень і спеціальних високоадгезивних клейових сумішей. Таким чином, щоб конструктивно збільшити жорсткість склопакета, необхідно у звичайному склопакеті замінити об’єм вторинної герметизації на жорстко вклеєний композитний профіль прямокутного перерізу. 

Методи розрахунку напружено-деформованого стану стекол у звичайному склопакеті (наприклад, SJ MEPLA) базуються на припущенні про шарнірне закріплення кромок. Їх не можна застосувати для розрахунку СПМ, які виробляє Aestech, оскільки для розрахунку СПМ необхідно використовувати практично жорстке закріплення. Проте у будь-якому разі перед початком розрахунку склопакета слід розрахувати кліматичне навантаження — надлишковий тиск у склопакеті. 

А. Ю. Куренкова, А. В. Кузьменко і О. М. Куренкова у статті «Формула склопакета для будівель підвищеної поверховості» (Инженерно-строительный журнал, №8, 2011) наводять дані, отримані за методикою розрахунку надлишкового тиску у склопакеті. На їхній основі визначена статична міцність склопакетів під впливом кліматичного навантаження для звичайних склопакетів (ЗС) і СПМ. Звідти ж для нас цікаві ще три аспекти:

Характер розподілу напружень в однокамерних склопакетах відчутно відрізняється. Для ЗС більш навантаженими є кутові зони, а для СПМ — крайові зони. 
Рівень напружень у внутрішньому склі СПМ вищий, ніж у ЗС, приблизно на 20%, що підтверджує ідею задіяння внутрішнього скла до загального опору навантаженню. 
Під впливом кліматичного навантаження в СПМ зовнішнє скло (більшої товщини) прогинається приблизно на 20% менше, ніж у ЗС, а внутрішнє скло (меншої товщини) СПМ прогинається приблизно на 10% більше, ніж у звичайному склопакеті. 

Отже, зменшення ступеня лінзування можна досягти або за рахунок збільшення товщини зовнішнього скла в ЗС, або за рахунок застосування СПМ.

Це доводять фасадні системи від компанії Aestech, у яких застосовано великоформатні склопакети підвищеної міцності.

Знижений рівень лінзування дозволяє реальній конструкції відповідати архітектурному рішенню і забезпечити відображення навколишнього середовища майже без видимих викривлень. 

Ще один важливий фактор, про який не можна не згадати і який прихований від очей споживача — це технологія складання склопакетів. 

Приклад: під час огляду одного з об’єктів виявили значне зменшення міжскляного простору за температури повітря зовні 25 градусів. Це свідчить лише про те, що склопакет (достатньо великого розміру — близько 4 кв. м) складали в горизонтальному положенні без компенсації прогинання верхнього скла. А що буде взимку? Про яку теплофізику можна буде говорити?

Однокамерний чи двокамерний склопакет

Ефективність двокамерного склопакета в теплий період та зимою відрізняється. Через зниження температури відбувається збільшення лінзування двокамерного склопакета відносно однокамерного. Причина — різке зниження парціального тиску газу (повітря чи аргону) у першій камері за низьких температур, тобто ефект температурного перекосу. Якщо площа двокамерного склопакета більша за 3 м² і співвідношення сторін менше ніж 2:1, то його ефективність знизиться. У теплу ж пору року такого не відбувається. На зразках 350х350 мм все теж просто чудово.

Для розуміння пропонуємо розглянути спрощену схему роботи однокамерного і двокамерного склопакетів. Беремо однакові шари скла й однакові розміри дистанційної рамки. В реальності стекла можуть бути різними, зокрема з різним покриттям і тонуванням. Дистанційні рамки, як правило, також різні, проте для розуміння процесу схема спрощена до мінімуму.

Останнім часом однокамерні склопакети «виросли» з точки зору теплотехнічних характеристик. Цим вони створюють конкуренцію двокамерним, зокрема, у питаннях енергоефективності. Серед інших переваг — менша вага та знижене лінзування, що неодмінно веде до економії бюджету.

Це не означає, що треба раз і назавжди забути про двокамерні склопакети. Але завжди варто приділяти увагу технічним, зокрема теплотехнічним характеристикам. Адже науковці та інженери весь час працюють над тим, щоб підвищити якість рішення, зекономивши гроші клієнту. 

Автори статті:
Команда конструкторського бюро Aestech