Bodové spoje nosných skleněných konstrukcí

V moderní architektuře jsou stále častěji využívány skleněné fasády, zastřešení nebo i skleněné sloupy a trámy. Problematickou část při návrhu konstrukcí ze skla představují spoje mezi jednotlivými prvky. Ve snaze docílit co nejtransparentnějšího vzhledu konstrukcí byly vyvinuty nejrůznější typy mechanických bodových a lepených kotevních systémů a jejich kombinací. Ačkoli se skleněné konstrukční prvky běžně používají, návrh jejich spojů je založen především na poznatcích získaných experimenty. Na Fakultě stavební ČVUT v Praze v současné chvíli probíhá výzkum zaměřený na charakteristiky laminovaného spoje se skrytým kotevním bodem. V rámci počáteční fáze byly vyzkoušeny malé vzorky s jedním kotevním bodem skládající se z různých typů skel a folií. Experiment přinesl informace o únosnosti spoje v tahu, tlaku a excentrickém smyku a také o převládajícím způsobu porušení. Získaná data budou dále použita pro tvorbu numerických modelů a navazující parametrické studie.

1. Úvod

S rostoucími nároky moderní architektury na transparentnost konstrukcí se sklo stává stále žádanějším stavebním materiálem. Běžně se setkáváme se skleněnými fasádami, zastřešením nebo zábradlím a objevují se i skleněné sloupy a nosníky. Zejména při návrhu spojů skleněných konstrukcí je nutné zohlednit specifické vlastnosti skla, především jeho křehkost, která souvisí s růstem mikro trhlinek při namáhání tahem až do kritické hodnoty vedoucí k porušení křehkým lomem.

V minulosti používané liniové upevnění skleněných prvků do rámových konstrukcí je u současných staveb z estetického hlediska méně přijatelné, a proto byla vyvinuta řada kotevních systémů, které připojují skleněné prvky ke zbytku konstrukce bodově. Obecně lze rozlišit dva základní druhy bodových spojů skleněných konstrukcí – mechanické (šroubové, svěrné) a lepené.

Pro návrh konstrukcí ze skla a jejich spojů dosud nejsou k dispozici ucelené návrhové předpisy. Při navrhování je proto často nutné vycházet z poznatků získaných na základě experimentů nebo předešlými zkušenostmi.

2. Bodové spoje

Sklo je stále častěji využíváno jako materiál pro nosné konstrukční prvky. Jak skleněné prvky, tak jejich spoje musí být proto schopné přenést nejen zatížení vlastní tíhou, ale i zatížení způsobená větrem a sněhem či užitné zatížení. Každý spoj musí zajišťovat přenos sil mezi sklem a spojovacím prvkem tak, aby nedocházelo ke vzniku koncentrací a nepředvídatelných špiček napětí. Tomu lze předejít tím, že se zabrání kontaktu mezi dvěma skly nebo mezi sklem a ocelí. [1]

Mezi sklo a ocel jsou vkládány vhodné podložky z plastu, pryskyřice nebo neoprenu, které zabraňují přímému kontaktu skla se šrouby či příložkami. Tvrdost, tuhost a odolnost těchto podložek má velký vliv na chování prvku při zatížení, a tím i na únosnost spoje. [1]

Liniové uchycení skleněných prvků pomocí přítlačných lišt a rámů bylo v posledních desetiletích vytlačeno esteticky přijatelnějším bodovým upevněním. Mechanické bodové upevnění využívající šroubové spoje bylo poprvé použito v 80. letech 20. století a stále se vyvíjí. Novější lepené spoje pro svou transparentnost na první pohled představují ideální architektonické řešení, nicméně jejich únosnost se může vlivem okolního prostředí v čase snížit. [1]

2.1 Mechanické šroubové spoje

a)

b)

c)

Obrázek 1: Bodové spoje a) klasický šroubový; b) zapuštěný šroubový; c) lepený

Mechanické spoje slouží jak pro bodové připevnění panelů skleněných fasád, tak i pro vzájemné spojení skleněných tabulí u různých konstrukčních prvků (nosníků, sloupů, výztužných žeber). Fungují na principu šroubu vloženého do vyvrtaného otvoru ve skleněném prvku (tabuli). Otvory jsou vyvrtány skrz celou tloušťku tabule, případně skrz všechny její vrstvy. [2]

Nejstarší a nejjednodušší šroubový spoj funguje na principu přímého uložení skleněného prvku na dřík šroubu. Pro zabránění přímému kontaktu mezi sklem a ocelí a zvětšení kontaktní plochy (a tím i zvýšení únosnosti) se mezi dřík a hranu skleněné tabule vkládají podložky z pružného materiálu. Protože klasické šrouby (obr. 1a) narušují hladký povrch skla, často se používají šrouby zapuštěné (obr. 1b). Při použití zapuštěné hlavy šroubu je nicméně nutné vyvrtat ve skle kónický otvor. [2]

Nevýhodou šroubových spojů je malá kontaktní plocha a nerovnoměrné rozložení napětí (koncentrace napětí) v okolí otvorů (obr. 2). Na únosnost panelu se šroubovým spojem má vliv jak zbytkové napětí otvoru, tak i kvalita povrchu a opracování hran skla. Pro skleněné konstrukční prvky s vrtanými otvory je nutné použít vždy tepelně upravené sklo, které má větší pevnost než sklo plavené. [2]. Hrany otvoru by měly být broušené na míru po celém obvodu nebo leštěné po celém obvodu otvoru.

a)

b)

Obrázek 2: a) normálové napětí ve skle v okolí otvoru pro šroub; b) fotoelasticimetrická metoda (izochromaty) [3]

2.2 Lepené spoje

Pojícím prvkem lepeného spoje je nekovový, přilnavý materiál na bázi polymeru, který získává své vlastnosti po prodělání chemického procesu – vytvrzení. Kvalita spoje je závislá nejen na vlastnostech pojící vrstvy (pevnosti lepidla), ale i na vlastnostech hraničních vrstev (přilnavosti) lepidla ke spojovaným prvkům. Pomocí lepených spojů lze realizovat jak liniová a plošná, tak i bodová spojení (obr. 1c). [4]

Lepené spoje díky větší homogenitě umožňují rovnoměrnější přenos zatížení než spoje šroubové a zároveň odpadá nutnost vrtání otvoru do skleněných prvků. V případě bodového lepeného spojení je zatížení přenášeno pouze malou plochou, což přispívá k transparentnosti konstrukce, ale zároveň zvyšuje požadavky na mechanickou odolnost lepidla. Při návrhu je nutné vzít v úvahu, že pevnost spoje závisí na mnoha faktorech jako je teplota, vlhkost, UV záření a typ a doba trvání zatížení. [2]

Obecně lze lepené spoje rozdělit na elastické, polotuhé a tuhé. Elastické spoje s lepidly na bázi silikonů jsou vhodné zejména na dlouhé spoje přenášející krátkodobé zatížení, jako je např. vítr. Jsou UV stabilní a odolávají velkým rozdílům teplot. Pro bodové spoje jsou naopak vhodnější polotuhá či tuhá lepidla na bázi akrylátů nebo epoxidových pryskyřic, která mají obecně větší pevnost než elastická lepidla. Výběr samotného lepidla hraje při návrhu spoje důležitou roli. Ke zvážení je jeho chemická kompatibilita se substrátem, geometrie spojované oblasti, rozsah teplot, kterému bude spoj vystaven a požadovaná životnost. Záleží také na zpracovatelnosti a způsobu vytvrzení. [2]

Primární otázkou při volbě lepidla je tloušťka spoje. Každé lepidlo má optimální tloušťku, při které dosahuje maximální pevnosti, zatímco pro jiné tloušťky jeho pevnost klesá. Pro bodové spoje jsou vhodná především kontaktní akrylátová lepidla, která lze nanášet i ve vrstvách tenčích než 1 mm, při které mají velmi vysokou pevnost. Kvůli tenké vrstvě ale nemají schopnost přizpůsobit se nerovnostem povrchu a nejsou schopny vyrovnat špičky napětí. K aktivaci obvykle slouží UV záření. Aby došlo k proniknutí UV záření do celého lepeného spoje, je nutné lepidla nanášet v tenkých vrstvách. Výhodou je, že po vytvrdnutí jsou tato lepidla vůči UV záření odolná. [2]

2.3 Laminované spoje

Pro výrobu laminovaného spoje se používá stejná technologie jako pro výrobu laminovaného skla, kdy je několik vrstev skla spojeno pomocí adhesivního transparentního polymerového materiálu ve formě folie o základní tloušťce 0,38 mm. Folie může být z ethylenvinyl acetátu (EVA), polyvinyl butyralu (PVB) nebo transparentních ionomerů (Sentryglas). V případě laminovaného spoje je mezi kovový a skleněný prvek umístěna folie. Poté proběhne standardní laminace v autoklávu, čímž je ocelový spojovací prvek plně připojen ke sklu (obr. 3). Jednou z hlavních výhod tohoto spoje je, že na konci laminačního procesu je spoj kompletní a plně připravený k použití na stavbě. [2], [4]

a)

b)

c)

Obrázek 3: Laminovaný spoj a) Standardní laminovaný spoj; b) Vložený laminovaný spoj; c) Laminovaný spoj se skrytým kotevním bodem

Laminované spoje lze rozdělit do tří kategorií:

1. Standardní laminovaný spoj
   U standardních laminovaných spojů (obr. 3a) je ocelový prvek připojen ke sklu jedním svým povrchem tak jako u spojů lepených. [4]
2. Vložený laminovaný spoj
   U vložených laminovaných spojů se kovová část umisťuje mezi laminované prvky – tabule skla (obr. 3b). Rozlišuje se spoj s tenkým nebo tlustým plechem. Tenký plech se vkládá mezi folie, přičemž tloušťka plechu je menší než tloušťka jedné skleněné tabule. Pak je potřeba tloušťku v souvrství vyrovnat větším počtem folií. V případě vložek s větší tloušťkou je nutné vyříznout ve středovém skle otvor odpovídající tvaru vloženého plechu, tj. tloušťka plechu odpovídá tloušťce jedné skleněné tabule v souvrství. [4]
3. Laminovaný spoj se skrytým kotevním bodem
   Spoj se skrytým kotevním bodem (obr. 3c) představuje kombinaci mechanického šroubového a laminovaného spoje. Kotevní bod s kónickou hlavou je vložen do vrtaného otvoru v jedné skleněné tabuli. Následně je pomocí folie vrstva s kotevním bodem spojena s dalšími skleněnými tabulemi. Šroub tedy neprochází skrz celý panel, jako je tomu u tradičních šroubových spojů, ale pouze jeho částí. Zároveň spolu se skly projde procesem laminace v autoklávu, čímž se pomocí folie připevní k povrchu jedné z tabulí. [4]

3. Zkoušky bodových spojů

V současnosti se používají pro spoje nosných skleněných konstrukcí všechny výše popsané druhy spojů, často i v kombinaci (např. lepený spoj doplněný šroubovým spojem), aby bylo dosaženo vysoké úrovně bezpečnosti. Spoj nesmí být slabým místem konstrukčních prvků. Při realizaci konstrukce ze skla je často nezbytné experimentální ověření chování spoje v měřítku 1:1, protože pro návrh neexistují návrhové normy ani jiné pomůcky. Výzkumem především lepených a laminovaných spojů se zabývá řada světových institucí a univerzit. Experimenty se zaměřují na změny chování spojů, které jsou vystaveny různým účinkům zatížení a různým typům vnějších vlivů jako je teplota, rychlost zatěžování aj. Kromě samotné únosnosti spojů jsou obvykle sledovány i vizuální změny jako zakalení a tvorba bublinek. Tyto změny nemusí ovlivnit únosnost spoje, nicméně jsou nepřijatelné z estetických důvodů.

Příkladem je právě probíhající výzkum laminovaného spoje se skrytým kotevním bodem na Fakultě stavební ČVUT v Praze. Spoj je vhodný pro bodové přípoje fasád, střešních / stropních tabulí nebo izolačních dvojskel. Výhodou je, že šroub neprochází celým souvrstvím, čímž je omezen vznik tepelných mostů a v případě izolačních dvojskel otvor neprochází skrz hermeticky uzavřenou dutinu. V rámci první fáze tohoto výzkumu bylo provedeno několik sérií zkoušek malých těles s jedním skrytým kotevním bodem ve vrstveném skle (obr. 3c). Bylo vyzkoušeno několik typů vzorků lišících se v druhu použitého skla pro jednotlivé vrstvy (plavené, tepelně zpevněné, tvrzené) a také použitou folií (EVA, PVB). Na vzorcích byly provedeny tři druhy zkoušek, jejichž cílem bylo zjistit únosnost těles v tahu, tlaku a excentrickém smyku. U všech typů zkoušek byly vzorky cyklicky zatěžovány až do porušení. V průběhu experimentu byly sledovány jak deformace vzorků (průhyby), tak i vizuální změny v okolí spoje – především tvorba bublinek, které naznačují počátek delaminace kotevního bodu od souvrství. [4] [5]

3.1 Zkušební vzorky

a)

b)
Obrázek 4: Skladba zkušebních vzorků

Pro zkoušky byly použity vzorky o rozměrech 300 × 500 mm. Tloušťka jednotlivých skleněných tabulí byla 10 mm. U všech typů vzorků byla spodní celistvá tabule z plaveného skla. Tabule s otvorem byly u části vzorků z tepelně zpevněného a u druhé části z tepelně tvrzeného skla. Tabule byly spolu s ocelovým kotevním bodem spojeny pomocí dvou vrstev folie (EVA nebo PVB) s nominální tloušťkou 0,38 mm. Folie typu EVA byly buď čiré, nebo matné. Uprostřed každého vzorku byl umístěn jeden ocelový kotevní bod. Přímému kontaktu mezi sklem a ocelí bylo zabráněno pomocí dvou podložek z polyetylenu s vysokou hustotou (HDPE) (obr. 4a, obr. 4b). Každá řada vzorků obsahovala tři identická zkušební tělesa.

3.2 Průběh zkoušek

a)

b)

c)

Obrázek 5: Výrobní vady v ploše spoje

Před začátkem každé zkoušky byly všechny vzorky zkontrolovány, aby byly odhaleny případné výrobní vady, zejména bublinky v ploše spoje, (obr. 5).

1. Tahové zkoušky
   Pro přenos zatížení byl použit zatěžovací rám s odnímatelnou spodní částí. Vzorky byly při experimentu symetricky podepřeny 85 mm od okraje válcovými podporami s podložkou (obr. 6a). Všechny vzorky byly zatěžovány rychlostí 1 mm/min až do porušení a zatížení bylo vnášeno pomocí několika zatěžovacích a odtěžovacích cyklů (graf 1a). S rostoucím zatížením se v celé ploše spoje všech vzorků objevovaly zvětšující se bublinky, které se postupně slévaly do sebe (obr. 7a). U většiny vzorků se objevily také bublinky mimo plochu spoje. [5]
   
   
   
   a)

   
   b)

   
   c)

   
   Graf 1: Schéma zatěžování a) tahem; b) excentrickým smykem; c) tlakem
2. Zkoušky excentrického smyku
   Při zkoušce byla skleněná tabule vertikálně upnuta do ocelového rámu s odnímatelnou vrchní částí. Svislé hrany byly po celé délce uloženy na plastových podložkách připevněných na rám. Síla byla vnášena pomocí ocelového přípravku nasazeného na šroub, který byl připevněný do kotevního bodu. Excentricita síly byla 140 mm (obr. 6b). Vzorky byly zatěžovány rychlostí 1 mm/min až do porušení a zatížení bylo vnášeno pomocí několika zatěžovacích a odtěžovacích cyklů (graf 1b). Téměř ihned po začátku zatěžování se v ploše spoje začaly tvořit bublinky. Jejich počet postupně rostl a slévaly se do sebe, až vytvořily viditelnou hranici mezi tlačenou a taženou oblastí spoje (obr. 7b). U všech vzorků s transparentní folií se objevily také bublinky mimo plochu spoje v tažené části nad kotevním bodem. S narůstajícím zatížením došlo k viditelné deformaci HDPE podložek (obr. 7c). [5] [6]
3. Tlakové zkoušky
   Vzorky byly stejně jako při tahových zkouškách symetricky podepřeny 85 mm od okraje válcovými podporami s podložkou (obr. 6c). Zatěžování probíhalo rychlostí 1 mm/min pomocí několika zatěžovacích a odtěžovacích cyklů do porušení (graf 1c).

a)

b)

c)

Obrázek 6: Zatěžování vzorků a) tahem; b) excentrickým smykem; c) tlakem

a)

b)

c)

Obrázek 7: Viditelné změny v ploše spoje při zatěžování a) tahem; b), c) excentrickým smykem

3.3 Výsledky

Zkoušky ukázaly, že ve většině případů dojde k porušení vzorku dosažením tahové pevnosti skla. Zároveň převažovaly případy, kdy došlo k odtržení kotevního bodu od folie, ale folie zůstala neporušená, jednalo se tedy o adhezní porušení. Graf 2 představuje závislosti deformace na síle při tahových, tlakových (2a) a smykových (2b) zkouškách vzorků s ESG sklem. Ukazuje rozdíly v chování vzorků při jednotlivých typech zkoušek bez ohledu na typ použité folie. Ve všech případech představuje deformace znázorněná v grafech 2 posun příčníku. Průměr dosažené maximální síly pro vzorky s tepelně zpevněným (TVG) a tepelně tvrzeným (ESG) sklem bez ohledu na typ použité folie jsou porovnány v tabulce 1. [5] [6]

a)

b)

Graf 2: Závislost deformace na síle a) tah, tlak; b) excentrický smyk

U zkoušek tahových a smyku s excentricitou se vzorky s tepelně tvrzenou tabulí s otvorem porušovaly do malých střepů typických pro tento typ skla. Kotevní bod se poté zcela vytrhl, nicméně folie zůstávala neporušená (obr. 9a). U vzorků s tepelně zpevněným sklem měly trhliny tvar pavučiny (obr. 9b). Při tahových zkouškách bylo výsledné porušení vzorků oboustranně symetrické a vycházelo z místa kotevního bodu. Při zkouškách excentrického smyku byl tvar porušení jednostranně symetrický (obr. 9c). U tlakových zkoušek bylo rozhodující dosažení tahové pevnost spodní tabule z plaveného skla bez otvoru. Trhliny tvaru pavučiny typicky vycházely z místa spoje (obr. 9d). [5] [6]

a)

b)

c)

d)

Obrázek 9: Vzorky po porušení a), b) tahem; c) excentrickým smykem; d) tlakem

4. Závěr

Skleněné konstrukce získávají v posledních letech na popularitě. Doposud byla vyvinuta řada technologií pro spojování skleněných prvků a mezi nejprogresivnější z nich patří lepené a laminované spoje, ale protože prozatím nejsou k dispozici ucelené postupy pro jejich návrh, je nutné jejich chování ověřovat experimentálně. K tomu mimo jiné přispívá právě probíhající výzkum na ČVUT v Praze zaměřený na vlastnosti a únosnost laminovaného spoje se skrytým kotevním bodem. Provedené experimenty na zkušebních tělesech malých rozměrů prokázaly dostatečnou únosnost tohoto typu připojení. Na experimenty malých vzorků bude navázáno testy na tělesech v měřítku 1:1 pro reálné aplikace, pomocí kterých budou ověřeny poznatky získané předešlým výzkumem na zkušebních tělesech malých rozměrů.

Oznámení

Tento příspěvek vznikl za podpory grantu Skrytý kotevní bod pro vrstvené skleněné konstrukce č. TH 03010175 Technické agentury ČR (TAČR) a Studentské grantové soutěže ČVUT SGS22/140/OHK1/3T/11.

Literatura

1. WURM, J. Glass structures: design and construction of self-supporting skins. Basel: Birkhäuser, 2007. ISBN 978-3-7643-7608-6.
2. HALDIMANN, M., A. LUIBLE a M. OVEREND. Structural use of glass. Zürich, Switzerland: International Association for Bridge and Structural Engineering, 2008. ISBN 3857481196.
3. VENCL, R. a M. ELIÁŠOVÁ. Shear Bolted Connections of Glass Structures - the Experimental Analysis of the State by Means of the Photoelastic Method. In: DUNAI, L., ed. Responding to Tomorrow´s Challenges in Structural Engineering. Budapest, 2006-09-13/2006-09-15. Zürich: IABSE, 2006. s. 84-85. ISBN 3-85748-114-5.
4. BEDON, CH. a M. SANTARSIERO. Transparency in Structural Glass Systems Via Mechanical, Adhesive, and Laminated Connections - Existing Research and Developments. Advanced Engineering Materials [online]. 2018, 20(5) [cit. 2020-05-07]. DOI: 10.1002/adem.201700815. ISSN 14381656. Dostupné z:
   https://doi.wiley.com/10.1002/adem.201700815
5. ZDRAŽILOVÁ, M., Z. SOKOL a M. ELIÁŠOVÁ. Tensile tests of embedded laminated glass connections. In: IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 4^th World Multidisciplinary Civil Engineering-ArchitectureUrban Planning Symposium - WMCAUS, Praha, 2019-06-17/2019-06-21. Bristol: IOP Publishing Ltd., 2019. Materials Science and Engineering. sv. 603. ISSN 1757-899X. https://doi.org/10.1088/1757-899X/603/5/052027
6. ZDRAŽILOVÁ, M., Z. SOKOL a M. ELIÁŠOVÁ. Tests of the Embedded Laminated Glass Connection Under Short-term Tensile and Eccentric Shear Loads. In: Challenging Glass 7 - Conference on Architectural and Structural Applications of Glass. Ghent, 2020-09-04. Delft: Delft University of Technology (TU Delft), 2020. sv. 7. ISBN 978-94-6366-296-3. https://doi.org/10.7480/cgc.7.4471