Термические напряжения, вызывающие разрушение стекла

Силикатное листовое стекло, обладая значительным количеством замечательных свойств – прозрачностью, химической инертностью, феноменальной долговечностью не лишено и существенных недостатков, главный из которых хрупкость.

Среди причин, вызывающих разрушение стекла, едва ли не главной являются термические напряжения.

Причиной разрушения стекол, которое начинается с торцевых сторон, где стекло было отрезано, являются растягивающие напряжения в направлении торцевых сторон. Если на краю стекла уже имеются трещины или микротрещины, даже небольшие краевые растягивающие напряжения разрушают стеклянную пластину.

Растягивающие краевые напряжения вызываются разностью температур в разных частях стекла. Когда на улице стоят типичные для России в зимние месяцы морозы, тепло воздуха, находящегося во внутренних помещениях, передается через стеклянные части наружу и нагревает поверхности стекла. Края стекла находятся в пазу, и их температура ниже. Влияние «холодного мостика» алюминиевого профиля, расположенного по краям элемента изолирующего стеклопакета, увеличивает разницу температур между краевой и центральной частями стекла.

Имеющие более высокую температуру по сравнению с краевыми центральные части окна стремятся расшириться. При этом более холодные краевые участки препятствуют расширению, и в краевых зонах стекла возникают растягивающие напряжения. Трещины и микротрещины работают на чистых поверхностях краев стекол как клинья, которые разрушают стекло, разрывая его.

Риск разрушения, которое имеет начало по краям стекол, увеличивается в солнцезащитных стеклах, а также в стеклах с тонирующими пленками. В отражающих и поглощающих солнцезащитных стеклах тепловое солнечное излучение частично поглощается стеклом и пленкой, и при этом средняя часть стеклянной пластины нагревается еще сильнее. Края стекол защищены и находятся позади штапика, и их температура значительно ниже, чем температура центральной части.

Разница температур между различными зонами стекла является причиной возникновения по краям стекла сильных поверхностных растягивающих напряжений. В эффективных солнцезащитных стеклах с пленкой краевые растягивающие напряжения превышают прочность стекла, и стекла разрушаются. Тени, которые могут падать на стекла, клейкая лента и рекламные объявления, наклеиваемые на стеклянную поверхность, увеличивают разницу температур, и вероятность разрушения возрастает. Риск разрушения пластин обычного прозрачного строительного стекла, и вероятность этого связаны определенной закономерностью в зависимости от скорости возрастания температуры. Обычные перепады температуры воздуха, находящегося снаружи, не могут быть причиной таких сильных напряженных состояний, которые могли бы увеличивать риск разрушения.

Когда разница температур в стеклянной пластине составляет 20 °С, риск разрушения отсутствует. При достижении разницы температур 40 °С, вероятность разрушения составляет 20 %. Когда разница температур равна 55 °С, вероятность равна 55 % или, иначе говоря, половина стекол может разрушиться. И, наконец, когда разница температур превышает 90 °С, все обычные прозрачные строительные стекла разрушаются.

Риск разрушения, на который влияет подъем температуры, увеличивается в герметично закрытых элементах изолирующих стеклопакетов. «Холодный мостик», образующийся вблизи алюминиевого профиля в краевой зоне, увеличивает поверхностные растягивающие напряжения, вызываемые разницей температур. Кроме того, перепады температуры в промежуточном пространстве наполненного газом и герметично закрытого элемента изолирующего стеклопакета вызывают изменение давления. На стадии изготовления элемента стеклопакета стремятся заранее учесть временные перепады температур в промежуточном пространстве во время отопительного периода путем увеличения давления в промежуточном пространстве. Увеличение давления составляет лишь несколько десятков паскалей, однако вероятность разрушения значительно снижается.

Разрушение стеклянной пластины термоударом маловероятнее, чем по из-за краевых и поверхностных напряжений. Влияние термоудара можно всегда в дальнейшем проследить по картине разрушения и по характерным для данной ситуации признакам. Такую картину настолько сложно обнаружить, что на нее часто не обращали внимания при обследовании места разрушения.

Все архитектурные пленки объединяет один общий показатель – поглощение солнечной энергии. Поглощая энергию, пленки нагреваются и, естественно, передают это тепло стеклу, на которое они установлены. В связи с этим, при установке тонирующих пленок на стекло существуют четкие правила и ограничения.

Еще в 1983 году ЦНИИ Промзданий было разработано руководство по проектированию, монтажу и эксплуатации светопрозрачных ограждений с применением стеклопакетов. Одно из важнейших для нас требований сформировано в п. 3.12 этого документа: «… теплопоглощающие стекла рекомендуется предусматривать только в наружном слое стеклопакета». Это правила вызвано следующими причинами. В летний период времени стекло с пленкой, поглощая свет, нагревается, а температура его будет тем выше, чем больше света поглощается пленкой. При нагреве внешнего стекла конвективный теплообмен ничем не затруднен, значительная часть нагретого воздуха удаляется ветром и возможность перегрева стеклопакета сводится к минимуму. При установке пленки на второе стекло в однокамерном стеклопакете и на третье стекло в двухкамерном стеклопакете конвективный теплообмен происходит, однако воздух в помещении интенсивно нагревается и стекло с тонирующей пленкой превращается в отопительный элемент, что, по понятным причинам, приводит либо к дискомфорту, либо делает пребывание в помещении небезопасным для людей. Отвод тепла на улицу через внутреннюю полость стеклопакета и внешнее стекло совершенно недостаточен, т.к. ему препятствует само назначение стеклопакета как светопрозрачного теплоизолирующего изделия с высоким сопротивлением теплопередаче, в особенности, если это стеклопакет двухкамерный. При этом, как мы уже сказали, рост температуры во внутренней полости приведет к повышению давления. Расчеты показывают, что при повышении температуры во внутреннем пространстве стеклопакета на 40 °С, а это происходит достаточно часто, давление воздуха или иного газа, заполняющего герметичный стеклопакет, возрастает на 0,08-0,1 атмосферы, что составляет 800-1000 кг на 1 кв. м. Такое давление с большой вероятностью либо разгерметизирует стеклопакет, от чего он теряет свои теплоизолирующие свойства и будет запотевать при изменении температуры наружного воздуха, либо разрушает стекла со всеми вытекающими последствиями.

Еще один нормативный документ государственного уровня – межгосударственный стандарт ГОСТ 24866-99 регламентирует вид стекла, на которое должна устанавливаться пленка. П. 4.2.7 указанного стандарта гласит: «В случаях, когда в стеклопакетах для наружного остекления применяют неупрочненное стекло, его коэффициент поглощения света должен быть не более 25 %. Стекло с более высоким коэффициентом поглощения света должно быть упрочненным (закаленным)». В том случае, если тонирующая пленка, поглощение света которой превышает 25 %, устанавливается на триплекс, то оба стекла триплекса должны быть закаленными. Это связано с тем, что закаленное стекло выдерживает неравномерность нагрева до 200 °С без разрушения и, будучи в 5-7 раз прочнее обычного листового стекла, выдерживает без последствий повышение внутриполостного давления.

Инструкция по установке пленок на стекла различных видов остекления, включая одинарное и спаренное остекление, а также одно- и двухкамерные стеклопакеты с бесцветными и окрашенными стеклами.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСТАНОВКЕ САМОКЛЕЯЩИХСЯ ПЛЕНОК НА СТЕКЛА

	Процент поглощения солнечной энергии	Простое бесцветное остекление	Однокамерный стеклопакет с бесцветными стелами (6)	Простое окрашенное остекление (7)	Однокамерный стеклопакет с окрашенным стеклом (7, 8)	Однокамерный стеклопакет с низкоэмиссионным стеклом (8, 6)	Простое остекление бесцветными триплексами	Однокамерный стеклопакет с бесцветными триплексами (6, 1)	Простое отрешение окрашенными триплексами (2)	Однокамерный стеклопакет с окрашенным триплексом (6, 3)
1	57 - 61	8	11	10	11	12	11	12	12	11
2	39 - 56	7	11	9	10	11	11	12	12	10
3	32 - 38	5	6	6	5	7	8	10	12	5
4	15 - 31	3	4	4	4	5	3	4	12	4
5	10 - 14	2	3	3	3	4	2	3	10	3
6	7 - 9	1	2	3	3	2	1	2	8	3

Замечания

1. В диаграмме предполагается, что внутреннее стекло – это бесцветный триплекс, а внешнее стекло – бесцветное листовое стекло.

2. Использование тонирующих пленок на окрашенном одинарном остеклении триплексом допускается в том случае, если все слои триплекса изготовлены из термически упрочненного или закаленного стекла.

3. Внутреннее стекло – бесцветный триплекс, второе стекло – окрашенное однослойное.

Если внутреннее стекло – окрашенный триплекс, то установка пленок допускается только в том случае, если все слои триплекса изготовлены из термически упрочненного или закаленного стекла.

4. Тонирующие пленки могут быть установлены на стекла толщиной 12 мм только в том случае, если стекла термически упрочненные, либо закаленные. Если это триплекс, то оба его стекла должны быть термоупрочненные или закаленные.

5. Устанавливать пленки на стекла площадью более 10 кв. м. не рекомендуется, если это неупрочненные стекла.

6. Если стеклопакет заполнен инертным газом (аргоном, криптоном и т.д.), то данные рекомендации неэффективны.

7. Диаграмма рассчитана для окрашенных стекол среднего затемнения. В случае применения более темных стекол к сумме баллов следует добавлять 2 балла.

8. Диаграмма рассчитана на то, что низкоэмиссионное покрытие расположено на внутреннем стекле внутри стеклопакета (поверхность № 3). В случае, если низкоэмиссионное покрытие нанесено на внутреннюю поверхность внешнего стекла (поверхность № 2), из общей суммы баллов нужно вычесть один балл.

К баллам данной таблицы прибавляются баллы,

соответствующие условиям применения:

Максимальная температура наружного воздуха

42° С и ниже	0
43° С – 48° С	1
49° С – 53° С	2
54° С – 60° С	3

Толщина стекла

6 мм и менее	0
9 мм	1
12 мм	см. замечание 4
Более 12 мм	не рекомендуется (НР)

Затенение

Прямое затенение	1
L-образное затенение	2
T- и V-образное затенение	3

Рама

Стальная или бетонная	1
Рама с резиновыми прокладками по периметру	1
Без прокладок	2

Состояние стекла

Царапины

Видимые с расстояния 1,5 - 3 м	1
Видимые с расстояния 3,3 - 6 м	2
Видимые с расстояния более 6 м	НР
Щербины и сколы, видимые с любого расстояния	НР

Высота над уровнем моря

600 – 1525 м	1
1525 – 3050 м	2
Более 3050 м	3

Размеры стекла

4,6 – 9,3 кв. м.	1
Более 9,3 кв. м.	см. замечание 5

Дополнительно:

Шторы или жалюзи на расстоянии 10 см
и менее от окна

Если сумма баллов 10 и менее, пленку можно устанавливать на обычное стекло.

При 14 баллах и менее – стекло должно быть термически или химически упрочненным.

При 18 баллах и менее – стекло должно быть закаленным.

Более 18 баллов – пленку устанавливать нельзя.

Рекомендации по установке пленок на стекло

Правила применения диаграммы

1. Поглощение солнечной энергии и термические напряжения

Тонированная пленка эффективна для уменьшения нагрева помещений солнечным светом с целью создания комфортных условий.

Эти пленки либо отражают солнечный свет, либо поглощают его. Солнечный свет с любой длиной волны, поглощаемый пленкой, превращается в тепло. Это тепло, в свою очередь, передается стеклу. При нагревании размер стекла увеличивается.

Если рама, в которую установлено стекло, неровная или тесная, в стекле возникают значительные механические напряжения, что в экстремальных случаях может привести к разрушению стекла. По этой причине вводятся ограничения по применению некоторых видов пленки в оконных системах.

Цель диаграммы – оказание практической помощи установщикам пленок.

2. Дополнение к учитываемым факторам

В диаграмме имеется два раздела, в которые включены большинство известных факторов, которые могут привести к разрушению стекла.

Раздел факторов, связанных с установкой пленок на стекло, содержит описание различных комбинаций пленок со стеклами.

Величина баллов пропорциональна температуре стекла – чем выше температура стекла после установки на него соответствующего вида пленки, тем больше величина балла.

Раздел условий установки стекла содержит дополнительные факторы, которые могут оказать влияние на повышение вероятности разрушения стекла. Большинство этих факторов связано с условиями установки стекла и величина баллов зависит от условий установки.

Баллы, полученные из первого и второго разделов, суммируются. Полученная сумма сопоставляется с рекомендациями по применению требуемого вида стекла – отожженного, термически упрочненного и закаленного. Если сумма баллов 10 и менее, для установки пленки годится любой тип стекла. Если сумма баллов между 11 и 14, в комбинации с пленкой можно применять термоупрочненное или закаленное стекло. Сумма баллов от 15 до 18 позволяет устанавливать пленки только на закаленное стекло. Маловероятно, что термически упрочненные и закаленные стекла в остеклении у заказчика имеют маркировку. При отсутствии таковой считайте стекла отожженными.

Любые тонирующие пленки не рекомендуется ставить на стекла, которые будут освещаться солнечным светом, если

а) стекло армировано проволочной сеткой;

б) стекло незакаленное толщиной 12 мм и более.

3. Вторичные факторы

а) Максимальная температура – это абсолютный максимум температуры в летний период для данной климатической зоны. Так, 38° С – это максимум для большинства районов среднего запада США. В южных районах страны температурный максимум достигает 43° С, на юго-западе – 49° С.

б) Толщина стекла – толщина каждого листа стекла, на которое будет установлена пленка.

в) Затемнение (затенение).

Фактор, вызывающий термические напряжения в стекле, связанные с неравномерностью его нагрева.

Максимальные напряжения в стекле, связанные с его частичным затенением.

Существует три возможных типа затенения:

1. Прямое затенение – 1 пункт.

2. L-образное затенение – 2 пункта.

3. T- и V-образное затенение – 3 пункта.

Дополнение к рекомендациям по установке пленок

Однокамерные стеклопакеты с инертным газом из двух триплексов

1. Однокамерный стеклопакет для зенитного фонаря из двух триплексов должен быть таким: отожженные стекла внутри, закаленные стекла снаружи. См. раздел «Бесцветный однокамерный стеклопакет из триплексов».

2. Однокамерный стеклопакет из триплексов, где оба стекла закаленные, см. раздел «Бесцветный однокамерный стеклопакет из триплексов».

Следует помнить, что гарантируется только то, что стекло не разрушится. Не даются гарантии на повреждение склеивающего слоя триплекса, пузырении, обесцвечивании или отлипании.

Напыленные пленки и стеклопакеты, наполненные инертным газом.

3. Напыленные пленки типа «Тепловое зеркало». Пользоваться разделом (колонкой) «Низкоэмиссионные стеклопакеты».

4. Низкоэмиссионные окна, заполненные аргоном либо криптоном: пользоваться колонкой «Низкоэмиссионные стеклопакеты».

5. Ограничения на установление пленок в двухкамерные стеклопакеты также включают:

а) окна должны быть меньше 4,6 кв. м.;

б) окна должны быть только квадратными или прямоугольными;

в) не должно быть никаких пузырьков, ниш, затемнений поверхности стекла;

г) двухкамерные стеклопакеты не должны содержать низкоэмиссионных покрытий, зеркальных покрытий или покрытий, напыленных магнетроном;

д) остекление должно быть защищено от рам мягкими прокладками из мягкой резины или неоплена. Жесткие прокладки не применять;

е) шторы, жалюзи и иные затемняющие элементы устанавливать на расстоянии ближе 10 см от стекла запрещено;

ж) на стекле не должно быть видимых царапин и сколов.

Любые отклонения от этих рекомендаций приведут к разрушению стекла и потере гарантий.

6. В двухкамерных стеклопакетах могут применяться бесцветные пленки во всех случаях.

Условия установки в раму.

От них зависит возможность свободного расширения стекла при нагревании. Установка с малыми зазорами и жесткими прокладками увеличивает вероятность разрушения стекла. Прямой контакт стекла с материалом рамы увеличивает риск разрушения стекла при его расширении.

Качество стекла.

Это наиболее критический фактор, от которого зависит риск разрушения стекла. Краевые сколы и раковины приводят к концентрации напряжений и разрушению стекла. Их невозможно выявить без разборки рамы.

Разрушение стекол после установки укрепляющих пленок происходит благодаря выщербленному, неровному краю стекла.

Высота над уровнем моря.

От нее зависят колебания температуры. Чем больше высота, тем холоднее ночи и тем ярче солнце в утренние часы. По этой причине стекла чаще всего трескаются по утрам.

Размеры стекол.

Чем больше размер, тем больше напряжение в стекле, вызванное его весом. Кроме того, чем больше размер, тем больше неравномерность температурного поля, тем выше вероятность разрушения стекла.

Близость стекла к теплоизолирующим конструкциям приводит к ухудшению отдачи тепла от стекол, нагреваемых солнцем. Шторы, жалюзи, занавеси приводят к повышению температуры стекла.