Sticla Float. Sticla precomprimata. Sticla securizata: Dimensionarea geamului de sticla solicitat la incovoiere in afara planului sau

COMPOZITIE CHIMICA

Din punct de vedere al compozitiei chimice, in constructii sunt utilizate doua tipuri de sticla: sticla de silicat de sodiu si calcar, respectiv sticla de borosilicat. Compozitia chimica pentru cele doua tipuri de sticla este notata in tab. 1. Principalele ingrediente folosite pentru producerea sticlei sunt nisipul de siliciu, soda calcinata si piatra de var.

Tabelul 1: Compozitia chimica a sticlei ^{[1] tab. 7.32a}

PROPRIETATI MECANICE SI FIZICE

In proiectarea structurala este necesara cunoasterea curbei caracteristice (σ-ε) a materialelor cu care se lucreaza pentru a putea efectua calculul static si dimensionarea elementelor de rezistenta. In fig. 1 sunt trasate curbele tensiune-deformatie specifica pentru sticla (Float, TVG si ESG) la tractiune, pentru otel (S235 J) la tractiune si pentru beton (C45/55) la compresiune. Proprietatile mecanice si fizice pentru cele doua tipuri de sticla sunt date in tab. 2.

Tabelul 2: Proprietatile mecanice si fizice ale sticlei ^{[1] tab. 7.32b}

Figura 1: Diagrame caracteristice tensiune-deformatie specifica idealizate pentru beton la compresiune, iar pentru otel si sticla la tractiune ^{[1] fig. 7.32}

Capacitatea portanta a sticlei se poate mari prin precomprimarea ei termica sau chimica. Precomprimarea foilor de sticla se realizeaza in unitati de productie cu un control ridicat al calitatii. Precomprimarea termica consta in incalzirea foii de sticla la temperaturi de cca 650-700 °C, urmata de o racire brusca sub jeturi de aer rece, in final obtinandu-se o foaie de sticla cu rezistenta la incovoiere marita. Precomprimarea termica este cel mai raspandit procedeu de producere al sticlei structurale. Sticla astfel obtinuta se mai numeste si sticla calita termic (semi-securizata), respectiv sticla securizata termic ^[2], iar standardele europene pentru aceste produse sunt SR EN 1863^[3], respectiv SR EN 12150^[4]. Precomprimarea poate fi partiala sau totala. Sticla precomprimata termic partial (la un gradient termic de 100 K) este denumita si sticla calita termic sau semi-securizata, iar sticla precomprimata termic total (la un gradient termic de 200 K) este denumita si sticla securizata termic. Precomprimarea chimica se distinge de cea termica prin aplicare (prin submersiune) a unei solutii de nitrit de potasiu pe suprafata foii de sticla in timpul procesului de transformare termica (la cca 300-450 °C). Intrucat rezistenta la incovoiere obtinuta este direct proportionala cu durata procesului de precomprimare a sticlei, pretul de productie al sticlei precomprimate chimic este foarte ridicat. Sticla astfel obtinuta se mai numeste si sticla calita chimic^[2], standardul ce o reglementeaza fiind SR EN 12337^[5]. In fig. 2 este redata distributia tensiunilor normale σ pe inaltimea sectiunii transversale d in cazul sticlei precomprimate. De obicei, precomprimarea se face pe foi de sticla de tip Float^[6]. Sticla Float este o sticla plana transparenta sau colorata in masa, avand fete netede si plan paralele^[2]. Aceasta este obtinuta printr-un procedeu de turnare continua a materiilor prime, ingrediente ce sunt topite pe o baie din topitura metalica (cositor)^[2].Pentru toate tipurile de sticla precomprimata, prelucrarea canturilor, taierea foilor si realizarea gaurilor din foile de sticla trebuie efectuate inaintea precomprimarii^[1].

Figura 2: Distributia tensiunilor normale σ pe inaltimea sectiunii transversale d a unei foi de sticla precomprimate (cu semnul minus s-au notat eforturile unitare de compresiune)^{[1] fig. 7.38}

CLASIFICARE

Sticla se utilizeaza cel mai adesea in constructii sub forma de placi plane (geamuri plate), mai rar ca placi curbe (geamuri curbate) si foarte rar ca grinzi sau stalpi. Geamurile sunt cel mai raspandit produs utilizat pentru vitraje, acestea putand fi verticale, orizontale sau inclinate si putandu-se intalni sub forma de foi de sticla monostrat sau multistrat (sticla stratificata/laminata, atunci cand doua sau mai multe foi de sticla sunt lipite cu un adeziv).

Principalele tipuri de sticla utilizate in constructii sub forma de geam si normativul european aferent ce le reglementeaza sunt:

• geam Float (EN: Annealed glass/Float glass; DE: Floatglas) − SR EN 572-1 si 2:2012. Dintre toate tipurile, sticla Float este cea mai utilizata la ora actuala in constructii;
• geam cu depuneri sau cu sticla peliculizata (EN: Coated glass; DE: Beschichtetes Glas) − SR EN 1096-1 si 2:2012;
• geam lacuit (EN: Painted glass; DE: Lackiertes Glas) si oglinda din sticla Float (EN: Mirrors from silver-coated float glass; DE: Spiegel aus silberbeschichtetem Floatglas) − SR EN 16477-1:2017, respectiv SR EN 1036-1 si 2:2008. Sticla lacuita este obtinuta prin aplicarea unor straturi de lacuri sau vopseluri pe suprafata sticlei. Oglinda se obtine prin aplicarea unui strat de argint peste care se aplica inca un strat cu rol protector;
• geam armat (armat polisat). Se obtine prin inserarea unei armaturi (ex. plasa metalica) in geamul Float inca din timpul procesului de productie. Dupa racire, pentru a avea fete paralele, geamul armat este slefuit mecanic (polisat);
• geam calit chimic din sticla silico-calco-sodica (EN: Chemically strengthened glass; DE: Chemisch vorgespanntes Kalknatronglas) − SR EN 12337-1 si 2:2004. Sticla calita chimic este obtinuta prin precomprimare chimica partiala;
• geam calit termic (semi-securizat) (EN: Heat strengthened glass; DE: Teilvorgespanntes Glas) − SR EN 1863-1 si 2:2012. Sticla calita termic este obtinuta prin precomprimare termica partiala, notandu-se cu TVG;
• geam securizat termic (EN: Tempered glass/; DE: Einscheiben-Sicherheitglas) − SR EN 12150-1 si 2:2004. Sticla securizata termic este obtinuta prin precomprimare termica totala si se noteaza cu ESG;
• geam stratificat (EN: Laminated glass; DE: Verbundglas) si geam de securitate stratificat (EN: Laminated safety glass; DE: Verbund-Sicherheitsglas) − SR EN 14449:2005 si SR EN ISO 12543:2022. Sticla stratificata, denumita si sticla laminata (VG), se produce din foi de sticla Float sau TVG lipite intre ele cu rasina reactiva cu o grosime de cca 1-4 mm ( 3). Sticla de securitate stratificata, cunoscuta si ca sticla de securitate laminata (VSG), se produce din foi de sticla ESG (intre care pot fi si foi de origine plastica) lipite intre ele cu una sau mai multe folii subtiri (ex. PVB polivinil butiral, EVA etilen vinil acetat, polimeri ionoplastici, diferiti policarbonati sau rasini) cu grosime de circa 0,38-2,28 mm;

Figura 3: Stratificatie geam stratificat (VG) si geam de securitate stratificat (VSG)^{[1] cap. Glasbau pp.7.39}

• geam termoizolant (EN: Insulating glass; DE: Isoliergläser). Acesta se poate executa din doua sau mai multe foi de sticla de tip Float, TVG, ESG, VG, VSG sau combinatii ale acestora. Intre doua foi de sticla alaturate ce compun geamul termoizolant se introduc baghete pentru a crea un spatiu umplut cu aer sau cu un gaz inert (ex. Argon, Kripton), 4.

Figura 4: Stratificatie geam termoizolant cu doua foi de sticla^{[1] cap. Glasbau pp.7.39}

MOD DE FRACTURARE SI VALORI ALE REZISTENTEI LA INCOVOIERE

Sticla este un material casant, cu o comportare liniar elastica pana la rupere (fig. 1). In cazul spargerii accidentale a geamurilor de sticla exista mai multe tipuri de fracturare (fig. 5):

• spargere din care rezulta cioburi mari cu margini ascutite ca lama de barbierit ce pot rani grav oamenii si animalele. Exemple: sticla Float, sticla neprecomprimata si nelaminata;
• spargere din care rezulta fasii mari de sticla, crapatura se propaga pana la margine fara a se forma „insule” in interiorul panoului de sticla, dar care, totusi, pot rani^[7]. Aceste fasii pot ramane si agatate in profilul de pe perimetrul panoului. Exemple: sticla precomprimata termic partial (TVG) si sticla precomprimata chimic partial;
• spargere din care rezulta cioburi de dimensiuni mici, cu marginile si colturile netaioase^[7]. Exemple: sticla precomprimata termic total (ESG).

Figura 5: Mod de fracturare a foii de sticla Float, Armata polisata, TVG, respectiv ESG (de la stanga catre dreapta)^{[8] cap. 2 si 3}

In reglementarea tehnica C47-2022^[2] este facuta distinctia intre urmatoarele tipuri de sticla utilizata la geamuri:

• sticla securizata termic (sticla rezultata in urma unui proces termic, care a dobandit rezistente mecanice superioare si se caracterizeaza printr-un mod de fracturare cu formare de cioburi mici, cu colturile si marginile rotunjite, netaioase − SR EN 12150). Exemplu: sticla precomprimata termic total (ESG)^[2]. Contraexemplu: sticla precomprimata termic partial (TVG) si sticla precomprimata chimic partial^[2];
• sticla de securitate (sticla ce poate asigura protectie la acte de vandalism, efractie, atac armat sau explozie). Exemplu: sticla de securitate stratificata (VSG);
• sticla de siguranta (sticla ce asigura protectie la ranire in cazul spargerii accidentale sau a caderii in gol). Exemplu: sticla de securitate stratificata (VSG) si armata (cu plasa metalica, plasa din fibre de carbon, plasa din fibre de sticla, fasii din fibre de carbon, fasii din fibre de sticla).

Tipurile adecvate de sticla in functie de locul unde este aplicata in constructii sunt specificate in tabelul 4 din reglementarea tehnica C 47-2022^[2], iar rezistentele la incovoiere in afara planului geamului cu valorile caracteristice sunt indicate in tab. 3 de mai jos.

Tabelul 3: Valori caracteristice ale rezistentei la incovoiere pentru geamuri de sticla, indicate in normele germana DIN 18008 ^[1],[8],[9], elvetiana SIA 2057 ^[10], respectiv europeana CEN/TS 19100 ^[11]. Valorile indicate au un caracter orientativ si nu influenteaza valoarea caracteristica a rezistentei la incovoiere indicata in agrementul tehnic al produsului, aceasta din urma fiind determinanta pentru calculele de dimensionare

CALCUL STATIC

Panourile din sticla Float, TVG, ESG, stratificata si termoizolanta sunt, in general, utilizate ca vitraje pentru fatade, parapeti, trepte, acoperisuri sau plansee. Atunci cand panourile din sticla sunt actionate de incarcari normale pe planul foii (ex. greutate proprie, vant, zapada, grindina, presiune hidrostatica, sarcini din bunuri sau oameni etc.), din punct de vedere mecanic si static, se comporta ca un element de placa solicitat la incovoiere pe una sau doua directii. Modul de rezemare al panourilor de sticla poate fi: cu o latura incastrata si celelalte libere (ex. parapeti, trepte etc.), simplu rezemata pe intreg conturul (ex. arii vitrate cu profile metalice pe intreg conturul panoului), simplu rezemata pe o latura si cu fixari punctuale pe cealalta (ex. copertine) sau cu mai multe reazeme punctuale (ex. fatade agatate pe cabluri sau pe profile rigide cu fixari de tip paianjen (EN: spider) etc.), a se vedea fig. 6 si 7.

Calculul static al foilor de sticla laminata consta in modelarea acestora ca placi cu grosime echivalenta, folosind relatii de calcul din literatura si codurile de proiectare de specialitate, tinand seama de gradul de conlucrare dintre foile de sticla si foliile de laminare^[12]. O modelare mai complexa implica considerarea proprietatilor elastice sau vascoelastice ale foliei de laminare, modelare ce depaseste exigentele uzuale de proiectare^[12].

In cazul panourilor termoizolante alcatuite din doua (termopan), din trei (tripan) sau mai multe foi de sticla, separate doua cate doua printr-un strat de aer sau de gaz inert, in calculul static se modeleaza separat fiecare foaie de sticla, tinand seama de rigiditatea la incovoiere a acesteia. Relatii de calcul pentru incarcarea aferenta fiecarei foi de sticla se gasesc, de asemenea, in literatura de specialitate^[12]. O modelare mai complexa poate tine cont de presiunea aerului sau a gazului din panourile termoizolante, insa aceasta exceda cerintele uzuale de proiectare^[12].

Figura 6: Scheme statice ale geamurilor^{[8] pp. 82}

Figura 7: Fixarea unui geam in patru puncte cu anumite grade de libertate permise^{[8] fig. 2.2.52}

Caracteristicile dimensionale, mecanice si fizice suplimentare se pot afla direct de la producatorii si distribuitorii de sticla Float, sticla precomprimata termic, sticla laminata si sticla termoizolanta din Romania, precum: Saint Gobain (debut in Franta – 1665, avand in Romania 14 situri industriale cu 26 de linii de productie)^[10], Guardian Glass (debut in SUA − 1932), Glas Expert (Romania – 1993), Geamuri Serv (Romania − 1994), Agoterm 93 (Romania – 2003), Laurel Glass (debut in China − 2003), Almaglass (Romania − 2004) si altii.

STARI LIMITA

Desi in instructiunea tehnica C 47-2022^[2] sunt precizate ca stari limita la care sa se efectueze dimensionarile si verificarile doar starea limita de serviciu (SLS) si starea limita ultima (SLU), in norma elvetiana SIA 2057^[11] sunt indicate inca doua stari limita suplimentare: starea limita de fracturare (SLF) si starea limita de post-fracturare (SLPF). Toate cele patru stari limita − SLS, SLU, SLF si SLPF − sunt precizate si in specificatia tehnica europeana CEN/TS 19100^[10]. Considerarea in dimensionare a starilor limita SLF si SLPF poate conduce la o proiectare mai economica.

DIMENSIONARE LA INCOVOIERE IN AFARA PLANULUI

Ca metodologie de calcul, dimensionarea la incovoiere din norma germana DIN 18008^[9], cea din norma elvetiana SIA 2057^[11] si cea din specificatia tehnica europeana CEN/TS 19100^[10] prezinta similaritati multiple, dar relatiile de calcul si coeficientii care intervin nu sunt identici in totalitate. Primele doua au caracter de reglementare tehnica (statut de lege in Germania, respectiv in Elvetia), in timp ce ultima are caracter informativ, ea nefiind norma europeana (EN) precum un Eurocode (EC), insa se preconizeaza ca va sta la baza unui Eurocode din generatia a 2a, publicarea fiind anticipata pentru anul 2025. In continuare se vor utiliza relatiile de calcul din norma DIN 18008^[9] si explicitata in Bautabellen^[1].

Valoarea de calcul a rezistentei la incovoiere in afara planului pentru un geam (panou de sticla) este:

• Geam cu sticla precomprimata termic:

• Geam cu sticla fara precomprimare:

unde:

k_VSG – coeficient ce tine seama de tipul de sticla

k_VSG=1,1 pentru VG si VSG

k_VSG=1,0 pentru alte tipuri de sticla

k_c – coeficient ce tine seama de tipul constructiei

k_c=1,0 atunci cand nu exista alte specificatii

Pentru geamuri verticale rezemate liniar pe toate laturile:

k_c=1,0 pentru sticla precomprimata termic

k_c=1,8 pentru sticla fara precomprimare

f_g,k – rezistenta la incovoiere in afara planului geamului, cu valoare caracteristica (din Tabel 3)

γ_M – coeficient de material

γ_M=1,5 pentru sticla precomprimata termic

γ_M=1,8 pentru sticla fara precomprimare

k_mod – coeficient ce tine cont de durata de aplicare a incarcarii

k_mod=0,25 pentru incarcari de lunga durata

 (ex. greutate proprie, diferente locale de altitudine)

k_mod=0,40 pentru incarcare de durata medie

(ex. zapada, variatii de temperatura si variatii meteo ale presiunii vantului)

k_mod=0,70 pentru incarcare de scurta durata

 (ex. vant, incarcari orizontale din activitate umana)

k_mod=0,70 pentru incarcari aplicate pe trepte si podeste din activitate umana

k_K – coeficient ce tine seama de tensiunile de intindere din zona canturilor

k_K=1,0 pentru sticla precomprimata termic

k_K=0,8 pentru sticla fara precomprimare

EXEMPLU DE CALCUL

Sa se determine valoarea de calcul a rezistentei la incovoiere pentru un geam monostrat pozitionat vertical si rezemat pe doua laturi paralele, aflat sub actiunea vantului^{[1] cap. 5.1.9 Beispiel}

In mod uzual, geamul din sticla Float este produs cu grosimi de: 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19 si 25 mm.

Normativul DIN 18008: Glas im Bauwesen este aplicabil dimensionarii geamurilor (monostrat sau stratificate) cu grosime totala de 3 pana la 19 mm avand fixare liniara sau punctuala. In cazul fixarii punctuale este necesara verificarea concentrarilor de tensiuni din zona de influenta a prinderii, precum si considerarea capacitatii de rotire a imbinarii utilizate. In fig. 8 sunt cateva imagini cu o fatada transparenta avand panourile de sticla agatate pe cabluri verticale.

Figura 8: Fatada din sticla cu geam fixat punctual pe cabluri verticale

Obiectiv: The office Cluj-Napoca, blvd. 21 Decembrie 1989, nr. 77

Proiectant de structura: H.I. Struct – Victor GIONCU, Marius MOSOARCA, Marius NICULESCU, Valeriu STOIAN

Proiectant arhitectura: Catalin GAVRILESCU, Dan MUNTEANU, Alexandru MALAESCU, Alina GEORGESCU, Mihai UNGUR, Andreea Katalin SZABO, Dan DAMIAN, Bogdan RAT, Stefana BADESCU, Ion ANDRECA

Executanti: Soletanche Bachy, PAB, Agasi, ACI Cluj, Prompt, Alusystem, BMC Birsete, Gleeds Romania

(info de pe https://www.uar-bna.ro/2018/proiecte/3/ accesat in 18.03.2024)

BIBLIOGRAFIE

[1] Andrej ALBERT (editor), Schneider – Bautabellen für Ingenieure, editia 21, editura Bundesanzeiger Verlag, 2014;

[2] C 47-2022: Instructiuni tehnice pentru configurarea, folosirea si montarea vitrajelor si a altor produse de sticla in constructii. MDLPA, 2022,

[3] SR EN 1863-1 si 2:2012 Sticla pentru constructii. Sticla silico-calco-sodica, calita termic. Partea 1: Definitii si descriere, respectiv Partea 2: Evaluarea conformitatii/standard de produs. ASRO, 2012;

[4] SR EN 12150-1 si 2:2004 Sticla pentru constructii. Geam de securitate de sticla silico-calco-sodica securizat termic. Partea 1: Definitii si descriere, respectiv Partea 2: Evaluarea conformitatii/standard de produs. ASRO, 2004;

[5] SR EN 12337-1 si 2:2004 Sticla pentru constructii. Geam de sticla silico-calco-sodica securizat chimic. Partea 1: Definitii si descriere, respectiv Partea 2: Evaluarea conformitatii/standard de produs. ASRO, 2004;

[6] SR EN 572-1 si 2:2012 Sticla pentru constructii. Produse de baza. Sticla silico-calco-sodica. Partea 1: Definitii si proprietati fizice si mecanice, respectiv Partea 2: Geam float. ASRO, 2012;

[7] www.acoperismagazin.ro/sticla-material-pentru-fatada/ (accesat in 13.02.2024);

[8] Christian SCHITTICH, Gerald STAIB, Dieter BALKOW, Matthias SCHULER, Werner SOBEK, Glasbau Atlas,editia a 2a revizuita si adaugita. Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH, München 2006;

[9] DIN 18008-1 pana la 5:2010-2013 Glas im Bauwesen –Bemessungs- und Konstruktionsregeln. Deutsches Institut für Normung e.V., Berlin;

[10] Markus FELDMANN, Maximilian LAURS, Jan BELIS et al., The new CEN/TS 19100: Design of glass structures, publicat in Glass Struct. Eng. 8:317–337, 2023. https://doi.org/10.1007/s40940-023-00219-y;

[11] WUEST Thomas, FILDHUTH Thiemo, LUIBLE Andreas, New Swiss technical specification SIA 2057 for glassstructures and its post failure limit state concept, publicat in Glass Struct. Eng. 8:339–351, 2023. https://doi.org/10.1007/s40940-023-00227-y;

[12] Ovidiu BOGDAN si Dan CRETU, Aspecte ale evaluarii actiunii vantului pentru fatadele din sticla existente, Revista Constructiilor, nr. 139 , anul 2017 (articol republicat din revista AICPS Review nr. 1-2/2017);

[13] Website-ul firmei Glas Expert: https://xglas.eu (accesat in 13.02.2024);

[14] Website-ul firmei Saint Gobain Glass: www.saint-gobain.ro/saint-gobain-glass (accesat in 13.02.2024).

Autor:

s.l. dr. ing. Traian-Nicu TOADER − Departamentul Structuri, Facultatea de Constructii, Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 213 – mai 2024, pag. 60-65