Институт технического стекла

Тезисы доклада

Д.т.н., проф. Солинов В. Ф. (ОАО «НИТС»), к. т. н. Успенский А. А. (ОАО «НИТС»)

В статье рассмотрен ряд вопросов, связанных с влиянием погодно-климатических условий внешней среды (ветровых нагрузок, состояния атмосферы, температуры воздуха) на напряженно-деформированное состояние стеклопакетов строительного назначения для зданий повышенной этажности (150-250) м. С учетом изменения вышеуказанных параметров по высоте в соответствии с этажностью зданий и региона их строительства.

Необходимость рассматриваемой темы обусловлена прежде всего с возрастающей тенденцией в строительстве, связанная с использованием силикатных стеклопакетов значительных размеров в 2-3 и более метров в зданиях современной постройки.

Широкое строительство в Москве и крупных городах страны зданий повышенной этажности, связано, главным образом, с отсутствием резервных территорий в пределах границ городов и удорожанием строительства за городом в связи с прокладкой необходимых коммуникаций.

Следует отметить, что здания высотой 150 -^ 250 м. представляют собой достаточно серьезный в техническом отношении объект, имеющий сложный для инженеров-проектировщиков воздушно-тепловой режим, в котором стекло является одним из наиболее распространенных материалов, широко применяемых в качестве прозрачного заполнения световых проемов, к которому, в последнее время, проявляется повышенный интерес в плане его практического применения в строительстве.

Однако, без соответствующей научной и инженерной проработки и серьезных материальных вложений, применение такого неординарного материала, как силикатное стекло, остается до настоящего времени практически ограниченным. Необходимо отметить, что отсутствие соответствующей нормативной базы по этому вопросу существенно сдерживает строительство многоэтажных зданий с использованием стекла, как конструкционного материала будущего.  Естественным выходом из сложившегося положения может послужить разработка программы строительства зданий повышенной этажности высотой в 35+50 этажей и более площадью 40-100 тыс. кв. м. на основе комплексного изучения воздействия погодно-климатических условий на элементы их конструкций в зоне их строительства.

Известно, что в отличии, от других городов, Москва, является самой холодной столицей мира, в которой в основном и развернуто строительство многоэтажных зданий. При этом для высотных домов, сооружаемых в России прозрачные окна из стекла, должны быть специального изготовления, а зарубежная продукция, поставляемая из западных стран с более теплым климатом, подлежит существенной переработке применительно к российским климатическим условиям и зимам с более низкими температурами. Доработка, в первую очередь, касается увеличения термосопротивления стеклопакетов по сравнению с европейскими аналогами и учета ряда других климатических факторов. Тем не менее, в России возможны эффективные архитектурные решения с использование стекла.

Следует отметить, что в техническом отношении герметичный стеклопакет наиболее чувствителен к перепадам температур, чем обычное остекление. Неправильная  эксплуатация герметичных стеклопакетов в условиях зимы может привести к его разрушению. Расчеты показывают, что понижение температуры внутри стеклопакета от 20⁰С до минус 25⁰С вызывает повышение давления на стекло, равное 0,153 кг/см² за счет снижения давления воздуха в межстекольном пространстве в результате его охлаждения, что в условиях зимнего времени может привести к «схлопыванию» стеклопакетов. Такое давление, особенно для крупногабаритных  стекол, может привести к разрушению стеклопакета. Аналогичная ситуация по нагрузке возникает и в случае при перепаде температур для условий сборки в теплом помещении при (20-25)⁰С и с последующей эксплуатации при температуре воздуха в зимнее время минус (25'-30)⁰С.

В качестве примера рассмотрим однокамерный стеклопакет с размерами стекол в плане (200х100) см и толщиной пластин стекла 6 мм. Расчетом установлено, что при данном перепаде давления сближение центров пластин стекла будет составлять 2,5 см, что недопустимо при малых размерах межстекольного расстояния. С целью исключения указанного явления  в условиях низких температур целесообразно устанавливать в межстекольном пространстве крупногабаритных стеклопакетов регулирующих пневмоклапанов для выравнивания перепада давления.

Для сравнения приведем значения перепада давления, возникающего при ураганном ветре, движущемся со скоростью 180 км/час. Оно составляет 0,016 кгс/см², что существенно ниже перепада давления., вызываемого изменением температуры воздуха в межстекольном пространстве в условиях зимнего времени, приведенного выше. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании стеклопакетов значительных размеров для районов страны с низкими температурами.

Многочисленными теоретическими работами и опытом было установлено, что расстояние между стеклами в стеклопакете должно быть фиксировано. Известно, что основная доля термосопротивления в стеклопакете осуществляется воздушной прокладкой за счет ее низких теплотехнический свойств по сравнению со стеклом. Показано, что при толщине воздушного слоя между стеклами, составляющей не более 8-НО мм, теплопередача в межстекольном пространстве осуществляется теплопроводностью, а при большем расстоянии между стеклами -конвектным теплообменом в результате возникновения циркуляции воздуха между стеклами, что значительно снижает термосопротивление стеклопакета в зимнее время. Поэтому, с точки зрения увеличения термосопротивления стеклопакета, целесообразно использовать многокамерные  стеклопакеты с небольшими размерами воздушных камер или заполнять соответствующими инертными газами.

Также, в ряде случаев, для создания необходимых температурных условий внутри зданий возможно применение в стеклопакетах теплосберегающих стекол на основе использования их для изготовления современных передовых технологий.

Необходимо отметить, что в настоящее время в строительстве слабо учитывается увеличение теплоотдачи со стороны высотных зданий за счет сильного ветра, имеющим место на  верхних этажах, и существенно влияющем на воздушно-тепловой режим внутри помещений в отношении выбора мощности отопительной системы и проектирования естественной вентиляции помещений.

Установлено, что в окрестностях города Москвы увеличение ветровой нагрузки на высоте 100 м превышает 5-ти метровую отметку почти в 3 раза и составляет 0,45 кПа, что существенно ухудшает прочностные параметры стеклопакетов больших габаритов. Такой перепад давления по вертикали требует введения зонирования ветровой нагрузки по этажам конкретно для каждой местности.

Так, в Москве, реальная скорость ветра для холодного периода составляет 4,9 м/с, однако на отметке 200 м от земли при устойчивом состоянии атмосферы может возрастать до 8 м/с, а при порывах ветра 15 + 20 м/с давление возрастает от 4 кг/м до 26+45 кг/м. такие нагрузки для стеклопакетов больших размеров значительны и требуют увеличения прочности пластин стекла. Для сравнения в Нью-Йорке давление на уровень земли при средней температуре января будет равным 8+10 кг/м², а в Москве примерно 15+18 кг/м². Для справки, за 850 лет существования Москвы отмечалось около 25 + 30 сильных ветров близких по своему воздействию к ураганам. Сильные ветры в Москве за последние годы отмечались в 1960, 1965, 1966, 1973 годах, а в 1983 году порывы ветра достигали скорости 24 м/с, это около 90 км/ч,  что соответствует давлению 40 кг/м², но это не предел и возможны случаи, при современных тенденциях к изменению климата на планете, к более высоким значениям удельного давления воздушной массы на остекление зданий.

Поэтому, недостаток практики при строительстве высотных зданий и слабый учет давления со стороны ветровой нагрузки приводит в ряде случаев к перетяжелению стеклопакетов и использованию заведомо более дорогих вариантов остекления. Для этого необходимо проводить зонирование ветровой нагрузки хилых зданий по этажам в зависимости от ее величины. Так, на нижних этажах можно использовать существующие структуры остекления, на средних и верхних этажах следует проводить тщательные расчеты с учетом скорости ветра  и температурных  условий атмосферного воздуха, и принимать дополнительные меры по установке и монтажу стеклопакетов в оконных проемах зданий.

Особое внимание следует уделить вопросам, связанным с пересмотром расчетных значений снеговой нагрузки, действующих на крыше зданий, выполненных, в том числе из силикатного стекла и представляющих собой, как правило, силовые блоки или усиленные варианты конструкций силикатных стеклопакетов. Обрушивающиеся на Россию и страны Европы в последнее время обильные снегопады, являются, как следует из рассмотрения, причиной разрушения крыш с трагическими последствиями, объясняемой одновременным воздействием двух факторов. Во-первых, в просчетах проектировщиков, не учитывающих увеличения плотности снеговой нагрузки во времени, в результате превращения  свежевыпавшего снега в ледяную корку с плотностью почти в 5 раз превышающей плотность свежевыпавшего снега. Указанные действия приводят к значительному превышению расчетных нагрузок, действующих на силовые элементы крыши, по сравнению с нормативными и как следствие  разрушение конструкции. Во-вторых, к грубым нарушениям регламента своевременной уборке снега с крыш, особенно значительных размеров в условиях снегопада. Существенную роль при проектировании стеклопакетов необходимо отводить вопросам, связанным с разработкой безопасного остекления, к которым следует отнести обеспечение невозможности разрушения стекол при нормальной эксплуатации зданий, малую вероятность травмирования людей  в случае разрушения стекла, обеспечение условий для сохранения здоровья людей, отсутствие угрозы по экологии и ряд других мер, из которых два первых имеют преимущественное значение.

На основе вышеизложенного, предварительные предложения по проектированию и внедрению в строительство высокопрочных и безопасных в эксплуатации стеклопакетов, применяемых в гражданских и промышленных зданиях повышенной этажности, можно сформулировать в виде двух основных пунктов:

• 1. Провести комплексное изучение атмосферных воздействий на силикатные стеклопакеты, учитывающих скорость ветра, температуру наружного воздуха и условий теплообмена в летнее и зимнее время с зонированием их значений по вертикали до отметки 150-К120 м, с целью обеспечения правильного проектирования стеклопакетов, отвечающих требованиям по прочности, надежности и безопасной эксплуатации в составе объекта с учетом условий для конкретной местности при строительстве зданий повышенной этажности;
• 2. С целью обеспечения безопасности людей использовать в качестве внешних стекол плоские или слабоизогнутые триплексы повышенной прочности, предотвращающие значительныеп рогибы и «схлопывания» стеклопакетов при нагружении ветровой нагрузкой в условиях низких температур применением теплосберегающих покрытий, на основе существующих методов изготовления и упрочнения стекол, с одновременным усилением контроля за производством и монтажом стеклопакетов применяемых для зданий повышенной этажности.