СПб, Транспортный, 12
+7 (812) 712-08-45
info@mio.ru

Технический бюллетень № 3 от 20.03.2023. Самопроизвольное разрушение остекления зданий, вызванное термическим шоком

отLeonid_Ukrainskyi

Фев 6, 2024

*Данный бюллетень публикуется для обсуждения.

Риск разрушения наружного остекления зданий по причине термошока[1] обусловлен перепадами температур на стекле, возникающими из-за неравномерности нагрева остекления солнечным излучением и/или неравномерности теплоотдачи от стекол в окружающую среду.

Основные виды термошока

Градиент температур может возникать между различными частями одного листа стекла в результате его неравномерного нагрева/охлаждения, например, между освещенным и затененным участками остекления (термошок 1-го рода).

Градиент температур также может возникать между внутренней поверхностью наружного стекла в стеклопакете (позиция 2) и его же наружной поверхностью (позиция 1) – термошок 2-го рода. Существуют две основные причины возникновения такого температурного градиента. Первая причина заключается в равномерном прогреве всей толщины стекла в результате инсоляции при слабой отдаче тепла в межстекольное пространство с позиции 2 и усиленной теплоотдаче с позиции 1 в окружающую среду. Вторая причина обусловлена наличием поглощающих покрытий на одной из сторон стекла, например, полимерных пленок. Термошок 2-го рода реже встречается на практике, однако его риск возрастает в весенний сезон, характеризующийся высокой инсоляцией и низкой температурой воздуха.

Основные факторы, влияющие на риск появления термошока

Риск термошока зависит от собственных характеристик стекла, особенностей конструкции остекления, монтажа, географического расположения здания, ориентации фасада по сторонам света, времени года, наличия предметов, затеняющих участки остекления (выступы фасада, близко расположенные деревья и здания).

Исходя из практического опыта, факторы, влияющие на риск термошока, можно перечислить приблизительно в следующем порядке убывания их значимости:

  1. Высокий коэффициент поглощения солнечной энергии наружного стекла. Чем выше коэффициент поглощения солнечной энергии стекла, тем сильнее нагревается стекло и больше вероятность проявления термошока.
  2. Вид использованного стекла: большая часть субмикротрещин (зародышей разрушения) на листе стекла сконцентрирована по его кромке. Чем их меньше, тем выше прочность листа стекла, в т.ч. и по отношению к термическим нагрузкам. В порядке повышения риска термошока, «сырые» (нетермоупрочненные) стекла: листовое стекло с обработанной кромкой, листовое стекло с необработанной кромкой, многослойное стекло.
  3. Установка на стекло декоративной («зеркальной») ПЭТ-пленки. Как правило, декоративные ПЭТ-пленки устанавливаются на стекло в позицию 2. Коэффициент поглощения солнечной энергии на границе стекло-пленка высок. Это приводит к нагреву поверхности стекла в позиции 2 и возникновению градиента температур между поверхностями стекла в позициях 1 и 2.
  4. Тип остекления – стеклопакет или одинарное остекление (например, в составе вентилируемого фасада): в стеклопакетах условия теплоотдачи с позиции 2 значительно хуже, чем в одинарном остеклении, и значительно хуже, чем с позиции 1, что способствует возникновению градиента температур между поверхностями стекла в позициях 1 и 2.
  5. Наличие затеняющих предметов снаружи (выступы фасада, ламели, близко расположенные деревья и здания и др.): на затененных участках остекления инсоляция не нагревает стекло, теплоотдача же с различных участков стеклянной панели в воздух одинакова, из-за чего возникает перепад температур между различными участками одного листа стекла.
  6. Условия вентиляции остекления с внутренней стороны: стена здания (простенок , колонна и т.п.), расположение оконного блока по толщине стены, расстояние между оконным блоком и жалюзи, между структурным остеклением и стеной, подоконное расположение нагревательных приборов. Недостаточные условия вентиляции, а также нагревательные приборы вблизи остекления способствуют увеличению перепадов температур на внутреннем стекле.
  7. Качество резки стекла и качество монтажа (правильность установки прокладок между стеклопакетами и профилем, отсутствие «зажима» элементов фасада в профиле, правильность сборки профиля и т. д.): при низком качестве реза стекла на кромках стеклянных панелей образуются многочисленные сколы и неровности, служащие концентраторами напряжений.
  8. Наклон элемента остекления: угол падения солнечных лучей для наклонных и горизонтальных элементов остекления ближе к нормали, чем для вертикальных. Поэтому инсоляция наклонных и горизонтальных элементов больше, чем вертикальных. В среднем, инсоляция у наклонных и горизонтальных элементов остекления на 250 Вт/м² больше, чем у вертикальных. Кроме того, у наклонных и горизонтальных элементов остекления условия теплоотдачи с наружной поверхности примерно на 30% лучше, чем у вертикальных, а с внутренней приблизительно на 20% хуже. С учетом их более высокой инсоляции, это приводит к тому, что перепады температур на наклонных и горизонтальных элементах остекления выше, чем на вертикальных того же здания. Соответственно, риск термошока выше.
  9. Географическая широта: чем южнее расположено здание, тем выше инсоляция, что повышает риск термошока. Чем севернее расположено здание, тем ближе к нормали угол падения лучей на остекление и тем холоднее температуры наружного воздуха, что снижает общий риск термошока, но относительно повышает риск термошока 2-го рода.
  10. Ширина дистанционной рамки стеклопакета: чем уже рамка, тем слабее конвекция внутри стеклопакета и, соответственно, хуже теплоотдача стекла с позиции 2.
  11. Ориентация фасада по сторонам света: наибольшая интенсивность и продолжительность инсоляции наблюдается на южных и (в меньшей степени) на юго-западных фасадах зданий.
  12. Конструкция, материал и цвет фасадного или оконного профиля: эти факторы влияют на нагрев самого профиля и, соответственно, на температурные перепады между центром стеклянного элемента фасада и его периферической зоной. Чем темнее профиль, тем он (а вместе с ним и периферическая зона остекления) сильнее нагревается.
  13. Наличие царапин на стекле: царапины, образовавшиеся в ходе хранения, транспортировки и переработки листового стекла, а также при монтаже и эксплуатации остекления значительно снижают механическую прочность стекла. Таким образом разрушение может происходить при меньшем перепаде температур.
  14. Толщина стекла: помимо того, что у более толстых стекол выше коэффициент поглощения солнечной энергии, при одинаковом градиенте температур в более толстых стеклах возникают большие механические напряжения. Так, например, критериями, заложенными в ПО Vitrages Décision для стекла толщиной до 12 мм допустимый температурный перепад установлен 30–35 °C, то стекла толщиной 25 мм допускается применять без обработки кромки или термоупрочнения (закалки) при температурном перепаде не более 26 °C.
  15. Время года: инсоляция и температура воздуха зависят от времени года, наиболее неблагоприятное сочетание погодных условий, с точки зрения термошока, наблюдается ранней весной в результате высокой инсоляции и низкой температуры воздуха.
  16. Климатические характеристики региона (температура воздуха и скорость ветра): чем ниже температура воздуха и выше скорость ветра, тем выше теплоотдача с наружной поверхности стекла. В сочетании с высокой инсоляцией может возникнуть значительный градиент температур между поверхностями остекления в позициях 1 и 2. В этом случае возникает риск термошока 2-го рода (хотя на практике термошок 2-го рода встречается значительно реже, чем 1-го).
  17. Суточный перепад температур: остывшие за ночь до одинаковой температуры, открытые и затененные зоны остекления нагреваются с разной скоростью, которая зависит, в частности, от суточного перепада температур. Различие в скоростях нагрева различных зон остекления приводит к дополнительному температурному градиенту между ними.

Расчетные методы оценки риска термошока

Имеется довольно много работ, посвященных расчетным методам оценки риска термошока. Разработан ряд методик, пригодных для инженерных расчетов. Кроме того, на рынке существует ряд программных комплексов по расчету характеристик остекления, позволяющих среди прочего оценивать риск термошока по тем или иным критериям. Можно отметить программу Vitrages Décision компании «CEBTP SOLEN», которая учитывает большую часть из вышеперечисленных факторов термошока и позволяет рассчитать градиенты температур между центром листа стекла (максимальная инсоляция) и затененными участками (термошок 1-го рода).

На основании практического опыта установлены допустимые перепады температур для различных видов стекол. В зависимости от используемой методики расчета (полноты учета различных влияющих факторов) значения допустимых перепадов могут варьироваться в некоторых пределах:

  • многослойное или узорчатое стекло допускается применять при перепаде температур не выше 26-27 °C;
  • листовое незакаленное стекло с необработанной кромкой допускается применять при перепаде температур не выше 30-35 °C;
  • если перепад температур находится в диапазоне 33-40 °C, незакаленное стекло допускается применять только при условии качественной обработки кромки;
  • при перепаде температур свыше 40 °C необходимо применять только термоупрочненное или закаленное стекло.

По показателям механической прочности термоупрочненные стекла мало отличаются от закаленных. Однако при том, что стоимость термоупрочненных и закаленных стекол сравнима, закаленные стекла являются более безопасными при разрушении (в силу их характерной фрагментации). Поэтому в архитектурном остеклении применяются в основном закаленные стекла.

Поскольку не всегда имеется возможность выполнить расчетную оценку риска термошока, для наружного остекления (на основании опять же практического опыта для европейских климатических условий) выработана рекомендация использовать стекла с коэффициентом поглощения энергии выше 50% только в закаленном виде.

Требования нормативных документов по минимизации риска термошока

ГОСТ 24866-2014 «Стеклопакеты клееные. Технические условия» содержит требования по предотвращению (минимизации) риска термошока:

  • п. 5.2.7 «В случаях, когда в стеклопакетах для наружного остекления применяют неупрочненное стекло (в том числе многослойное), его коэффициент поглощения солнечного излучения должен быть не более 30%. При коэффициенте поглощения солнечного излучения от 30% до 50% стекло рекомендуется подвергать упрочнению.

Допускается вместо коэффициента поглощения солнечного излучения использовать при проектировании стеклопакетов коэффициент поглощения света стеклом. Для неупрочненного стекла (в том числе многослойного) он должен быть не более 25%. В случае если один критерий выполняется, а другой нет, то применяется коэффициент поглощения солнечного излучения.

Стекло с более высоким коэффициентом поглощения света (или солнечного излуче­ния) должно быть обязательно упрочненным».

  • п. 9.25: «При использовании стеклопакетов в местах, где они устанавливаются не на просвет (межэтажные перекрытия, строительные конструкции и т.д.), стекла в стеклопакете должны быть упрочнены, во избежание их разрушения».
  • п. 9.28: «При наличии в стеклопакете хотя бы одного стекла закаленного эмали­ро­ван­ного (стемалита) или стекла с частично нанесенной краской (стекло с шелкотрафаретной печатью) все стекла в стеклопакете должны быть упрочнены».

Аналогичное требование установлено в п. 5.2.3 ГОСТ 30826-2014 «Стекло многослой­ное. Технические условия»: «когда в многослойном стекле, предназначенном для наружного ос­тек­ления, применяют неупрочненное стекло, коэффициент поглощения солнечного излуче­ния многослойным стеклом должен быть не более 45% (коэффициент поглощения света должен быть не более 25%).

Прямой корреляции между значениями коэффициентов поглощения света и солнечной энергии нет, однако, для многих окрашенных в массе стекол 25% уровень коэффициента поглощения света приблизительно соответствует 50% уровню коэффициента поглощения солнечной энергии.

В европейских стандартах отсутствует аналогичное требование. Однако в Еврокоде EN 1991-1-5 установлено требование выполнять расчет на устойчивость конструкций здания к тепловым нагрузкам.

Влияние светоотражающего покрытия на характеристики стекла и риск термошока

Отражающее покрытие изменяет оптические и энергетические характеристики стекла. Его влияние зависит от характеристик самого покрытия и от его положения по отношению к наружной среде.

Отражающее покрытие в позиции 1 (наружная сторона наружного стекла) отражает часть падающего потока солнечной энергии, поэтому поток энергии, проходящий через стекло, снижается. Это находит выражение в том, что коэффициент поглощения солнечной энергии у стекла с покрытием в позиции 1, как правило, ниже, чем у исходного стекла.

Современные солнцезащитные (светоотражающие) покрытия в позиции 1, как правило, снижают коэффициент поглощения солнечной энергии на 5–20%.

Исключение представляют собой покрытия с высоким собственным коэффициентом поглощения солнечной энергии, их использование в позиции 1 может несколько повысить общий коэффициент поглощения, но этот эффект заметен только на бесцветных и слабоокрашенных стеклах, не подверженных термошоку. Для стекол с высоким собственным поглощением солнечной энергии («средне» и «сильно» окрашенные в массе стекла) их собственный коэффициент поглощения солнечной энергии существенно выше по сравнению с коэффициентом поглощения покрытия. Таким образом, общее поглощение солнечной энергии такого стекла с таким покрытием в позиции 1 увеличивается несущественно.

Отражающее покрытие в позиции 2 (внутренняя сторона наружного стекла) так же отражает часть падающего потока солнечной энергии. Однако отраженный поток проходит снова через стекло. Математически это выражается в том, что коэффициент поглощения солнечной энергии у стекла с покрытием в позиции 2 всегда выше, чем у исходного стекла.

Светоотражающее покрытие, установленное в позицию 2, всегда повышает коэффициент поглощения солнечной энергии – для окрашенных в массе стекол вплоть до 25%.

Вычислить поглощение солнечной энергии того или иного стекла, либо стеклопакета возможно воспользовавшись бесплатными конфигураторами, которые предоставляют производители стекол.

Таким образом, у проектировщика есть два способа предохранить остекление от термошока:

  • простой – использовать в наружном остеклении стекла с коэффициентом поглощения солнечной энергии меньше 50 % или, если поглощение солнечной энергии выбранного стекла превышает эту величину, использовать термообработанное стекло.
  • более точный – производить расчет тепловых нагрузок, возникающих в остеклении под влиянием окружающей среды, оценивать риск возникновения термошока и, соответственно, использовать «обычные» сырые стекла, стекла с обработанными кромками (что способствует снижению риска термошока) или же термообработанные стекла.

Смирнов М.И. Председатель Комитета по техническому регулированию Союза Стекольных Предприятий

tech@glassunion.ru


[1] Некоторые ошибки монтажа могут также привести к самопроизвольному разрушению остекления по внешнему виду похожему на термошок. Например, ошибки монтажа профиля при сборке фасада могут привести к короблению фасада в ходе суточных температурных колебаний и, соответственно, к разрушению его стеклянных элементов. Также значительное линейное расширение больших листов стекла в результате нагрева инсоляцией может привести к их разрушению при отсутствии должных температурных зазоров между элементами остекления и профилем.

0

Автор публикации

не в сети 5 месяцев

Leonid_Ukrainskyi

142
Комментарии: 0Публикации: 11Регистрация: 22-06-2023
0 0 голоса
Рейтинг статьи
Подписаться
Уведомить о
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Авторизация
*
*
Регистрация
*
*
*
Пароль не введен
*
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
()
x