Що таке склопакети?

За останній час слово "склопакет" міцно увійшло в наше життя, і з вузькоспеціального стало загальновживаним, поширеним і пізнаваним - хоча, втім, і не завжди правильно вживаним. Нерідко "склопакетом" називають все металопластикове вікно цілком, у той час, як він - важлива, але все ж таки тільки частина металопластикового вікна...

У більшості сучасних світлопрозорих конструкцій різне скло використовується в так званих ізолюючих склопакетах. Під ізолюючим склопакетом (надалі - склопакетом) розумітимемо елемент, в якому два або більше скла, герметично з'єднаних один з одним за допомогою спеціальної дистанційної рамки, а також внутрішнього та зовнішнього герметика, утворюють замкнуту порожнину, заповнену осушеним повітрям або іншими газами (аргоном) - Ar, криптоном - Kr, гексафторидом сірки SF₆).*

* Аргон та криптон застосовуються для покращення теплозахисних якостей склопакета, а гексафторид сірки – для підвищення його звукоізоляції. При цьому аргон є найпоширенішим і найдешевшим газом.

Конструкція. Класифікація. Маркування

Перший патент на виробництво склопакетів було видано у 1865 р. Однак їх промислове виробництво почалося лише у 1934 р. у Німеччині зі склопакетів марки CUDO, застосованих для скління залізничних вагонів. У 1938 р. на ринку під маркою Thermopane з'явилися склопакети, що складалися зі скла і свинцевої розпірної рамки, спаяних між собою по контуру. Виробництво цих склопакетів було вперше освоєно США. Склопакети різної конструкції представлені на рис. 3.12...

Рис. 3.12. Склопакети різної конструкції: 1 - заварений, 2 - паяний, 3 - клеєний з одинарною герметизацією, 4 - клеєний з подвійною герметизацією

У 1950 р. було вперше виготовлено склопакети з еластичним ущільненням. У них була використана алюмінієва пустотіла рейка, заповнена осушувальним засобом та ущільнена полісульфідним герметиком Thiokol.

А 1970 р. вважається роком народження сучасного склопакета, що має подвійну герметизацію. Сьогодні за цією технологією виробляється 90% всіх склопакетів. Конструкцію склопакета, найпоширенішу нині, показано на рис. 3.13.

Виробництво сучасних склопакетів, що застосовуються у будівництві та мають конструкцію, показану на рис. 3.13, здійснюється у два етапи.

Рис. 3.13. Конструкція склеєного склопакета: 1 - внутрішній бутиловий герметик (стрічка або мастика), 2 - дистанційна рамка (алюмінієвий або гальванізований сталевий профіль), 3 - осушувач (силікагель), 4 - зовнішня герметизуюча мастика, 5 - скло

На I етапі на дистанційну рамку шаром завтовшки приблизно 4 мм, методом екструзії при температурі 120-140 °С наноситься термопластичний однокомпонентний бутиловий герметик (поліізобутилен) або вручну з котушок наклеюється бутилова стрічка (шнур). На цьому етапі дистанційна рамка заповнюється осушувачем (так званим "молекулярним ситом" - речовиною, близькою за властивостями до відомого в побуті силікагелю), що поглинає вологу з повітря, що заповнює повітряний прошарок. До попередньо обробленої рамки з двох сторін приклеюються шибки.

На II етапі на автоматичному устаткуванні або вручну наноситься зовнішній герметик. Застосовувані зовнішні герметики можна умовно розділити на два основних класи - еластичні двокомпонентні полісульфідні герметики (бутил + тіокол), твердіння яких здійснюється за рахунок хімічної реакції між складовими та однокомпонентні герметики на основі синтетичного каучуку, розплавлення та затвердіння яких є фізичниим процесами(технологія хот-мелт).

За рахунок використання осушувача повітря, що знаходиться всередині склопакета, практично повністю зневоднюється, і таким чином усувається можливість випадання конденсату між склом. Поява конденсату в міжскляному просторі склопакета в процесі експлуатації свідчить про грубі порушення, допущені при його виробництві - неповну герметизацію або відсутність осушувача.

Заповнення проміжку між склом газом здійснюється через спеціальні отвори в дистанційній рамці у двох протилежних кутах, які потім герметизуються. Слід зазначити, що протягом усього розрахункового періоду експлуатації склопакета відбувається поступовий природний витік газу з внутрішньої камери і, назад - дифузія водяної пари, через мікротріщини в герметиці, викликані напругою в крайовій зоні (по контуру примикання скла до дистанційної рамки) під дією перепаду тисків та температур. Для компенсації напруг у крайовій зоні необхідний герметик з високим модулем пружності, що добре сприймає зусилля, що розтягують. У зв'язку з цим можна також відзначити, що властивості міцності застосовуваного герметика визначають стабільність геометричних властивостей пакета.

У цьому відношенні істотним недоліком герметиків системи "хот-мелт" слід вважати розм'якшення при високих температурах, які можуть бути спричинені впливом сонячної радіації. Отже, можна говорити про те, що застосування склопакетів з такими герметиками неприпустимо у заповненні світлопрозорих покрівель – де склопакет, встановлений під нахилом, піддається перегріву від сонця. У цьому випадку можливе "сповзання" верхнього скла і, відповідно, його руйнування.

У табл. 3.7 наведено порівняльні характеристики газо- та вологопроникності найбільш поширених герметиків, які застосовуються в даний час для виробництва склопакетів.

До списку не включені спеціальні герметики, що застосовуються у склопакетах для структурного скління та світлопрозорих покрівель зимових садів, крайова зона яких піддається підвищеному впливу ультрафіолетового випромінювання.

Таблиця 3.7 Газо- та вологопроникність різних герметиків

* Герметизація силіконом є найстарішою технологією виготовлення склопакетів. Нині у незначних масштабах застосовується дрібними виробниками вікон.

Залежно від теплотехнічних, звукоізоляційних та інших вимог, у конструкції склопакета можуть бути використані два скла, три скла або два скла та тонка полімерна плівка замість третього, тощо. Міжскляний простір може заповнюватися газами – аргоном, неоном, криптоном, гексафторидом сірки. У склопакеті в різних комбінаціях можуть бути встановлені спеціальні скла, як показано на рис. 3.14.

Склопакети класифікуються за кількістю повітряних камер на однокамерні (два скла) та двокамерні (три скла).

У вітчизняній літературі по вікнах, у модифікованому вигляді можна зустріти застарілий термін, що застосовувався до двошарового та тришарового скління віконних блоків одинарним склом; відповідно - "двошаровий скло-пакет" стосовно однокамерного і "трьохшаровий склопакет" стосовно двокамерного.

Рис. 3.14. "Склеєні" склопакети різної конструкції: 1 - однокамерний склопакет; 2 - двокамерний склопакет; 3 - однокамерний склопакет з ламінованим захисним склом (триплексом); 4 - двокамерний склопакет з перегородкою, з тепловідбивної плівки;

Естетичні якості вікна відповідно до вимог архітектора можуть бути враховані за рахунок встановлення всередині склопакета декоративних розкладок (шпросів), як правило, білого або золотистого кольору. Крім того, зовні можуть бути декоративні планки, як показано на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Декоративні розкладки (шпроси) всередині склопакета та зовнішні профільні

У маркування склопакетів вказуються товщина і тип скла, ширина дистанційної рамки, кількість повітряних прошарків, а також тип газу, що використовується для їх заповнення.

Для газів, що заповнюють міжскляний простір, застосовується таке маркування:

Приклади:

4F -12 - 4F - однокамерний склопакет з подвійним однаковим флоат-склом по 4 мм і дистанційною рамкою 12 мм. Міжскляний простір заповнений осушеним повітрям.

6F - 10 - 4F -10 - 6F - двокамерний склопакет з двома дистанційними рамками по 10 мм, два зовнішні флоат-скла мають товщину 6 мм, внутрішнє - 4 мм.

4F - 12Аr - 4К - однокамерний склопакет з дистанційною рамкою 12 мм, міжскляний простір заповнений аргоном, внутрішнє флоат-скло, товщиною 4 мм, має тверде низькоемісійне покриття.

Міцність склопакетів

З точки зору будівельних розрахунків, склопакет є просторовою конструкцією з двох або більше стекол, розділених між собою герметичними повітряними прошарками. Скло склеєне між собою по контуру за допомогою дистанційних рамок і еластичних клеючих речовин, що в сукупності утворює шарнірне з'єднання.

При розрахунку на міцність і жорсткість конструкцію склопакета можна розглядати як дві (або більше) жорсткі пластинки, пов'язані між собою по всій поверхні пружним прошарком і по контуру жорсткими рамками з шарнірними зв'язками.

Під час експлуатації в стеклах пакета виникає напруга при дії одностороннього навантаження, викликана дією вітру та снігу, або двостороннього навантаження за рахунок зміни атмосферного тиску та температури повітря (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Схема роботи скла однокамерного пакета: а) - розрахункова схема склопакета; б) - одностороннє навантаження (вітер та сніг); в) - двостороннє навантаження (перепади атмосферного тиску та температури зовнішнього повітря)

Герметичність повітряного прошарку є причиною того, що склопакет слід розглядати як сполучену систему, в якій повітря є пружним прошарком, що розподіляє навантаження між склом. Механізм роботи скла в пакеті при додатку одностороннього вітрового або снігового навантаження полягає в тому, що в результаті прогину зовнішнього скла повітря в прошарку ущільнюється, і в ній створюється надлишковий тиск. Дослідження показали, що завдяки герметичності повітряного прошарку деформації обох шибок в однокамерному пакеті при дії одностороннього навантаження приблизно рівні. Співвідношення прогинів внутрішнього та зовнішнього скла становить 0.81-0.95, і тим ближче до одиниці, чим більше навантаження, що діє.

Для наочного теоретичного аналізу напруженого стану склопакета розглянемо роботу найпростішого однокамерного склопакета під дією деякого одностороннього навантаження (наприклад, вітрового тиску). Уявімо, що внутрішнє скло склопакета абсолютно жорстке, а зовнішнє-досить гнучке і може прогинатися під навантаженням.

Згідно з рівнянням газового стану, між абсолютною температурою, тиском і об'ємом повітря всередині замкнутого повітряного прошарку існує залежність

P1 * V1/T1 = P2 * V2/T2 (3.11)

За умови, що температура повітря всередині склопакета не змінюється, тобто. зміна тиску всередині склопакета буде обернено пропорційно зміні об'єму повітря в прошарку, рівняння (3.11) запишеться у вигляді

P1/P2=V1/V2 T1=T2=const (3.12)

Згідно з рівнянням (3.2), зменшення об'єму повітря всередині камери, буде викликати підвищений надлишковий тиск на скло. Під дією вітрового навантаження зовнішнє скло склопакета (з боку прикладеного навантаження) прогинається. Якщо прийняти, що при цьому внутрішнє скло зберігає свою колишню форму, то об'єм повітряного прошарку зменшується, а тиск у ньому збільшується.

Якщо задатися величиною допустимих прогинів скла під дією одностороннього рівномірно розподіленого навантаження, то можна кількісно оцінити теоретичну (виходячи з рівняння стану) зміну тиску на скло при збільшенні навантаження.

В якості розрахункової моделі приймемо круглий склопакет (в якому відсутній вплив напруги в кутах) з радіусом - r і товщиною повітряного прошарку - h. Площу склопакета приймемо рівною приблизно 1 м2, тобто. його радіус становитиме r=60 см (600 мм). Приймемо, що допустима величина прогину f дорівнює 1/200 - 1/300 прольоту, що в даному випадку становить 1/200 - 1/300 від діаметра D = 120 см (1200 мм) і дорівнює 3-5 мм. Товщину повітряного прошарку приймемо рівною h =24 мм (2,4 см).

Початковий обсяг повітряного прошарку склопакета дорівнює

V = π * r² * h        (3.13)

Підставивши цифри, отримаємо 3, 14*602*2,4 = 27 143 см3.

Для встановлення залежності тиску в повітряному прошарку пакета від навантажень розглянемо зміну об'єму прошарку круглого склопакета при деформації його зовнішнього скла від прикладеного навантаження. Вважаємо, що частина об'єму повітряного прошарку - V, на яку зменшився прошарок, являє собою сферичний сегмент, обмежений сферичною поверхнею деформованого зовнішнього скла. Обсяг сферичного сегмента обчислюється за формулою

δV = π / 6 * f (3 r²₁ = 3 r²₂ + f²)         (3.14)

де f - задана величина допустимого прогину в середній точці скляної пластини, [м].

Приймаючи r2=0, отримаємо

δV = π / 6 * f (3 r²₁ + f²)         (3.15)

Якщо задати значення допустимих прогинів, що збільшуються з деяким заданим кроком (що відповідно буде відображати і збільшення прикладеного навантаження), то можна отримати обсяги сферичних сегментів, які потім можна відняти з початкового обсягу прошарку. Відповідно можна оцінити у відсотковому відношенні частку зменшення обсягу та зростання внутрішнього тиску (пов'язаних зворотною пропорційною залежністю) під дією одностороннього навантаження, що призвело до певного заданого значення прогину. Цифри, що ілюструють теоретичне прогнозоване виходячи з рівняння стану збільшення внутрішнього тиску всередині однокамерного склопакета, наведені в табл. 3.8.

Таблиця 3.8 Теоретична оцінка зміни обсягу повітряного прошарку склопакета при прогинах одного зі скла під дією одностороннього навантаження

Цифри, наведені у табл. 3.8 виведені, виходячи з ідеальної моделі, що передбачає, що все навантаження сприймається одним склом і не призводить до прогину другого. Однак у реальних конструкціях цього не відбувається.

Для ілюстрації розглянемо дію на склопакет вітрового навантаження за швидкості 28 м/сек. У цьому випадку вітровий тиск може бути визначений як P = v2/16, де v - швидкість вітру. Підставивши значення, отримуємо: Р=282/16 = 50 кгс/м2 чи 0.5 кПа. Якщо прийняти, що це навантаження викликає навіть не найбільший прогин зовнішнього скла - близько 3 мм, то в цьому випадку (згідно з табл. 3.8), обсяг повітряного прошарку зменшився б на 13%. Відповідно тиск усередині склопакета збільшився б також на 13%.

Якщо прийняти, що початковий тиск усередині склопакета дорівнює атмосферному і становить Р=100 кПа, то надлишковий тиск, створюваний вітровим навантаженням, дорівнював би 13 кПа або 1300 кгс/м2. Однак такий вітровий тиск може бути досягнутий при небувалій швидкості вітру - 144 м/сек або 518.4 км/год.

Таким чином, наведені прості міркування позначають явну суперечність між математичним рівнянням стану та реальними природними факторами. Насамперед, вони говорять про те, що насправді склопакет не сприймає навантаження за рахунок прогину одного скла, передаючи його на абсолютно жорстке інше, а обидва скла працюють спільно при дії одностороннього навантаження.

У практичних розрахунках вводяться знижувальні коефіцієнти до розрахункового навантаження, що враховують спільну роботу скла у склопакеті. Для однокамерного склопакета к~ 0.5, для двокамерного к~ 0.33.

У склопакеті, що піддається впливу двостороннього навантаження, зусилля, що виникають, розподіляються рівномірно між склом пакета. Дія такого навантаження викликається зміною тиску в повітряному прошарку при зміні температури повітря або атмосферного тиску. При цьому відбувається вирівнювання тиску зовні та всередині склопакета за рахунок зміни об'єму повітряного прошарку. Скло пакета згинається, а напружений стан, що створюється в них, є передумовою для виникнення тріщин при транспортуванні або монтажі.

При зниженні температури у внутрішній камері (при охолодженні склопакета) її об'єм буде зменшуватися, скло вигинатиметься у внутрішню порожнину, що може викликати "схлопування" склопакета. Слід зазначити, що руйнування пакетів при "зимових" монтажах є досить поширеним явищем, у зв'язку з чим їх виробники не рекомендують проводити монтаж при температурі зовнішнього повітря нижче -15 °С.

Справді, якщо температура повітря у приміщенні, де склопакет був виготовлений, становила Т1 =+ 20 "С, а температура зовнішнього повітря під час монтажу та транспортування була Т2 = - 20 °С, то стрибок температур на 40 °С призведе до зміни обсягу повітря прошарку.

T1 / T2 = V1 / V2         P1 = P2 = const         (3.16)

Відносна зміна температури в Кельвінах становитиме

δT = (273-20) / (273+20) = (0.86)

тобто температура повітря в повітряному прошарку змінилася на 14%. Відповідно до рівняння стану, обсяг повітря в прошарку має зменшитися також на 14%. Так як вигинаються обидва скла, то кожне скло при деформації змінюватиме об'єм повітря на 7,0%, щоб компенсувати надлишковий атмосферний тиск. Як видно з таблиці 3.7, величина прогину кожного скла при цьому складатиме близько 2 мм. Очевидно, що чим більша площа склопакета і чим більша товщина повітряної камери, тим більша ймовірність його руйнування при зміні температури.

Набагато рідкіснішим випадком є руйнування склопакетів при зміні атмосферного тиску. Однак можливі випадки, коли склопакети можуть виготовляти при підвищеному або зниженому атмосферному тиску, а зміна тиску може становити до 4 кПа. Відповідно до формули (3.12) обсяг повітря прошарку при зміні тиску повинен змінитися на величину близько 4%. Оскільки вигинаються обидва скла, то кожне скло при деформації змінюватиме об'єм повітря на 2,0 %, щоб компенсувати надлишковий атмосферний тиск.

З наведених вище міркувань можна зробити висновок про те, що вибір товщини повітряного прошарку надає певний вплив на статичну роботу склопакета.

У склопакеті, схильному до впливу одностороннього зовнішнього навантаження, збільшення обсягу повітряного прошарку призведе до того, що погіршується спільна робота скла у склопакеті. Реальне навантаження на внутрішнє скло зменшиться, а на зовнішнє скло збільшиться. За характером статичної роботи склопакет наближається до вікна з 2-х шаровим роздільним склінням.

У склопакеті, схильному до впливу двостороннього зовнішнього навантаження за рахунок перепадів температури, збільшення обсягу повітряного прошарку призведе до збільшення ймовірності руйнування скла у склопакеті.

У склопакеті, схильному до впливу двостороннього зовнішнього навантаження за рахунок перепадів атмосферного тиску, збільшення обсягу повітряного прошарку також призведе до погіршення спільної роботи скла у склопакеті.

Таким чином, можна говорити про те, що виходячи з умови міцності, товщина повітряного прошарку склопакета має бути мінімальною.

Слід зазначити, що у склопакетах з вузькими камерами (наприклад 6 мм), "схлопування" може статися внаслідок того, що сумарний подвійний прогин скла перевищить товщину камери.

Спільна робота склопакета та віконного профілю. Навантаження у крайовій зоні склопакета

У наведених вище розділах було розглянуто роботу склопакета без урахування впливу віконного профілю, до якого він вставляється. Разом з тим, напруги, що виникають у крайовій зоні пакета за рахунок різних коефіцієнтів температурного розширення металу та скла, а також зусилля, спричинені температурними деформаціями віконного профілю, є однією з основних причин руйнування склопакетів, поряд із перепадами тисків та температур.

При згинанні віконного профілю за рахунок температурних напруг, вітрових навантажень, власної ваги вище розташованих конструкцій, а також при динамічних впливах від дверей, що відкриваються і закриваються, в офісних перегородках, вітринах і т.п., зусилля від профілю передаються на крайову зону склопакета. Для довговічної та надійної експлуатації склопакетів способи їхнього кріплення повинні виключати передачу цих навантажень. З цією метою між склопакетом і палітуркою залишають компенсаційні зазори, в які при встановленні склопакета в проектне положення укладаються спеціальні підкладки. За своїм призначенням вони поділяються на опорні та фіксуючі. Опорні підкладки служать для передачі навантаження від власної ваги на палітурку, ті що фіксують - забезпечують центрування склопакета у світловій комірці, а також унеможливлюють його зміщення при відкриванні стулок.

Підкладки під склопакет для ПВХ-профілів виготовляються у вигляді пластин з ПВХ, розміром 30 х 97 мм та товщиною 1.0,2.0,3.0,4.0 та 5.0мм. Схема розміщення підкладок залежить від виду скління (глухе або відкривається) та способу під ваги стулок. На рис.3.17 показані приклади встановлення підкладок, згідно з рекомендаціями концерну Veka.

Мал. 3.17. Приклади встановлення підкладок під склопакет

Крайова зона є найбільш уразливою для склопакета за рахунок контакту матеріалів з різними фізичними характеристиками. При встановленні склопакетів у віконний профіль слід по можливості захищати її від промерзання. Крім того, як уже зазначалося вище, мікротріщини, які можуть виникнути при різанні скла на стадії виготовлення склопакета, можуть призвести до його руйнування в процесі експлуатації, за рахунок температурних напруг, що виникають безпосередньо в крайовій зоні.

За матеріалами книги:
І.В. Борискіна та ін., "Проектування сучасних віконних систем цивільних будівель", Київ – 2005р., видавець Домашевська О.А.

---

Автор статті - Позняк Ігор Федорович, директор фірми "Норма-С"

Ще статті