Как избежать «кривых зеркал» в светопрозрачных фасадах

Несколько десятилетий назад, когда стеклопакеты еще не получили такого широкого распространения как сейчас, светопрозрачные фасады и витрины магазинов выглядели почти как идеальные зеркала. В наше время массового применения стеклопакетов, визуальные искажения отражающихся наружных объектов в фасадном остеклении является частой проблемой и предметом споров и недоразумений между проектировщиками, строителями и заказчиками. Нередко хорошо спроектированные фасады бывают совершенно испорченными, когда они выглядят как настоящие «кривые зеркала» (рисунок 1).

Основными причинами искажения отраженной «картинки» стеклопакетов являются следующие:

• прогибы стекол под воздействием изменений атмосферного давления и температуры наружного воздуха;
• волнистость стекол, которую они получают при закалке.

Ниже будет рассмотрена первая причина – воздействие климатических факторов.

Представленные данные будут полезны при выборе стеклопакетов для светопрозрачных фасадов, особенно, в тех случаях, когда к ним предъявляются повышенные требования по качеству отражения соседних объектов.

Сущность проблемы

Стеклопакет состоит из двух или более плоских листов стекла, которые разделены между собой спейсерами – дистанционными рамками. Эта дистанционная рамка является пустотелой и имеет отверстия, которые выходят внутрь стеклопакета. Внутрь дистанционной рамки засыпают зернистый материал, который впитывает влагу – молекулярное сито (диссикант). При изготовлении стеклопакета его внутренняя полость надежно изолируется от внешней среды специальными герметиками.

После того, как стеклопакет полностью собран и установлен в ограждающую конструкцию здания – окно или фасад, он постоянно подвергается воздействию различий наружной температуры воздуха и атмосферного давления с температурой и давлением воздуха внутри стеклопакета. При низком атмосферном давлении и высокой наружной температуре возникает выпучивание стекол. Высокое атмосферное давление и низкая наружная температура, напротив, приводят к вогнутости стекол.

1) жаркий день + пониженное давление

2) холодный день + повышенное давление

Аналогичные проблемы возникают при поглощении дискантом одного из газов, которыми была наполнена полость стеклопакета [1]. Ниже для простоты будем рассматривать стеклопакеты, наполненные только воздухом.

Похожее явление происходит, если стеклопакеты изготавливались на одной высоте над уровнем моря, а установлены в здании значительно выше или ниже над уровнем моря.

В больших стеклопакетах механические напряжения, которые вызываются разностями давления и температуры, могут совершенно незначительными, однако перемещения в середине стеклянных листов могут быть достаточно большими. Эти перемещения и вызывают неприятные визуальные искажения отражающихся в стеклах наружных объектов, например, соседних зданий или деревьев. Эти визуальные искажения отраженных картинок особенно заметны снаружи светопрозрачных фасадов, витрин или больших окон. Эта проблема почти не наблюдается изнутри здания из-за более слабого освещения и более короткого расстояния обзора, а также потому, что стекло изнутри часто «спрятано» за шторами или жалюзями.

Контрольные параметры для проектирования

Отражение размерной сетки:
на выпуклом (а) и вогнутом (б) стеклах стеклопакетов

Только что изготовленные стеклопакеты имеют практические плоские наружные и внутренние стекла. В зависимости от наружных условий эти стекла могут получить выпуклую или прогнутую форму (рисунок 4). Величина такого прогиба – положительного или отрицательного – зависит от следующих параметров:

• Ширина и длина стеклопакета
• Толщина каждого стекла
• Толщины воздушной прослойки между стеклами
• Разность между фактическим атмосферным давлением (Р) давлением внутри полости стеклопакета (Ризг).
• Разность между фактической температурой воздуха внутри стеклопакета (T) и температурой этого воздуха при изготовлении стеклопакета (Тизг)

Стеклопакет для показательных расчетов

Рассмотрим однокамерный стеклопакет шириной 915 мм и высотой 2743 мм, толщиной стекол 6 мм и толщиной воздушной прослойки (расстоянием между стеклами) 13,4 мм. Примем, что условия, при которых изготавливался стеклопакет, следующие: температура воздуха 20 ºС и стандартное атмосферное давление 101,3 кПа.

Влияние температуры и давления

Влияние наружной температуры и атмосферного давления на прогиб центра стекол расчетного стеклопакета показано на рисунках 6 и 7. Как видно из величин прогибов, влияние изменения температуры более значительно, чем изменение давления.

Прогиб стеклянных листов зависит от их конструкционной жесткости. Поскольку оба стекла являются одинаковыми и имеют одинаковую жесткость, то прогибы по обеим сторонам стеклопакета являются одинаковыми. Величина этих прогибов не зависит от термической обработки стекол, например, от их закалки

Зависимость прогибов стекол стеклопакета от изменения температуры воздуха внутри стеклопакета

Зависимость прогибов стекол стеклопакета от изменения атмосферного давления

Влияние расстояния между стеклами

Зависимость прогибов стекол стеклопакета от толщины воздушной прослойки (расстояния между стеклами)

В частном случае, когда температура воздуха внутри стеклопакета составляет минус 30 ºС при атмосферном давлении 102 кПа результирующий прогиб каждого листа стекла расчетного стеклопакета составляет около 2,5 мм. Это – суммарный прогиб от комбинированного воздействия изменений температуры и давления.

При тех же условиях (минус 30 ºС и 102 кПа) при увеличении номинальной толщины воздушной прослойки с 13,4 до 25 мм результирующий прогиб середины стекла возрастает с 2,5 до 4,6 мм (рисунок 8). Это происходит потому, что с увеличением расстояния между стеклами пропорционально возрастает объем воздуха внутри его полости.

Влияние толщины стекол

Прогиб каждого стеклянного листа является в общем случае обратно пропорциональным его жесткости. Жесткость стекла, в свою очередь, пропорциональная кубу (третьей степени) толщины стекла. Следовательно, визуальное искажение может контролироваться путем увеличения толщины наружного стекла, оставляя внутреннее стекло более тонким. Такая модификация будет также увеличивать общую прочность стеклопакета, так как большинство наружных нагрузок (ветер, снег) будут восприниматься более толстым стеклом.

Заменим в примере выше наружное стекло на стекло толщиной 8 мм, а внутреннее стекло на стекло толщиной 4 мм, сохранив толщину воздушной прослойки прежней, то есть 13,4 мм. Это приведет к существенному снижению прогиба наружного стекла и увеличению прогиба внутреннего стекла

Зависимость прогибов наружного (толстого, 8 мм) стекла и внутреннего (тонкого, 4 мм) стекла стеклопакета от изменения температуры наружного воздуха

Зависимость прогибов наружного (толстого, 8 мм) стекла и внутреннего (тонкого, 4 мм) стекла расчетного стеклопакета от изменения атмосферного давления

Для тех же температуры и давления, которые применялись в предыдущем расчете (минус 30 ºС и 102 кПа) прогиб наружного стекла (8 мм) составляет 0,56 мм, а прогиб внутреннего стекла (4 мм) – 4,5 мм. Результирующие искажение наружного отражения будет приблизительно в пять раз слабее, чем для стеклопакета с одинаковыми стеклами толщиной 6 мм. Кроме того, по сравнению со стандартным стеклопакетом такая конструкция стеклопакета повышает его звукоизоляционные свойства и не снижает его сопротивления теплопередаче.

Приемлемые прогибы стекол

Чтобы обеспечивать приятный архитектурный вид наружному светопрозрачному остеклению, проектировщик должен задавать допустимый предел для прогибов наружных стекол. Поскольку это чисто визуальный вопрос, то в этом случае человеческий глаз является лучшим измерительным инструментом. Не существует принятой процедуры или соглашения о том, что является приемлемым искажением отражения. Более того, некоторые люди – и проектировщики, и заказчики – являются более чувствительными к таким искажениям, чем другие.

Для конкретного стеклопакета прогиб стекла ограничивается его меньшим размером. Поэтому прямолинейность отраженной прямой линии может быть выражена как отношение прогиба стекла (Y) к его меньшему размеру (L): Y/L.

По результатам испытаний было установлено, что приемлемые пределы прогибов стекол находятся в интервале отношения Y/L от 1/700 до 1/1000. Для малых стеклопакетов эти величины нужно проверять на то, чтобы напряжения в стеклопакетах не были слишком высокими. Эти величины были получены из субъективных оценок пятерых человек при наблюдении под углом 45º к плоскости стекла отражений двух перпендикулярных струн.

Факторы проектирования

Поскольку наружные искажения наиболее заметны в течение светового дня, то допустимый предел прогиба стекол должен устанавливаться для средних проектных условий, которым стеклопакет подвергается летом и зимой. Эти расчетные условия будут изменяться в зависимости от:

• географического расположения,
• ориентации и внутренних защитных устройств, таких как, жалюзи или шторы, которые влияют на температуру воздуха внутри стеклопакета
• технических характеристик стеклопакета.

При рассмотрении климатических данных в течение дневного времени летом и зимой необходимо иметь в виду:

• Среднее солнечное излучение
• Средняя температура воздуха внутри здания
• Средняя скорость ветра
• Внутренние солнцезащитные устройства (жалюзи, шторы, навесы и т.п.)
• Среднее атмосферное давление местности.

Действующие нормативные документы требуют от проектировщика или производителя стеклопакетов задавать такую толщину стекол, чтобы они могли выдерживать ветровые и, при необходимости, снеговые нагрузки. Однако для больших стеклопакетов, которые применяются для фасадов, витрин и окон, может возникать проблема чрезмерного искривления отражающихся в них соседних объектов. Эти искривления возникают из-за больших прогибов стекол при изменении погодных условий, в первую очередь, температуры и давления. При проектировании таких стеклопакетов необходимо предпринимать конструкционные меры для ограничения этих прогибов.