Aké sú riziká použitia IGU?
Neustála zmena teploty vzduchu zapríčiňuje zmenu tlaku v uzavretom priestore. Pri zvýšení teploty dochádza pri izolačnom skle (IGU) k vydutiu, takzvanému konvexnému prehybu, pri znížení teploty naopak prichádza k stiahnutiu skla, konkávnemu prehybu. Ďalšou záťažou pre izolačné trojsklo je klimatická záťaž. Pri nízkom tlaku vzduchu dochádza k vydutiu izolačného trojskla, pri vysokom sa zase sklo sťahuje. Tieto vplyvy sa môžu v konkrétnej situácii vzájomne vyrovnať alebo znásobiť. Toto je efekt izolačného skla ktorý je výraznejší pri trojsklách ako pri dvojsklách. V neposlednom rade by nás mala zaujímať aj nadmorská výška zabudovania. V tomto prípade je potrebné v medzipriestore upraviť tlak podľa potreby.
Široké dištančné rámiky pri izolačnom trojskle tiež zhoršujú situáciu z hľadiska možnosti prasknutia. Pri napríklad 18 mm rámikoch je nutné poznať rizikové zóny skla z hľadiska pomeru šírka – výška a minimálnu dĺžku hrany.
Ak máme izolačné trojsklo v tvare štvorca, všetky hrany sú zaťažené rovnomerne. Naopak pri úzkom obdĺžniku krátke hrany prakticky vôbec neprispievajú k rozloženiu zaťaženia. Aby sme predišli v týchto prípadoch k samovoľnému prasknutiu skla riešením je použitie tepelne tvrdeného skla (ESG). Hermeticky uzavretá dutina neumožňuje žiadne vyrovnávanie tlaku s okolím. Tým sú zahrnuté teplotné a tlakové podmienky v deň výroby viacvrstvového izolačného skla. Pri všetkých zmenách teploty alebo tlaku vzduchu sa mení vzájomná poloha tabúľ, dochádza ku konvexným alebo konkávnym vychýleniam vonkajších tabúľ, k vypuknutiu alebo vydutiu izolačného skla, podobne ako na plechovke. Ak by to tak nebolo a pri zmene tlaku by do dutiny mohol preniknúť okolitý vzduch, izolačné sklá by sa vplyvom vlhkosti, ktorá tiež prenikla, v dutine v priebehu niekoľkých týždňov či mesiacov zahmlili.
Fyzikálny zákon tejto deformácie vonkajších tabúľ izolačného skla sa nazýva „efekt dvojitého skla“ alebo „efekt izolačného skla“. Týmito zákonmi a ich problémami sa už podrobne zaoberajú rôzni autori od roku 1958. Efekt dvojitého skla je v zásade ovplyvnený 3 rôznymi parametrami:
Zmeny teploty (leto až zima) Zmeny barometrického tlaku (vysoký alebo nízky tlak)
Inštalácia v inej nadmorskej výške ako miesto výroby
Obr.1: Nesprávna montáž izolačného skla
Okrem týchto parametrov, ktoré nemožno ovplyvniť, môžu existovať ďalšie ovplyvňujúce premenné, ktoré majú dodatočný negatívny vplyv na tento efekt. Toto sú:
Zmeny teploty
Ako každá výrobná hala, aj v modernej výrobe izolačných skiel sú teploty v miestnostiach vystavené nielen denným teplotným výkyvom, ale predovšetkým letným a zimným teplotným výkyvom. V závislosti od miesta výroby a konštrukcie haly môže teplota v zime klesnúť na cca 14°C a v lete vystúpiť na cca 30°C. Extrémne teploty v našich zemepisných šírkach sa môžu pohybovať od -25°C do 40°C v závislosti od miesta inštalácie. V dôsledku globálneho otepľovania sa v Európe na najbližších 50 rokov predpovedajú ešte vyššie teploty až o cca 50°C. Výsledné maximálne teplotné rozdiely do cca 55°C však nie sú v prípade viacvrstvových izolačných skiel až také veľké, keďže teplota v priestore medzi izolačným sklom a vonkajšou teplotou je rozdielna. Pri vysoko tepelne izolačných trojitých izolačných sklách sa však môže vo vonkajšom priestore nastaviť teplota, ktorá sa od vonkajšej teploty odchyľuje o niekoľko stupňov. Plyny sa pri zahrievaní rozširujú a pri ochladzovaní sa sťahujú. To platí aj pre plyny obsiahnuté v dutine izolačného skla bez ohľadu na to, či ide o vzduch, argón alebo kryptón. Pri zmene teploty o 1°C je zmena 1/273 objemu. Pri zmene teploty o 27 °C to znamená zmenu objemu o 10 %. 1 m² veľké izolačné sklo so 16 mm dutinou by muselo zmeniť dutinu o 1,6 mm. Keďže sa však tabule môžu pohybovať len v strede tabule a nie v okrajovej oblasti, stred tabule sa musí zmeniť podstatne viac (vydutie alebo stiahnutie).
Zmeny tlaku vzduchu
Barometrický tlak vzduchu je hydrostatický tlak vzduchového stĺpca, ktorého hmotnosť prevláda v určitom mieste alebo pôsobí na teleso. Na hladine mora je stredný tlak vzduchu v atmosfére 1013,25 hPa (hektopascal = milibar). Vietor a počasie menia tento tlak vzduchu takmer každú hodinu. Maximálne rozdiely tlaku vzduchu na hladine mora, ktoré boli namerané celosvetovo, boli 860 hPa až 1085 hPa. Kolísanie tlaku vzduchu je zvyčajne 980 až 1040 hPa Viacvrstvové izolačné sklá sa vyrábajú pri každej z týchto hodnôt tlaku vzduchu, keďže produkcie vyrábajú denne bez ohľadu na ročné obdobie alebo poveternostné podmienky. To znamená, že tieto rôzne hodnoty môžu mať zodpovedajúci vplyv aj na izolačné sklo; môže teda dochádzať ku kolísaniu tlaku až do 60 hPa, ktoré pôsobí na vonkajšie tabule viacvrstvového izolačného skla a spôsobuje ich vydutie pri nízkom tlaku v dutine v dôsledku vyššieho tlaku okolitého vzduchu alebo vydutie keď je tlak v dutine vysoký a tlak okolitého vzduchu nižší.
Výškový rozdiel medzi miestom výroby a miestom inštalácie
Zmena barometrického tlaku vzduchu v našej atmosfére vplyvom počasia nie je jedinou zmenou tlaku ovplyvňujúcou izolačné sklá. So zvyšujúcou sa nadmorskou výškou rýchlo klesá aj barometrický tlak vzduchu, pretože výška vzduchového stĺpca sa zmenšuje, a preto na teleso pôsobí čoraz menší tlak. Na hladine mora klesá tlak vzduchu asi o 1 hPa na každých 8 metrov rozdielu nadmorskej výšky. Nejde však o lineárny pokles.
Ak je teraz viacvrstvové izolačné sklo inštalované vo veľkej výške, vnútorný tlak v dutine sa prudko zvýši a je potrebné zabezpečiť, aby došlo k vyrovnaniu tlaku. V opačnom prípade môže pri zvyšovaní nadmorskej výšky sklo prasknúť. Výrobcovia izolačných skiel odporúčajú zodpovedajúce vyrovnanie tlaku od výškového rozdielu cca 300 m medzi miestom výroby a montáže, aby sa predišlo trvalému namáhaniu skiel touto zmenou tlaku v dutine. To platí tak pre inštaláciu vo vyšších nadmorských výškach, ako aj pre výrobu vo vysokých nadmorských výškach a inštaláciu v nízkych nadmorských výškach.
V prípade trvalej inštalácie vo výškach, ktoré sú výrazne vyššie ako 300 m nad miestom výroby, veľmi často dochádza k rozbitiu skla, ku ktorému môže dôjsť aj niekoľko rokov po inštalácii, ak sú mimoriadne zlé poveternostné podmienky.
Obr.2: Nesprávne vyrovnanie tlaku medzi tabuľami izolačného skla
Obr.3: ISO Altimeter – kompenzačné zariadenie na úpravu tlaku v dutinách izolačného skla
Veľký priestor medzi tabuľami
So zväčšujúcim sa priestorom medzi sklami (SZR) sa zväčšuje aj objem uzavretého vzduchu. Dvojité izolačné sklo má zvyčajne šírku dutín 12 – 20 mm. S trojitým izolačným sklom môžete pridať dve šírky dutín skla a získať tak celkový priestor medzi sklami vzhľadom na zaťaženie skla. Pri symetrickej štruktúre je správanie 2 užších SZR v trojitom izolačnom skle s dvojnásobne širším SZR úplne identické. 1 m² izolačného skla s dutinou 10 mm má v dutine uzavretý objem plynu cca 10 litrov. S 2 x 12 mm dutinou a rovnakou veľkosťou 1 m x 1 m (1 m²) sa oba priestory medzi sklami sčítajú, takže to je asi 24 litrov. Akákoľvek zmena tlaku a teploty vzduchu má preto väčší vplyv na izolačné sklá s väčšími medzerami. Zatiaľ čo široká dutina sama osebe nemusí mať žiadne negatívne účinky, súčet viacerých prekrývajúcich sa vplyvov (teplota, tlak vzduchu, rozdiel nadmorskej výšky atď. pôsobí na široké medzery medzi sklami oveľa negatívnejšie. Trend smerom k najnižším možným hodnotám súčiniteľa prechodu tepla (Ug) pre trojité izolačné sklo s cenovo najefektívnejšou argónovou výplňou namiesto kryptónovej výplne v dutine, ktorá je výrazne drahšia, vedie k veľmi širokým medzerám medzi sklami až 2 x 14 mm a viac. Zaťaženie sklenených tabúľ sa výrazne zvyšuje v porovnaní s dvojitým izolačným sklom s dutinou len 1 x 14 mm. Ak sa do priestoru pridajú žalúzie, potrebujete aspoň jeden oveľa širší priestor. So zväčšujúcou sa šírkou dutiny sa zvyšuje aj zaťaženie tabúľ alebo okrajového tesnenia izolačného skla.
Ciele malého formátu
Rozšírený názor, že na tabule malých rozmerov pôsobia len malé záťaže, nie je celkom správny. V prípade malých izolačných skiel s dĺžkami hrán cca 200 mm až 500 mm nepredstavuje samotné vznikajúce ťahové napätie v ohybe kritické zaťaženie, vznikajú tu ďalšie riziká. Pretože sa sklenené tabule nemôžu pri týchto malých rozmeroch v dôsledku ich tuhosti v ohybe výrazne vyduť, tlakové zaťaženie v dutine sa prudko zvyšuje so zodpovedajúcimi zmenami teploty a tlaku vzduchu. Zaťaženie elastického spoja okrajov izolačného skla by sa nemalo podceňovať, pretože k tomu vedie zvýšenie tlaku v dutine nevyhnutne vedie k silným silám pôsobiacim na okrajovú väzbu, čo môže viesť k expanzii so zvýšenou difúziou vodnej pary do dutiny a dokonca k strate adhézie. Za každú cenu sa treba vyhnúť zmenšeniu hĺbky tesnenia okrajového tesnenia, aby sa dosiahlo čo najužšie tesnenie okraja a tým čo najužšie zasklievacie lišty. Zníženie hĺbky tesnenia znamená užšiu plochu pre prenos zaťaženia a tým rýchlejšie zlyhanie izolačného skla. V špeciálnych prípadoch možno hĺbku tesnenia okraja dokonca zväčšiť.
So zväčšujúcou sa veľkosťou tabúľ o viac ako 1,5 m², najmä pri štvorcových formátoch, sa výrazne znižuje zaťaženie okrajového tesnenia a sklenených tabúľ, pretože tieto môžu reagovať na zmeny tlaku vydutím – konvexný alebo konkávnym a môžu tak do značnej miery kompenzovať tlak zmeny, ktoré nastanú.
Nepriaznivý pomer strán
Osobitným problémom sú nielen maloformátové izolačné sklá, ale najmä tie s úzkym okrajom a veľmi nepriaznivým pomerom strán. Vyšetrovania ukázali, že najkritickejšie formáty s krátkou hranou cca 200 mm – 400 mm majú pomer strán krátkej k dlhej hrane cca 1:2 až 1:4. Podľa toho je najkritickejším formátom veľkosť tabule cca 300 mm x 900 mm.
Rôzne hrúbky skla
Pri dvoch sklenených tabuliach rovnakej hrúbky ako vonkajšie tabule izolačného skla nesú obe rovnaké zaťaženie, vznikajúce napätia sa rozložia identicky na obe tabule. Ak sa napríklad pri zvukovo izolačnom skle výrazne zväčší hrúbka skla, znamená to nielen to, že táto hrubšia tabuľa znesie väčšie namáhanie až do zlyhania, ale aj to, že tenšia tabuľa je vďaka svojej tuhosti v ohybe musí znášať výrazne vyššie zaťaženie. V takýchto prípadoch tenšia tabuľa skla pri nadmernom zaťažení vždy zlyhá.
Podložkovanie
Každá tabuľa izolačného skla v ráme okna sa pri zasklievaní ukladá na podložky, na jednej strane na stabilizáciu rámu okna a na druhej strane na vytvorenie odstupu od polodrážkovej základne, aby prípadné kvapôčky vody, ktoré sa tvoria, mohli stekať a uschnúť. Táto podložka upne tabuľu izolačného skla v ráme a natiahne a nadvihne rám okna diagonálne v smere otvárania. Nesprávne vypodložkovanie môže rýchlo viesť ku kritickým situáciám, ktoré môžu viesť k rozbitiu skla. Preto sa bezpodmienečne odporúča dodržiavať pokyny pre zasklievanie a používať zasklievanie/podložkovanie pri normálnych teplotách, aby sa predišlo nadmernému namáhaniu spôsobenému kontrakciou materiálu pri ochladzovaní skla a okenného rámu.
Obr.4: Nesprávne podložkovanie
Plnenie plynom
Pri dnes obvyklom použití vzácnych plynov v SZR so zlepšenou tepelnou izoláciou (argón, kryptón), treba brať do úvahy, že plyny pod vysokým tlakom v oceľových fľašiach alebo sklenených dutinách (SZR) sa pri plnení rozťahujú a tým sa ochladzujú. Z tohto dôvodu sa musí teplota plynu prispôsobiť okolitému vzduchu v miestnosti predtým, ako sa plyny naplnia do medzipriestoru – dutiny izolačného skla. Ak tomu tak nie je a k ohrevu dôjde až po naplnení utesnenej dutiny, dôjde k silnému vydutiu tabúľ skla už niekoľko hodín po výrobe. Aj tu sú trojité izolačné sklá ohrozené viac ako dvojité izolačné sklá. Moderné výrobné zariadenia však dnes zabezpečujú, že plyny sa po expanzii zohrejú a naplnia pri izbovej teplote.
Ako sa rozbíja sklo?
Vďaka svojim vlastnostiam môže každý materiál absorbovať zaťaženie v rôznej miere. Hovorí sa tu o silách, ktoré pôsobia na materiál. Táto sila vytvára napätie v materiáli. Ich príčiny môžu napr. byť: zahrievanie, pohyb, deformácia ako napínanie alebo ohýbanie. Sklo sa správa v súlade so svojimi špecifickými materiálovými vlastnosťami. Ak sú vonkajšie napätia väčšie ako materiálové vlastnosti skla (pevnosť v ťahu a tlaku), sklo sa vždy rozbije. Pri skle nedochádza k plastickej deformácii znížením napäťových špičiek, ako napríklad pri kovoch. Sklo však vo všeobecnosti nie je také citlivé na tlakové sily ako na ťahové sily. Pevnosť skla v ťahu je približne 10-krát menšia ako pevnosť v tlaku. K rozbitiu skla teda dochádza až pri prekročení pevnosti skla v ohybe vplyvom síl, ktoré naň pôsobia. Pevnosť v ohybe je skutočným parametrom pevnosti skla.
Deformácia sklenenej tabule pri pôsobení sily
Keď ťahové napätia v materiáli dosiahnu kritickú hodnotu dôjde k poruche a rozbitiu skla. Rozhodujúci vplyv má okraj sklenenej tabule. Rozbitie skla sa v podstate vždy riadi zásadou najmenšieho odporu. Čím hlbší je zárez, tým vyššia je náchylnosť na rozbitie skla.
Rýchlosť rozbitia skla veľmi závisí od typu skla. Okrem toho veľkosť maximálneho ťahového napätia určuje rýchlosť šírenia lomu. Táto rýchlosť šírenia lomu v plavenom skle je maximálne cca. 1 500 m/s a v kremičitom skle cca 2 200 m/s, teda výrazne menej ako rýchlosť zvuku v skle pri 5 000 m/s.
Analýza štruktúry lomu
Každé rozbitie skla umožňuje vyvodiť závery o strese, ktorý rozbitie spôsobil. Dôležitý nie je len vzhľad a priebeh. Typ sklenených úlomkov, ich tvar a veľkosť, ale najmä štruktúra a vzhľad lomových plôch umožňujú konštatovať druh a veľkosť napätia, ktoré spúšťa lom a vznikajúce napätia. Je tak možné určiť smer lomu, počiatočný bod lomu a povrch pôvodu lomu. K tomu však musí existovať možnosť skúmania a skúmania štruktúry lomovej plochy a nielen priebehu lomu na povrchu.
Spracovanie skla
Obvyklé a nevyhnutné rezanie a lámanie skla v hrane skla má vždy za následok mikroskopicky malé trhliny a poškodenia, ktorým sa pri spracovaní skla absolútne nedá vyhnúť. Pri zaťažení tabúľ predstavujú tieto mikrovruby rozhodujúcu slabinu. Na rezných hranách pri zaťažení sa niekedy môžu vyskytnúť extrémne vysoké napätia (vrubové napätia). Tým sa výrazne znižuje odolnosť skla voči rozbitiu. Preto treba dbať na to, aby bol rez – lom čo najlepší. Rezný tlak, rezný olej a rezný kotúč (predtým diamant) sú rozhodujúce faktory pre kvalitu rezu. Tam, kde sa o úspešný rez v minulosti starala majstrova ruka, dnes rozhoduje nastavenie stroja. Okrem toho je pre kvalitu hrany rozhodujúci aj typ lomu.
Dobrý lom sa pozná už podľa reznej línie. Od miesta rezu rezačkou skla vybiehajú najmenšie zárezy do plochy hrany približne v pravom uhle k ploche. Kvalitu rezu spoznáme podľa hĺbky týchto zárezov.
Sklo so zlou reznou hranou.
Nie všetky typy skla sa dajú čisto rozbiť. Aj u vrstveného bezpečnostného skla s húževnatými elastickými medzivrstvami fólie sú bežné rôzne druhy lámania a predovšetkým oddeľovania fólie, ktoré majú rozhodujúci vplyv na kvalitu okraja skla. V ideálnom prípade sa používajú rezacie stoly LSG, ktoré po narezaní a rozbití PVB fóliu nahrejú, mäkkú fóliu trochu roztiahnu a následne odrežú bez toho, aby sa hrany skla pritlačili k sebe.
Viacvrstvové izolačné sklo má uzavretý, utesnený priestor naplnený plynom. Tento priestor je napríklad vyplnený vzduchom alebo plniacim plynom (napríklad argónom).
Musí byť dlhodobo absolútne tesné, aby sa zachoval tepelnoizolačný účinok (stupeň naplnenia plynom) a aby sa zabránilo kondenzácii vlhkosti.
Viacvrstvové izolačné sklo je vystavené rôznym klimatickým podmienkam. Musí vydržať výsledné zaťaženie.
Meniace sa klimatické podmienky spôsobujú meniace sa sily, ktoré pôsobia na izolačné sklo.
Okrem vyššie uvedeného zaťaženia izolačného skla zohráva významnú úlohu zaťaženie vetrom.
V závislosti od polohy izolačného skla a veľkosti budovy sa zaťaženie vyjadruje tlakom alebo saním.
Ak teoreticky pripustíme absolútnu tuhosť izolačného skla pri extrémnych podmienkach ako je rozdiel výrobnej a inštalačnej výšky viac ako 1000 m a teplotnom rozdiele väčšom ako 40 °C, by na každý meter izolačného skla pri výrobnej výške 0m (1013 mbar)/ 20°C a inštalačnej výške 800 m = – 91 mbar a nízky tlak -983 mbar = -30 mbar; celkový rozdiel = – 121 mbar.
Ak je tlak vyjadrený ako pôsobiaca sila, zodpovedá to nárastu sily 1210 kg vzhľadom na plochu izolačného skla.
Na základe okrajového spoja s hrúbkou 5 mm je sila 6,05 kg/cm². Okrajová väzba to nemôže dlhodobo dosiahnuť.
V skutočnosti výsledné sily vyžadujú väčší alebo menší objem medziskleného priestoru.
Vďaka pružnosti skla to vedie k
- Nárast teploty – na vydutie
- Zníženie teploty – na stiahnutie
- Zvýšený tlak vzduchu – stiahnutie
- Nižší tlak vzduchu – pre vydutie
- Znížená montážna výška – do stiahnutia
- Zvýšená montážna výška – do vydutia
Z toho vyplýva, že podľa situácie sa jednotlivé sily navzájom sčítavajú alebo rušia.
Príklady:
V lete: nízky tlak a dusné počasie zvyšujú vydutie.
V zime: vysoký tlak a chlad zväčšujú stiahnutie.
V lete: zvýšenie teploty zosilňuje vydutie.
Zároveň vysokotlakové počasie vytvára opačnú silu.
Obr. 5: Priehyb podľa veľkosti medzisklenej dutiny a tuhosti izolačného dvojskla a trojskla
Deformovateľnosť
Veľkou výhodou viacvrstvového izolačného skla je, že sklo je elastické a deformuje sa. Automaticky mení vnútorný objem vydutím a vydutím.
Výsledkom je, že vznikajúce sily sú zmiernené.
Pri výpočte namáhania v ohybe treba vždy brať do úvahy štruktúru izolačného skla (zvnútra aj zvonka).
Je potrebné vziať do úvahy aj polohu inštalácie (vertikálne alebo nad hlavou).
Pri deformácii izolačného skla možno predpokladať 3 kategórie:
- Malé formáty sú tuhé a mierne sa deformujú.
- Veľké formáty sú pružné a tým lepšie sa vyrovnávajú s kolísaním atmosferického tlaku.
- Izolačné sklá s kritickými dĺžkami hrán sú vystavené veľmi vysokému zaťaženiu. Kritické dĺžky okrajov sú tabule medzi 25 cm a 80 cm.
Deformácia pri krátkej dĺžke hrany cca 35 cm je nízka a napätie je teda najvyššie pod tlakom.
Čím dlhší je krátky okraj, tým je izolačné sklo pružnejšie. V porovnaní s tým je napätie skla pri krátkej dĺžke hrany 75 cm menšie o polovicu a pri krátkej dĺžke hrany 80 cm stále dosahuje 1/3 napätia jednotky s dĺžkou 35 cm.
Je možné vypočítať prípustné ohybové napätie. Silné ohýbanie pri konštrukcii fasády má nevýhodu nežiaduceho, nestabilného optického povrchu.
Okrajový spoj
U veľmi malých tabúľ a veľmi veľkých tabúľ je napätie nižšie. Vydržia vysoké zaťaženie alebo povolia bez toho, aby sa rýchlo zlomili.
Tabule s kritickou dĺžkou hrany sú spomínané 25 cm a 80 cm.
Výsledné sily sa rozložia na okrajovú väzbu a znížia schopnosť ohýbania. Zaťaženia na okrajovej väzbe pôsobia nasledovne:
- V prípade podtlaku sa sklo otáča okolo zvislej osi; tento pohyb vyrovnáva tesniaci prostriedok (primárny a sekundárny).
- V prípade pretlaku dochádza aj k rotácii okrajového tesnenia.
Záver
V prírode a v reálnych podmienkach sa viacvrstvové izolačné sklá neustále pohybujú. Zaťaženie okrajového spoja je obrovské. Pri viacvrstvovom izolačnom skle to vyvoláva otázky ohľadom záruky a garantovanej vlastnosti „hodnoty izolácie“.
Je logické, že pohyby by mali byť čo najmenšie. To je možné len vtedy, ak sa pri výrobe minimalizuje vplyv opísaných faktorov a pri nanášaní okrajovej tesniacej hmoty sa venuje veľká pozornosť. Odporúčame požitie izolačných skiel bezpečných z pohľadu pomeru rozmerov, veľkosti medziskleného priestoru (dutín) a profesionálnej montáže. Len vtedy je zabezpečená požadovaná trvanlivosť izolačných skiel a okien.
Nie ste si istí, či máte izolačné sklá stanovené projektom? Zistíme skladbu, obsah náplne a z toho vyplývajúci súčiniteľ prechodu tepla izolačným sklom (Ug).