Multifunkční zasklení 6 – Tepelný šok

Vlivem zvýšené teploty dochází ke vzniku velkých tlakových napětí ve středu ozářené plochy a také k tahovým napětím v zakryté okrajové části zasklení (obr. 2). Vzhledem k tomu, že sklo je vůči namáhání v tahu málo odolné, dochází k jeho narušení (praskání). V těchto případech se namáhání v tahu soustředí podél nejslabší části v ploše skla, tj. podél hran.

 

Ze vzorce lze jednoduchým způsobem určit rozmezí teplot, které jsou na mezi pevnosti v tahu.

 

 

          σ             (19,3 až 28,4) . 10⁶

ΔT =  –––– = ––––––––––––––––––––– = 31,6 až 46,1 °C                                          (1),

        α. Y        (8,8 . 10^{–6) .} (7,0 . 10¹⁰)

 

kde je:

σ ... modul pevnosti v tahu,

Y ... Youngův modul,

α ... koeficient délkové roztažnosti.

 

 

Rozdíl teplot je ovlivněn několika parametry, které se podílejí na praskání skla a kterým je důležité věnovat dostatečnou pozornost. Jejich neznalost často vede k poddimenzování návrhů a k chybám v projektech. Tyto parametry lze rozdělit na environmentální, architektonické a související s typem skla a jeho uložením.

 

Environmentální parametry

Mezi environmentální parametry, které mají vliv na riziko tepelného šoku, se řadí roční období a intenzita slunečního záření. Především na jaře a na podzim, kdy je sluníčko nízko a sluneční paprsky dopadají na zasklení přibližně pod úhlem 35 ° od horizontální roviny a kdy se teploty v exteriéru pohybuje kolem nuly, dokáže během několika minut nezakrytá část zasklení do své hmoty absorbovat velké množství sluneční energie a tím zvýšit svou teplotu. Zakrytá část zasklení má stále teplotu blížící se teplotě okolí, a tak dochází ke vzniku rozdílů teplot v ploše zasklení větších než 30 °C.

Problémy rozložení teplot ve skleněné tabuli vlivem insolace se zabývá L. Orr v publikaci Engineering Properties of Glass. Pozoroval vzrůst teplot (zkoušky se sálavým teplem) podél centrální osy skleněné tabule při různých intenzitách záření a v různých časových intervalech. Autor uvádí, že největší hranové napětí v tahu nastává při vzestupu teplot v časovém rozmezí přibližně kolem 30 min. Po této době se napětí opět snižuje, neboť teplo začíná rychle pronikat k zakrytým hranám.

Z uvedených výzkumných pokusů můžeme soudit, že jakákoliv změna teploty na nekrytém povrchu skleněné tabule vyvolá ihned cyklickou změnu na zakrytých hranách skleněné tabule.

 

Architektonické parametry jsou jediné, které můžeme svým odborným návrhem ovlivnit v samotném počátku vznikání projektu. Tyto parametry rozdělujeme do dvou kategorií: exteriérové a interiérové. Na obr. 5 je šrafováním vyznačena plocha orientace fasády objektu, kde bychom měli věnovat zvýšenou pozornost všem ovlivňujícím parametrům.

 

Při posuzování rizika vzniku tepelného šoku z pohledu exteriérových architektonických parametrů má významnou roli orientace fasády ke světové straně. Jak je patrné z grafů na obr. 6, intezita slunečního záření je na každé světové straně a v každém ročním období úplně jiná. Dalšími často opomíjenými prvky jsou:

● vnější žaluzie,

● slunolamy, markýzy,

● vyčnívající hrany objektů,

● částečné či celoplošné fóliové polepy zasklení,

● okolní stromy.

 

 

Ačkoliv by se mohlo zdát, že interiérové parametry budou mít nejmenší vliv na riziko praskání, ve většině případů jsou to právě ony, které rozhodují o tepelném šoku. V prvním díle tohoto seriálu jsme si ukázali tepelné a světelné charakteristiky zasklení. Různé druhy skla (probarvená ve hmotě, s tvrdými či měkkými povlaky, smaltovaná skla, skla s fóliemi atd.) mají odlišnou energetickou absorpci EA. Opomeneme-li některé z následujících faktorů, zvýší se energetické absorpce, což má za následek nárůst teploty skla.

Vliv mají:

● mezera mezi žaluzií a zasklením – min. 50 mm,

● typ žaluzií (barva, pohyblivost, poloha),

● bezpečná vzdálenost otopného tělesa – min. 200 mm,

● umístění klimatizační jednotky – ochlazování části zasklení,

● přesahy ostění, nadpraží,

● vzdálenost tmavých těles,

● polepy různými fóliemi.

 

V dřívějších dobách se riziko praskání skla vlivem tepelného namáhání spojovalo pouze se sklem tmavým nebo velmi absorpčním, které se používalo jako obkladový materiál parapetů a neprůhledných ploch fasád. V současnosti jsou na trhu skla čirá, která mají na svém povrchu naneseny různé oxidy kovů, které svým charakterem a fyzikálními vlastnostmi zvyšují energetickou absorpci těchto skel (podrobněji v prvním díle tohoto seriálu). Obecně platí pravidlo: pokud je energetická absorpce zasklení větší než 50 %, hrozí riziko praskání vlivem tepelného namáhání.

Z práce T. A. Markuse a L. Orra vyplývá, že důležitým činitelem při použití skleněných výplní v obvodovém plášti je hloubka uložení skleněné tabule do nosné konstrukce a vlastnosti této konstrukce (materiál – hliník, dřevo, plast; barva atd.).

Teoreticky nejvýhodnější hloubka uložení skleněné tabule z hlediska namáhání okrajů tahem se pohybuje kolem 9 až 12 mm. Podle křivky na obr. 4 můžeme zjistit, že se zvětšujícím se zapuštěním skleněné tabule se prodlužuje i doba, po kterou sklo odolává. Nejnižší odolnost má skleněná tabule tlustá 6 až 7 mm, zapuštěná do hloubky kolem 28 mm. Za touto mezí se namáhání opět zmenšuje, protože hlouběji zapuštěné okraje lépe odolávají namáhání v tahu.

 

Hrany hrají velkou roli při určování pevnosti skla a významně se podílejí na riziku praskání vlivem tepelného šoku. Kazy okrajů skleněné tabule (mušličky či odštěpky) snižují pevnost skla v tahu. Ve studii Vincenza M. Sglava z Italské univerzity v Trentu (Influence of edge finishing on the resistance to thermal stresses of float glass) je uvedena tabulka, která srovnává vliv opracování hran na pevnost testovaného vzorku skla (tabulka 3).

 

Pro posouzení rizika tepelného šoku existuje speciální výpočet, který v sobě zohledňuje všechny možné parametry. AGC Flat Glass Europe používá pro výpočet tepelného šoku pro jednoduché sklo následující vzorec, vycházejcí z maximálního rozdílu teplot, který může nastat v ploše skla vlivem oslunění a zastínění:

 

ΔT = (Δ T₁ + F₁). F₂.F ₃                                          (2),

 

kde je ΔT₁ ... základní rozdíl teplot v ploše skla,

F₁ ... vliv žaluzií, hodnoty F₁ jsou uvedeny v tabulce 4;

F₂ ... vliv druhu zasklení, hodnoty F₂ jsou uvedeny v tabulce 5;

F₃ ... vliv druhu stínění; hodnoty F₃ jsou uvedeny na obr. 7.

 

           I_max. α_e            Δt. h_e

T_1 =  ––––––––– + –––––––––                             (3),

           h_e+ h_i           h_e +h _i

 

kde je I_max ... max. intenzita slunečního záření [W/m²],

α_e ... činitel pohlcení přímého slunečního záření [%],

h_e ... součinitel přestupu tepla na exteriérové straně [W/m²K],

h_i ... součinitel přestupu tepla na interiérové straně [W/m²K],

Δt ... rozdíl teplot v interiéru a v exteriéru

Δt = t _i – t_e.

Výpočet tepelného šoku izolačních dvojskel je složitější a vyžadoval by podrobnější studii.

 

 

Pro předběžné posouzení zde uvádím souhrnnou tabulku všech parametrů (tabulka 6). Většina velkých výrobců a dodavatelů skla má svá technická oddělení, která provedou speciální výpočet a poradí s vhodným výběrem zasklení.

MIROSLAV SÁZOVSKÝ

1) Orr, Leighton: Engineering Properties of Glass.

2) Sglavo, Vincenzo M.: Influence of edge finishing on the resistance to thermal stresses of float glass.

3) Jelínek, František: Ploché sklo v obvodovém plášti budov, 1975.

4) Firemní materiály AGC Flat Glass Europe – Your Glass Pocket, 2007.