Hybridní konstrukce ze skla a dřeva

Datum: 18.1.2016  |  Autor: Ing. Klára Machalická, Ph.D., ČVUT v Praze, Ing. Petr Sejkot, Ph.D., Ing. Pavel Nechanický, ČVUT v Praze, pracoviště UCEEB  |  Recenzent: doc. Ing. Ivan Němec, CSc., VUT Brno

Dřevo i sklo jsou materiály, které vynikají svými estetickými vlastnostmi. V současné architektuře je sklo, stejně tak jako dřevo, stále častěji používáno na pohledově exponované nosné konstrukce. Protože sklo je křehký materiál, jsou vyvíjeny různé druhy hybridních konstrukcí, kde je sklo kombinováno s jinými materiály (např. beton, dřevo, ocel, hliník apod.) s cílem zvýšit únosnost i tuhost prvku a dosáhnout bezpečného chování při porušení skla včetně zachování vysoké míry transparentnosti. Sklo-dřevěnými konstrukcemi se v současné době zabývá několik evropských univerzit a výzkumných center. Tento článek poskytuje základní přehled v problematice hybridních sklo-dřevěných konstrukcí včetně analýzy lepených spojů sklo-dřevo, která byla provedena na ČVUT v Praze.

Úvod

Přestože sklo je známé tisíce let, teprve v posledních několika desetiletích se používá také jako materiál pro nosné konstrukční prvky, např. v střešních konstrukcích, fasádách, zimních zahradách, lávkách či markýzách.

Přes příznivé vlastnosti skla, jako je transparentnost a hladký odrazivý povrch, vysoká pevnost v tlaku nebo trvanlivost, tento materiál sám o sobě přináší řadu komplikací, pokud má být použit na nosný konstrukční prvek. Především jde o materiál s křehkým lomem – tedy nejedná se o materiál vykazující bezpečné chování pod zatížením. V případě dosažení meze pevnosti materiálu, dojde k velmi rychlému kolapsu nosného prvku a to bez předchozího varování (např. vytvořením trhlin nebo velkých plastických deformací). Za druhé, sklo je mimořádně citlivé na lokální koncentrace napětí. Z toho důvodu je důležité dbát na správný návrh všech přípojů a vyhnout se řešení, která způsobují koncentrace napětí. Další důležitou charakteristikou plaveného skla při použití v nosných konstrukcích je jeho pevnost, která je vysoká v tlaku, ale v tahu je několikanásobně menší a je především ovlivňována množstvím mikroskopických trhlin (tzv. Griffithovy trhliny) na jeho povrchu, které souvisí s časovým faktorem a vznikají již během technologického procesu výroby skla, poškrábáním při manipulaci, instalaci nebo údržbě. Relativně nízká pevnost v tahu omezuje použití plaveného skla a to zejména pro konstrukce namáhané ohybem nebo tahem. Proto se často používá sklo tepelně nebo chemicky tvrzené. Předpětí u povrchu tvrzeného skla zamezuje šíření trhlin a tak má takto upravené sklo vyšší pevnost v tahu než sklo plavené. Tvrzené sklo se ale při vzniku první trhliny okamžitě rozpadá do velkého množství malých střepů, proto konstrukce z toho typu skla nemají žádnou zbytkovou únosnost.

Vzhledem k tomu, že kolaps konstrukce ze skla je vždy náhlý bez předchozího varování, tradiční způsob návrhu používá jednak vysoké součinitele bezpečnosti a pak se navrhuje sklo vrstvené, kdy vnější tabule skla je uvažována pouze jako ochranná vrstva nosného jádra. Tento konzervativní způsob návrhu vede k výraznému předimenzování konstrukcí a plně nevyužívá vlastností skla. Proto se v posledních letech objevuje stále více hybridních konstrukcí, které kombinují sklo a jiný konstrukční materiál v jednom nosném prvku, kdy se zvýší nejen únosnost, ale také se dosáhne bezpečného chování při porušení skla. Spojení skla a dřeva je tedy výhodnou volbou nejen z estetických důvodů, ale také proto, že sklo je křehký materiál s velkou pevností v tlaku a dřevo jej výhodně doplňuje svojí pevností v tahu a duktilitou.

Výzkum hybridních sklo-dřevěných konstrukcí

Nosníky ze skla a dřeva

Sklo-dřevěné nosníky jsou tvořeny stojinou z tabule plaveného skla a přírubami z dvojice dřevěných trámků [1], [3] nebo bloků s drážkou pro vložení skla a následné přilepení [5]. Koncept sklo-dřevěného nosníku je uveden na obrázku 1. Horní tlačená příruba zajišťuje tuhost nosníku, příruba na tažené straně přebírá tahová namáhání. Takto lze dosáhnout optimálního využití obou materiálů. Pokud v tabuli z plaveného skla v místě maximálního napětí v tahu vznikne prasklina, při zatěžování se postupně dále šíří a rozvětvuje. Sklo není porušeno v jeden okamžik v celé ploše a je tedy do jisté míry schopno přenášet zatížení. Na pracovním diagramu nosníku, viz obrázek 1 vpravo, je znázorněna únosnost nosníku do porušení stojiny a vliv dřevěných přírub na bezpečné chování po porušení. Rozdílem mezi únosnostmi v okamžiku vzniku první trhliny a celkovým kolapsem konstrukce je zbytková únosnost.

1a Koncept hybridního sklo-dřevěného nosníku: průřez nosníku s přírubami z bloků z LVL1b Koncept hybridního sklo-dřevěného nosníku: pohled na nosník s prasklou stojinou z plaveného skla1c Koncept hybridního sklo-dřevěného nosníku: pracovní diagram znázorňující zbytkovou únosnost [5], [6].1 Koncept hybridního sklo-dřevěného nosníku: průřez nosníku s přírubami z bloků z LVL (vlevo), pohled na nosník s prasklou stojinou z plaveného skla (uprostřed), pracovní diagram znázorňující zbytkovou únosnost [5], [6].
2 Koncept hybridního sklo-dřevěného nosníku [1]
2 Koncept hybridního sklo-dřevěného nosníku [1]

Bezpečná konstrukce ze skla musí být schopná přenášet zatížení (vlastní tíhu a provozní zatížení) po dobu min. 48 hodin, tak aby porušený prvek mohl být vyměněn nebo zajištěn. Na obrázku 2 je znázorněno, jak zbytková únosnost konstrukce závisí na míře předpětí použitého skla [1]. Čím větší míra předpětí (tvrzené sklo), tím se sklo tříští na větší množství střepů a tím klesá míra zbytkové únosnosti. Tabule plaveného skla ve stojině hybridní konstrukce má sice nejnižší únosnost, ale zbytková únosnost a tedy bezpečnost je nejvyšší.

Způsob spojení skleněné stojiny s přírubou je klíčovým prvkem celého systému, protože se v tomto místě realizuje přenos zatížení mezi oběma částmi průřezu. Spojení obou částí hybridního prvku je vhodné provést lepeným spojem. Ten v závislosti na druhu lepidla a geometrii spoje poskytuje jak dostatečnou pevnost a tuhost nutnou k zajištění spolupůsobení všech částí průřezu, tak poddajnost důležitou k roznesení napětí po celé ploše spoje. Tím je eliminován vznik míst s koncentracemi napětí, která jsou pro křehké sklo nežádoucí. Toto řešení navíc umožňuje vyrovnání rozdílných teplotních délkových roztažností obou spojovaných materiálů.

Materiál lepidla a jeho mechanické vlastnosti ovlivňují jak celkovou únosnost systému, tak také jeho chování pod zatížením. Pokud je zvoleno poddajné lepidlo, celková tuhost hybridního nosníku je menší a např. Cruz & Pequeno [3] ve své práci pozorovali vytvoření menšího množství trhlin ve stojině z plaveného skla a větší pokles síly při dosažení únosnosti v okamžiku vytvoření první trhliny. Na obrázku 3 je porovnání pracovních diagramů nosníků o rozpětí 3850 mm zatížených čtyřbodovým ohybem při použití poddajného silikonového lepidla, polyuretanového a polotuhého akrylátového lepidla ve spoji. Při použití lepidla s vyšším modulem pružnosti nosník vykazuje vyšší míru spřažení, skleněná stojina se poruší větším množstvím trhlin a pokles síly při postupném vytváření trhlin není tak výrazný. Lze tedy říci, že takový nosník vykazuje více vyrovnaný mechanismus porušení [6].

3a Hybridní sklo-dřevěné nosníky – průřez nosníku3b Hybridní sklo-dřevěné nosníky – pracovní diagram nosníku z výzkumu v Linnaeus University [5].3 Hybridní sklo-dřevěné nosníky – průřez nosníku (vlevo), pracovní diagram nosníku (vpravo) z výzkumu v Linnaeus University [5].
Příklad použití – Hotel Palafitte Neuchatel ve Švýcarsku

Mezi první realizace kompozitních sklo-dřevěných konstrukcí lze zařadit návrh střešních vazníků pro hotel Palafitte Neuchatel ve Švýcarsku. Hotel byl realizován v r. 2002 [1]. Vazníky přenášející neobvykle vysoké zatížení kvůli souvrství zelené střechy a sněhové oblasti, se skládají z vertikální tabule skla, ke které jsou z obou stran přilepené zesilující dřevěné profily tvořící rám, viz obrázek 4. Protože horní příruby vazníků zůstaly schované v podhledu střešní konstrukce, střecha tak působí, že se vznáší nad budovou a skleněnou stojinou vazníků proniká do interiéru rozptýlené denní světlo.

4a Interiér hotelu Palafitte Neuchatel [1]4b Průřez použitých nosníků [2]4 Interiér hotelu Palafitte Neuchatel (vlevo), průřez použitých nosníků (vpravo) [1], [2].
Sklo-dřevěné kompozitní panely a tlačené prvky

Jiné významné práce se zaměřením na sklo-dřevěné konstrukce se zabývaly nejen hybridními nosníky, ale také kompozitními panely, které lze využít buď jako interiérové stěny, nebo i díky horizontálním dřevěným lamelám jako fasádní prvky s integrovanou pasivní solární ochranou [3], [4], [5] případně jako smykové stěny či tlačené prvky a sloupy [7].

Výzkum lepených spojů pro hybridní konstrukce na ČVUT v Praze

V souvislosti s výzkumem hybridních konstrukcí ze skla proběhl na ČVUT v Praze rozsáhlý výzkum lepených spojů [8]. Byly zkoušeny vlastnosti spojů zatížených smykem v kombinacích sklo – kov (ocel, nerez, hliník), sklo – sklo a sklo – dřevo. Použité dřevo na zkušební tělesa patřilo do třídy pevnosti C24 [EN 338]. Výzkum se zaměřoval především na lepidla polotuhá až tuhá, spoje sklo – dřevo byly zkoušeny s jedno-komponentním a dvou-komponentním PU lepidlem a s dvou-komponentním akrylátovým lepidlem, viz obrázek 5. Tloušťka vrstvy lepidla ve spojích byla 3 a 4 mm. Spoje s jedno-komponentním polyuretanem dosahovaly únosnosti řádově 2,5 MPa, s dvou-komponentním 2 MPa. K porušení docházelo především porušením prvku ze dřeva v blízkosti spoje. Ačkoliv tato lepidla nejsou přímo určena na lepení dřeva, prokázala dostatečnou adhezi ke dřevu. Chování spoje pod zatížením je zobrazeno v pracovním diagramu spoje na obrázku 6, kde je také patrný vliv tloušťky vrstvy lepidla na tuhost spoje. Vzhledem k tomu, že každé zkušební těleso obsahovalo dva lepené spoje, jsou tyto spoje označeny pořadovým číslem za číslem vzorku.

6 Pracovní diagram spoje pro jedno-komponentní PU lepidlo
6 Pracovní diagram spoje pro jedno-komponentní PU lepidlo
5 Lepený spoj sklo – dřevo – spoj během zkoušky
5 Lepený spoj sklo – dřevo – spoj během zkoušky
 

Akrylátové dvou-komponentní lepidlo ve spojích sklo – dřevo dosahovalo průměrně pevností 2,6 MPa. Způsob chování spoje pod zatížením je zobrazen na pracovním diagramu na obrázku 7. Při porovnání s pracovním diagramem jedno-komponentního polyuretanu je patrné, že akrylátové lepidlo má vyšší modul pružnosti. K porušení spojů docházelo především kombinací porušení prvku ze dřeva a ztrátou adheze k povrchu dřeva, viz obrázek 8.

7 Pracovní diagram spoje pro dvou-komponentní akrylátové lepidlo
7 Pracovní diagram spoje pro dvou-komponentní akrylátové lepidlo
8 Typické porušení spoje s akrylátovým lepidlem
8 Typické porušení spoje s akrylátovým lepidlem
 

Závěr

Hybridní konstrukce ze dřeva a skla jsou vhodným způsobem, jak využít pozitivních vlastností obou materiálů a tím eliminovat jejich nedostatky. K dosažení dostatečné únosnosti hybridní konstrukce je klíčový spoj mezi oběma materiály, který je výhodný provádět lepený. K bezpečnému návrhu je nutné znát chování spoje pod zatížením, zajistit dostatečnou adhezi k substrátu, vybrat vhodné lepidlo a v neposlední řadě zohlednit stárnutí spoje a účinky teplotního, cyklického a dlouhodobého zatížení.

Poděkování

Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu COST LD15078.

Literatura

  • [1] KREHER, Klaus, Julius NATTERER a Johannes NATTERER. Timber-glass composite girders for a hotel in Switzerland. Structural Engineering International. 2004, 14(2): 149–151. ISSN 1016-8664.
  • [2] Hotel Palafitte [online]. 2014 [cit. 2015-07-10]. Dostupné z: http://www.palafitte.ch/fr/accueil.html
  • [3] CRUZ, Paulo a José PEQUENO. Timber-glass composite beams: mechanical behaviour & architectural solutions. In: BOS, Freek, Christian LOUTER a Fred VEER. Challenging glass: Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, Faculty of Architecture, Delft University of Technology, May 2008. Amsterdam, The Netherlands: Delft University Press, c2008. ISBN 9781586038663.
  • [4] CRUZ, Paulo a José PEQUENO. Timber-glass composite structural panels: experimental studies & architectural applications. In: BOS, Freek, Christian LOUTER a Fred VEER. Challenging glass: Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, Faculty of Architecture, Delft University of Technology, May 2008. Amsterdam, The Netherlands: Delft University Press, c2008. ISBN 9781586038663.
  • [5] BLYBERG, Louise. Timber/Glass Adhesive Bonds for Structural Applications. Växjö, Švédsko, 2011. ISBN 978-91-86983-06-2. Dostupné také z: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:447937/FULLTEXT01.pdf. Linnaeus University, School of Engineering.
  • [6] KOZLOWSKI, Marcin. Experimnetal and numerical analysis of hybrid timber-glass beams. Gliwice, 2014. Dostupné také z: http://delibra.bg.polsl.pl/Content/24131/Kozlowski_Marcin_phd.pdf. PhD thesis. Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering. Vedoucí práce Jacek Hulimka.
  • [7] FADAI, Alireza a Wolfgang WINTER. Application of timber-glass composite (TGC) structures for building construction. In: Challenging glass 4: proceedings of the challenging glass 4. Boca Raton: CRC Press, 2014, s. 235–242. ISBN 978-1-138-00164-0.
  • [8] MACHALICKÁ, Klára a Martina ELIÁŠOVÁ. Lepené spoje pro nosné konstrukce ze skla. Konstrukce. 2012,11(4): 48–54. ISSN 1213-8762.
 
Komentář recenzenta
doc. Ing. Ivan Němec, CSc., VUT Brno
Článek popisuje problémy spojené s návrhem nosných konstrukcí ze skla a dřeva. Problematika článku je velmi aktuální. Na grafech je přehledně prezentována vhodnost použití různých druhý skla s ohledem na jejich zbytkovou únosnost při porušení. Důraz je kladen i na problematiku spojů mezi sklem a dřevem.
Členění článku je logické. Grafy i obrázky jsou přehledné, text je srozumitelný a bez chyb. Doporučuji článek ke zveřejnění.
English Synopsis
HYBRID TIMBER-GLASS STRUCTURES

Timber and glass are the materials that have excellent aesthetic qualities. In current architecture, glass, as well as wood, are increasingly used for the visually exposed structures. Since glass is a brittle material, various types of hybrid structures are developed. Glass in hybrid element is combined with other material (eg. concrete, timber, steel, aluminium etc.) to increase load-bearing capacity and stiffness of the element, achieve safe failure behaviour together with high level of transparency. Nowadays, several European universities and research centres deal with the glass-timber load-bearing elements. This article provides an overview of the developed hybrid timber-glass structures including an experimental analysis of adhesive timber-glass joints, which was performed at Czech Technical University in Prague.

 

Hodnotit:  

Datum: 18.1.2016
Autor: Ing. Klára Machalická, Ph.D., ČVUT v PrazeIng. Petr Sejkot, Ph.D., ČVUT v Praze, pracoviště UCEEBIng. Pavel Nechanický, ČVUT v Praze, pracoviště UCEEBRecenzent: doc. Ing. Ivan Němec, CSc., VUT Brno



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


 
 
 

Aktuální články na ESTAV.czPraha 3 souhlasí s podpisem smlouvy na zástavbu nádraží ŽižkovLetošní objem investic na stavební práce již přesáhl hranici 80 miliard korunFOR ARCH: Přehled vítězů soutěže o nejlepší exponát GRAND PRIX 2016