Hybridní konstrukce ze skla a dřeva

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.

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]

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].

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.

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

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

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.