Что такое стеклопакеты?

    За последнее время слово "стеклопакет" прочно вошло в нашу жизнь, и из узкоспециального стало общеупотребительным, распространённым и узнаваемым - хотя, впрочем, и не всегда правильно употребляемым. Нередко "стеклопакетом" называют всё металлопластиковое окно целиком, в то время, как он - важная, но всё же только часть металлопластикового окна...

    В большинстве современных светопрозрачных конструкций различные стекла используются в так называемых изолирующих стеклопакетах. Под изолирующим стеклопакетом (в дальнейшем - стеклопакетом) будем понимать элемент, в котором два или более стекла, герметично соединенных друг с другом при помощи специальной дистанционной рамки, а также внутреннего и внешнего герметика, образуют замкнутую полость, заполненную осушенным воздухом или другими газами (аргоном - Ar, криптоном - Kr, гексафторидом серы ).*

• Аргон и криптон применяются для улучшения теплозащитных качеств стеклопакета, а гексафторид серы - для повышения его звукоизоляции. При этом аргон является наиболее распространенным и дешевым газом.

Конструкция. Классификация. Маркировка

    Первый патент на производство стеклопакетов был выдан в 1865 г. Однако, их промышленное производство началось только в 1934 г. в Германии со стеклопакетов марки CUDO, примененных для остекления железнодорожных вагонов. В 1938 г. на рынке под маркой Thermopane появились стеклопакеты, состоявшие из стекол и свинцовой распорной рамки, спаянных между собой по контуру. Производство этих стеклопакетов было впервые освоено в США. Стеклопакеты различной конструкции представлены на рис. 3.12...

Рис. 3.12. Стеклопакеты различной конструкции: 1- заваренный, 2 - паяный, 3 - клееный с одинарной герметизацией, 4 - клееный с двойной герметизацией

    В 1950 г. были впервые изготовлены стеклопакеты с эластичным уплотнением. В них была использована алюминиевая пустотелая рейка, заполненная осушительным средством и уплотненная полисульфидным герметикой Thiokol.

    А 1970 г. считается годом рождения современного стеклопакета, имеющего двойную герметизацию. Сегодня по этой технологии производится 90% всех стеклопакетов. Конструкция стеклопакета, наиболее распространенная в настоящее время, показана на рис. 3.13.

    Производство современных стеклопакетов, применяемых в строительстве и имеющих конструкцию, показанную на рис. 3.13, осуществляется в два этапа.

Рис. 3.13. Конструкция "склеенного" стеклопакета: 1 - внутренний бутиловый герметик (лента или мастика), 2 - дистанционная рамка (алюминиевый или гальванизированный стальной профиль), 3 - осушитель (силикагель), 4 - внешняя герметизирующая мастика, 5 - стекло

    На I этапе на дистанционную рамку слоем толщиной приблизительно 4 мм, методом экструзии при температуре 120-140 °С наносится термопластичный однокомпонентный бутиловый герметик (полиизобутилен) или вручную с катушек наклеивается бутиловая лента (шнур). На этом же этапе дистанционная рамка заполняется осушителем (так называемым "молекулярным ситом" - веществом, близким по свойствам к известному в быту силикагелю), поглощающим влагу из воздуха, заполняющего воздушную прослойку. К предварительно обработанной рамке с двух сторон приклеиваются стекла.

    На II этапе на автоматическом оборудовании или вручную наносится внешний герметик. Применяемые внешние герметики можно условно разделить на два основных класса - эластичные двухкомпонентные полисульфидные герметики (бутил + тиокол), твердение которых осуществляется за счет химической реакции между составляющими и однокомпонентные герметики на основе синтетического каучука, расплавление и отверждение которых являются физическими процессами (технология хот-мелт).

    За счет использования осушителя воздух, находящийся внутри стеклопакета, практически полностью обезвоживается, и таким образом устраняется возможность выпадения конденсата между стеклами. Появление конденсата в межстекольном пространстве стеклопакета в процессе эксплуатации свидетельствует о грубых нарушениях, допущенных при его производстве - неполной герметизации или отсутствии осушителя.

    Заполнение промежутка между стеклами газом осуществляется через специальные отверстия в дистанционной рамке в двух противоположных углах, которые затем герметизируются. Следует отметить, что на протяжении всего расчетного периода эксплуатации стеклопакета происходит постепенная естественная утечка газа из внутренней камеры и, обратно - диффузия водяного пара, через микротрещины в герметике, вызванные напряжениями в краевой зоне (по контуру примыкания стекол к дистанционной рамке) под действием перепада давлений и температур. Для компенсации напряжений в краевой зоне необходим герметик с высоким модулем упругости, хорошо воспринимающий растягивающие усилия. В связи с этим можно также отметить, что прочностные свойства применяемого герметика определяют стабильность геометрических свойств пакета.

    В этом отношении существенным недостатком герметиков системы "хот-мелт" следует считать размягчение при высоких температурах, которые могут быть вызваны воздействием солнечной радиации. Следовательно, можно говорить о том, что применение стеклопакетов с такими герметиками недопустимо в заполнении светопрозрачных кровель - где стеклопакет, установленный под наклоном, подвергается перегреву от солнца. В этом случае возможно "сползание" верхнего стекла и, соответственно, его разрушение.

    В табл. 3.7 приведены сравнительные характеристики газо- и влагопроницаемости наиболее распространенных герметиков, применяемых в настоящее время для производства стеклопакетов.

    В список не включены специальные герметики, применяемые в стеклопакетах для структурного остекления (см. главу 10) и светопрозрачных кровель зимних садов, краевая зона которых подвергается повышенному воздействию ультрафиолетового излучения.

    Таблица 3.7

Газо- и влагопроницаемость различных герметиков

• Герметизация силиконом является наиболее старой технологией изготовления стеклопакетов. В настоящее время в незначительных масштабах применяется мелкими производителями окон.

    В зависимости от теплотехнических, звукоизоляционных и др. требований, в конструкции стеклопакета могут быть использованы два стекла, три стекла или два стекла и тонкая полимерная пленка вместо третьего и т.п. Межстекольное пространство может заполняться газами - аргоном, неоном, криптоном, гексафторидом серы. В стеклопакете в самых различных комбинациях могут быть установлены специальные стекла, как показано на рис. 3.14.

    Стеклопакеты классифицируются по количеству воздушных камер на однокамерные (два стекла) и двухкамерные (три стекла).*

• В отечественной литературе по окнам, в модифицированном виде можно встретить устаревший термин, применявшийся к двухслойному и трехслойному остеклению оконных блоков одинарными стеклами; соответственно - "двухслойный стекло-пакет" применительно к однокамерному и "трехслойный стеклопакет" применительно к двухкамерному.

1                         2                        3                          4

Рис. 3.14. "Склеенные" стеклопакеты различной конструкции: 1 - однокамерный стеклопакет, 2 - двухкамерный стеклопакет, 3 - однокамерный стеклопакет с ламинированным защитным стеклом (триплексом), 4 - двухкамерный стеклопакет с перегородкой, из теплоотражающей пленки

    Эстетические качества окна в соответствии с требованиями архитектора могут быть учтены за счет установки внутри стеклопакета декоративных раскладок (шпроссов), как правило, белого или золотистого цвета. Кроме того, снаружи могут быть I декоративные планки, как показано на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Декоративные раскладки (шпроссы) внутри стеклопакета и наружные профильные

    В маркировке стеклопакетов указываются толщина и тип стекол, ширина дистанционной рамки, количество воздушных прослоек, а также тип газа, используемого для их заполнения.

    Для газов, заполняющих межстекольное пространство, применяется следующая маркировка:

Воздух	Пробел по умолчанию
Аг	Аргон
Кг	Криптон
	Гексафторид серы

    Примеры:

    4F -12 - 4F - однокамерный стеклопакет с двумя одинаковыми флоат-стеклами по 4 мм и дистанционной рамкой 12 мм. Межстекольное пространство заполнено осушенным воздухом.

    6F - 10 - 4F -10 - 6F - двухкамерный стеклопакет с двумя дистанционными рамками по 10 мм, два внешних флоат-стекла имеют толщину 6 мм, внутреннее - 4 мм.

    4F - 12Аr - 4К - однокамерный стеклопакет с дистанционной рамкой 12 мм, межстекольное пространство заполнено аргоном, внутреннее флоат-стекло, толщиной 4 мм, имеет твердое низкоэмиссионное покрытие.

Прочность стеклопакетов

    С точки зрения строительных расчетов, стеклопакет представляет собой пространственную конструкцию из двух или более стекол, разделенных между собой герметичными воздушными прослойками. Стекла склеены между собой по контуру при помощи дистанционных рамок и эластичных клеящих составов, что в совокупности образует шарнирное соединение.

    При расчете на прочность и жесткость конструкцию стеклопакета можно рассматривать как две (или больше) жесткие пластинки, связанные между собой по всей поверхности упругой прослойкой и по контуру жесткими рамками с шарнирными связями.

    В процессе эксплуатации в стеклах пакета возникают напряжения при действии односторонней нагрузки, вызванные действием ветра и снега, или двухсторонней нагрузки за счет изменения атмосферного давления и температуры воздуха (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Схема работы стекол однокамерного пакета: а) - расчетная схема стеклопакета; б) - односторонняя нагрузка (ветер и снег); в) - двухсторонная нагрузка (перепады атмосферного давления и температуры наружного воздуха)

    Герметичность воздушной прослойки является причиной того, что стеклопакет следует рассматривать как сопряженную систему, в которой воздух является упругой прослойкой, распределяющей нагрузку между стеклами. Механизм работы стекол в пакете при приложении односторонней ветровой или снеговой нагрузки состоит в том, в результате прогиба наружного стекла воздух в прослойке уплотняется, и в ней создается избыточное давление. Исследования показали, что благодаря герметичности воздушной прослойки деформации обоих стекол в однокамерном пакете при действии односторонней нагрузки примерно равны. Соотношение прогибов внутреннего и наружного стекол составляет 0.81-0.95, и тем ближе к единице, чем больше действующая нагрузка.

    Для наглядного теоретического анализа напряженного состояния стеклопакета рассмотрим работу простейшего однокамерного стеклопакета под действием некоторой односторонней нагрузки (например, ветрового давления). Представим себе, что внутреннее стекло стеклопакета абсолютно жесткое, а наружное-достаточно гибкое и может прогибаться под нагрузкой.

    Согласно уравнению газового состояния, между абсолютной температурой, давлением и объемом воздуха внутри замкнутой воздушной прослойки существует зависимость

P1 * V1/T1 = P2 * V2/T2         (3.11)

    При условии, что температура воздуха внутри стеклопакета не изменяется, т.е. изменение давления внутри стеклопакета будет обратно пропорционально изменению объема воздуха в прослойке, уравнение (3.11) запишется в виде

P1 / P2 = V1 / V2         T1 = T2 = const         (3.12)

    Согласно уравнению (3.2), уменьшение объема воздуха внутри камеры, будет вызывать повышенное избыточное давление на стекла. Под действием ветровой нагрузки наружное стекло стеклопакета (со стороны приложения нагрузки) прогибается. Если принять, что при этом внутреннее стекло сохраняет свою прежнюю форму, то объем воздушной прослойки уменьшается, а давление в ней увеличивается.

    Если задаться величиной допустимых прогибов стекла под действием односторонней равномерно распределенной нагрузки, то можно количественно оценить теоретическое (исходя из уравнения состояния) изменение давления на стекла при увеличении нагрузки.

    В качестве расчетной модели примем круглый стеклопакет (в котором отсутствует влияние напряжений в углах) с радиусом - r и толщиной воздушной прослойки - h. Площадь стеклопакета примем равной приближенно 1 м2, т.е. его радиус будет составлять r=60 см (600 мм). Примем допустимую величину прогиба f равной 1/200 - 1/300 пролета, что в данном случае составляет 1/200 - 1/300 от диаметра D = 120 см (1200 мм) и равняется 3-5 мм. Толщину воздушной прослойки примем равной h =24 мм (2,4 см).

    Первоначальный объем воздушной прослойки стеклопакета равен

        (3.13)

    Подставив цифры, получим 3, 14 * 602 * 2,4 = 27 143 см3.

    Для установления зависимости давления в воздушной прослойке пакета от нагрузок рассмотрим изменение объема прослойки круглого стеклопакета при деформации его наружного стекла от приложенной нагрузки. Считаем, что часть объема воздушной прослойки -, на которую уменьшилась прослойка, представляет собой сферический сегмент, ограниченный сферической поверхностью деформированного наружного стекла. Объем сферического сегмента вычисляется по формуле

        (3.14)

    где f - заданная величина допустимого прогиба в средней точке стеклянной пластины, [м].

    Принимая r2=0, получим

        (3.15)

    Если задаться значениями допустимых прогибов, увеличивающихся с некоторым заданным шагом (что соответственно будет отражать и увеличение приложенной нагрузки), то можно получить объемы сферических сегментов, которые затем впоследствии можно вычесть из первоначального объема прослойки. Соответственно можно оценить в процентном отношении долю уменьшения объема и роста внутреннего давления (связанных обратной пропорциональной зависимостью) под действием односторонней нагрузки, приведшей к определенному заданному значению прогиба. Цифры, иллюстрирующие теоретическое, прогнозируемое исходя из уравнения состояния увеличение внутреннего давления внутри однокамерного стеклопакета, приведены в табл. 3.8.

    Таблица 3.8

    Теоретическая оценка изменения объема воздушной прослойки стеклопакета при прогибах одного из стекол под действием односторонней нагрузки

    Цифры, приведенные в табл. 3.8, выведены, исходя из идеальной модели, предполагающей, что вся нагрузка воспринимается одним стеклом и не приводит к прогибу второго. Однако, в реальных конструкциях этого не происходит.

    Для иллюстрации рассмотрим действие на стеклопакет ветровой нагрузки при скорости 28 м/сек. В этом случае ветровое давление может быть определено как P = v2/16, где v - скорость ветра. Подставив значения, получаем: Р=282/16 = 50 кгс/м2 или 0.5 кПа. Если принять, что эта нагрузка вызывает даже не самый большой прогиб наружного стекла - порядка 3 мм, то в этом случае (согласно табл. 3.8), объем воздушной прослойки уменьшился бы на 13%. Соответственно давление внутри стеклопакета увеличилось бы тоже на 13%.

    Если принять, что начальное давление внутри стеклопакета равно атмосферному и составляет Р=100 кПа, то избыточное давление, создаваемое ветровой нагрузкой, равнялось бы 13 кПа или 1300 кгс/м2. Однако, такое ветровое давление может быть достигнуто при небывалой скорости ветра - 144 м/сек или 518.4 км/час.

    Таким образом, приведенные простые рассуждения обозначают явное противоречие между математическим уравнением состояния и реальными природными факторами. Прежде всего, они говорят о том, что в действительности стеклопакет не воспринимает нагрузку за счет прогиба одного стекла, передавая ее на абсолютно жесткое другое, а оба стекла работают совместно при действии односторонней нагрузки.

    В практических расчетах вводятся понижающие коэффициенты к расчетной нагрузке, учитывающие совместную работу стекол в стеклопакете. Для однокамерного стеклопакета к~ 0.5, для двухкамерного к~ 0.33.

    В стеклопакете, подверженном воздействию двухсторонней нагрузки, возникающие усилия распределяются равномерно между стеклами пакета. Действие такой нагрузки вызывается изменением давления в воздушной прослойке при изменении температуры воздуха или атмосферного давления. При этом происходит выравнивание давления снаружи и внутри стеклопакета за счет изменения объема воздушной прослойки. Стекла пакета изгибаются, а создаваемое в них напряженное состояние является предпосылкой для возникновения трещин при транспортировке или монтаже.

    При понижении температуры во внутренней камере (при охлаждении стеклопакета) ее объем будет уменьшаться, стекла будут выгибаться во внутреннюю полость, что может вызвать "схлопывание" стеклопакета. Следует отметить, разрушение пакетов при "зимних" монтажах является достаточно распространенным явлением, в связи с чем их производители не рекомендуют производить монтаж при температуре наружного воздуха ниже -15 °С.

    Действительно, если температура воздуха в помещении, где стеклопакет был изготовлен, составляла Т1 =+ 20 "С, а температура наружного воздуха во время монтажа и транспортировки была Т2 = - 20 °С, то скачок температур на 40 °С приведет к изменению объема воздуха прослойки.

T1 / T2 = V1 / V2         P1 = P2 = const         (3.16)

    Относительное изменение температуры в Кельвинах составит

то есть температура воздуха в воздушной прослойке изменилась на 14%. В соответствии с уравнением состояния, объем воздуха в прослойке должен уменьшиться также на 14 %. Так как выгибаются оба стекла, то каждое стекло при деформации будет изменять объем воздуха на 7,0 %, чтобы компенсировать избыточное атмосферное давление. Как видно из таблицы 3.7, величина прогиба каждого стекла при этом будет составлять около 2 мм. Очевидно, что чем больше площадь стеклопакета и чем больше толщина воздушной камеры, тем больше вероятность его разрушения при изменении температуры.

    Гораздо более редкий случай представляет разрушение стеклопакетов при изменении атмосферного давления. Однако, возможны случаи, когда стеклопакеты могут изготавливать при повышенном или пониженном атмосферном давлении, а изменение давления может составить до 4 кПа. В соответствии с формулой (3.12.) объем воздуха прослойки при изменении давления должен измениться на величину порядка 4%. Так как выгибаются оба стекла, то каждое стекло при деформации будет изменять объем воздуха на 2,0 %, чтобы компенсировать избыточное атмосферное давление.

    Из приведенных выше рассуждений можно сделать вывод о том, что выбор толщины воздушной прослойки оказывает определенное влияние на статическую работу стеклопакета.

    В стеклопакете, подверженном воздействию односторонней внешней нагрузки, увеличение объема воздушной прослойки приведет к тому, что ухудшается совместная работа стекол в стеклопакете. Реальная нагрузка на внутреннее стекло уменьшится, а на внешнее стекло - увеличится. По характеру статической работы стеклопакет будет приближаться к окну с 2-х слойным раздельным остеклением.

    В стеклопакете, подверженном воздействию двухсторонней внешней нагрузки за счет перепадов температуры, увеличение объема воздушной прослойки приведет к увеличению вероятности разрушения стекол в стеклопакете.

    В стеклопакете, подверженном воздействию двухсторонней внешней нагрузки за счет перепадов атмосферного давления, увеличение объема воздушной прослойки также приведет к ухудшению совместной работы стекол в стеклопакете.

    Таким образом, можно говорить о том, что исходя из условия прочности, толщина воздушной прослойки стеклопакета должна быть минимальной.

    Следует отметить, что в стеклопакетах с узкими камерами (например 6 мм), "схлопывание" может произойти в результате того, что суммарный двойной прогиб стекол превысит толщину камеры.

Совместная работа стеклопакета и оконного профиля. Нагрузки краевой зоне стеклопакета

    В приведенных выше разделах была рассмотрена работа стеклопакета без учета влияния оконного профиля, в который он вставляется. Вместе с тем, напряжения, возникающие в краевой зоне пакета за счет различных коэффициентов температурного расширения металла и стекла, а также усилия, вызванные температурными деформациями оконного профиля, являются одной из основных причин разрушения стеклопакетов, наряду с перепадами давлений и температур.

    При изгибе оконного профиля за счет возникающих в нем температурных напряжений, ветровых нагрузок, собственного веса выше расположенных конструкций, а также при динамических воздействиях от открывающихся и закрывающихся дверей в офисных перегородках, витринах и т.п., усилия от профиля передаются на краевую зону стеклопакета. Для долговечной и надежной эксплуатации стеклопакетов способы их крепления должны исключать передачу этих нагрузок. С этой целью между стеклопакетом и переплетом оставляют компенсационные зазоры, в которые при установке стеклопакета в проектное положение укладываются специальные подкладки. По своему назначению они подразделяются на опорные и фиксирующие. Опорные подкладки служат для передачи нагрузки от собственного веса на переплет, фиксирующие - обеспечивают центровку стеклопакета в световой ячейке, а также исключают возможность его смещения при открывании створок.

    Подкладки под стеклопакет для ПВХ-профилей изготавливаются в виде пластин из ПВХ, размером 30 х 97 мм и толщиной 1.0,2.0,3.0,4.0 и 5.0мм. Схема размещения подкладок зависит от вида остекления (глухое или открывающееся) и способа под вески створок. На рис.3.17 показаны примеры установки подкладок, согласно рекомендациям концерна Veka.

Окно с глухим остеклением              поворотно-откидное окно

Поворотное окно                  нижнеподвесное окно

             Раздвижное окно                                                  верхнеподвесное окно

Рис. 3.17. Примеры установки подкладок под стеклопакет

    Краевая зона является наиболее уязвимой для стеклопакета за счет контакта материалов с различными физическими характеристиками. При установке стеклопакетов в оконный профиль следует по возможности защищать ее от промерзания. Кроме того, как уже отмечалось выше, микротрещины, которые могут возникнуть при резке стекла на стадии изготовления стеклопакета, могут привести к его разрушению в процессе эксплуатации, за счет возникающих непосредственно в краевой зоне температурных напряжений.

По материалам книги:

    И.В. Борискина и др., "Проектирование современных оконных систем гражданских зданий", Киев - 2005г., издатель Домашевская О.А.

Металлопластиковые окна - качественное изготовление и установка. Металлопластиковые окна комплектуются немецкой фурнитурой ROTO. Гарантия на металлопластиковые окна - от 3 до 8 лет. Балконы и лоджии "под ключ". Также мы предлагаем Вам идеальное дополнение к окнам – жалюзи на окна всех типов и сетки противомоскитные на металлопластиковые окна.