СТЕКЛО КАК МАТЕРИАЛ НЕСУЩИХ КОЛОНН

GLASS IN STRUCTURAL COLUMNS

Irina Ptukhina

candidate of Science, assistant professor of Construction of «Unique Buildings and Structures» department of the Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University,

Russia, Saint-Petersburg

Marina Drozdetskaya

student of the Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

Russia, Saint-Petersburg

Maria Chislova

student of the Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

Russia, Saint-Petersburg

Alexandra Shatornaya

student of the Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются прочностные характеристики стекла, экономическая эффективность использования его в качестве материала для несущих конструкций и возможные сферы применения. Рассмотрены результаты испытаний колонн из стекла за рубежом и на основании полученных данных проведен расчет колонн из железобетона и стали на эквивалентную нагрузку. Выполнена оценка экономической эффективности применения стеклянных колонн в строительстве. На основании анализа сделан вывод об основных проблемах применения стекла в качестве материала для конструктивных элементов.

ABSTRACT

In this article, the strength characteristics of glass, the economic efficiency of its use as a material for load-bearing structures and possible applications are going to be considered. The results of glass columns tests, performed abroad, are taken into account when calculation of columns of reinforced concrete and steel for an equivalent load were made. The estimation of economic efficiency of application of glass columns in construction was also made. Based on the analysis, a conclusion is drawn about the main problems of using glass as a material for structural elements.

Ключевые слова: стекло; несущие конструкции; конструкции из стекла, колонны из стекла;

Keywords: glass; supporting structure, design of glass, glass columns.

Строительство не стоит на месте. На сегодняшний день трудно представить общественные здания без использования сплошного остекления. С появлением различных добавок, повышающих прочность, стекло начали рассматривать как материал для несущих конструкций, таких как балки, колонны и перекрытия.

В настоящие время в России отсутствуют нормы проектирования несущих конструкций из стекла, что является главным фактором отсутствия его применения в строительстве как материала для таких изделий. Процесс изготовления однородного стекла является достаточно сложным, поэтому у некачественного изделия в разы, а то и в десятки, уменьшается значение прочности на растяжение.

Цель данной статьи - исследовать стекло как несущий материал. Дать оценку насколько обширной является его область применения в строительстве. В связи с этим поставлен ряд задач:

1. Изучить прочностные характеристики стекла.
2. Рассмотреть возможности его применения в качестве материала несущих конструкций.
3. Выполнить сравнение несущей способности колонн из различных материалов.
4. Изучить экономическую эффективность конструкций из стекла.

Отсутствие норм расчета конструкций из стекла обуславливается сложностью задания начальных условий и составления уравнений. В Европе ведутся активные экспериментальные исследования с целью создания методик конструирования стеклянных конструкций, пишет Гогин А.Г. [1].

Применение оболочек из стекла как несущих элементов помогает сэкономить на объемах строительных материалов, так как при достаточно тонкой толщине криволинейная панель имеет большую несущую способность. Недостатком стеклянных балок является возникновение в них изгибающих напряжений. Проблема может быть решена с применением стальных профилей между стеклянными ребрами. Такой несущий элемент как колонна, воспринимающая продольные нагрузки, чаще выполняется из стекла с композитным сечением. А так же комбинированием стекла с такими материалами как сталь, пластик или дерево [2].

Проводились исследования колонн Т и Х образной формы в поперечном сечении с использованием многослойного стекла. На поведение конструкции сильно влияет соединение самих стекол в триплекс, поэтому важно уделять внимание изготовлению слоистого стекла. Сечение X образной формы лучше работает на изгиб, но в обоих вариантах разрушение идёт в результате разрыва на стыке панелей [5].

Сделаны выводы о различиях аналитических расчетов и экспериментальных исследований. Теоретические результаты оказались слишком завышены, так как в них нельзя учесть последствия различных дефектов ивлияние клеевого соединения стекол [6].

Стекло представляет собой аморфный изотропный материал, для него характерна прямая пропорциональная зависимость между напряжением и удлинением во всем диапазоне его работы. Стекло может сохранять свои упругие свойства вплоть до разрушения. Модуль упругости стекла Е = 750 тс/см2. Поэтому допускаемое напряжение для стекла значительно ниже его границы разрушения. Реальная прочность листового стекла при изгибе около 100 Мпа, но с учетом запаса, в расчетах принимается величина около 30 Мпа. Такое существенное увеличение запаса связано с различными пороками стекломассы. Любые неровности вызывают концентрацию напряжений и потерю прочности стекла.

На современном рынке существует множество видов стекол. Тремя подходящими видами стекла для несущих конструкций могут служить:

1. Термополированное (Float glass) — листовое стекло, изготовляемое формованием ленты стекломассы на расплаве олова при управляемой температуре около 1000 °C в защитной атмосфере из азота и водорода.
2. Многослойное (Laminated) —стекло, состоящее из двух и более листов, склеенных друг с другом по всей поверхности полимерной пленкой, которая при разрушении стекла удерживает осколки на себе.
3. Закаленное стекло (Toughed glass) — Под воздействием разрушающих напряжений деструкция такого стекла происходит на довольно мелкие части без острых углов, это достигается  путем быстрого охлаждения стекла, таким образом,  остаточные напряжения сжатия остаются на поверхности.

При строительстве здания городского управления Франции в 1995 годуАрхитекторы Brunet & Saunier применили интересную конструктивную схему. Они устроили стеклянную кровлю, которую оперли на стеклянные колонны крестообразного сечения. Шаг колонн 5,4х5,4 м

Аналогично поступили архитекторы при строительстве главного штаба компании Danfoss в Дании, они использовали крестообразную форму для стеклянных колонн. Колонны высотой 5,5 м и сечением 449х449 мм состоят из 3х-слойного термополированного стекла. Расчетная нагрузка составляет 250 кН на колонну. В ходе испытаний была получена предельная нагрузка на колонну в 575 кН [8].

Большое внимание уделено рассмотрению стекла как несущего материала чешскими коллегами. В Праге проводились испытания колонны квадратного сечения в масштабе 1:2, модель была выполнена из термополированного стекла толщиной 6мм, сечением 150х150 мм и высотой 1, 75 м. Перенос усилий в колонну осуществляется через прокладку из полиамида. Сама колонна помещена в стальной башмак. Образцы нагружались со скоростью 50 Н/с. Первые трещины появились при значении силы в 75кН, предельная нагрузка составила 168 кН. Во всех случаях первые трещины проявлялись над стальным башмаком из-за бокового растяжения, но колонна все еще была в состоянии нести увеличенную нагрузку. Средняя остаточная грузоподъемность составила 51 кН [7].

В качестве материала для несущих конструкций в строительстве активно применяется сталь и железобетон. Сравнение их основных технических характеристик со стеклом приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Основные характеристики стекла, стали и бетона

По сравнительной таблице можно сделать выводы. Стекло проигрывает по прочности на растяжении у стали, поэтому в элементах, которые работают на изгиб, целесообразно применять стекло в комбинации со стальными профилями. Прочность на сжатие у стекла выше, чем у стали и бетона, но в реальной жизни прочность на сжатие принимает меньшее значение, что связано с возможной неоднородностью материала. Стекло коррозирует крайне медленно,

Чтобы выяснить экономическую эффективность, был произведен подбор колонн из традиционных материалов для несущих конструкций (сталь и железобетон), способных выдерживать такую же предельную нагрузку (575кН), как и стеклянная колонна. Для расчета приблизительной стоимости колонн, учтена стоимость данных материалов и стоимость гидроизоляции.

Расчет стоимости стеклянной колонны произведен по чертежу сечения, использованного при проведении испытаний [8]. В конструкции колонны используются 3 слоя флоат стекла, толщиной 12 мм каждый. Стоимость необходимого количества листов составит 15378р. В общую стоимость колонны входит 2 стальных крестообразных башмака и клеевой раствор. Итоговая стоимость составляет 18480 рублей.

Подбор сечений колонны из стали и железобетона выполнен исходя из условия, что предельная нагрузка составляет 575 кН, схема закрепления колонны выбрана как у крестового стеклянного аналога, испытанного в масштабе 1:1, а именно заделка снизу и шарнир сверху; высота колонны – 5,5 м.

Колонны, выполненные из стальных элементов, подбирались на основании методики расчёта, представленной в СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» [3]. Металлические конструкции теряют свою устойчивость раньше, чем теряют прочность, поэтому основная проверка подобранного сечения произведена по устойчивости. Расчет с применением марки стали С245, с учетом схемы закрепления, высоты колонны и предельной нагрузки показывает возможность применения минимального сечения колонного двутавра, номер 20К1. Стоимость такого двутавра за 5,5м с учетом гидроизоляции составляет 15270 рублей.

Колонны, выполняемые из монолитного железобетона, следует подбирать из расчета не только на прочность при внецентренном сжатии, но также следует учитывать достаточную жесткость конструкции. В СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» [4] для железобетонных колонн здания рекомендуется принимать такое сечение, приведенная гибкость которого ниже 120. По предварительной проверке на центральное сжатие по предельной силе и по приведенной в [4] формуле расчёта жесткости, определяем, что сечение 25х25 см удовлетворяет исходным данным. Стоимость колонны с таким сечением следует учитывать с учетом стоимости поперечной и продольной арматуры в составе сечения. Если говорить об использовании колонн во влажных помещениях, следует так же учитывать стоимость гидроизоляции. Приблизительная стоимость материалов такой колонны с заданными параметрами – 3612 рублей.

Сопоставление результатов представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Результат сравнения цен на материалы

Из графика мы видим, что стоимость колонны из стали и стекла (15270 и 18480 рублей соответственно), значительно отличается от стоимости железобетонной колонны. Следует отметить, что металлическая и стеклянная колонны поставляются на строительную площадку практически готовыми, что соответственно уменьшает затраты на трудоемкость. В железобетонных конструкциях трудоемкость выше, здесь большая часть стоимости состоит из трудозатрат на вязку арматурного каркаса, устройство опалубки и заливку бетона.

Результаты и выводы:

В исследовании выявлены основные преимущества, и недостатки применения стекла как несущего элемента. Стекло обладает хорошей прочностью при сжатии, стойкостью к коррозии и возможностью комбинирования его с другими материалами для создания несущих конструкций. Прочностные характеристики будут соответствовать теоретическим, если материал будет однородным и без геометрических неточностей. Создание такой структуры весьма трудоемкий процесс, что является главным недостатком его применения в строительстве. Для создания норм и методик расчета стеклянных конструкций, которые отсутствуют на сегодняшний день в России, нужно проводить обширные исследования и эксперименты. Для стеклянных колонн очень важным является место, где сила передается от плиты к стеклянной части колонны. Особенно следует учитыватьпередачу нагрузки от горизонтальных элементов к другим частям конструкций и предотвращать постепенный обвал здания или его части из-за обрушения одной стеклянной колонны.

Из полученных данных можно сделать вывод, что цена на материалы стеклянной колонны выше, чем у существующих аналогов. Трудоемкость может оказаться такой же, как у других колонн или сравнительно выше, что связано со сложностью качественного изготовления однородного стекла. Следует отметить, что при этом стекло известно своей высокой стойкостью к коррозии. Однако только после тщательных исследований влияния коррозии на прочностные характеристики стекла, разработки нормативной документации для расчета и проектирования можно говорить о его широком применении в строительстве в качестве конструктивного материала для колонны.

Список литературы:

1. Гогин А.Г. Несущие конструкции из стекла// Научные исследования и разработки студентов: сб.тр. конф. —      Чебоксары, 2016. — С. 69-71.
2. Мельникова С.С., Панчук Н.Н. Стеклянные конструкции в архитектуре// Новые идеи нового века: материалы Международной научной конференции ФАД ТОГУ. —2013.— №3. — С. 244-250.
3. СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции»
4. СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения»
5. Giuseppe Campione., Mario Di Paola., Giovanni Minafo. Laminated Glass Members in Compression: Experiments and Modeling. //Journal of Structural Engineering. —2014.— №2. — P. 1-9.
6. Kalamar R., Bedon Ch., Eliasova M. Experimental investigation for the structural performance assessment of square hollow glass columns.// Engineering Structures —2016.— №113. — P.1–15
7. Kalamar R., Eliasova M. Load Bearing Innovative Construction from Glass//2nd International Conference on Innovative Materials, Structures and Technologies. (Riga, 30 sep—2 oct. 2015 y.) — Riga, 2015. —P.1-7
8. Petersen R., Bagger A., Structural use of glass: Cruciform columns and glass portals with bolted connections subjected to bending.// Glass performance days. —2009.— P.371–375