Термошок стекла

Термошок – это явление разрушения стекла из-за наличия на нем градиента температур, возникающего из-за неравномерного нагрева одной или нескольких частей стекла (солнечное излучение, «тепловой мешок», темная пленка на самом стекле). В результате градиента температур и обусловленного нагревом расширения в стекле возникают напряжения, которые и приводят к разрушению. Разрушение от термошока имеет характерный вид (рис. 5). Также разрушение может начинаться и намного скромней (одна - две трещины), но со временем количество трещин увеличивается.

Подобное разрушение от термошока можно идентифицировать, посмотрев на край разрушенного стекла: разлома стекла в его начале будет перпендикулярен как самой плоскости стекла, так и его краю.

Ниже указаны основные факторы, которые могут привести к разрушению стекла:

1. Высокий коэффициент абсорбции (поглощения) солнечного излучения. Этот показатель может быть высок как из-за окраски стекла в массе, так и из-за темной тонирующей пленки. Чем выше данный показатель, тем больше риск разрушения. Согласно новому ГОСТ Р 54175–2010 «Стеклопакеты клееные. Технические условия», п. 5.2.7: «В случаях, когда в стеклопакетах для наружного остекления применяют неупрочненное стекло (в том числе многослойное), его коэффициент поглощения света должен быть не более 25%. Допускается вместо коэффициента поглощения света использовать при проектировании стеклопакетов коэффициент поглощения солнечной энергии стеклом. Для неупрочненного стекла (в том числе многослойного) он должен быть не более 50%. Стекло с более высоким коэффициентом поглощения света (или солнечной энергии) должно быть упрочненным».

2. Установка на стекло декоративной ПЭТ-пленки. Коэффициент поглощения солнечной энергии на границе стекло-пленка высок. Это приводит к нагреву поверхности стекла и возникновению градиента температур между поверхностями стекла.

3. Наличие отражающей поверхности за наружным остеклением: низкоэмиссионное стекло в составе стеклопакета (в том числе низкоэмиссионное покрытие на наружном стекле), жалюзи или гардины в оконных проемах, стена здания (для структурного остекления).

4. Наличие выступов фасада, близко расположенных деревьев и зданий: на затененных участках остекления инсоляция не нагревает стекло, теплоотдача же с различных участков стеклянной панели в воздух одинакова. (Падающая на фасад тень обуславливает наличие освещенной и неосвещенной зон на поверхности стекла)

5. Наклон элемента остекления: угол падения солнечных лучей для наклонных и горизонтальных элементов остекления ближе к нормали, чем для вертикальных. Поэтому инсоляция наклонных и горизонтальных элементов больше, чем вертикальных. В среднем, инсоляция у наклонных и горизонтальных элементов остекления на 250 Вт/кв. м больше, чем у вертикальных.

Кроме того, у наклонных и горизонтальных элементов остекления условия теплоотдачи с наружной поверхности примерно на 30% лучше, чем у вертикальных, а с внутренней приблизительно на 20% хуже.

6. Географическая широта: чем южнее расположено здание, тем выше инсоляция. Чем севернее расположено здание, тем ближе к нормали угол падения лучей на остекление.

7. Ширина дистанционной рамки стеклопакета: чем уже рамка, тем слабее конвекция внутри стеклопакета и, соответственно, хуже теплоотдача.

8. Ориентация фасада по сторонам света: наибольшая интенсивность и продолжительность инсоляции наблюдается на южных фасадах зданий.

10. Время года: инсоляция и температура воздуха зависят от времени года, наиболее неблагоприятное сочетание погодных условий, с точки зрения термошока, наблюдается ранней весной в результате высокой инсоляции и низкой температуры воздуха.

11. Климатические характеристики региона (температура воздуха и скорость ветра): чем ниже температура воздуха и выше скорость ветра, тем выше теплоотдача с наружной поверхности стекла. В сочетании с высокой инсоляцией может возникнуть значительный градиент температур между поверхностями остекления.

12. Суточный перепад температур: остывшие за ночь до одинаковой температуры, открытые и затененные зоны остекления нагреваются с разной скоростью, которая зависит, в частности, от суточного перепада температур. Различие в скоростях нагрева различных зон остекления приводит к дополнительному температурному градиенту между ними.

13. Размеры элементов остекления: чем больше размеры остекления, тем выше механические напряжения между нагретыми и холодными участками остекления. Помимо этого значительное линейное расширение стеклянных панелей в результате нагрева инсоляцией может привести к их разрушению при отсутствии температурных зазоров между элементами остекления и профилем.

14. Качество резки стекла и качество монтажа (правильность установки прокладок между стеклопакетами и профилем, отсутствие «зажима» элементов фасада в профиле, правильность сборки профиля и т. д.): при низком качестве реза стекла на кромках стеклянных панелей образуются многочисленные сколы и неровности, служащие концентраторами напряжений. Ошибки при сборке фасада из профиля могут привести к короблению фасада в ходе суточных температурных колебаний и, соответственно, к поломке его стеклянных элементов.

15. Конструкция, материал и цвет фасадного или оконного профиля: эти факторы влияют на нагрев самого профиля и, соответственно, на температурные перепады между центром стеклянного элемента фасада и его периферической зоной.

16. Условия вентиляции остекления с внутренней стороны: расположение оконного блока по толщине стены, расстояние между оконным блоком и жалюзи, между структурным остеклением и стеной, подоконное расположение нагревательных приборов. Плохие условия вентиляции, а также нагревательные приборы в зоне окна способствуют увеличению температуры внутреннего стекла в оконном блоке (или структурном элементе).

17. Наличие царапин на стекле: царапины, образовавшиеся в ходе хранения, транспортировки и переработки листового стекла, а также при монтаже фасада значительно снижают механическую прочность стекла. Таким образом разрушение может происходить при меньшем перепаде температур.

18. Толщина стекла: помимо того, что у более толстых стекол выше коэффициент поглощения солнечной энергии, при одинаковом градиенте температур в более толстых стеклах возникают большие механические напряжения. Так, если для стекла толщиной до 12 мм допустимый температурный перепад составляет 30–35 0C, то стекла толщиной 25 мм допускается применять без обработки кромки или термоупрочнения (закалки) при температурном перепаде не более 26 0C.

3. Наличие т. н. «теплового мешка», то есть зоны, из которой не отводится избыточное тепло (наличие теплоизоляции за стеклопакетом, наличие ниши в верхней части и т. д.).

4. Наличие двух или более энергосберегающих покрытий в двухкамерном стеклопакете. По сути, является частным случаем «теплового мешка».

5. Ориентация и наклон элементов фасада/здания, они оказывают влияние на инсоляцию поверхности стекла.

6. Качество резки/обработки кромки стекла, толщина стекла. Хорошо обработанная кромка уменьшает верояность возникновения термошока.

7. Климатические параметры: время года, колебания суточной температуры, широта места строительства и т. д.

Чтобы полностью избежать разрушения стекла в результате термошока, необходимо провести его закалку. Закаленное стекло является безопасным и не подвержено разрушению от перепада температур, который может возникнуть на фасаде здания.

Литература

Schittich, Staib, Balkow, Schuler, Sobek. Glass Construction Manual. 2nd revised and expanded edition. BIRKHAUSER, Berlin (Germany) Kosel GmbH & Co, 2007.

Dr. Wolfgang Wittner, Kommerling Chemishe Fabrik GmbH. Glass Performance Days. Conference Proceedings 2011. Glass Performance Days, Glaston Finland Oy, 2011.

Основные виды термошока

Градиент температур может возникать между различными частями одного листа стекла в результате его неравномерного нагрева/охлаждения, например, между освещенным и затененным участками остекления (термошок 1-го рода).

Градиент температур также может возникать между внутренней поверхностью наружного стекла в стеклопакете (позиция 2) и его же наружной поверхностью (позиция 1) — термошок 2-го рода. Существуют две основные причины возникновения такого температурного градиента. Первая причина заключается в равномерном прогреве всей толщины стекла в результате инсоляции при слабой отдаче тепла в межстекольное пространство с позиции 2 и усиленной теплоотдаче с позиции 1 в окружающую среду. Вторая причина обусловлена наличием поглощающих покрытий на одной из сторон стекла, например, полимерных пленок. Термошок 2-го рода реже встречается на практике, однако его риск возрастает в весенний сезон, характеризующийся высокой инсоляцией и низкой температурой воздуха.

Основные факторы, влияющие на риск появления термошока

Риск термошока зависит от собственных характеристик стекла, особенностей конструкции остекления, монтажа, географического расположения здания, ориентации фасада по сторонам света, времени года, наличия предметов, затеняющих участки остекления (выступы фасада, близко расположенные деревья и здания).

Исходя из практического опыта, факторы, влияющие на риск термошока, можно перечислить приблизительно в следующем порядке убывания их значимости.

1. Коэффициент поглощения солнечной энергии наружного стекла: чем выше коэффициент поглощения солнечной энергии, тем сильнее нагревается стекло и больше вероятность появления термошока.

2. Установка на стекло декоративной ПЭТ-пленки: как правило, декоративные ПЭТ-пленки устанавливаются на стекло в позицию 2. Коэффициент поглощения солнечной энергии на границе стекло-пленка высок. Это приводит к нагреву поверхности стекла в позиции 2 и возникновению градиента температур между поверхностями стекла в позициях 1 и 2

3. Тип остекления (стеклопакет или одинарное остекление, например, в составе вентилируемого фасада): в стеклопакетах условия теплоотдачи с позиции 2 значительно хуже, чем в одинарном остеклении, и значительно хуже, чем с позиции 1, что способствует возникновению градиента температур между поверхностями стекла в позициях 1 и 2

4. Наличие отражающей поверхности за наружным остеклением: низкоэмиссионное стекло в составе стеклопакета (в том числе низкоэмиссионное покрытие на наружном стекле), жалюзи или гардины в оконных проемах, стена здания (для структурного остекления).

5. Наличие выступов фасада, близко расположенных деревьев и зданий: на затененных участках остекления инсоляция не нагревает стекло, теплоотдача же с различных участков стеклянной панели в воздух одинакова.

6. Наклон элемента остекления: угол падения солнечных лучей для наклонных и горизонтальных элементов остекления ближе к нормали, чем для вертикальных. Поэтому инсоляция наклонных и горизонтальных элементов больше, чем вертикальных. В среднем, инсоляция у наклонных и горизонтальных элементов остекления на 250 Вт/кв. м больше, чем у вертикальных.

7. Географическая широта: чем южнее расположено здание, тем выше инсоляция. Чем севернее расположено здание, тем ближе к нормали угол падения лучей на остекление.

8. 2.

9. Ориентация фасада по сторонам света: наибольшая интенсивность и продолжительность инсоляции наблюдается на южных фасадах зданий.