Стекло как несущий элемент
Сегодня невозможно себе представить облик современного города без огромных витрин магазинов и сверкающих стеклом фасадов высотных зданий , в которых отражается небо. Стекло широко представлено в устройстве внутренних интерьеров гостиниц, магазинов, офисных и общественных зданий.
Стекло в строительстве используется для заполнения оконных проемов, и лишь отдельные примеры напоминают нам о том, что стекло по прочности превосходит сталь и может с успехом служить конструктивным материалом, из которого могут быть выполнены несущие элементы строительных конструкций.
Тысячу лет стекловары улучшали процесс, но суть его оставалась неизменной. Два решающих улучшения изменили взгляд на стекло как на хрупкий, легко бьющийся материал: в начале XX века был открыт триплекс, а в 30-х годах изобретено закаленное стекло. Но только изобретение в 50-е годы в Англии флоат-процесса открыло широкую дорогу применению стекла в строительстве в современном понимании этого слова, когда стало возможным получать дешевое стекло с идеально ровной поверхностью размером до 3,2 м в ширину, длина же ограничивается лишь удобством транспортировки. Триплекс, закаленное стекло и флоат-процесс позволили создавать конструкции, где стекло служит несущим элементом, как первичным — балки, арки, колонны, так и вторичным — связи, диафрагмы жесткости и т.д.
Стекло как первичный несущий элемент
Первым примером применения стекла в качестве материала для несущих конструкций служит стеклянный выставочный павильон, построенный фирмой Glasbau Hahn, Frankfurt am Main в 1951 году. Стеклянные стены павильона венчает стеклянная крыша, которая лежит на стеклянных же балках двутаврового сечения. Но если упомянутый павильон служил лишь демонстрацией возможностей фирмы, то стеклянный павильон, построенный в курортном городке Баденвайлер, служил уже утилитарным целям, соединяя два здания. Стеклянные панели крыши павильона (закаленное стекло d = 10 мм, промежуток 13 мм, заполненный инертным газом, 2 х 10 мм флоат-стекло с поливинилбутураловой пленкой) опираются на 4 стеклянные балки пролетом 6,2 м, установленные с шагом 1,7 м. Балки склеены из трех листов закаленного стекла, внутренний лист толщиной 15 мм, наружные — 10 мм. Наружные листы имеют несколько большую высоту, и в образованный снизу балки желоб вложен стальной трос d = 10 мм для частичного снятия напряжений в балке, а также как страховка на случай отказа. Для того чтобы трос не касался стекла, желоб проложен тонким алюминиевым профилем. На каменную стену балка опирается через башмак из тонкой легированной стали. Контакту стекла с металлом башмака препятствует слой многокомпонентного раствора. Высота балки — 200 мм, высота конструкции крыши — 271 мм.
В отличие от описанной конструкции стеклянная крыша над столовой Технического университета (г. Дрезден, Германия) не содержит стальных тросов или растяжек для страховки.
Главные балки пролетом 5,8 м соединены с второстепенными (l = 1,375 м) специально разработанными крестообразными соединительными узлами из высоколегированной стали. Высота балок 35 см, сами балки склеены из четырех слоев закаленного выдержанного стекла (ESG-H) толщиной 12 мм, причем в расчет на прочность включены только два внутренних слоя, наружные слои служат для предохранения внутренних от механических повреждений. Для получения допуска на применение конструкции были построены и испытаны три модуля в масштабе 1:1. Последним испытанием была проверка остаточной несущей способности при разрушенных наружных слоях главной балки. Испытания конструкция выдержала, причем прогиб составил 24 мм.
Другой концепции придерживались проектировщики (архитектурное бюро «Бюнеманн и партнеры») при реконструкции здания Народного банка в Ганновере, Германия (1996 г.). Для того чтобы перекрыть пространство 9 х 14 м стеклянной крышей, были установлены пять трехшарнирных арок с шагом 2,5 м. Арки образованы из двух балок, склеенных из трех листов стекла. Внутренний лист — закаленное стекло толщиной 15 мм, наружные листы — частично закаленное стекло толщиной 10 мм. По низу балки проходит стальная полоса, предусмотренная как защита от обрушения конструкции в случае отказа балки. Горизонтальные связи выполнены из стальных труб, которые несут стеклянные же панели крыши.
Из стекла возможно выполнять не только балки или арки, но также колонны. Архитекторы Brunet & Saunier и конструкторское бюро O.T.H./Alto — М. Malinowski применили при строительстве здания городского управления во французском St. Germain-en-Laye в 1995 году необычное решение. Они перекрыли внутренний двор здания стеклянной крышей, которую оперли на стеклянные же колонны.
При шаге 5,4 x 5,4 м вес, приходящийся на одну колонну, составляет 6 т. При испытании на прочность модели М 1:1 была достигнута разрушающая нагрузка в 46 тонн. Сама колонна крестообразного сечения размером 250 x 250 мм и высотой 3,2 м склеена из трех листов закаленного стекла. Внутренний — несущий — лист толщиной 15 мм, наружные листы толщиной 10 мм предохраняют внутренний от механических повреждений, для этого они несколько выступают вперед. Чтобы исключить восприятие веса крыши наружными листами, внутренний лист выполнен несколько длиннее наружных. База и оголовок колонны помещены в стальной башмак с 8-миллиметровой прокладкой из неопрена. Опирание колонны и верхних конструкций на колонну — шарнирное.
Еще один пример применения стекла как конструктивного материала — стеклянный павильон Talus du Temple близ французского городка Noyers (архитектор Dirk Jan Postel, 2001 г.).
Павильон размером 5,04 x 5,1 м накрыт деревянной крышей, покрытой медью. Стены павильона высотой 2,3 м состоят из 2 х 10 мм флоат-стекла. Соединение стен с основанием и крышей выполнено при помощи стальных уголков с прокладками из неопрена.
Сооружение доказало свою прочность и устойчивость, дважды выдержав сильнейшие штормы, случившиеся в этой местности.
Приведенные два последних примера показывают возможность применения стекла как конструктивного материала в сжатых элементах. В то же время сегодня не существует методик расчета таких элементов, изложенных как Нормы и Правила; в каждом конкретном случае требуется Разрешение на применение, подкрепленное серией испытаний.Архитекторы и конструкторы чаще и чаще обращаются к стеклу, видя в этом материале новые, подчас еще нераскрытые возможности для воплощения своих идей. Создание таких методик, позволяющих инженерам конструировать сжатые элементы из стекла так же, как из стали или дерева, является требованием дня. Поэтому во многих исследовательских центрах Европы ведется работа по изучению поведения стекла под нагрузкой с целью создания научно обоснованных методик конструирования и расчета различных элементов конструкций. Так, в Высшей технической школе (г. Аахен, Германия (RWTH Aachen) исследуется устойчивость колонн из стекла триплекс. Гораздо больший интерес вызывают работы, проводящиеся в Техническом университете (г. Дармштадт, Германия), где исследуются колонны из двух стеклянных труб, вставленных одна в другую и склеенных прозрачным полимером, залитым в образовавшийся промежуток.
При устройстве фасадов из стекла зачастую возникает задача решения вопроса жесткости фахверка, не уменьшая при этом количество света, поступающего снаружи через остекление. Одним из способов такого решения служат ребра жесткости из стекла, как это сделано в здании городской сберегательной кассы в г. Дюссельдорфе, Германия. В этом здании такие же стеклянные ребра придают жесткость конструкции крыши.
Стекло как вторичный несущий элемент
Не только в балках и колоннах стекло воспринимает нагрузку от внешнего воздействия. В остеклении крыш и фасадов зданий стекло воспринимает ветровую и снеговую нагрузку и передает ее несущим элементам конструкции.
Одним из примеров такого применения стекла служит здание Stadttor (Городские ворота), Дюссельдорф. Ромбовидное в плане здание высотой 70 м образовано двумя пространственными рамами, сваренными из стальных труб большого диаметра. Между рамами расположены два офисных блока, закрытых снаружи стеклянным фасадом. Внутреннее пространство между блоками закрыто стеклянными фасадами здания высотой 50 и шириной 35 м. Фасад подвешен при помощи гибкой конструкции, передающей вертикальную и горизонтальную нагрузки через четыре пространственные фермы на рамы здания. Остекление фасада состоит из 15-миллиметровых листов закаленного стекла размером 3,0 х 1,5 м, прикрепленных к тросовой системе при помощи шарнирных точечных держателей. Швы между листами заполнены силиконовым составом, в углах фасада расположены специальные подвижные швы, способные воспринять температурные расширения до 4 см.
При конструировании фасада здания торгового центра Кенигсаллее, 65 в Дюссельдорфе архитекторы также выбрали схему совместной работы стекла и натянутых с расчетным напряжением стальных тросов. фасад здания , составленный из стеклопакетов, не имеет фахверка. Необходимую жесткость конструкции обеспечивают проходящие позади фасада 16 стальных тросов, соединенных со стеклопакетами специальными держателями.
Стекло может применяться как конструктивный элемент при проектировании и строительстве лестниц. И если конструкции прошлых лет являли собой примеры единичных индивидуальных решений, как, например, в упомянутом уже ТЦ, то сегодня существуют примеры типовых или серийных разработок.
Небольшие размеры журнальной статьи не позволяют в достаточной мере осветить все многообразие конструкций из стекла. Остались за рамками статьи такие интересные темы, как применение стекла для оформления внутренних интерьеров. Новые решения в проектировании фасадов домов из стекла как в плане строительной физики, так и художественной выразительности — возможности, которые сегодняшняя стекольная промышленность предоставляет архитекторам и конструкторам, почти что безграничны. Стоит в этой связи упомянуть только последние разработки, например фирмы Schuco, фасадных систем нового поколения или LС-триплекс-панели фирмы Interpane AG, которые за одну секунду могут из прозрачных превратиться в молочно-белые или служить экраном для проецирования любых изображений. Новые системы профилей, держателей, новые составы мастик и клеев, новые технологии приготовления стекла позволяют воплощать в материале смелые, оригинальные идеи, казавшиеся совсем недавно невозможными.