На рынке светопрозрачных конструкций с каждым днем становится все больше специалистов высокого уровня и хорошо осведомленных, подготовленных клиентов. Это, безусловно, радует. Но все же хотелось бы, чтоб рынок продолжал развиваться и все больше его участников переходило с разряда высококлассных специалистов в разряд профессионалов. Но в чем разница? Специалист знает, как правильно производится что-либо, а профессионал знает почему это необходимо производить именно так. Для примера, если заказчику необходим стеклопакет для криогенной камеры или сауны, то специалист изготовит качественный стеклопакет согласно пожеланиям заказчика, а профессионал предложит специальное техническое решение, которое будет учитывать ограничения каких-либо элементов стеклопакета в экстремальных условиях эксплуатации изделия.    

В последнее время все чаще стали использоваться фасадные системы, где вторичный герметик стеклопакета выполняет функцию единственного элемента фасадной системы, который удерживает стекло. Поэтому многие столкнулись с необходимостью предварительных расчетов глубины герметизации фасадных стеклопакетов. За это хотелось бы поблагодарить ведущих европейских производителей фасадных систем, которые придерживаются европейских стандартов в том числе и для большинства их украинских проектов. Часто участники проектов не понимают почему в двух похожих проектах глубина герметизации значительно отличается или же различия есть в расчетах предоставленных двумя производителями герметиков. Если принять во внимание доступность онлайновых расчетных программ, то понимание причин разброса результатов очень важно. Предлагаю заглянуть за ширму и разобраться в методике расчетов необходимой глубины герметизации стеклопакетов.
Процессы, происходящие в стеклопакете очень подробно изучены и описаны профессором Университета Прикладных Наук (Розенхайм) доктором Францем Фельдмайером (prof. Dr. Franz Feldmeier).

Данная теория лежит в основе всех без исключения расчетных программах ведущих производителей герметиков для структурного остекления. А это значит, что при одних и тех же исходных данных всегда будет один результат, что в компании DOW, что у любого другого производителя. В теории подробно учитываются все нагрузки, которые испытывает стеклопакет во время эксплуатации. А именно, ветровые (внешние) нагрузки и термические (изменение давления в камерах стеклопакета). Не вдаваясь в подробности и методику расчетов, хотелось бы выделить, по моему мнению, главный параметр, введенный данным исследованием – характеристическая длина стеклопакета (Characteristic length) a*. В таблице 1 приведены результаты расчетов для разных форм, размеров, соотношений сторон и формул стеклопакетов.

Для примера возьмем прямоугольный стеклопакет с наиболее близкой для фасадного остекления формулой стеклопакета 8-16-8. Мы видим, что характеристическая длинна составляет в пределах от 0,459 мм до 0,620 мм. Каждый, кто стыкался с остеклением фасадов может увидеть, что эти размеры часто используются для спандрелей (стеклопакетов для междуэтажных частей фасада). В стеклопакете с данным размером стороны действуют максимальные нагрузки.  Но в чем причина этих пиковых нагрузок? Это является результатом наложения двух факторов. С одной стороны, с увеличением размера стеклопакета увеличивается объем газа в камере стеклопакета. Чем больше объем газа, тем больше перепад давления в камере обусловленный изменением температуры газа. С другой стороны, большой лист стекла более гибок чем маленький. Условно можно сказать, что малый размер стекла абсолютно жесткий и не может компенсировать изменение давления газа в камере за счет прогиба (изменения объема камеры). На графике приведены два параметра стеклопакета: приведенное напряжение (normalized stress) и стеклопакетный коэффициент \ стеклопакетный фактор (insulating glass factor). Как видно, при значении стеклопакетного фактора равному 0,5 или же длине стороны равной характеристической стороне (а/ a*=1) напряжение в стеклопакете достигает максимального значения. В данной точке уже достаточный объем газа, чтоб перепад давления создавал значительную нагрузку, но стекло еще не прогибается. Почему так много времени было уделено данному моменту?  В этой точке происходит изменение характера работы вторичного герметика. Если на восходящем участке («жесткое» стекло) герметик работает на удержание рамки, которую изменение давления газа или выдавливает наружу или втягивает во внутрь камеры, то есть герметик работает на срез), то на снисходящем участке («прогибающееся» стекло) – герметик работает на сжимание-растяжение. Силиконовый герметик выдерживает меньшие нагрузки на срез, чем на растяжение. В связи с этим в больших стеклопакетах необходим намного меньше слой вторичного герметика чем в критическом. К примеру, для большого стеклопакета достаточно 6 мм, а для критического – 18 мм. Почему я не использовал термин малый или наименьший, а критический.

Те, кто использовал онлайн калькуляторы или заполнял контрольные перечни по проекту для расчетов слоя герметизации сотрудниками фирмы-производителя герметиков знают, что всегда запрашиваются только два размера стеклопакетов по проекту: наибольшего и наименьшего. Если с наибольшим проблем не должно быть, то наименьший размер стеклопакета может оказаться левее пиковой точки, а проект будет может быть стеклопакет с приближенным к характерной длине стороны. То есть, нарушается правило расчета по наихудшему элементу, а в случае разрушения какого-либо элемента из-за превышения нагрузок ответственность будет лежать исключительно на заполнившем форму лице. Кроме этого, онлайн калькулятор не обратит ваше внимание на несоответствие или ошибки в каких-либо конструкторских решениях узла. Это первый «подводный камень» расчетных программ, но далеко не последний.
Расчетные программы имеют зафиксированные по умолчанию максимальные и минимальные температуры стекол и фасадной системы, температуры производства и газа в камере, высоты над уровнем моря производства и установки стеклопакета, ветровой нагрузки и т. д. Очень часто никто эти параметры не изменяет на реальные по проекту.  Но все они используются в формуле расчета, то есть, влияют на результат. Для примера температура газа в камере может быть принята +40°C, +60°C или же +100°C. Почему возможен такой разброс параметра и реальны ли эти данные?

Стеклопакет с темным эмалитом, за которым находится минеральная вата работает аналогично солнечному коллектору, но без отбора накопленной энергии (что происходит со стеклопакетом и его составляющими в данных диапазонах температур – тема для отдельной статьи). Были случаи, когда для расчетов проекта в Киеве декларировалась ветровая нагрузка 200 Па, но в тот же день было объявлено штормовое предупреждение со скоростью ветра до 30 м/с, а это эквивалентно 540 Па (в расчетах должна применяться максимально возможная ветровая нагрузка за 10 лет). Триплекс имеет другие характеристики по прогибу чем аналогичной толщины монолитное стекло. Все эти и многие другие нюансы являются причиной почему разница в результатах может достигать ± 50%. А это дополнительные или неучтенные объемы материала при составлении тендерной документации. Разбросы в результатах разных участников уже неоднократно были причиной затягивания тендеров или производства проектов с заведомо предначертанной судьбой «Титаника».        
И еще один подводный «камень». При всем совершенстве теории Ферльдмаера она имеет определенное ограничение. Данная модель описывает процессы в стеклопакете, который находится на фасаде. Для примера стеклопакет «джамбо» размера будет иметь согласно расчетной программе всегда минимально предусмотренный евронормой EOTA ETAG 002 слой вторичной герметизации в 6 мм. В этой модели не учитываются ни производственные, ни манипуляционные, ни транспортные нагрузки. Если удалось установить стеклопакет на его место не поврежденным – дальнейшая его «жизнь» будет происходить согласно расчетам. Но до этого момента стеклопакет несколько раз может перегружаться (в большинстве случаев с помощью подъемника с присосками с креплением за одно стекло), перевозиться по не совсем качественным дорогам, транспортироваться через перевалы со значительными перепадами высот, которые не учитывались при просчетах.
Определенные трудности может вызвать учет конструкционных особенностей различных систем для просчета глубины герметизации стеклопакета. Первый случай — это стеклопакет с выступом внешнего стекла, за который стеклопакет вклеивается в створку окна. Аналогичная ситуация со стеклопакетами для стоечно-ригельных систем. В этом случае вторичный герметик не выполняет функции структурного герметика. Поэтому формально производители не рассчитывают данный слой и рекомендуют минимально допустимую глубину. Но приведенная выше информация описывала реальные процессы в стеклопакетах без упоминания их типа (структурный, полуструктурный (с механичным прижимом за внутреннее стекло), обычный, а также тип вторичного герметика). Физические законы не изменяются в зависимости от отсутствия каких-либо нормативных требований. Формально стеклопакет в створке будет гарантировано держаться, но запотеет ли он это уже другой вопрос. Второй случай — это стеклопакеты для полуструктурных фасадов (Toggle IG). Особенность этих стеклопакетов – наличие крепежного профиля или площадки (выборки) во вторичном герметике для механической фиксации стеклопакета к фасадной системе. Два варианта систем полуструктурных стеклопакетов имеют определенные отличия в методике расчетов.

Первый вариант — это стеклопакет с непрерывным профилем или выборкой герметика по всему периметру. В этом случае есть две возможности. Если использовать металлический профиль и структурный силикон DOWSIL™ 993 (с повышенными адгезионными свойствами к стеклу и металлу), то зона r1 + r2 (стекло-метал-стекло) принимается в учет при расчетах, с требованиями, что r1 должно быть ≥ 3мм, r2 рекомендуется ≥ 12мм, e1 ≥ 6mm, тестирования на адгезию герметика и П-профиля. В случае же использования стеклопакетных герметиков DOWSIL™ 3362(HD), DOWSIL™ 3363 или DOWSIL™ 3364 в расчет принимается только размер r1 (стекло-стекло) с условием, что r1 ≥ 6мм.

Второй вариант – стеклопакет с коротким вкладышем.  
Если общая длина вкладышей превышает 33% от периметра стеклопакета, то методика расчетов аналогична приведенному выше случаю для непрерывного П-профиля. Если же менее 33%, то герметик между вкладышами r2 принимается в расчет, а r1≥ 3 – 4 mm при условии использования DOWSIL™ 3362(HD), DOWSIL™ 3363 или DOWSIL™ 3364. В некоторых системах используются вкладыши из пластика. В этом случае очень важным моментом является использование специальных очистителей и грунтовок для подготовки вкладыша для улучшения его адгезионных свойств.    

Мы рассмотрели принципы расчета однокамерного стеклопакета. В двухкамерном стеклопакете внешняя и внутренняя камеры «работают» в абсолютно разных условиях, но глубина герметизации всегда унифицируется для уменьшения механических нагрузок на стекло. Главной проблемой расчетов является правильное определение температур в каждой из камер в зависимости от используемых стекол, прилегающих элементов и конструкций, и т. д. Также значительно может влиять на результат то, в какой из камер установлены П-вставки полуструктурных систем. Внешняя камера испытывает повышенные нагрузки. Поэтому необходимая глубина герметизации для этой камеры всегда больше, чем для внутренней. Это особенно актуально для систем со сплошными П-профилями. Установка прижимных элементов во внутренней камере более предпочтительна как с точки зрения теплофизики (металлические элементы находятся глубже и за слоем теплоизолятора, уменьшается краевая зона с повышенной теплопроводностью), так и с точки зрения экономии материала и эстетики (уменьшение черной окантовки стеклопакета). В приведенном примере разница минимальной глубины герметизации для внутренней и внешней камеры составляет более 4 мм. Если бы в этом стеклопакете нужно было использовать 12 мм П-профиль, то общая глубина вторичного герметика бы составляла 28 мм при установке во внешней камере и 24 мм – если во внутренней.

В завершение небольшого экскурса в методики расчетов стеклопакетов хотелось бы в вкратце остановиться на расчетах структурного шва вклейки стеклопакета в раму. Зачастую в открывающихся створках фасадных систем используется вклейка стеклопакета. Это позволяет добиться визуальной однородности фасада. Расчет структурного шва имеет некоторые особенности, на которые специалисты не всегда обращают внимание. Формула для расчета дает некий математический результат. Европейская норма по структурному остеклению содержит требования к геометрическим размерам шва. Соотношение высоты шва к его ширине должно быть в пределах от 1:1 до 1:3. Для определенного набора данных по проекту онлайн калькулятор рассчитает необходимую ширину шва 19,5 мм и высоту шва 6,5 мм. Естественно, специалист использует данную информацию для составления сметы и коммерческого предложения. Профессионал же знает, что технологически невозможно добиться размеров герметика в долях миллиметра, а расчетный размер — это минимально допустимый размер без учета технологических допусков. Вторым «подводным камнем» является то, что для обеспечения высоты шва используются допущенные двусторонние ленты для структурного остекления или EPDM уплотнители. Все эти элементы имеют определенный стандартный набор размеров 6 мм (Европа), 6,4 мм\0,25” (США), 9 мм, и т. д. Исходя из изложенного выше, реальный размер шва должен быть 27 мм шириной и 9 мм высотой. А это абсолютно другие объемы материала и, возможно, требования к фасадной системе.  

Хотелось бы надеяться, что данная статья даст возможность понять логику и целесообразность расчетов одного из важных элементов светопрозрачных конструкций, заставит оценить собственные возможности и желание взять на себя ответственность за, казалось бы, формальную работу.