Rura szklana jako element konstrukcyjny w budownictwie

W wyniku rozwoju technologii produkcji i obróbki szkła, możliwe jest wytwarzanie szkła o lepszych parametrach wytrzymałościowych. Dzięki temu wielkie, hartowane szyby w fasadach stały się produktem standardowym. Naturalną koleją rzeczy zaczęto następnie produkować także rury szklane mające własności, które pozwalają na ich swobodne stosowanie w budownictwie.

Konstrukcja szkieletowa ze szkła

Dzięki zastosowaniu szkła jako materiału konstrukcyjnego powstało w ostatnich latach wiele innowacyjnych budowli. Konstrukcje nośne wszystkich zrealizowanych dotąd projektów składają się jednak przeważnie ze szklanych płyt warstwowych, uzyskanych przez sklejanie tafli szkła płaskiego - hartowanego lub pół hartowanego. Wielowarstwowe rury szklane rozszerzają możliwości kształtowania architektury, ponieważ przy ich użyciu można zrealizować prawdziwe szklane konstrukcje szkieletowe.

Rury te posiadają optymalne właściwości statyczne, ze względu na ich okrągły, symetryczny osiowo kształt. Dzięki temu otwierają różnorodne możliwości twórczego wykorzystania światła, koloru, konstrukcji i przestrzeni.

Szkło boro-krzemowe, jakie najczęściej stosowane jest do produkcji ciągnionych profili szklanych, odznacza się doskonałymi właściwościami: dużą przezroczystością i neutralnością barwy, odpornością chemiczną i termiczną oraz wysoką jednorodnością.

Należy też podkreślić, że profile z rur szklanych są wytwarzane ze stosunkowo niewielkimi tolerancjami w odniesieniu do przekroju poprzecznego (np. okrągłości), grubości ścianki i zakrzywienia wzdłużnego. Duża precyzja wykonania jest niezbędna do wykorzystywania ich jako szklanych elementów konstrukcyjnych i dla równomiernego rozłożenia obciążeń.

Wytwarzanie rur szklanych

Produkcja rur szklanych wydaje się być bardzo prosta. Szkło pod wpływem siły ciężkości przepływa przez obracającą się piszczel, która zasilana jest powietrzem wdmuchiwanym od wewnątrz. Powstający w taki sposób wąż szklany przechwytywany jest przez ciągarkę, rozciągany na długość i na taśmie transportowej schładzany w kontrolowany sposób. Dla średnic od 50 do 100 mm ciągnięcie następuje w płaszczyźnie poziomej. Przy niewielkich średnicach teoretycznie możliwe jest wyprodukowanie dowolnie długich rur szklanych. Dla średnic od 100 do 150 mm wyciąganie w poziomie nie jest możliwe. Odbywa się pionowo w szybie ciągarki (metoda ciągnięcia do dołu). Maksymalna wyprodukowana długość takich rur szklanych wynosi obecnie około 4100 mm. Dla rur o średnicy między 155

a 270 mm długość możliwa do wyprodukowania ograniczona jest do maksymalnie 2500 mm z powodu wzrastającego ciężaru własnego i utrudnionego manipulowania niezupełnie zastygłą rozżarzoną masą szklaną. Przy średnicach do 450 mm długość wynosi maksymalnie 2000 mm. Grubości ścianek dla średnic rur od 50 do 270 mm mogą wynosić od 1,8 do 9 mm. Ponadto dostępne są też rury o grubości ścianek do 10 mm.

Wytwarzanie wielowarstwowych rur szklanych

Wielowarstwowe rury szklane można wytworzyć po przecięciu zewnętrznej rury wzdłuż na półskorupy. Przy rurach dłuższych niż 1500 mm wymagane jest również przecięcie poprzeczne półskorup. Przy zmianach obciążeń temperaturowych te niedostrzegalne optycznie szczeliny produkcyjne służą zarazem odprowadzeniu sił

zakleszczających wewnątrz wielowarstwowej struktury. Tylko w ten sposób można wyprodukować wystarczająco odporne elementy konstrukcyjne.

Z teoretycznie możliwych rozwiązań produkcji wielowarstwowych rur szklanych najpewniejszą okazała się modyfikacja metody laminowania z użyciem autoklawu. Po

wstępnym sklejeniu pojedynczych elementów przy użyciu elastycznej, rozciągliwej i przezroczystej folii polimerowej (żywica poliwinylbutyralowa lub poliuretanowa) rura szklana i ułożone współosiowo pół-skorupy, są umieszczane w autoklawie. Tam pod wpływem podwyższonej temperatury i ciśnienia ulegają sklejeniu w sposób nierozerwalny. W

zespoleniu wewnętrzna rura przenosi obciążenia, a zewnętrzna zapewnia ochronę mechaniczną. Zespolone rury są wielokrotnie bardziej skuteczne niż jako pojedyncze komponenty. W przypadku pęknięcia zewnętrznej rury, dzięki zespoleniu odłamki szklane nie odpadają, co jest jednym z wielu czynników zapewnienia bezpieczeństwa wielowarstwowej rury szklanej.

Przenoszenie sił przez końcówki

Wytrzymałość wielowarstwowej rury szklanej nie jest jednak wyznaczana wyłącznie przez działanie zespolenia w przekroju poprzecznym profilu. Dopiero po uwzględnieniu własności końcówki rury można mówić o wykorzystaniu wielowarstwowej rury szklanej jako elementu konstrukcyjnego. Zakończenia takie składają się zasadniczo z trzech głównych modułów: płyty głównej, elementu centrującego ogniskującego siły i sworznia łączącego (zwykle w sposób przegubowy) z konstrukcją nośną lub z innymi elementami. Istotne dla skutecznego działania są jakość materiałów, dokładne ukształtowanie płyty głównej i specjalna technika obróbki końcówek rur. Jeżeli te wszystkie wymagania są spełnione, to wielowarstwowe rury szklane mogą przenosić siły podobne jak rury stalowe.

Bezpieczeństwo jest zapewnione

Badania nośności i bezpieczeństwa wykonane na Politechnice w Monachium i na Uniwersytecie w Stuttgarcie potwierdziły, że wielowarstwowe rury szklane nawet przy znacznym uszkodzeniu pozostają nadal wyjątkowo sprawne i wykazują wytrzymałość resztową przewyższającą wszelkie oczekiwania. Rury, które np. zostały wielokrotnie przebite prętami stalowymi (symulacja przestrzelenia), albo badania udarowego zostały trafione kilkanaście razy wahadłem z kulą stalową o ciężarze 10 kg (wysokość spadania 1 m) mogą nadal pracować pod pełnym obciążeniem.

Kompatybilność z istniejącymi systemami

Ważnym kryterium możliwości zastosowania i kształtowania wielowarstwowych rur szklanych jest kompatybilność z innymi używanymi już w budownictwie elementami konstrukcyjnymi. Do nich zaliczają się elementy końcowe, łączące i węzły połączeń wyrobów firm Mero lub Rodan-Dorma. Integracja dalszych systemów technicznych i uzyskiwanie nowych funkcji dzięki przezroczystości rury szklanej nasuwa się wręcz sama. Można zastosować np. elementy świecące wbudowane w końcówki, umieszczone w warstwie klejącej diody świecące - pracujące jako źródła światła oraz nadruki i powłoki rozpraszające światło.

Możliwości zastosowania

Obecnie można nabyć wielowarstwowe rury szklane o przekroju kołowym z różnymi średnicami zewnętrznymi (np. 100, 165 lub 183 mm) i długości do 4100 mm, przy zastosowaniu których razem z elementami końcówek można osiągnąć maksymalną długość układu 4500 mm. Elementy końcówek mogą być pod względem kształtów uformowane różnorodnie - monolityczne lub szkieletowe, cylindryczne, stożkowo lub w formie ostrosłupów. Decydujące dla prawidłowego spełniania funkcji nośnej są: dokładne wykonanie (bez odkształceń) płyty głównej elementu końcówki, wysoka wytrzymałość oraz precyzyjne dopasowanie wszystkich pojedynczych elementów.

Pierwszym na świecie zastosowaniem elementów konstrukcyjnych z profili z rur szklanych w

budownictwie wielokondygnacyjnym jest

fasada atrium biurowca Tower Place w

Londynie architekta Normana Fostera.

Najbardziej znanym przykładem rur

szklanych w architekturze są "Okna z rur

szklanych" w budynku John-son-Wax (1936-

1939) Franka Lloyda Wrighta. Elementy

konstrukcyjne z rur szklanych stanowiły

ozdobę i element rozpraszający światło

dzienne. Rury szklane nie miały jednak

żadnych funkcji statycznych. Głównie z

powodu niewystarczająco wyjaśnionych

aspektów bezpieczeństwa. Wraz z rozwojem

technologii produkcji wielowarstwowych rur

szklanych powstają możliwości

zastosowania dla szkła jako materiału

budowlanego: zalety konstrukcji

szkieletowych dają się w pełni wykorzystać

także w konstrukcjach budynków

przeszklonych. W międzyczasie powstały

różne opracowania konstrukcyjne z profilami

z rur szklanych, które przedstawiają

różnorodne możliwości ukształtowania i

zastosowania wielowarstwowych rur

szklanych jako konstrukcji nośnych w architekturze. Niektóre z tych opracowań konstrukcyjnych zostały przedstawione publiczności na targach "Glasstec 2002", jak np.

szklany most szkieletowy, którego zasada konstrukcji w nieco zmienionej formie nadawałaby się do przeszklenia dachu atrium.

Dalsze projekty, w których wielowarstwowe rury szklane powinny zostać

zastosowane jako elementy konstrukcji nośnej, są obecnie w planowaniu w różnych biurach architektów i projektów. Jednym z nich jest "Tube-Cube-House", w którym powinny zostać użyte wsporniki z wielowarstwowych rur szklanych, elementy rozpierające ściany szyb ze szkła klejonego oraz płyty stropowe z przezroczystych elementów warstwowych ze szkła.

Ten przestrzenny system konstrukcji otwiera nowatorskie możliwości oddziaływania przestrzennego z płynnymi, odbijającymi

światło i filtrującymi granicami.

Koncepcja ta przewiduje z góry możliwe kierunki rozwoju, które dzięki rozszerzonemu asortymentowi płaskich i mających kształt prętów szklanych elementów konstrukcyjnych mogą w przyszłości zyskać na znaczeniu. Wielowarstwowe rury szklane poszerzają zakres konstrukcyjnych elementów budowlanych i przyczyniają się do tego, aby urzeczywistnić niedające się dotychczas zrealizować szklane fantazje architektoniczne.