Архитектурное стекло – это стекло, которое используется в качестве строительного материала . Чаще всего его используют в качестве прозрачного материала для остекления ограждающих конструкций , включая окна во внешних стенах. Стекло также используется для внутренних перегородок и в качестве архитектурного элемента. При использовании в зданиях стекло часто относится к безопасному типу , к которому относятся армированные, закаленные и ламинированные стекла.
Литье стекла — это процесс, при котором стеклянные предметы отливаются путем направления расплавленного стекла в форму , где оно затвердевает. Эта техника использовалась с египетского периода. Современное литое стекло формируется с помощью различных процессов, таких как литье в печи или литье в песчаные, графитовые или металлические формы. Литые стеклянные окна, хотя и с плохими оптическими качествами, стали появляться в важнейших зданиях Рима и самых роскошных виллах Геркуланума и Помпеи. [10]
Одним из первых методов изготовления стеклянных окон был метод коронного стекла . Горячее выдувное стекло разрезали напротив трубы, а затем быстро вращали на столе, прежде чем оно успело остыть. Центробежная сила превратила горячий стеклянный шар в круглый плоский лист. Затем лист отрывали от трубы и обрезали, образуя прямоугольное окно, которое можно было вставить в раму.
В центре куска кронного стекла остался толстый остаток оригинального горлышка выдутой бутылки, отсюда и название «яблочко». Оптические искажения, создаваемые «яблочком», можно уменьшить, отшлифовав стекло. Появление решетчатых окон отчасти произошло потому, что три обычных ромбовидных стекла можно было удобно вырезать из куска стекла Crown с минимальными отходами и минимальными искажениями.
Этот метод изготовления плоских стеклянных панелей был очень дорогим и не мог быть использован для изготовления больших стекол. В 19 веке его заменили процессы с использованием цилиндров, листов и катаных листов, но он до сих пор используется в традиционном строительстве и реставрации.
В этом производственном процессе стекло выдувается в цилиндрическую железную форму. Концы обрезаются и делается надрез по боковой части цилиндра. Разрезанный цилиндр затем помещают в печь, где цилиндр разворачивается в плоские стеклянные листы.
Листовое тянутое стекло изготавливалось путем погружения лидера в ванну с расплавленным стеклом, а затем вытягивания лидера вверх, в то время как стеклянная пленка затвердевала прямо из ванны – это известно как процесс Фурко . Эту пленку или ленту непрерывно вытягивали, удерживая тракторами за оба края, пока она охлаждалась. Примерно через 12 метров вертикальная лента была отрезана и наклонена вниз для дальнейшего разрезания. Это стекло прозрачное, но его толщина может варьироваться из-за небольших изменений температуры сразу после ванны во время затвердевания. Эти изменения вызывают линии небольших искажений. Это стекло до сих пор можно увидеть в старых домах. Флоат-стекло заменило этот процесс.
Ирвинг Вайтман Колберн независимо разработал аналогичный метод. Он начал экспериментировать с этим методом в 1899 году, а производство началось в 1906 году. Он обанкротился, но его купил Майкл Джозеф Оуэнс . Поскольку метод был несовершенен, они продолжали совершенствовать его до 1916 года, когда почувствовали, что он идеален, и год спустя открыли стекольный завод, основанный на этой технологии. [11]
В 1838 году Джеймс Хартли получил патент на патентованную катаную пластину Хартли, изготовленную с помощью нового процесса литья стекла. Стекло выносят из печи в больших железных ковшах, которые переносят на стропах, передвигающихся по подвесным рельсам; из ковша стекло бросают на чугунную станину катающегося стола; и раскатывается в лист железным валком, причем процесс аналогичен процессу изготовления листового стекла, но в меньших масштабах. Свернутый таким образом лист грубо обрезается, пока он горячий и мягкий, чтобы удалить те части стекла, которые были испорчены непосредственным контактом с ковшом, и лист, все еще мягкий, вталкивается в открытое отверстие туннеля для отжига или при температуре управляемая печь, называемая лером , по которой она перемещается с помощью системы роликов.
Процесс полирования листового стекла начинается с листового или рулонного листового стекла. Это стекло имеет неточные размеры и часто создает визуальные искажения. Эти грубые стекла были отшлифованы, а затем отполированы. Это был довольно дорогой процесс.
До флоат-процесса зеркала представляли собой листовое стекло, поскольку листовое стекло имело визуальные искажения, подобные тем, которые можно увидеть в зеркалах в парках развлечений или на ярмарках развлечений.
В 1918 году бельгийский инженер Эмиль Бишеру усовершенствовал производство листового стекла, заливая расплавленное стекло между двумя валками, что привело к более равномерной толщине и меньшему количеству волнистости, а также уменьшило необходимость в шлифовке и полировке. Этот процесс был дополнительно усовершенствован в США. [12]
Сложные узоры на фигурном (или «соборном») катаном стекле производятся аналогично процессу катания листового стекла, за исключением того, что пластина отливается между двумя валками, на одном из которых нанесен узор. Иногда оба валика могут иметь рисунок. Рисунок наносится на лист печатным валиком, который опускается на стекло, выходя из основных рулонов, пока оно еще мягкое. На этом стекле изображен горельефный узор. Затем стекло отжигается в лере .
Стекло, используемое для этой цели, обычно более белого цвета, чем прозрачное стекло, используемое для других целей.
Лишь некоторые фигурные стекла могут быть закалены, в зависимости от глубины тисненого рисунка. Одиночное катаное узорчатое стекло, рисунок которого отпечатывается только на одной поверхности, можно ламинировать для получения безопасного стекла. Гораздо менее распространенное «двойное прокатанное фигурное стекло», в котором рисунок тиснен на обеих поверхностях, не может быть превращено в безопасное стекло, но уже будет толще, чем средняя фигурная пластина, чтобы вместить обе поверхности с рисунком. Окончательная толщина зависит от отпечатанного рисунка.
Девяносто процентов листового стекла в мире производится методом флоат -стекла [ нужна ссылка ] , изобретенным в 1950-х годах сэром Аластером Пилкингтоном из Pilkington Glass , при котором расплавленное стекло выливается на один конец ванны с расплавленным оловом . Стекло плавает на банке и выравнивается по мере растекания по ванне, создавая гладкую поверхность с обеих сторон. Стекло охлаждается и медленно затвердевает, проходя по расплавленному олову и покидая оловянную ванну сплошной лентой. Затем стекло отжигают путем охлаждения в печи, называемой лером . Готовое изделие имеет почти идеально параллельные поверхности.
На той стороне стекла, которая контактировала с оловом, на поверхности осталось очень небольшое количество олова. Благодаря этому качеству на эту сторону стекла легче нанести покрытие, чтобы превратить его в зеркало, однако эта сторона также мягче и ее легче поцарапать.
Стекло производится стандартной метрической толщины 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19 и 25 мм, при этом 10 мм является самым популярным размером в архитектурной индустрии. Расплавленное стекло, плавающее на олове в атмосфере азота/водорода, растечется до толщины около 6 мм и остановится из-за поверхностного натяжения . Более тонкое стекло получается путем растяжения стекла, пока оно плавает на олове и остывает. Точно так же более толстое стекло отодвигается назад и не имеет возможности расширяться при охлаждении на банке.
Призменное стекло — архитектурное стекло, преломляющее свет. На рубеже 20-го века его часто использовали для обеспечения естественного освещения подземных помещений и помещений, расположенных вдали от окон. [13] Призматическое стекло можно найти на тротуарах, где оно известно как освещение сводов , [14] в окнах, перегородках и навесах, где оно известно как призматическая плитка , а также как палубные призмы , которые использовались для освещения помещений внизу. палуба на парусных судах. Он мог быть богато украшен; Фрэнк Ллойд Райт создал более сорока различных дизайнов призматических плиток. [15] Современное архитектурное призматическое освещение обычно выполняется с помощью пластиковой пленки, наклеиваемой на обычное оконное стекло.[16]
Стеклянный блок, также известный как стеклянный кирпич, представляет собой архитектурный элемент, изготовленный из стекла , используемый в местах, где требуется конфиденциальность или визуальное затемнение при пропускании света, например, в подземных гаражах, туалетах и муниципальных плавательных бассейнах. Стеклянный блок был первоначально разработан в начале 1900-х годов для обеспечения естественного освещения на промышленных предприятиях .
Отожженное стекло — это стекло без внутренних напряжений, вызванных термической обработкой, т. е. быстрым охлаждением, или закалкой или термическим упрочнением. Стекло становится отожженным, если его нагреть выше точки перехода, а затем дать ему медленно остыть без закалки. Флоат-стекло подвергается отжигу в процессе производства. Однако большая часть закаленного стекла изготавливается из флоат-стекла, прошедшего специальную термообработку.
Отожженное стекло разбивается на крупные зазубренные осколки, которые могут привести к серьезным травмам и считаются опасными в архитектурном применении. Строительные нормы и правила во многих частях мира ограничивают использование отожженного стекла в местах, где существует высокий риск поломки и травм , например, в ванных комнатах , дверных панелях, пожарных выходах и на небольшой высоте в школах или жилых домах. В таких условиях необходимо использовать безопасное стекло , например ламинированное или закаленное , чтобы снизить риск травм.
Многослойное стекло производится путем склеивания двух или более слоев стекла вместе с промежуточным слоем, например, ПВБ , под воздействием тепла и давления для создания единого листа стекла. При разрушении промежуточный слой удерживает слои стекла вместе и предотвращает его разрушение. Промежуточный слой также может придать стеклу более высокий уровень звукоизоляции .
Существует несколько типов ламинированных стекол, изготовленных с использованием разных типов стекла и прокладок, которые при разбиении дают разные результаты.
Ламинированное стекло, изготовленное из отожженного стекла, обычно используется, когда важна безопасность, но закалка невозможна. Лобовые стекла обычно представляют собой ламинированные стекла. При разрушении слой ПВБ предотвращает распад стекла, создавая узор растрескивания в виде «паутинки».
Закаленное многослойное стекло разбивается на мелкие кусочки, предотвращая возможные травмы. Когда оба куска стекла разбиты, возникает эффект «мокрого одеяла», и стекло выпадает из отверстия.
Термоупрочненное многослойное стекло прочнее отожженного, но не такое прочное, как закаленное. Его часто используют там, где важна безопасность. У него более крупный рисунок излома, чем у закаленного, но поскольку оно сохраняет свою форму (в отличие от эффекта «мокрого покрытия» закаленного многослойного стекла), оно остается в проеме и может выдерживать большую силу в течение более длительного периода времени, что значительно усложняет задачу. пройти через.
Ламинированное стекло имеет свойства, аналогичные баллистическому стеклу , но их не следует путать. Оба изготовлены с использованием промежуточного слоя ПВБ, но имеют совершенно разную прочность на разрыв. Баллистическое стекло и многослойное стекло соответствуют разным стандартам и имеют разную структуру разрушения. [17]
Термоупрочненное стекло, или закаленное стекло, представляет собой стекло, подвергнутое термической обработке для того, чтобы вызвать сжатие поверхности, но не до такой степени, чтобы оно «разбилось на кости» при разрушении, как закаленное стекло. При разбивании закаленное стекло разбивается на острые куски, которые обычно несколько меньше тех, которые образуются при разбивании отожженного стекла, и занимают промежуточное положение по прочности между отожженным и закаленным стеклом.
Термоупрочненное стекло может выдержать сильный прямой удар, не разбиваясь, но имеет слабую кромку. Просто постукивая по краю термоупрочненного стекла твердым предметом, можно разбить весь лист.
Химически упрочненное стекло – это вид стекла, обладающий повышенной прочностью. Когда оно разбивается, оно все равно разбивается на длинные заостренные осколки, похожие на флоат-стекло (отожженное). По этой причине оно не считается защитным стеклом и, если требуется защитное стекло, должно быть ламинировано. Химически упрочненное стекло обычно в шесть-восемь раз прочнее отожженного стекла.
Стекло химически упрочняется путем его погружения в ванну, содержащую соль калия (обычно нитрат калия) при температуре 450 ° C (842 ° F). Это приводит к замене ионов натрия на поверхности стекла ионами калия из раствора ванны.
В отличие от закаленного стекла, химически упрочненное стекло можно резать после закалки, но оно теряет свою дополнительную прочность примерно на расстоянии 20 мм от разреза. Точно так же, когда поверхность химически упрочненного стекла глубоко царапается, эта область теряет дополнительную прочность.
На фонарях некоторых истребителей использовалось химически упрочненное стекло .
Стекло, покрытое веществом с низкой излучательной способностью, может отражать лучистую инфракрасную энергию, позволяя лучистому теплу оставаться на той же стороне стекла, из которого оно исходит, пропуская при этом видимый свет. Это часто приводит к повышению эффективности окон, поскольку лучистое тепло, исходящее из помещения зимой, отражается обратно внутрь, а инфракрасное тепловое излучение солнца летом отражается, сохраняя внутри прохладу.
Электрообогреваемое стекло – относительно новый продукт, который помогает находить решения при проектировании зданий и транспортных средств. Идея обогрева стекла основана на использовании энергосберегающего низкоэмиссионного стекла, которое, как правило, представляет собой простое силикатное стекло со специальным покрытием из оксидов металлов . Нагреваемое стекло можно использовать во всех видах стандартных систем остекления , изготовленных из дерева, пластика, алюминия или стали.
Недавней инновацией (Pilkington Glass, 2001 г.) является так называемое самоочищающееся стекло , предназначенное для применения в строительстве, автомобилестроении и других технических целях. Нанометровое покрытие из диоксида титана на внешней поверхности стекла обеспечивает два механизма, которые приводят к свойству самоочищения. Первый – фотокаталитический эффект, при котором ультрафиолетовые лучи катализируют расщепление органических соединений на поверхности окна; второй — гидрофильный эффект, при котором вода притягивается к поверхности стекла, образуя тонкий слой, смывающий разложившиеся органические соединения.
Изоляционное стекло, или двойное остекление, состоит из окна или элемента остекления, состоящего из двух или более слоев остекления, разделенных прокладкой по краю и герметизированных для создания мертвого воздушного пространства между слоями. Этот тип остекления выполняет функции теплоизоляции и шумоподавления . Когда пространство заполнено инертным газом, это является частью энергосберегающего архитектурного проекта для зданий с низким энергопотреблением .
Инновацией 1994 года в области изолированного остекления стало вакуумное стекло, которое до сих пор коммерчески производится только в Японии и Китае. [18] Чрезвычайная тонкость эвакуированного остекления открывает множество новых архитектурных возможностей, особенно в консервации зданий и исторической архитектуре, где эвакуированное остекление может заменить традиционное одинарное остекление, которое гораздо менее энергоэффективно.
Вакуумированный стеклопакет изготавливается путем герметизации краев двух стеклянных листов, обычно с помощью припоя стекла, и вакуумирования пространства внутри с помощью вакуумного насоса. Вакуумированное пространство между двумя листами может быть очень неглубоким, но при этом быть хорошим изолятором, позволяя получить изоляционное оконное стекло с номинальной толщиной всего 6 мм. Причины такой малой толщины обманчиво сложны, но потенциальная изоляция по существу хороша, потому что в вакууме не может быть конвекции или газопроводности.
К сожалению, вакуумное остекление имеет некоторые недостатки; его изготовление сложное и трудное. Например, необходимым этапом изготовления вакуумного остекления является дегазация ; то есть нагревание его для высвобождения любых газов, адсорбированных на внутренних поверхностях, которые в противном случае могли бы позже выйти и разрушить вакуум. В настоящее время этот процесс нагрева означает, что вакуумированное остекление не может быть подвергнуто ужесточению или термоупрочнению. Если требуется вакуумированное безопасное стекло, оно должно быть ламинированным. Высокие температуры, необходимые для газовыделения, также имеют тенденцию разрушать высокоэффективные «мягкие» низкоэмиссионные покрытия, которые часто наносятся на одну или обе внутренние поверхности (т.е. те, которые обращены к воздушному зазору) других форм современного изоляционного остекления, например во избежание потери тепла из-за инфракрасного излучения. Однако для вакуумного остекления все же подходят несколько менее эффективные «твердые» покрытия.
Кроме того, из-за атмосферного давления, присутствующего снаружи вакуумированного стеклопакета, два его стеклянных листа должны каким-то образом удерживаться отдельно, чтобы предотвратить их сгибание и соприкосновение друг с другом, что помешало бы объекту вакуумирования стеклопакета. Задача разделения стекол выполняется с помощью проставочной сетки, которая обычно состоит из небольших дисков из нержавеющей стали, расположенных на расстоянии около 20 мм друг от друга. Прокладки настолько малы, что их видно только на очень близком расстоянии, обычно до 1 м. Однако тот факт, что прокладки проводят некоторое тепло, часто в холодную погоду приводит к образованию временных сетчатых узоров на поверхности вакуумированного окна, состоящих из небольших кругов внутреннего конденсата, сосредоточенных вокруг прокладок, где стекло немного холоднее среднего, или, когда на улице роса, на внешней поверхности стекла появляются небольшие кружочки, в которых роса отсутствует, поскольку проставки делают стекло рядом с ними немного теплее.
Теплопроводность между стеклами, вызванная распорками, имеет тенденцию ограничивать общую изоляционную эффективность вакуумированного остекления. Тем не менее, вакуумированное остекление по-прежнему обладает такими же изоляционными свойствами, как и обычное двойное остекление гораздо большей толщины, и имеет тенденцию быть более прочным, поскольку два составных листа стекла прижимаются друг к другу атмосферой и, следовательно, реагируют практически как один толстый лист на изгибающие силы. Вакуумное остекление также обеспечивает очень хорошую звукоизоляцию по сравнению с другими популярными типами оконного остекления.
Самым последним строительным кодексом, действующим в большинстве юрисдикций США, является Международный строительный кодекс 2006 года (IBC, 2006). Ссылки IBC 2006 г. на издание 2005 г. Стандартных минимальных расчетных нагрузок для зданий и других конструкций, подготовленных Американским обществом инженеров-строителей (ASCE, 2005 г.) для его сейсмических положений. ASCE 7-05 содержит особые требования к ненесущим компонентам, включая требования к архитектурному стеклу. [19]
При неправильном проектировании вогнутые поверхности с большим количеством стекла могут действовать как концентраторы солнечной энергии в зависимости от угла падения солнца, потенциально травмируя людей и нанося ущерб имуществу. [20]
Закаленное (или закаленное) стекло изготавливается из стандартного флоат-стекла и представляет собой ударопрочное безопасное стекло. Если флоат-стекло разобьется, оно разобьется на очень острые и опасные осколки. В процессе закалки стекла возникает напряжение между внутренней и внешней поверхностями стеклянной панели, что увеличивает ее прочность, а также гарантирует, что в случае разрушения стекло расколется на маленькие, безвредные кусочки стекла. Панели из граненого стекла помещаются в закалочную печь. Здесь стеклянные панели нагреваются до температуры более 600 градусов C, а затем поверхности быстро охлаждаются холодным воздухом. Это создает растягивающие напряжения на поверхности стекла с более теплыми внутренними частицами стекла. Когда верхняя толщина стекла охлаждается, она сжимается и заставляет соответствующие стеклянные элементы сжиматься, создавая напряжения в стеклянной панели и увеличивая прочность. [21]
{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )