Szkło jest podstawowym materiałem stosowanym od lat w architekturze, pierwotnie w zastosowaniu na okna budynków, a w nowoczesnej architekturze od czasów prezentacji Crystal Palace (rys.1), jako element architektoniczny o przeważającej funkcji estetycznej. Współcześnie produkuje się wielką gamę produktów szklanych o różnorodnych cechach, funkcjach, ale też cenie.  Najważniejsze współcześnie parametry szkła to: przepuszczalność światło i energii, oddawanie barw, emisyjność, izolacja cieplna, właściwości akustyczne, bezpieczeństwo, ochrona przeciwpożarowa. Jednym  ze współczesnych „szklanych budynków” jest Centrala Zdrowia Basków w Bilbao (rys.2).

Rys.1. Pałac Kryształowy (arch J. Paxton (1851) [1]

Rys.2. Basque Health Department Headquarters, Bilbao ( arch J. Coll-Barreu, D. Gutiérrez Zarza)(2008), [2]

Krótka historia szkła architektonicznego

Pierwsze tafle szklane w zastosowaniu do budownictwa pojawiły się ponad 2000 lat temu w zastosowaniu na przezroczyste przegrody, zamykające wejścia do budowli, osłaniające przed wiatrem zimnem i deszczem.

Powszechne stosowanie szkła w budownictwie rozpoczyna się kilkaset lat temu, a dopiero w XX wieku następuje znacząca poprawa jakości szkła i stosowanie go w budynkach mieszkalnych i publicznych.

Pod koniec lat 40-tych pojawiła się koncepcja szyb zespolonych. które maiły zwiększyć izolacyjność cieplną., ale największy rozwój technologii szyb nastąpił po kryzysie energetyczny w latach 70-tych. Od tego czasu kształtowała się technologia produkcji nowoczesnego szkła: powlekanego, laminowanego, aktywnego (z  wbudowanymi elementami foto galwanicznymi), a także rozwiązań umożliwianych: zwiększony komfort cieplny, ochronę przed przegrzewaniem, optymalny wykorzystanie energii słonecznej, komfort akustyczny, oraz bezpieczeństwo mechaniczne na uderzenia i pożarowe.

Największym na świcie eksporterem szkła w XIX wieku była Belgia, po tym jak belgijski inżynier Emile Fourcalt wraz z Emile Gobbe stworzyli pierwszy zmechanizowany system produkcji szkła. Zastosowali technologię pionowego wyciągania szkła w miejsce ręcznego wydmuchiwania.  Belgijska firma Glaverbel otworzyła pierwszą w Europie, rewolucyjną linię produkcji szkła flot, która jest stosowana do dziś [3].

Właściwości szkła architektonicznego

Najważniejsze funkcje szkła

Szkło całkowicie opanowało budownictwo komercyjne jako materiał wykorzystywany w elewacjach najczęściej wielkich biurowców. Obecnie  prywatni inwestorzy coraz częściej zamawiają projekty budynków z przeszklonymi ścianami zewnętrznymi. Stwarzają one poczucie dużej przestrzeni i komfortu, jaki zapewnia oddziaływanie naturalnego światła.

Nowoczesne przeszklenia w zależności od indywidualnych potrzeb i wymagań muszą spełniać wiele dodatkowych funkcji tj.:

• oszczędność energii:
  – ochrona przed utratą ciepła (termoizolacja)
  – ochrona przeciwsłoneczna
• ochrona przed zranieniem, przed włamaniem itd. (bezpieczeństwo)
• ochrona przed hałasem

Jedną z ważniejszych zagadnień współczesnej architektury jest przepuszczalność energii przez okna i fasady.

Przepuszczalność światła i energii

Przepuszczalność światła i energii słonecznej, to obecnie dwie przeciwstawne cechy: pierwsza korzystna, a druga najczęściej nieakceptowana. Regulację obu cech nazywamy selektywnością, którą realizuje się poprzez zastosowanie szkła selektywnego.

Na rys. 1 pokazano  schemat zjawiska przepuszczalności oraz przenikania energii. Współczynnik przenikania światła $\tau_v$ (LT czyli transmisyjność) oraz odbicia $\rho_v$ (LR czyli refleksyjność) odnosi się tylko do widzialnej części widma słonecznego ( pomiędzy 380 a 780 nm) i określa odpowiednio cześć światła widzialnego przepuszczonego i odbitego przez szybę. Promieniowanie pochłonięte przez szybę nie jest widoczne i nie bierze się go pod  uwagę. Energia słoneczna przenika do wnętrza pomieszczenia $g$ (lub SF) poprzez transmisję bezpośrednią $\tau_e$ (lub DET) oraz emisję wtórną $q_i$, $g=\tau_e +q_i$.

Rys.1. Przenikanie przez szkło: a) światła, b) energii słonecznej [3], pkt 2.1.

Pomiędzy poszczególnymi współczynnikami zachodzi:

$\rho_e+\tau_e+\alpha_e=1 \, \, lub \, ER+DET+EA=100$

i $ \alpha_e=q_i +q_e$

Całkowita ilość energii cieplnej przedostającego się do pomieszczenia składa się z energii promieniowania słonecznego (światła widzialnego), promieniowania ultrafioletowego i podczerwonego. Ograniczenie transmisji energii bez zmniejszenia przedostawania się światła widzialnego polega na ograniczeniu promieniowania UV i podczerwonego poprzez zastosowania stosownych filtrów, powłok. Szkło z taka powłoką nazywa się selektywnym. Selektywność szkła definiujemy jako stosunek współczynnika przenikania światła (LT) do współczynnika całkowitej przepuszczalności energii słonecznej (SF), czyli selektywność LT/SF. Selektywność mieści się w przedziale 1 do 2,33:

$>0$ odpowiada szkłu nieprzejrzystemu o zerowym poziomie przenikania światła

$>2,33$  odpowiada szkłu o optymalnych własnościach  selektywnych , przy z założeniu, że stanowi 43% widma słonecznego.

Na rys. 2 zilustrowano zjawisko selektywności szkła.

Rys. 2 Selektywność szkła

[3], pkt 2.1.}”]

Współczynnik oddawania barw

Postrzeganie barwy przez oko ludzkie zależy nie tylko od własności obserwowanego obiektu, ale również od natężenia oświetlenia, wrażliwości oka, otoczenia. W przypadku przejścia światła przez szkło wpływ ma barwa samego szkła , grubość tafli, struktura szkła itd. Wierność oddawania rzeczywistej barwy przez szkło mierzy się współczynnikiem oddawania barw RD65 (Ra), przedstawiającym różnice w kolorze pomiędzy ośmioma próbkami barw testowych, oświetlonych przez iluminat D65, bezpośrednio po przejściu przez szkło. Im wyższa wartość współczynnika, tum wierniejsze postrzeganie koloru po przejściu przez szkło.

Emisyjność

Emisyjność materiału zwykle oznaczana $\varepsilon$ lub $e$ jest względną zdolnością powierzchni do emisji energii poprzez promieniowanie. Jest to stosunek energii wypromieniowanej przez ciało do energii wypromieniowanej przez ciało doskonale czarne. i wynosi $\varepsilon \le 1$ (tylko dla ciała czarnego $\varepsilon =1$). Emisyjność zależy od temperatury, kąta emisji i długości fali. Szkło okienne z reguły ma wysoką emisyjność . Aby zwiększyć wydajność cieplną (właściwości izolacyjne) na surowe szkło sodowo-wapniowe nanosi się cienkie powłoki. W tym celu stosuje się dwie podstawowe metody pirolityczną (chemiczne osadzanie z fazy gazowej) i magnetronową. Emisyjność na poziomie 0.2 oznacza , że 80% ciepła absorbowanego prze szybę trafi z powrotem do pomieszczenia $\varepsilon=1_TR-RE=1-RE$. Normalna emisyjność tafli szkła bezbarwnego wynosi 0,89 , podczas gdy emisyjność szkieł z naniesionymi powłokami pirolitycznymi mieści się w zakresie 0,15 do 0,30 a z powłokami magnetronowymi jest niż 0,01 do 0.04.

Izolacja cieplna i i główne rodzaje szyb

 Ciepło przenika przez szybę w wyniku trzech standardowych procesów, zobrazowanych na rys.3:

• przewodzenia,
• konwekcji,
• promieniowania.

Rys.3 Sposoby przenikania ciepła przez szybę

[3], pkt 2.4.}”]

W tab. 1 podano wartości współczynnika przenikania ciepła dla różnych rodzajów szyb izolacyjnych. Współczynnik jest wyznaczamy w centralnym punkcie szyby, tj. z wyłączeniem efektu mostka termicznego obrzeżach szyby, polegającego na stratach ciepła na skutek kontaktu z ramką dystansową i ramą.

Tab.1. Współczynnik przenikania ciepła $U_g$ [W/m K] dla różnych rodzajów szyb
[3], pkt 2.4.2..}”]

Na rys. 4 pokazano budowę standardowej szyby zespolonej. Wykonana ona jest z dwóch tafli szkła oddzielonych ramka dystansową i przestrzenią wypełnioną osuszonym powietrzem. Ponieważ przewodność cieplna powietrza wynosi $\lambda=0,025$ W/mK (przy przewodności szyby 1,0 W/mK) podstawowym materiałem izolacyjnym jest właśnie powietrze. Zwykle stosuje się numerację tafli szkła w kierunku od zewnątrz do wewnątrz od #1 do #4 , a w przypadku szyb dwukomorowych do #6. Dużo lepsze własności termiczne uzyskuje się po zastąpieniu powietrza gazem szlachetnym argonem lub kryptonem, o współczynniku przewodzenia odpowiednio $\lambda=0,017$ lub $0,009$W/mK.

Na rys.5 pokazano szybę wysokowydajną, czyli z dodatkową powłoką niskoemisyjną. Stosuje się powłoki miękkie (nakładane magnetronowo) lub twarde ( nakładane na linii produkcji szkła float).

Rys.5 Szyba niskoemisyjna

[3], pkt 2.4.3}”]

Standardowe powłoki niskoemisyjne nanoszone są na powierzchnię #4, ale mogą być również na #2. Nie zaleca się umieszczanie obok siebie standardowych i wysokowydajnych szyb obok siebie, ze względu na inne oddawanie barw, co może obserwatora wprowadzić w błąd. Tradycyjne metalowe ramki dystansowe można na życzenie zastąpić ciepłymi ramkami z tworzywa sztucznego, które mogą być wzmacniane stalą. Zastosowanie ciepłej ramki dystansowej znacznie zwiększa izolacyjność okna , ale nie wpływa na zmianę normowego współczynnika $U_g$.

Emisyjność wpływa na długofalowe promieniowanie podczerwone i nie ma praktycznie żadnego wpływu na promieniowanie słoneczne to znaczy stosowanie wysokowydajnych szyb zespolonych umożliwia zwiększenie izolacji cieplnej, i zysków energetycznych. Aby uzyskać właściwości łączące izolację cieplną i kontrolę słoneczną należy użyć innych powłok, które połączą te dwie funkcje.

Istotne zwiększenie izolacyjności szyby uzyskuje się przez zastosowanie dwóch komór wypełnionych powietrzem zgromadzonym pomiędzy trzema szybami (#1 do #6). Uzyskuje się współczynnik przenikalności $U_g$ od 0,5 do 0,7 W/mK w zależności od zastosowanej konstrukcji (powłoki, gaz, grubość ramek itp). Rozwiązania takie stosuje się w budynkach niskoenergetycznych lub pasywnych. Rozwiązanie  ma również swoje wady, a przede wszystkim zwiększenie grubości i masy,  zmniejszenie  przepuszczalności światła oraz energii. Aby poprawić te dwa ostatnie parametry opracowano specjalne powłoki niskoemisyjne (iplus LS oraz iplus ST). Ponadto zwiększone jest ryzyko wystąpienia krytycznych naprężeń cieplnych, zwłaszcza tafli umieszczonych centralnie.

Temperatura powierzchni szyb zespolonych i kondensacja pary

Poczucie komfortu cieplnego w pomieszczeniu zależy nie tylko od panującej w nim temperatury, ale również oddziaływania zmiennych powierzchni w tym ścian i okien. Dlatego ważna jest temperatura powierzchni wewnętrznej szyb, by ciało ludzkie z temperaturą powierzchni ok. 28^oC nie działało jak grzejnik, wskutek czego odczuwane jest nieprzyjemne uczucie chłodu. Zastosowanie wysokowydajnego zespolenia pozwala nie tylko ograniczyć straty energii, ale również zapobiega dyskomfortowi cieplnemu spowodowaną bliskości do zimnych powierzchni (rys.6)

Rys. 6.  Temperatura szyb w zależności od współczynnika przenikania ciepła U_g

[3], pkt 2.4.4.}”]

Na powierzchni szkła obserwujemy trzy rodzaje kondensacji pary wodnej:

• kondensacja powierzchniowa po stronie wewnętrznej (#4 DGU lub #6 TGU), która wystąpi przy dużej wilgotności w pomieszczeniu lub niskiej temperaturze powierzchni szyby. Przy prawidłowo zastosowanej szybie zespolonej kondensacja taka nie powinna wystąpić,
• kondensacja powierzchniowa po stronie zewnętrznej (#1 DGU lub TGU), która może wystąpić na wykowydajnych szybach o świcie , po bezchmurnej i bezwietrznej nocy.
• kondensacja wewnątrz szyby, która nie powinna wystąpić, a jej ujawnienie oznacza uszkodzenie okna (najczęściej uszczelki) i zwykle wymagana jest wymiana szyby.

Szyby bezpieczne

W szeregu zastosowaniach architektonicznych, np. witryny wewnątrz budynku, barierki itd., wymagane jest zastosowanie szkła, które zapewni bezpieczeństwo użytkowników w przypadku nagłego mechanicznego uszkodzenia. W razie stłuczenia szyby nie powinny powstać odłamki, które mogą spowodować skaleczenia osób , a także wypadnięcia.  Odrębnym zagadnieniem są wymagania dla szyb antywłamaniowych i kuloodpornych (pancernych).

Na rys. 7 zestawiono schamty rozprysku szkła surowego float i rozpryski po kilku rodzajach zabiegów: wzmacnianiu termicznym, zbrojeniu, hartowaniu i laminowaniu.

Rys. 7 . Schematy rozprysku szkła: a) surowe float, b) wzmocnienie termiczne, c) zbrojone, d) hartowne, e) laminowane

[3], pkt 2.6.}"]
 

Ochrona przeciwpożarowa

W ostatnim czasie wymagania odporności przeciwpożarowej przeszkleń budynków zyskuje coraz bardziej na znaczeniu.

Jako ogniochronne wyroby szklane mogą być stosowane:

• szkła zbrojone polerowane. W razie pożaru szkło pęka, ale nie ulega rozpryskowi dzięki siatce metalowej, a po osiągnieciu punktu mięknięcia powstałe pęknięcia ulegają ponownemu scaleniu
• szkło hartowane termicznie. Hartowanie poprawia odporność szkła na naprężenia rozciągającej szok termiczny
• szkło laminowane z pęczniejącymi warstwami wewnętrznymi.

Zasadę działania szkła laminowanego z warstwami pęczniejącymi pokazano na rys. 8. W rekcji na ogień warstwy wewnętrzne pęcznieją, tworząc barierę chroniąca przed ogniem. W normalnych warunkach warstwy wewnętrzne szkła umożliwiają przenikanie światła przez taflę. Natomiast w przypadku pożaru rozszerzają się i zamieniają w sztywną , nieprzejrzystą i pochłaniającą ciepło osłonę ogniową. Im większa liczab warstw tym wiesza ochrona cieplna. W praktyce uzyskuje się szkło o odporności EW 30 do EW 60 , a nawet do EI 120.

Rys. 8 Zasada działania szkła ogniochronnego

[3], pkt 2.7.3.}”]

Ochrona akustyczna

Podstawowe definicje

Na rys. 9a zdefiniowano dwa podstawowe pojęcia: a= częstotliwość, czyli liczba fal na sekundę,  oraz natężenie, czyli wysokość fali.

Ze względu na zbyt dużą skalę (od 2·10^-5 do 20 a nawet 100 Pa) analizuje się nie ciśnienie akustyczne, ale jego poziom L_p mierzony w decybelach, który jest logarytmiczną miarą względną, wyznaczaną ze wzoru:

 L_p=10 log  (p²\p₀²)=20 log (p/p₀) dB,

gdzie:
p – ciśnienie akustyczne danej fali dźwiękowej,
p₀ – poziom odniesienia odpowiadający progowi słyszalności 2·10^-5 Pa.

Na rys. 9b przedstawiono zależność ciśnienia akustycznego z jego poziomem dla kilku przykładowych źródeł hałasu i związanych z nimi odczuciami. W przypadku kilku niezależnych żródeł hałasu o wartościach p₁, p₂, p_i – powstałe ciśnienie p, oblicza się sumując kwadraty:

p²=p₁²+p₂²+p_i²,  czyli poziom hałasu sumuje się nie wprost ale wg zależności:

L_p=10 log[ [(p₁²+p₂²+p_i²)/p₀²].

Przykładowo  przy dwóch równie silnych dzwiękach poziom nie będzie dwukrotnie większy, ale wzrośnie o 3 dB, a różnica ta będzie ledwo odróżnialna -słyszalna.

Rys.9: a)częstotliwość a i natężenie b, b) ciśnienie akustyczne i poziom ciśnienia w przykładach, c) maksymalne wartości ciśnienia akustycznego w pomieszczeniach, d) dobór wskaźnika adaptacyjnego dla obliczenia wartości jednoliczbowego wskaźnika izolacyjności akustycznej w zależności od źródła hałasu

[3], pkt 2.5.}”]

W tab.1. podano dopuszczalny pziomy hałasu w pomieszczeniach zgodnie z polska normą z 1987 roku.

Tab.1Dopuszczalny poziom dzwieku w pomieszczeniach PN-87/B-02151/02

* Np pochodzący od centralnego ogrzewania, wentylacji, stacji transformatorowych.
** Np pochodzący od urządzeń dzwigowych, ze zsypów śmieciowych itp
*** Należy przyjmować indywidualnie w podanych granicach w zalezności od kategorii obiektu
****Należy przyjmować indywidualnie w podanych granicach w zalezności od rodzaju zajęć

Dla ludzkiego ucha różnica poziomu dźwięku jest odbierana następująco:

• $\le 1$ dB jest praktycznie niesłyszalna
• $\le 3$ dB jest ledwo słyszalna
• $> 5$ dB jest wyraźnie słyszalna

Na rys. 9b podano maksymalny , dopuszczalny poziom ciśnienia akustycznego w zależności od rodzaju pomieszczenia i wykonywanych w nim czynności.

Słyszalne dźwięki są złożone z nakładających się na siebie różnych częstotliwości i ciśnień, tworząc widmo zawierające wszystkie częstotliwości. Przykład takiego widmo pokazano na rys. 10a. Na kolejnych wykresach rys. 10 pokazano widma dźwięku wywołane hałasem zewnętrznym (rys 1ob); porównano prawo częstotliwości w teorii i praktyce, prawo masy w teorii i praktyce i wreszcie przedstawiono widoma dla szyby pojedynczej, zespolonej, laminowanej, z folią akustyczną.

Rys. 10. Widma dźwięku: a) przykład zwykłego dźwięku, b) hałas zewnętrzny, c), d) prawo częstotliwości w teorii i praktyce, e), f) prawo masy w teorii i praktyce, g), h) porównanie widma dla szyby zespolonej 4-12-4 z szyba pojedynczą 4 mm oraz 8 mm, i) widma izolacyjności dla szyby pojedynczej 10 mm oraz szkła laminowanego oraz z folią akustyczną 55,2

[3], pkt 2.5.}”]

Z przedstawionych porównań można wyciągnąć następujące wnioski [3]:

• Przy zastosowaniu szyb pojedynczych:
  1) wzrost grubości niewiele wpływa na poprawę izolacyjności akustycznej,
  2) wykorzystania szkła laminowanego i dźwiękochłonnego szkła laminowanego znacząco poprawią izolacyjność akustyczną
• Przy zastosowaniu izolacyjnych szyb zespolonych:
  1) należy zawsze stosować asymetryczne szyby zespolone
  2) należy stosować szeroką komorą międzyszybową
  3)w większości przypadków warto stosować grube tafle szkła
  4) w miejsce tafli monolitycznej stosować szkło laminowane z tradycyjną lub ochronną folią PVB
  5) w przypadku szczególnie dużego natężenia hałasu należy stosować szkło laminowane z dźwiękochłonną folią PVB.

Jednocześnie nie mają wpływu na własności kaustyczne: wykorzystanie argonu (izolacja termiczna), zastosowanie szkła hartowanego, zastosowanie szkła powlekanego, kierunek montażu.

Przegląd wyrobów

Główni producenci w Polsce

• AGC
• EffectGlass
• Guardian
• Pilkington IGP
• Press-Glas
• Starglass

i inni.

Popularne szyby architektoniczne

Na rys. 11 przedstawiono najpopularniejsze konfiguracje stosowanych szyb z oznaczeniem ich poszczególnych powierzchni szklanych numerami odpowiadającymi ich miejscu w kolejności licząc od zewnątrz do wewnątrz.

Rys.11 Popularne konfiguracje szyb zespolonych (opis na rysunku) [4]

Współczesne szkła architektoniczne obejmują całą gamę opcji kolorystycznych i są wykonane w ten sposób, aby pod względem energooszczędności spełniać, a nawet wykraczać poza wymagania energetyczne. Stosowane są niskoemisyjne powłoki o wysokim współczynniku przepuszczalności światła widzialnego, współczynnika odbicia i zachowania energii.

Literatura

1. Wikipedia, (2016), Pałac Kryształowy, [ https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Pa%C5%82ac_Kryszta%C5%82owy&oldid=46944800 ]
2. Wkipedia, (2012), Top glass building, [https://www.google.pl/search?q=top+glass+building&client=firefox-b-ab&tbm=isch&imgil=Qucs9WorOnI_SM%253A%253B9Oz3SK-Yez_WAM%253Bhttp%25253A%25252F%25252Fwww.wonderslist.com%25252F10-amazing-glass-buildings-in-the-world%25252F&source=iu&pf=m&fir=Qucs9WorOnI_SM%253A%252C9Oz3SK-Yez_WAM%252C_&usg=__R8lkzMhWhlbVAQGNArFMi35oI5I%3D&biw=1280&bih=915&ved=0ahUKEwjjrJGxoKXQAhXMGCwKHYaUCgYQyjcILQ&ei=DxwoWKPpAcyxsAGGqaow#imgrc=oFxXgKuwBw9aYM%3A ]
3. AGC Glass Europe, (2015), Glass unlimited. Yourglass Pocket. PL, USA
4. Guardian, (2016), Popularne konfiguracje szyb, [http://www.guardian-czestochowa.com/content.php?ContentId=122 ]

________________________________