U radu je prikazano stanje na području konstrukcija od nosivog stakla i proces pripreme osnova za nove europske harmonizirane standarde iz obitelji Eurokoda. Prikaz strategije razvoja novog Eurokoda za konstrukcije iz stakla, prikaz organizacije budućih aktivnosti i prvog okvirnog sadržaja budućeg standarda u kojem će se posebna pozornost posvetiti sigurnosti.
Zadnjih tridesetak godina naglo se povećava upotreba nosivog stakla u građevinarstvu. Usmjerenost suvremene arhitekture i uvođenje novih materijala u konstrukcijske sisteme povećali su zanimanje za staklo kao materijal, koji pored odličnih mehaničkih svojstava, ima i osobine kakve ne srećemo u ostalih materijala. Tradicionalno poimanje stakla kao materijala koji se koristi kao nenosiv, u smislu primjene za konstrucijske elemente, naglo se mijenja, pa postoje primjeri uspješne izvedbe staklenih konstrukcija mostova, stubišta, međuetažnih konstrukcija, nosivih zidova, stupova i greda. Problem krtosti stakla i neotpornosti na udarce rješava se višeslojnim laminiranjem.
U većini slučajeva stakleni podovi se koriste kod pješačkih mostova ili u nekim izložbenim prostorima. Konstruiranje poda tada ovisi o tipu i količini prometa i o mjestu mosta. Nastoji se zaštititi staklo od pretjeranih kontakata i smjestiti ga u zaklonjena područja, jer površinska oštećenja vode do povećanja vlačnih naprezanja što vodi do sloma elementa. Stupanj robusnosti mora biti određen u skladu s količinom prometa i namjenom poda. Svi stakleni podovi danas su isključivo dimenzionirani za opterećenje pješaka.
Zidovi su razvijeni kako bi se korisnicima zgrade omogućio vizualni pristup okolini. Ne samo da stakleni zidovi povezuju okolinu s unutarnjim prostorom, već taj unutarnji prostor i štite od raznih vanjskih utjecaja. Stakleni zidovi u osnovi se ponašaju kao vrlo široki stakleni stupovi. Da podnesu opterećenje moraju imati određenu debljinu, a time i određen broj slojeva. Kao i kod stupova, projektanti moraju voditi brigu da se ne pojave koncentracije napona. Za smanjenje tog problema na minimum, ojačanja moraju biti što više u centru. Stakleni zidovi predstavljaju rizik u dva pogleda. Staklo može puknuti i prouzročiti ozljede ljudi i oštećenja imovine u blizini, te uzrokovati propadanje kroz sami materijal. Razvitak sigurnosnih stakala temeljen je na činjenici da se spriječe takve ozljede. Staklo mora ostati na mjestu minimalno 15 min nakon sloma ili mora izdržati nekoliko ciklusa od 60% dimenzioniranog vjetrovnog opterećenja. To će omogućiti adekvatnu evakuaciju ljudi iz opasnih područja. Stakleni zidovi mogu biti projektirani da imaju malu krutost i toleriraju velike progibe. Granica deformacija je tada određena prema psihološkom faktoru – ljudskoj percepciji sigurnosti. Obično je mjerodavna uporabivost, a maksimalni progibi se ograničavaju na l/50 do l/200. Čvrstoća stakla mijenja se ovisno o trajanju opterećenja.
Mnogi arhitekti izbjegavaju korištenje stupova jer zaklanjaju pogled i remete prostor. Mogućnost uporabe stupa izrađenog od stakla stvara vrlo zanimljiv vizualni prizor, skoro kao skulpturu koja ne prekida prostor već ga otvara i čini zanimljivijim. Upravo zbog estetskih razloga uporaba stakla kao nosivog stupa sve je veća. Iako se staklo najbolje ponaša u tlaku, vrlo je malo inženjera i arhitekata koji dizajniraju i dimenzioniraju nosive staklene stupove. Razlog tome je strah da ne dođe do krtog loma. U prilikama kada se koriste stakleni stupovi, konstrukcija mora biti robusna i izdržati gubitak staklenog stupa ili zida bez kolapsa, a sam stup mora biti zaštićen od slučajnih nesreća koje mogu nastupiti. Principi dimenzioniranja staklenih stupova slični su kao i kod neojačanih pregrada i zidova. Primijenjeno opterećenje mora biti vrlo pažljivo distribuirano na stakleni stup kako bi se izbjegla mogućnost pojave lokalnih koncentriranih naprezanja koja bi mogla dovesti do loma. Rubovi staklenih panela moraju biti učvršćeni žljebovima kako bi se ponovo izbjegle koncentracije napona na rubovima. Za osiguranje konstruktivnosti svih slojeva stakla koriste se čelične papuče koje pridržavaju staklo i injektirana žbuka za zapunjavanje prostora između staklenih rubova i čeličnih papuča. Primjenom opterećenja stup se deformira i razvijaju se unutarnja i rubna naprezanja. Staklo se pod povećanjem aksijalne pritiskajuće sile deformira elastično sve do loma. Vrlo je važno minimizirati izloženost stupa iznenadnom udaru ili abraziji postavljajući ga u sklonjeno područje.
Kao i grede, stakleni stupovi najčešće propadaju zbog nedostatka stabiliteta, što uključuje izvijanje i poprečno torzijsko izvijanje. Testovi rađeni na laminiranom staklu pokazuju nam viskozno elastično ponašanje elementa. Vrijede Eulerovi principi izvijanja, ali mora se upotrijebiti odgovarajući koeficijent sigurnosti. Ako su uvjeti za izvijanje stupa zadovoljeni, granica tlačnih naprezanja će vjerojatno isto biti zadovoljena. Bez obzira na dimenzije stupa, stup ne smije biti izložen izravnom pritiskajućem naprezanju jer bi se slomio uzduž posmične ravnine. Kritično opterećenje koje bi induciralo nedostatak stabilnosti, ne smije se nikada u praksi primijeniti zbog svojstvenih grešaka materijala koji smanjuju nosivost elementa. Osnovni faktori koji utječu na nosivost stupa su debljina stakla, inicijalne geometrijske deformacije i naprezanja koja dovode do sloma.
Grede se izvode kao oslonjene ili konzole. Raspon staklenih greda je ograničen dužinom pojedinačnih komada izrađenog stakla, za laminirano staklo raspon je oko 4,5 m, a za kaljeno staklo oko 3,9 m. Grede moraju biti dimenzionirane da izdrže minimalna vlačna naprezanja. Vlačni napon pospješuje pukotine na mikroskopskoj razini. Većina greda dimenzionirana je sa znatnim rezervama ili tako da čelični kablovi prenose vlačna naprezanja, a staklu prepuste tlak. Svaka imperfekcija materijala dramatično smanjuje mogućnost grede da podnese vlačni napon. Za izračun maksimalnih naprezanja koristi se metoda konačnih elemenata. Svi tanki strukturalni dijelovi mogu postati nestabilni ako nisu propisno učvršćeni, pa posebno treba voditi brigu o pravilnom učvršćavanju greda.
Problemi spajanja staklenih elementa u konstrukcijske sastave uglavnom se rješavaju metalnim veznim sustavima, ali i lamelirano drvo te suvremeni kompoziti mogu dati zanimljiva rješenja. Projektiranje konstrukcija iz stakla za sada je ograničeno na razmjerno uzak krug stručnjaka i projektantskih biroa, koji su često vezani uz proivođače ravnog stakla i posebnih elemenata za pričvršćivanje staklenih panela. Industrija stakla nudi veliki izbor različitih proizvoda, koji su namijenjeni građevinarstvu i zainteresirana je za njihovu što veću primjenu.
Inače, povećanje primjene stakla u građevinarstvu ograničeno je zbog nedostatka odgovarajućih propisa, koji bi projektantima i izvođačima omogućili širu primjenu stakla i osigurali građenje konstrukcija odgovarajuće sigurnosti. Nedostatak propisa ograničava također i sustavnije uvođenje problematike građenja sa staklom u nastavne programe tehničke struke. Problem može riješiti koordinirana suradnja industrije, organizacija zaduženih za standardizaciju, certifikacijskih organa i stručnjaka s instituta i sveučilišta uz potporu organa Europske Unije, koji su zaduženi za daljnji razvoj tehničke regulative. Okvir takvoj suradnji daju zahtjevi važeće Direktive o građevinskim proizvodima (89/106/EC) [1] i posebice »Guidance Paper L« [2] na osnovu kojeg je Europska komisija izdala posebnu preporuku (2003/887/EC) u vezi sa uvođenjem i uporabom Eurokoda. Na osnovu navedene preporuke je EU Joint Research Center – Ispra organizirao suradnju međunarodne grupe od trideset stručnjaka iz četrnaest europskih zemalja, koji su putem rezultata vlastitih istraživanja, izmjene informacija između članova skupine i više zajedničkih sastanaka, pridonijeli izradi dokumenta [3] i [4], koji je omogućio pokretanja aktivnosti za pripremu prijedloga novog Eurokoda za projektiranje i građenje konstrukcija iz stakla.
Na svjetskom tržištu je (podaci za godinu 2008) količina ravnog stakla iznosila približno 50 milijuna tona (oko 6,3 milijardi m2 ravnog stakla), što je proizvođačima donijelo oko 21 milijardi eura. Oko 70% količine potrošilo se na prozore i vanjske ovoje zgrada, 10% za automobilsku industriju, 20% za pokućstvo i ostale dijelove unutrašnjosti zgrada (slika 9). Prije nastanka financijske krize, koncem 2008. godine predviđalo se da će porast proizvodnje i potrošnje ravnog stakla iznositi oko 4% godišnje. Tržišta Sjeverne Amerike, Europe i Kine trošila su oko 70% proizvedene količine stakla. Najzrelije je europsko tržište gdje se proizvede najveća količina proizvoda s visokom dodanom vrijednošću.
U zadnjim je godinama većinu ravnog stakla niže kvalitete zamijenilo ravno visokokvalitetno staklo proizvedeno postupkom flotacije, koji je godine 1952. izumio Sir Alastair Pilkington. To se staklo na tržištu pojavilo 1967. godine. Tvrtka Pilkington je još uvijek u tehnološkom vrhu što dokazuje i nedavno puštanje na tržište prvog samoočiščujećeg stakla ActivTM sa slojem kojim se kontrolira utjecaj sunčanog svijetla na unutrašnjost zgrade. Nove vrste ravnog stakla su također energetsko učinkovita stakla s niskim stupnjem emisije, lamelirana sigurnosna stakla i zvučno izolacijska lamelirana stakla.
Samo četiri svjetske kompanije proizvedu više od 60% ravnog stakla . U godini 2008. oko 93% svjetskih proizvodnih kapaciteta je prodano naročito zahvaljujući velikoj potražnji u Kini. Od toga, dvije kompanije imaju sjedište u Japanu (NSG Group/Pilkington i ASG/Asahi), jedna u Europi (Saint-Gobain) i jedna u SAD (Guardian). Tolika koncentracija proizvodnje u samo četiri kompanije sa sobom nosi i probleme kartelnog udruživanja i zajedničke kontrole cijena što se i dogodilo godine 2008, kad su ta četiri proizvođača morala Europskoj Komisiji platiti kaznu od 486 milijuna Eura.
Prednapinjanjem stakla postižu se povećani zahtjevi u pogledu sigurnosti i nosivosti. Termički prednapeto staklo razlikuje se od potpuno prednapetog stakla (kaljeno prednapeto sigurnosno staklo, ESG) i djelomično prednapetog stakla. Kemijski prednapeto staklo nastaje izmjenama osobina na površini stakla uranjanjem u vruću kupelj solne taljevine. Za razliku od termičkog prednapinjanja mogu se obrađivati i zakrivljene površine. Može biti vrlo tanko i koristi se prije svega u automobilskoj industriji.
dr.sc. Vlatka Rajčić, dipl.ing.građ.
Mislav Stepinac, dipl.ing. građ.
Dean Čizmar, dipl.ing.građ.
Suautorica ovog članka (V. Rajčić) član je te grupe i voditelj je nacionalnog znanstveno-istraživačkog projekta Kompozitni nosivi sustavi drvo-nosivo staklo i drvo-čelik, 082-1491823-1463. Ovim se putem zahvaljujemo Ministarstvu znanosti, obrazovanja i športa Republike Hrvatske za financijsku potporu istraživanjima potrebnim za daljnji razvoj novog Eurokoda za konstrukcije iz stakla, a time i odazivu na preporuku Europske komisije (2003/887/EC), koja je citirana u Uvodu ovog članka.
LITERATURA:
[1] Prijedlog zakona o građevnim proizvodima s konačnim prijedlogom zakona (NPPEU 2008.), Ministarstvo zaštite okoliša, prostornog uređenja i graditeljstva, Zagreb, lipanj 2008, www.vlada.hr/hr/content/download/54156/757296/file/27_05.pdf
[2] Guidance Paper L – Application and use of Eurocodes
http://ec.europa.eu/enterprise/construction (slijediti vezu Guidance Papers / Position Papers)
[3] Žarnić, R., Tsionis G., Gutierrez, E., Pinto, A., Geradin, M., Dimova, S.: Purpose and justification for new design standards regarding the use of glass products in civil engineering works, Support to the implementation, harmonization and further development of the Eurocodes, JRC Scientific and Technical Report, ISSN 1018-5593, EUR 22856 EN – 2007, Luxemburg. http://eurocodes.jrc.ec.europa.eu/showpage.php?id=631
[4] EUROCODES – Building the future, http://eurocodes.jrc.ec.europa.eu/home.php
[5] Pilkington and the flat glass industry 2008, Pilkington NSG Group Ltd., St. Helens, 2008, http://www.nsggroup.net/ir/index.html
[6] Jean-Armand Calgaro, J-A.: The Eurocodes: General overview – Principles, new developments and future challenges, Os novos Eurocodigos estruturais, Lisabon, LNEC, 26. Nov. 2008
http://estruturas2008.lnec.pt/20_document/S1.pdf
[7] NBNS 23-002– Vitrerie, Norme belge, Bureau de Normalisation, Bruxelles, april 2007, http://www.chassisernst.be/documents/NBN_S_23-002;2007(F).pdf
[8] CSTC/WTCB: Une NIT consacrée aux ouvrages particuliers en verre . Laboratoire ‘Eléments de toitures et façades’, Bruxelles, 2008; http://www.cstc.be/homepage/index.cfm?cat=publications&sub=bbri-contact&pag=Contact20&art=285
[9] Schittich, Staib, Balkow, Schuler, Sobek: Glass Construction Manual, Munich 1999.
[10] Structural Engineering International, Volume 14, Number 2
[11] Jan Wurm: Glass structures – Design and construction of self supporting skins, 2007.
