Starodávný stavební materiál, bez kterého se moderní architektura neobejde

Sklo se díky svým estetickým vlastnostem, nejen transparentnosti, ale také díky svému hladkému, lesklému, a především odrazivému povrchu, stalo důležitým materiálem moderní architektury.

Sklo je fascinující stavební materiál, který umožnil přivádět světlo do interiéru již v dobách starých Římanů, jak ukazují nálezy z Pompejí a Herculaneu. Římané znali lití skloviny do ploché formy a její uhlazení do tvaru desky, kterou pak použili jako okenní tabulku. Sklo se postupně stalo velmi důležitým materiálem pro architekturu a stavitelství. Po vynálezu sklářské píšťaly (1. stol. př. n. l.) se ploché sklo začalo vyrábět roztáčením do kotouče (tzv. měsíčné sklo) nebo foukáním válců [1] a tyto technologie přetrvaly až do 19. stol. S průmyslovou revolucí vstoupilo do architektury železo a současně s ním se také rozšířila oblast pro použití skla. Na počátku 19. století se v Anglii objevily první konstrukce ze skla – skleníky pro pěstování exotických rostlin, později zastřešení vlakových nádraží a výstavních hal. Sklo se díky svým estetickým vlastnostem, nejen transparentnosti, ale také díky svému hladkému, lesklému, a především odrazivému povrchu, stalo důležitým materiálem moderní architektury. Díky své transparentnosti je sklo v architektuře přímo spojeno s možností otevření vnitřních prostor, propojení interiéru a exteriéru. Efektivní využití denního světla a slunečního záření má přímý pozitivní dopad na psychiku i fyzické zdraví člověka, a je tedy úzce spojeno s jeho pracovní produktivitou. Z tohoto důvodu se počátkem 20. stol. začaly používat první velkoplošné skleněné fasády na průmyslových stavbách [2].

S výjimkou skleníků z 19. století se sklo tradičně používalo jako výplňový materiál přenášející pouze vnější zatížení (především zatížení větrem) do podpůrné konstrukce. Tento přístup se začal postupně měnit v 50. letech 20. století, kdy byl poprvé zkonstruován celoskleněný výstavní (dočasný) pavilón firmy Glasbau Hahn, sestavený z konstrukčních prvků ze skla namáhaných ohybem a/nebo tlakem s lepenými přípoji [3]. Pravděpodobně první dlouhodobá aplikace konstrukčních prvků ze skla byla realizována na fasádě administrativního objektu Willis Faber Dumas v roce 1975, kde byla použita skleněná žebra ztužující skleněnou fasádu.

Od konce 80. let se sklo stále častěji používá jako materiál na nosné prvky (např. žebra, sloupy, nosníky, schodiště, zábradlí apod.), viz obr. 1 a 2, které musí spolehlivě přenášet všechna zatížení. V současnosti nejsou k dispozici normativní předpisy a dostatek zkušeností nutných k navrhování takových konstrukcí, a proto je každé nové použití nosného prvku ze skla nutné experimentálně ověřovat a zkoumat jeho chování.

Nevýhodou skla je jeho nízká pevnost v tahu a odolnost proti rázu, přičemž pevnost v tahu je asi 10krát menší než pevnost v tlaku. Teoretická pevnost skla v tahu (odvozená z meziatomárních sil) je až 32 GPa [4], ale skutečná pevnost skla v tahu dosahuje max. 30–80 MPa. Rozdíl mezi teoretickou a skutečnou pevností skla je způsoben výskytem strukturních nehomogenit a porušením jeho povrchu, existencí tzv. Griffithových mikrotrhlin vznikajících během technologického procesu výroby skla, poškrábáním skla při manipulaci, instalaci nebo údržbě. Snímek povrchu skla pořízený optickým konfokálním mikroskopem Olympus LEXT OLS 3000 je znázorněn na obr. 3. Sklo je kvůli své nepravidelné struktuře křehký materiál a porušuje se vždy křehkým lomem, který vychází z povrchu a nastává náhle, bez předchozího varování.

Mechanické vlastnosti skel jsou závislé zejména na kvalitě povrchu, únavě a stárnutí, tvaru a rozměrech výrobku, délce trvání zatížení a na vlhkosti okolního prostředí. Rozvoj a růst trhlin v tažené oblasti skleněného panelu souvisí s časovým faktorem. Obecně platí, že tahová pevnost skla klesá s délkou trvání zatížení [5]. Chemické složení stavebního skla ovlivňuje mechanické vlastnosti jen minimálně [6], protože kvalita povrchu a existence trhlin má mnohem větší význam. Základní materiálové vlastnosti plaveného skla jsou uvedeny v tab. 1 [5]. Křehký lom skla neumožňuje jeho plastické deformace, jako je tomu např. u oceli, a tudíž neumožňuje redistribuovat lokální koncentrace napětí a absorbovat větší množství energie např. při porušení rázem. Křehkost skla je proto limitující vlastnost např. pro přípoje, kde malá kontaktní plocha způsobuje velké lokální koncentrace napětí. Z tohoto důvodu mohou být lepené spoje velmi zajímavou alternativou ke spojům šroubovaným.

Základní materiálové vlastnosti plaveného skla:

Nejpoužívanějším skleněným výrobkem v architektuře a stavebnictví jsou ploché tabule, v současné době vyráběné procesem „plavení“ skla (float proces). Tento výrobní proces, který byl vyvinut Pilkingtonem (r. 1959) a v ČR byl zaveden v roce 1969 ve sklárně v Řetenicích (Teplice), je nyní světovým standardem s ohledem na vysokou kvalitu vyrobeného skla, možností výroby velkých tabulí skla a současně nízkých výrobních nákladů ve srovnání s jinými výrobními procesy plochého skla. Plavené sklo se ve stavebnictví i přes poměrně nízkou pevnost v tahu často používá bez dalších úprav. Při porušení se roztříští na velké a ostré střepy, které mohou být nebezpečné, zejména pokud se jedná o zasklení nad užitným prostorem. Pro zvýšení pevnosti v tahu se sklo dále tepelně nebo chemicky upravuje. Tepelně tvrzené sklo se vyrábí zahřátím plaveného skla na teplotu 650–700 °C a následným prudkým ochlazením na pokojovou teplotu pomocí vzduchových trysek umístěných z obou stran skleněné desky. Dočasně tak vznikne vysoký teplotní gradient mezi chladnějším povrchem a neochlazeným vnitřkem skleněného panelu. Vzhledem k viskózním vlastnostem skla vznikne vnitřní prostorové pnutí, při kterém je tlak na povrchu panelu v rovnováze s tahem uvnitř (průběh napětí je po tloušťce skla parabolický). Vlivem povrchového předpětí má tepelně tvrzené sklo pevnost v tahu okolo 120 MPa [5] a také nedochází k šíření trhlin na povrchu tabule skla, které jsou nejčastěji určujícím faktorem tahové pevnosti skla. Kvůli vnesenému předpětí dojde při porušení povrchu k uvolnění velkého množství energie, a proto se tvrzené sklo rozpadá na malé a neostré střepy. Toho se využívá u bezpečnostních skel. Nevýhodou tepelně tvrzeného skla můžou být počáteční deformace vznikající během procesu tvrzení.

Při výrobě plochého skla mohou vznikat různé inkluze z příměsí sklářského kmene nebo nečistot. Nevýhodou technologie tepelně tvrzeného skla jsou inkluze sulfidu niklu (NiS). Při procesu tvrzení je sklo ochlazováno rychleji než při výrobě, NiS prochází krystalickou transformací a dochází k 4% nárůstu jeho objemu v době, kdy je sklo už v pevné fázi. Protože sklo má jinou tepelnou roztažnost než NiS, může při běžné změně teploty (např. ohřátím skleněného panelu od slunečního záření) dojít k samovolné destrukci celé tabule skla, pokud se vměstek NiS nachází v zóně tahového napětí. Takto rozbité sklo má charakteristický lom. V místech, kde se nachází vměstek NiS, se objevuje tzv. motýlkovitý efekt, viz obr. 4. Nežádoucí vměstek NiS lze zjistit teplotní zkouškou (např. podle DIN 18516 [7], část 4 – Heat Soak Test), při které vadné tabule popraskají.

Tepelně zpevněné sklo se vyrábí podobným způsobem jako sklo tvrzené. Proces chlazení je však pomalejší a tím je vneseno (díky menšímu teplotnímu rozdílu povrchu a jádra tabule skla) menší předpětí, které se pohybuje mezi 35 a 55 MPa. U tepelně zpevněného skla je menší riziko vzniku vměstků NiS a při rozbití se rozpadá na větší střepy než sklo tvrzené. Pro pevnostní úpravy tenkých tabulí, které nelze vystavit procesu tepelného tvrzení, lze použít proces chemického tvrzení, kdy jsou ionty sodíku na povrchu skla vyměněny za ionty draslíku. Ionty draslíku jsou o 30 % větší a tím vytvářejí ve vnější vrstvě skla tlakové napětí. Výhodou je, že deformace tabule chemicky tvrzeného skla zůstávají srovnatelné s počátečními deformacemi plaveného skla. Tloušťka povrchového napětí je ale u chemicky tvrzeného skla slabší než u skla tepelně tvrzeného, a proto je i náchylnější k porušení např. vrypem.

Jako bezpečnostní se také označuje sklo vrstvené. Jde o sklo, které je složeno ze dvou nebo více tabulí skla, které jsou spojeny pomocí průhledné polymerní mezivrstvy, viz obr. 5. Materiálem mezivrstvy je nejčastěji jedna nebo více fólií z polyvinylbutyralu (PVB) se základní tloušťkou 0,38 mm, ethylenvinylacetátové (EVA), polyethylenové (PE), ionomerové (např. SentryGlas®) fólie nebo v USA často používané fólie z termoplastického polyuretanu (TPU). Laminování umožňuje spojovat různé typy skla a různé tloušťky tabulí skla a lze tak dosáhnout požadovaných mechanických, akustických a optických vlastností. V případě rozbití jedné nebo více tabulí vrstveného skla zůstanou střepy přichyceny na mezivrstvě, a proto se toto sklo používá pro zasklení tzv. nad hlavou (zastřešení atrií, přístřešky apod.), na skleněné nosníky a sloupy, čelní skla aut apod. Vrstvená skla se navíc v závislosti na počtu mezivrstev a materiálu mezivrstvy používají také jako neprůstřelná nebo akusticky izolační skla.

Chování desek z vrstveného skla při mechanickém zatížení kolmo na svoji rovinu závisí na modulu mezivrstvy ve smyku. Je důležité zmínit, že smyková tuhost mezivrstvy je odlišná jak pro jednotlivé polymerní materiály, tak i pro různé typy (produkty) fólií mající stejnou chemickou bázi, ale lišící se např. v množství změkčovadel či jiných aditiv i technologií výroby. Dále je smyková tuhost mezivrstvy ovlivněna především teplotou a délkou trvání zatížení. Vliv smykového spojení jednotlivých tabulí vrstveného skla při jeho použití pro dlouhodobé zatížení nebo pro vyšší teploty nelze prakticky uvažovat, zatímco pro nižší teploty a krátkodobé zatížení (např. nárazy větru) vede zanedbání smykového spojení jednotlivých tabulí k nehospodárnému návrhu. Vliv teploty a délky trvání zatížení (resp. rychlosti zatěžování) na chování vrstveného skla za použití EVA fólie je zobrazen v pracovním diagramu na obr. 6. Z grafu je patrné, že pro teplotu 0 °C je smykové spojení tabulí zajištěno, zatímco pro teplotu 60 °C je smyková tuhost mezivrstvy velmi nízká. Podobně lze odečíst vliv rychlosti zatěžování – například pro teplotu 20 °C je patrné, že zatěžování rychlostí 2 mm/min. vede k vyšší smykové tuhosti než pomalejší zatěžování rychlostí 0,125 mm/min.

Vrstvené sklo podléhá jako většina materiálů vlivům okolního prostředí a stárnutí. UV záření a vlhkost mají vliv na mechanické vlastnosti mezivrstvy, a tedy na míru spřažení jednotlivých tabulí. UV záření také ovlivňuje barevnost a vlivem vlhkosti mohou vznikat poruchy jako např. delaminace fólie od tabule skla.

Pokud je sklo umístěno v exteriéru (např. fasády, markýzy apod.), je polymerní mezivrstva vystavena účinkům UV záření, které může měnit její zabarvení. V případě, že je fólie transparentní, může žloutnout, a v případě, že je barevná či s potiskem, může v čase měnit svůj odstín. Problém může nastat, pokud dojde k rozbití jednoho nebo několika skleněných panelů s barevnou mezivrstvou a ty jsou nahrazeny panely novými. Tyto totiž mohou mít jiný (sytější) odstín. Proto je nutné pro takové aplikace používat fólie stálobarevné.

Vlhkost nebo voda mohou mít také negativní vliv na polymerní materiál mezivrstvy. Jde především o výrazné snížení adhezních sil mezivrstvy ke sklu, a tedy delaminaci vrstveného skla. Příklad takové delaminace je uveden na obr. 7, kde k delaminaci dochází na výplních zábradlí lávky pro pěší v Coimbře, v Portugalsku.

Specifické vlastnosti skla je třeba respektovat při návrhu skleněných fasád i jiných konstrukcí, aby byly eliminovány různé příčiny poruch.

Upevnění jednotlivých prvků ze skla musí respektovat různé hodnoty délkové teplotní roztažnosti použitých materiálů a důkladně řešit detaily dilatací dané nosné konstrukce a jednotlivých tabulí skla s ohledem na konkrétní technické řešení projektu. Je třeba používat osvědčené systémy upevnění skla a nové návrhy důkladně experimentálně ověřovat. Typické porušení skla způsobené teplotními změnami je na obr. 8. Ačkoli v současné době zatím neexistují platné ČSN řešící detailně problematiku konstrukcí ze skla nebo určitá specifika skleněných fasád, je možné vycházet z obecných zásad navrhování uvedených v ČSN EN 1990 a také ze zahraničních předpisů, a to jak pro návrh, tak pro experimentální ověřování.

U materiálových vlastností je třeba vycházet z ověřených zdrojů, materiálových listů a certifikátů (včetně přílohy s uvedením výsledků provedených zkoušek) pro dané konkrétní výrobky (sklo, prvky upevnění atd.). Je třeba ověřovat použití daných materiálů přímo na stavbě. V tomto případě můžeme upozornit zejména na možnou záměnu drátoskla se zaválcovanou drátěnou vložkou a drátoskla vyráběného moderními technologiemi, které se dnes často používá v protipožárních aplikacích. Tyto výrobky mají zcela zásadně rozdílné vlastnosti.

Návrh typu skla je třeba podřídit i případným následkům poruchy. Tvrzené sklo se sice poruší na malé kousky, ale padající střepy z velké výšky mohou způsobit i fatální zranění osob pohybujících se pod konstrukcí. Proto je třeba vždy zvážit chování skleněné tabule po jejím porušení, použití vrstveného skla a použití vhodné fólie.

U pochozích skel je třeba počítat s tím, že při používání dojde k poškrábání jejich povrchu. Pokud by byla pochozí tabule skla provedena z tvrzeného skla, při mechanickém poškození vrypy by se rozpadla na velké množství střepů. Proto se tato skla navrhují jako vrstvená kombinující jak tabule tvrzené, tak plavené.

V současné době se ve stavebnictví a architektuře kromě tabulového skla objevuje nový typ výrobku – cihly plné z litého skla. Vzhledem k velké pevnosti skla v tlaku lze skleněné cihly použít na nosné konstrukce zatížené tlakem, jako v případě fasády Crystal House v Amsterdamu navržené architektonickým studiem MVRDV ve spolupráci s technickou univerzitou v Delftu [8], obr. 9. Nová fasáda butiku Chanel nahrazuje původní keramické zdivo skleněným, a to včetně rámů oken a překladů nad okenními otvory tak, že zachovává tradiční ráz zděných domů typických pro Amsterdam. Fasáda o rozměrech 10 x 12 m musela být postavena ze skleněných cihel s minimálními výrobními tolerancemi, proto cihly byly broušeny a leštěny. Pro zachování maximální transparentnosti byly skleněné cihly spojeny transparentním UV vytvrzujícím lepidlem, viz obr. 10. V případě mikrotrhlin (např. v důsledku manipulace) nebo nečistot na povrchu skla vznikají ve vrstvě lepidla, které se během tvrzení smršťuje, bubliny a vzduchové mezery, viz poruchy na obr. 11. Výzkum spojený s touto realizací fasády trval několik let. Crystal House není první projekt, na kterém architekti MVRDV spolupracovali s univerzitním výzkumným týmem specializovaným na sklo. A právě taková spolupráce vede k originálním řešením a výjimečným realizacím.

KLÁRA V. MACHALICKÁ, MIROSLAV VOKÁČ, TOMÁŠ HÁNA

Reference:
[1] POPOVIČ, Š., Výroba a zpracování plochého skla. Grada Publishing a.s., 2009, ISBN 97880-247-3154-4
[2] FRAMPTON, K., Moderní architektura: kritické dějiny. 1. vyd. Praha: Academia, 2004, ISBN 80-200-1261-3 
[2]  BOS F. P. Safety Concept in Structural Glass Engineering, Towards an Integrated Approach, 2009, Wöhrmann Print Service, Zutphen, the Netherlands, ISBN 987-90-8570-428-7
[4 ]HALDIMANN, M., A. LUIBLE a M. OVEREND. Structural use of glass. Zurich, Switzerland: International Association for Bridge and Structural Engineering, c2008, Structural engineering documents, 10. ISBN 978-3-85748119-2
[5] THE INSTITUTION OF STRUCTURAL ENGINEERS. Structural use of glass in buildings. London: SETO, 1999. pp 103–106. ISBN 18742-6651-4
[6] FANDERLÍK, I., Vlastnosti skel. 1. vyd. Praha: Informatorium, 1996, 313 s. ISBN 80-8542791-5.
[7] DIN 18516-4. Tempered safety glass, requirements, design, and testing. Deutsches Institute for Standardisation, 1990.
[8] OIKONOMOPOULOU, F., T. BRISTOGIANNI, F. A. VEER a R. NIJSSE. The construction of the Crystal Houses façade: challenges and innovations. Glass Structures & Engineering online. 2018, 3(1), 87-108 cit. 2018-05-21. DOI: 10.1007/s40940-017-0039-4. ISSN 2363-5142. Dostupné z: http://link.springer.com/10.1007/s40940-017-0039-4

Ing. Klára Vokáč Machalická, Ph. D. (*1981)
– absolvovala fakultu stavební ČVUT v Praze. Od roku 2016 pracuje v Kloknerově ústavu ČVUT a současně od r. 2013 je lektorkou na Architectural Institute in Prague (ARCHIP). Ve své vědecko-výzkumné práci se specializuje na konstrukce ze skla a lepené spoje.

Ing. Miroslav Vokáč, Ph. D. (*1976)
– absolvoval fakultu stavební ČVUT v Praze, obor konstrukce a dopravní stavby. Od roku 2002 pracuje v Kloknerově ústavu ČVUT v Praze, kde je od r. 2011 vedoucím akreditované zkušební laboratoře. Mezi jeho profesní zájmy patří nejen stavební sklo a konstrukce ze skla, ale také monitoring stavebních konstrukcí a zatěžovací zkoušky mostů.

Tomáš Hána (*1990)
– absolvoval fakultu stavební ČVUT v Praze, obor konstrukce a dopravní stavby. V rámci svého působení v Kloknerově ústavu se specializuje na navrhování nosných skleněnýchkonstrukcí formou odborných publikací a expertních zpráv. Praktickou činnost statika rovněž absolvoval v EXCON a. s., kde se spolupodílel např. na projektech Multifunkčního centra O2 Universum, zásobovací lávky Košťálov, atd.