Стекло в качестве несущих конструкций используется в гражданском строительстве сравнительно недавно и активно применяется лишь последние 20–30 лет. В основном его используют как материал ограждающих конструкций. Однако с развитием строительной отрасли и потребности в уникальных зданиях и сооружениях стекло применяют в таких элементах, как полы пешеходных переходов и мостов, смотровых площадок, колонны, стойки фахверков, балок и облицовочных панелей, где используется не только светопрозрачная функция стекла, но и его несущая способность (рис. 1–4) [20][21], накопился материал исследований. Поэтому необходимо развивать методы испытаний и расчетов конструкций из стекла для эффективного и безопасного его использования.

B настоящее время отсутствует нормативная база для несущих конструкций из стекла не только в России, но и за рубежом.

В рамках настоящей статьи авторами представлены источники российской и зарубежной научно-технической литературы, научных статей, рассматривающих работу стекла (не только листового) [19][22]. Ее актуальность заключается в возможности обобщить опыт применения стеклянных конструкций, определить нормируемые показатели и методики расчетов конструкций для дальнейшей разработки строительных норм. На данный момент, применяя в здании несущие конструкции из стекла, опираются только на натурные испытания для каждого уникального случая.

В строительной нормативной документации России (ГОСТ 30826-2014 и ГОСТ Р 54171-2010 «Стекло многослойное. Технические условия», ГОСТ 30698-2014 «Стекло закаленное. Технические условия», ГОСТ 33087-2014 «Стекло термоупрочненное. Технические условия», ГОСТ 33002-2014 «Стекло и изделия из него. Методы определения механических свойств. Испытания на характер разрушения», СП 363.1325800.2017 «Покрытия светопрозрачные и фонари зданий и сооружений. Правила проектирования») и других стран [11–13] дана исчерпывающая информация о механических свойствах листового, термоупрочненного и закаленного стекла, в том числе моллированного и многослойного. Широко представлены требования по проектированию стеклянных ограждающих конструкций. Определена классификация светопрозрачных конструкций и видов стекла (ГОСТы, СП [11]). Отражены вопросы расчета вертикальных, горизонтальных и наклонных листовых стекол (СП [11–13]), требования по эксплуатации, технической и пожарной безопасности, надежности хранения и транспортирования (ГОСТы). Определены правила приемки готовых изделий, например ГОСТ Р 54171-2010, устанавливает испытательный контроль на каждую партию в пределах одной смены. Нормированы способности различных видов стекол пропускать тепловые, световые, звуковые волны, есть рекомендации, повышающие эффективность пропускных свойств [11]. Даны требования к испытаниям под воздействием разнонаправленных или влиянием эксплуатационных нагрузок для стекла, используемого в ограждающих конструкциях (ГОСТы). Действующие стандарты по проектированию ограждающих конструкций из стекла содержат, безусловно, важную, необходимую информацию, которую следует использовать для дальнейшего изучения стекла в качестве материала несущих конструкций, но в этих документах отсутствуют указания по расчету и проектированию стержней из стекла на изгиб, внецентренное сжатие, нет основных показателей механических свойств материалов и рекомендаций по их исследованию.

В настоящее время не существует международно признанных стандартов, таких как европейские нормы Eurocode или американские ANSI, по проектированию стеклянных несущих конструкций. Специалисты в разных строительных институтах занимаются частным изучением и проведением испытаний подобных элементов для единичного применения в уникальных зданиях и сооружениях, а также для индивидуальных проектов. Поэтому назрела острая необходимость создать нормативы для несущих конструкций из стекла.

В мировой практике подавляющее большинство несущих конструкций из стекла выполнены из двух или нескольких листов стекла, соединенных между собой. Всего проанализировано более пятидесяти отечественных и иностранных источников, рассматривающих стеклянные конструкции в качестве несущих элементов, однако наиболее интересны с практической точки зрения те материалы, которые приведены в настоящем обзоре.

В нашей статье в основном рассматривается многослойное термоупрочненное стекло, так как именно его применение целесообразно для изготовления несущих конструкций.

В статье [1] описан опыт применения крестообразных стеклянных колонн (рис. 5, 6), на которые опирается крыша части здания и входная группа (рис. 10, 11) с несущим каркасом из многослойного стекла в здании г. Нордборга, Дания. Колонны 5,5 м высотой – из многослойного стекла. Основание – металлический башмак. Их подвергли мягкому и твердому механическому воздействию, которое обычно применяется при испытаниях на безопасность стекла, при осевой нагрузке 190 кН (рис. 7–9), после догрузили до потери несущей способности – 575 кН, которая оказалась достаточной, даже если колонна серьезно повреждена.

Стеклянные рамы входной группы здания (рис. 10, 11) несут стеклянные покрытия и ограждения, воспринимают нагрузку от ветра и снега (рис. 12). Рамы составлены из многослойных стеклянных балок и колонн. Основания колонн – стальные башмаки. Жесткое соединение балок со стойками обеспечивается болтовым соединением. Проведены два испытания балки с четырьмя отверстиями на изгиб, имитирующие усилия, возникающие в углах рамы (рис. 13, 14).

Результаты испытаний подтвердили надежность конструкции, но двух испытаний, очевидно, недостаточно в качестве основы для статистической оценки прочности соединения.

В статье [2] рассказывают об испытаниях колонны квадратного коробчатого сечения. Модель выполнена из листов термополированного монолитного стекла (рис. 15). Первые трещины появились при значении силы 75 кН, предельная нагрузка составила 168 кН. Во всех случаях первые трещины проявлялись над стальным башмаком из-за бокового растяжения, но колонна все еще была в состоянии нести нагрузку.

В статье не раскрыта тема расчета, но она дает определенную статистическую информацию о работе материала.

В статье [3] обобщается опыт коллег, проводивших испытания разных несущих конструкций из многослойного стекла. Изучены прочностные характеристики стекла, выполнен сравнительный анализ несущей способности колонн из различных материалов, раскрыта тема экономической эффективности конструкций.

На основе анализа сделаны выводы: стекло обладает хорошей прочностью при сжатии, стойкостью к коррозии и возможностью комбинирования его с другими материалами для создания несущих конструкций; прочностные характеристики будут соответствовать теоретическим, если материал будет однородным, без геометрических неточностей и повреждений. Создание такой структуры весьма трудоемкий процесс, что является главным недостатком его применения в строительстве. Данных по испытаниям в работе не приводится.

Статья [4] является обобщением диссертации M. Портер [5] и постулирует необходимость учета начальных трещин в стекле при расчетах на прочность. В этих работах предположено, что «прочностные характеристики могут быть определены при рассмотрении микротрещин, которые всегда присутствуют на поверхности материала», и предложено оценить прочностные характеристики стекла по коэффициенту интенсивности напряжений на вершине трещины.

В работе приводятся неполные данные по испытанию коробчатой стеклянной балки пролетом 1,5 м с болтовым стыком в середине пролета. Результаты относятся к монолитному (однослойному) стеклу. Вывод работы заключается в том, что необходимо проведение серии опытов для определения «вероятностных составляющих работы материала».

Диссертация М. Портер [5] рассматривает однослойное монолитное стекло. В работе приведены аналитические и численные исследования работы стекла под действием статических нагрузок. Предложено ввести в расчет положения механики разрушения по трещинам как для линейно-упругого материала. Метод расчета, названный автором «расчет по размеру трещины», заключается в определении предельного (максимального) размера (длины) трещины, для которого при стабильных напряжениях вокруг нее длина не увеличивается с течением времени. В работе приведены способы решения различных задач методом «расчета по размеру трещины». Автор ссылается на экспериментальные данные других исследователей (1958, 1970–1974, 1993, 1997 гг.).

Диссертация П.Р. Кромптон [6] рассматривает однослойное монолитное стекло. Автор считает, что к стеклу практически неприменима теория расчета по предельным состояниям, так как она подразумевает учет развития пластических деформаций, которых нет в хрупком материале – стекле. На свойства стекла оказывают влияние начальные трещины, которые сложно идентифицировать ввиду их малого размера. Вследствие неопределенности свойств стеклянных конструкций нужно существенно резервировать прочность, в том числе с учетом возможных аварийных воздействий. Также приводится способ расчета стеклянной конструкции по допускаемым напряжениям. Данная работа содержит достаточно полные данные по результатам экспериментов со стеклянными балками, обобщенных автором.

В статье [7] освещены результаты испытаний колонн, призм и балок (рис. 16–18) из термоупрочненного многослойного стекла прямоугольного сечения. Всего испытано 18 основных образцов и около пяти дополнительных, в пробных испытаниях. Целью работы было получить расчетные сопротивления на сжатие и изгиб, определить модуль деформации и несущую способность конструкций. В статье приведены результаты испытаний по двум ступеням разрушения конструкций: 1-я ступень – начальное разрушение (появление первой трещины); 2-я ступень – окончательное полное разрушение.

В работе учтены особенности многослойного стекла: в составе сечения два материала с абсолютно разными физико-механическими характеристиками и свойствами – стекло и полимерные клеевые прослойки. Поэтому в различных направлениях сечения одного элемента физико-механические характеристики значительно отличаются между собой – это является важным выводом, ранее нигде не обсуждаемым.

По результатам испытаний доказано, что показатели прочностных свойств стекла зависят от вида приложенной нагрузки и изменяются в широких пределах, заметно ниже соответствующих нормативных значений по ГОСТ 33087-2014. Большое влияние на прочностные характеристики многослойного стекла оказывает соединительный полимерный материал, технология изготовления конструкций и стекла в частности. Применение значения расчетного сопротивления стекла по ГОСТ 33087-2014 при расчетах и проектировании стеклянных многослойных конструкций не допускается. Проблемы при изготовлении материала и действительных прочностных характеристиках стекла подробно рассмотрены в серии исследований российских ученых из Самары [15–18].

В статье [8] представлена методика расчета конструкций из многослойного термоупрочненного стекла на основании проведенных испытаний натурных образцов на центральное сжатие, сжатие с изгибом и чистый изгиб. Испытания, результаты которых применены для разработки методов расчета, описаны в статье [7].

По результатам испытаний и анализа составлена частная методика расчета для фахверковых колонн из термоупрочненного многослойного стекла, включающая определение геометрических характеристик сечения, расчет сжато-изгибаемых элементов, устойчивости и коэффициентов продольного изгиба для центрально-сжатых элементов. Особенностями расчетов являются использование различных модулей упругости в направлениях главных осей сечения: вдоль слоев сечения многослойного стекла модуль практически соответствует нормативным значениям по ГОСТ 33087-2014, поперек слоев – в два раза ниже, а также пониженное значение расчетного сопротивления относительно экспериментальных данных, низкий коэффициент продольного изгиба. Рассматриваемая методика была разработана для определенных конструкций, с конкретным составом сечения и характеристиками материала, и была подтверждена результатами численного моделирования. Результаты этой работы необходимо развить и дополнить для более широкого применения.

Ценность исследования заключается в выполнении сравнительного анализа результатов эксперимента, численного моделирования и расчета. Это дает возможность оценить надежность примененной методики расчета.

Научно-исследовательская работа [9] содержит результаты испытаний двух стеклянных балок, которые предполагалось применить в качестве прогонов покрытия атриума. Испытания проводили на натурных образцах длиной 5,4 м. Стеклянная балка состоит из двух вертикальных пакетов триплекс. Расстояние между пакетами в свету составляет 21 мм. Сечение балки ослаблено двенадцатью отверстиями Ø 26 мм.

Образец № 1 моделировал несущую конструкцию в предположении отсутствия жесткого диска покрытия. Фото испытательного стенда представлено на рис. 19. Образец № 2 (рис. 20) моделировал конструкцию, при которой нагрузка передается строго вертикально.

Первое предельное состояние (по прочности и устойчивости) – в элементах образца № 1 – было достигнуто при значениях нагрузки, соответствующих проектной. Второе предельное состояние – превышение горизонтальных перемещений более чем на 10 мм – было достигнуто при нагрузке ниже проектной. То есть несущая способность стеклянной балки при заданных условиях не обеспечена, ее не использовали в качестве несущего элемента. Данная работа еще раз подтверждает необходимость испытаний каждой применяемой конструкции из стекла и потребность создания нормативной документации и методики испытаний.

В исследовании [10] представлены результаты испытаний на сжатие стеклянных элементов (рис. 21). Две различные серии из двенадцати колонн с двумя различными уровнями соединения были изготовлены путем сборки многослойных стеклянных панелей. Образцы имеют разную форму поперечного сечения и разную высоту. Кроме того, испытания на сжатие проводились на отдельных панелях с различной гибкостью для изучения поведения стекла при изгибе. Испытания на изгиб (рис. 22, 23) проводились на многослойных и однослойных образцах. Целью данной работы явился экспериментальный анализ устойчивости образцов из многослойного стекла и оценки способов соединения панелей. Экспериментальные результаты сравнивались с существующей аналитической моделью, доступной в литературе. По результатам испытания в работе сделаны следующие выводы: прочность панелей на изгиб строго зависит от их гибкости; уровень соединения сильно влияет на структурное поведение элемента, что также справедливо для стандартных температурно-влажностных условий (этот факт подчеркнул важность процесса изготовления многослойного стекла); ограничение коэффициента пластичности в стеклянных колоннах не позволило избежать квазихрупкого разрушения (локальное изгибание произошло в результате малой толщины панелей, составляющих колонны); принятием формы «T» или «X» поперечного сечения потеря устойчивости и выпучивание были уменьшены, но произошло отслоение в месте крепления стекла торцом, как следствие – потеря устойчивости отдельными элементами и разрушение конструкции.

Документ [14] представляет собой научно-технический отчет, составленный международной группой специалистов Евросоюза по заказу Еврокомиссии и соответствующего комитета по стандартам. Целью отчета было обобщение имеющихся знаний и практики проектирования несущих и ограждающих конструкций из стекла и создания «прототипа» Еврокода по проектированию конструкций из стекла. Отчет представлен на 208 страницах, имеет девять глав и список литературы из 275 источников.

В главе 1 предложена структура планируемого к изданию Еврокода по проектированию стеклянных конструкций. В главе 2 приведены основные положения по свойствам стеклянных материалов. Подчеркивается первостепенная важность правильного назначения коэффициентов условий работы стеклянных элементов ввиду отсутствия пластической работы и существенного разброса численных значений свойств стекла. Предложены схемы испытаний образцов из стекла на изгиб и сдвиг при статических нагрузках. Оценена возможность развития «ползучести» и релаксации напряжений при приложении динамической нагрузки по периодическому закону. Приведены примеры испытаний по работе стекла на сдвиг в целях определения «вязкоупругих» характеристик материала. В главе 3 приведены виды используемых стекол и виды их поставки (обработка кромки и поверхности), способы ламинирования поверхности и получения составных многослойных стекол. Описаны эффекты от термической гибки стекла, при которых меняются прочностные характеристики материала, что должно быть учтено при проектировании и расчетах.

В главе 4 описаны общие принципы проектирования стеклянных конструкций. Представлено описание способов определения расчетного сопротивления стекла в различных нормах (в том числе ранее рассмотренных в рамках настоящей работы).

В главе 5 приведены общие принципы расчета пластинчатых элементов. Показано, что расчет пластин следует вести по соответствующим формулам строительной механики с учетом опирания и их размеров. Даны соответствующие формулы для определения напряжений и деформаций в общем виде для монолитного стекла на изгиб, а также для многослойного стекла на изгиб и сжатие с изгибом. В последнем случае даны формулы, учитывающие податливость соединений слоев стекла при работе на сдвиг. Рекомендован метод конечных элементов с заданием всех необходимых деформационных характеристик материалов.

В главе 6 приведены принципы проектирования ограждающих конструкций из стекла с применением монолитных стекол и стеклопакетов (светопрозрачных фасадов, окон, перил). Приведены способы расчета креплений стекол к основным несущим конструкциям на болтах и шпонках.

В главе 7 приведены правила проектирования и расчета основных несущих конструкций из стекла: стеклянных панелей, работающих на сдвиг, балок, колонн. Каждый элемент рассмотрен в варианте монолитного и многослойного стекла. В последнем случае всегда должна быть учтена податливость соединения стекол между собой. Учитываются также способы опирания стеклянных конструкций и взаимного защемления элементов. В главе 8 представлены основные требования к соединениям несущих конструкций из стекла как со стальными элементами, так и между собой при их совместной работе.

Рассмотренный документ представляет собой законченную научную работу, материалы и положения которой целесообразно использовать при составлении свода правил по проектированию конструкций из стекла.

Бесспорно, что расчет конструкций из многослойного стекла не должен отличаться от расчетов других известных материалов (сталь, дерево, алюминий), однако имеет ряд отличительных черт в части нормирования прочностных и деформационных характеристик. Одна из основных особенностей стекла как однослойного (монолитного), так и многослойного – хрупкое разрушение материала при ударных нагрузках или значительных статических нагрузках. Стекло является типичным хрупким материалом. Максимальное удлинение при разрушении стекла составляет всего около 0,1 %. В отличие от алюминиевых и стальных конструкций и даже железобетонных, внезапному разрушению стеклянных конструкций не предшествует накопление деформаций или трещин, которые могли бы свидетельствовать о перегрузке несущей системы.

На данный момент конструкции из многослойного стекла применяются в уникальных зданиях и сооружениях и используются в качестве: полов пешеходных переходов и мостиков, смотровых площадок, колонн, фахверковых стоек и балок. При проектировании несущих конструкций зданий из стекла предусматриваются испытания прототипа элемента, в количестве одного-двух экземпляров, редко – до пяти штук. Малочисленные эксперименты рассчитаны для единичного решения конкретной задачи. Этого недостаточно для формирования статистических данных, которые позволят использовать полученные результаты для широкого применения. При рассмотрении однотипных исследований разных авторов невозможно объединить их результаты, потому что исходные данные различные, включая экспериментальные прототипы и модели. Вследствие малого количества моделей, участвующих в одном эксперименте, сложно оценить величину влияния внешних факторов на результаты исследований, уменьшить его или исключить. Для формирования нормативной документации и разработки точной и универсальной методики расчета стеклянных конструкций необходимо проведение более масштабных испытаний.

Требуются свод правил и руководство по проектированию стеклянных конструкций, а также стандарты на проведение испытаний, включающие методы испытания на растяжение, сжатие, изгиб, скалывание, местное смятие; правила оценки прочности, жесткости, трещиностойкости; методы определения прочности по контрольным образцам и другие возможные стандарты, необходимость в которых определяется в процессе изучения материала. Работа по научно-техническому обоснованию данного свода правил проводится авторами настоящей статьи и другими специалистами института. В 2019 г. проведены испытания монолитных однослойных балок на изгиб и сжатие с определением напряженно-деформированного состояния. Результаты испытаний согласуются с ранее полученными в лабораториях ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко при испытаниях стеклянных элементов [7–9]. Частные значения предельных напряжений имеют больший диапазон – от 39 до 141 МПа, вычисленный модуль деформации также имеет существенный разброс. Данная ситуация является характерной для элементов из стекла, что еще раз подтверждает необходимость изучения рассматриваемогоматериала.