naar top
Menu
Logo Print
22/11/2018 - LAURENCE BLONDEEL

WETENSCHAPPELIJK ONDERZOEK OMTRENT THERMISCHE GLASBREUK

Een doctoraatsonderzoek aan het Laboratorium voor Model­onderzoek van de Universiteit Gent in samenwerking met de Universiteit Antwerpen, heeft de fundamentele aspecten van thermische breuk in glas onderzocht. Het uitge­voerde onderzoek kan opgedeeld worden in twee grote luiken, die respectievelijk handelen over de sterkte van glas aan de rand, en over het effect van thermische belasting gedurende de hele levensduur van een ruit. Beide delen worden bondig toegelicht.

microscheur
Figuur 1: Microscopische opname van een microscheur aan de glasrand. Thermische breuken ontstaan altijd ter plaatse van dergelijke microscheuren

STERKTE GLAS

De bestaande literatuur omtrent de sterkte van glas handelt quasi uitsluitend over de sterkte van de plaatzijden. Glas is een bros materiaal, waarvan de sterkte drastisch vermindert naargelang er meer (kleine of minder kleine) beschadigingen aan het oppervlak aanwezig zijn. Onder een microscoop bekeken, is het glasoppervlak bezaaid met kleine krasjes of microscheurtjes, die eigenlijk beschadigingen zijn. Ze zijn het gevolg van productie, transport, plaatsing, onderhoud, weersomstandigheden enz. en kunnen dus nooit vermeden worden. Sterker nog: gedurende de levensduur van de glasplaat nemen die kleine beschadigingen steeds toe. Denk bijvoorbeeld aan een schurend zandkorreltje tussen de spons van de glazenwasser, of de postbode die goedbedoeld met zijn ring tegen het venster tikt.

Microscheurtjes

Figuur 1: hoewel deze krasjes vaak niet met het blote oog zichtbaar zijn, zijn ze van groot belang, omdat ze onder invloed van trekspanningen plots kunnen aangroeien tot een grote scheur die de gehele glasplaat doet breken. De grootte, de vorm en de oriëntatie van de microscheurtjes spelen daarbij onder andere een rol.

randafwerkingSterkte glasrand

Tabel 1: in de glasverwerkende industrie worden de glasranden vaak bewerkt. Talrijke gradaties bestaan daarbij, gaande van de onbehandelde gesneden rand tot de blinkend gepolijste rand. Omdat de glasrand door de nodige machinale operaties zoals snijden, schuren of slijpen bezaaid wordt met krasjes, hebben deze bewerkingen uiteraard een invloed op de sterkte van de glasrand, en dus ook op de weerstand tegen thermische breuk.

Proefopstellingen om glasrand te belasten

Figuren 2, 3, 4 en 5: eerst werd proefondervindelijk de overeenkomst aangetoond tussen een thermische proef-opstelling en een buigproef, waarbij voor beide soorten proeven de glasrand tot breuk werd belast. Vervolgens werden meer dan 3.000 proefstukken met verschillende randafwerkingen beproefd, alle gemaakt volgenseen strikt protocol, waarin alle denkbare productieparameters nauwgezet werden vastgelegd. In het unieke experimentele programma werd onder andere de invloed op de sterkte onderzocht van verschillende randafwerkingen, van verschillende glasleveranciers, van de specifieke plaats waar de breuk start op de glasrand, van de belastingssnelheid, van de belastingsgeschiedenis van het glas, en van de afmetingen van de beglazing (het zogenaamde schaaleffect).

thermische proefopstelling

Figuur 2: Thermische proefopstelling, waarbij een glasplaat (de 'ruit')
wordt blootgesteld aan warmtestralers, terwijl de rand van het glas is afgeschermd door een thermisch isolerend kader (het 'schrijnwerk')

EFFECTEN VAN THERMISCHE BELASTING

Vervolgens werd aan de hand van zeer vele, relatief zware computersimulaties berekend hoe groot de te verwachten trekspanningen zijn in een gevelbeglazing gedurende zijn levensduur, en wanneer ze precies te verwachten zijn. De berekeningen werden uitgevoerd op basis van klimatologische databanken, voor verschillende geografische locaties, voor verschillende oriëntaties, en met de gegevens van verschillende periodes van twintig jaar. Als gevalstudie werd een specifieke dubbelehuidgevel bestudeerd, maar uiteraard is de ontwikkelde methode toepasbaar op een willekeurige gevelconfiguratie. Deze studie verschaft een inzicht in de mechanismen die ten grondslag liggen aan thermische breuk. Daarmee is het nu wel mogelijk om het risico op breuk adequaat te becijferen, wat op termijn tot een aanzienlijke kostenbesparing kan leiden in de praktijk.

typische glasbreuk
Figuur 3: Typische breuk bij de thermische test.
De oorsprong van de breuk bevindt zich bovenaan in de figuur

CONCLUSIES

Een thermische breuk is een vrij vaak optredend probleem in de praktijk, dat op zich vrij goed gecontroleerd kan worden door thermisch geharde beglazing te gebruiken. Een dergelijke oplossing is echter relatief duur, en daardoor vaak niet gewenst en mogelijk zelfs niet nodig. De bestaande regelgeving geeft hiervoor richtlijnen, maar is op zich weinig fundamenteel wetenschappelijk onderbouwd. Ze laat dan ook helemaal niet toe om te bepalen hoe groot de restrisico’s op thermische breuk zijn; de veiligheidsfactoren zijn met andere woorden onbekend.

Vierpuntsbuigproef
Figuur 4: Vierpuntsbuigproef voor glazen balkjes.
Het glas wordt belast door een constant buigend moment in de middenzone, met daar een maximale trekspanning op de rand tot gevolg

 

 

Fundamentele aspecten onderzocht

Recent wetenschappelijk onderzoek heeft de fundamentele aspecten thermische breuk onderzocht. Hiertoe werd een uitzonderlijk uitgebreid experimenteel programma uitgevoerd, waarin de sterkte van de glasrand werd onderzocht in functie van tal van relevante parameters, waaronder verschillende randafwerkingen. Het onderzoek vult daarmee een kennisleemte die nochtans steeds relevanter wordt voor de praktijk. Voorts werd aan de hand van talrijke numerieke simulaties en reële klimatologische gegevens ook nagegaan waar welke trekspanningen ontstaan in een beglazing tijdens een periode van twintig jaar, en dit opnieuw in functie van relevante variabelen, waaronder de oriëntatie van de gevel.

Ontwikkelde methodologie

Met behulp van de methodologie die werd ontwikkeld tijdens dit onderzoek, is het thans principieel mogelijk om de veiligheid en risico’s op thermische breuk accuraat te becijferen. Hierdoor zullen in de toekomst veel thermische breuken kunnen worden vermeden, en zal het mogelijk worden om met kennis van zaken te bepalen of daarvoor een specifieke randafwerking, dan wel een thermisch geharde beglazing nodig is. Alvorens deze methode echt algemeen toepasbaar wordt in de praktijk, moeten eerst echter nog vele bijkomende gevelconfiguraties worden berekend.

Referenties: Vandebroek, Marc. Thermische breuk van glas. Doctoraal proefschrift, Laboratorium voor Model-onderzoek, Universiteit Gent en Universiteit Antwerpen, 2014.

glasbreuk
Figuur 5: Typische breuk bij de vierpuntsbuigproef.
De oorsprong van de breuk bevindt zich noodzakelijkerwijs in de zone met een constant buigend moment