1 SKLO Z POŽÁRNÍHO HLEDISKA - TEPELNÉ VLASTNOSTI SKLA

Transkript

1 1 SKLO Z POŽÁRNÍHO HLDISKA - TPLNÉ VLASTNOSTI SKLA Skl patří k materiálům, které významně vlivňují vývj stavební techniky a architektury. Nálezy skla pcházející z dby asi klem 5000 let před naším letpčtem ukazují, že už tehdy byla známá základní technlgie výrby skla z křemennéh písku, vápna a sdy. Z přepychvéh výrbku, kterým skl v minulsti bezespru byl, vznikl již v minulém stletí díky svým výhdám čast pužívaný stavební materiál. Krmě technických vlastnstí jsu pr pužití skla důležité i výtvarné přednsti, nebť jeh čirst, čistta, lesk, barva stejně jak mžnsti jeh dalšíh zušlechtění vytvářejí širké spektrum v návrhu prstrů a budv s vysku kulturní úrvní. V psledním bdbí jeh prgresivní prtipžární úpravy dvlují jeh aplikaci i v místech hržených vznikem pžáru. 1.1 VLASTNOSTI OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ SKLA V OHNI Pr chvání skla v hni jsu rzhdující především jeh tepelné a mechanické vlastnsti, kterým je nutn věnvat náležitu pzrnst, a prt budu v další části textu analyzvány Tepelné vlastnsti D tepelných vlastnstí lze zahrnut zejména délkvu neb bjemvu tepltní rztažnst, dlnst prti náhlým změnám teplty, měrné tepl, tepelnu vdivst, pvrchvé napětí, vliv krystalizace atd. Tyt vlastnsti se prjevují již ve fázi tavení, tvarvání, chlazení až p praktické využití. a) Délkvá neb bjemvá tepltní rztažnst Sučinitel délkvé tepltní rztažnsti α je definván vztahem 1 dl α. /1/ l dt l délka měřenéh vzrku při referenční tepltě t, dl prdlužení měřenéh vzrku při změně teplty dt. Sučinitel bjemvé rztažnsti β je určen vztahem 1 dv β. // V dt Pr pevné látky s iztrpní strukturu, a tedy i pr skla lze vzhledem k nízké hdntě α určit β 3 α /3/ α a β jsu rzměry [ C -1 ] Prtže je délkvá tepltní rztažnst becně funkcí teplty, je nutné uvažvat větší tepltní intervaly k vyjádření vztahu mezi délku a tepltu, jak je uveden vztahem l l (1 + α 1 t + α t ) /4/ α 1 a α jsu knstanty. Vztahem /3.1/ je definván tzv. pravý sučinitel délkvé tepltní rztažnsti, který charakterizuje relativní změnu délky tělesa se změnu teplty dt při dané tepltě t. Pr malé tepltní intervaly lze však α pvažvat za knstantní hdntu, takže ptm střední sučinitel tepltní rztažnsti je mžn určit výrazem 1 l l l α t, t. /5/ l t t l t

2 Tent sučinitel udává relativní změnu délky vzrku měřenéh skla při změně teplty 1 C v tepltním intervalu (t ; t). Délkvá tepltní rztažnst suvisí s vnitřní strukturu skla, především s vazbu Si O. Například u velmi čistéh křemennéh skla jsu tyt vazby tak pevné, že jeh délkvá tepltní rztažnst je nejmenší z běžných typů technických skel. Jeh tepltní rztažnst však závisí na fiktivní tepltě (br.1) [1], tj. skl zahřáté na definvanu tepltu a rychle chlazené (skl nestabilizvané). Jeh srvnání s statními typy skel je patrné z br. [1]. Obr.1: Délkvá tepltní rztažnst čiréh křemennéh skla v závislsti na fiktivní tepltě [1 ]:1,3 fiktivní teplta 1000 C, fiktivní teplta 170 C, fiktivní teplta 1530 C Obr.: Délkvá tepltní rztažnst křemennéh skla v prvnání s technickými skly [1]: A křemenné skl, B britkřemičité skl Pyrex, C britkřemičité skl pr zátav, D sdnvápenaté skl pr žárvky Tepltní závislst délkvé rztažnsti je bvykle vyjadřvána tzv.křivku tepltní rztažnsti. Křivka tepltní rztažnsti skla vytvrzenéh (prudce chlazenéh) neb špatně vychlazenéh má jiný průběh než křivka skla vychlazenéh. Vytvrzené skl má nižší husttu než skl chlazené, čímž se více přibližuje sklvině s větší vzdálenstí strukturních částic a v důsledku th i nižší husttu. Se vzrůstem teplty dchází ke strukturním změnám a stabilizaci struktury, skl lze pvažvat za vychlazené a křivky tepltní rztažnsti jsu dále přibližně rvnběžné. b) Odlnst prti náhlým změnám teplty Tepelná dlnst skel závisí na vlastnstech materiálu, především sučiniteli tepltní rztažnsti α [K -1 ], pevnsti v tahu σ [Pa], Yungvě mdulu pružnsti [Pa], Pissnvě knstantě µ atd., jak t dkládá následující výraz pr prudce chlazené skl ( 1 ) σ µ t /6/ t - největší rzdíl teplt, který je mžn zahřátý výrbek chladit, ppř.vychladlý výrbek zahřát, aniž praskne [ C] Dále je vlivněna hmgenitu skleněnéh výrbku, neprušenstí jeh pvrchu, tlušťku stěny, vychlazením, rzměry výrbku apd. Z uvedených vlastnstí má největší význam sučinitel délkvé tepltní rztažnsti α, pr který platí zásada, že čím je jeh hdnta nižší, tím je skl dlnější. Vlivem tepltní rztažnsti se při náhlém chlazení skl smrští a vytvří se v něm vnitřní

3 napětí, a t v teplejších vrstvách tlakvé (teplejší vrstvy by se rztahvaly více než chladnější, které tmu brání), ve studených napak tahvé. Tím, že pevnst skla v tahu je mnhem menší než pevnst v tlaku, skleněné tabule snáze prasknu při prudkém chlazení půsbením tahvéh napětí na jeh pvrchu. Za nrmálních pdmínek a při tlušťce stěny skla 1 až,5 mm je pr křemenné skl t 1000 až 1100 C. Desky z křemennéh skla tlušťky 0 až 30 mm dlávají něklikanásbné chlazení ve vdě a t 450 až 500 C. Jelikž při překrčení teplty cca 1000 C může djít ke krystalizaci čiréh křemennéh skla a s ní spjenému praskání skla při chlazení pd asi 300 C, nedpručuje se překračvat při prvzním namáhání křemennéh skla teplta 600 až 1000 C. Je-li nutn při pužití vztahu /6/ zahrnut bezpečnstní faktr, je vhdné dsadit za pevnst skla v tahu hdntu cca 30 % nižší než je jeh průměrná pevnst (v běžných případech se pevnst v tahu uvažuje hdntu 70 až 80 MPa). Pevnst v tahu závisí též na prstředí, v němž se skl p předehřátí chlazuje (teplta chlazvacíh média bývá vlena 0 C). Odlnst prti náhlým změnám teplty se zvyšuje s tvrzením pdle vztahu Ptv P t 0 /7/ P µ ( ) ( ) P tv - pevnst (dlnst t) tvrzenéh skla, P - pevnst (dlnst t) chlazenéh skla, P pdíl pevnsti (dlnsti t) skla tvrzenéh a chlazenéh Je-li skleněná deska vystavena trvalému rzdílu teplt tak, že ba její pvrchy jsu udržvány na hdntách t 1 (vyšší) a t (nižší), dchází mezi běma pvrchy k lineárnímu tepltnímu spádu. Pvrchy jsu při tm pd stálým namáháním stejné veliksti, ale pačnéh znaménka (teplejší pvrch je pd tlakem, chladnější pd tahem). Ptm platí pr napětí: ( ) ( ) α t1 t a) v tlaku: σ 1 1 µ b) v tahu: σ takže + α 1 ( µ ). ( t1 t ) ( µ ). P. 1 t /10/ σ 1 napětí na teplejším pvrchu [Pa], σ napětí na chladnějším pvrchu [Pa], α - sučinitel lineární délkvé tepltní rztažnsti skla [K -1 ], - Yungův mdul pružnsti v tahu [Pa], µ - Pissnva knstanta, P - přípustná pevnst skla v tahu [Pa]. Při zahřívání neb chlazvání knstantní rychlstí, kdy se ve skleněné desce ustálí pravidelně rzlžené vnitřní napětí, je mžn tt napětí vypčítat pdle vztahu [1] 1. α d σ. v. /11/ 3 a. ( 1 µ ) σ - napětí na pvrchu [Pa], µ - Pissnva knstanta, α - sučinitel délkvé tepltní rztažnsti [K -1 ], - Yungův mdul pružnsti v tahu [Pa], a - tepltní vdivst [m.s -1 ], v rychlst zahřívání neb chlazvání [K.s -1 ], d tlušťka skla [m]. /8/ /9/

4 Jestliže se dsadí vztahu /3.11/ střední hdnta pr pevnst v tahu a pr mdul pružnsti a člen (1 - µ) se vynechá, ptm maximální rzdíl teplt t je přibližně rven t /1/ 7 10 vztahující se k tlušťce desky 1 mm neb stejné tlušťky při zanedbání vlivu tvaru. Graf závislsti t na sučiniteli délkvé tepltní rztažnsti α je uveden na br.3 [13]. Odlnst prti náhlé změně teplty skla je nepřím úměrná jeh tlušťce. T znamená, že s narůstající tlušťku stěny d [mm] se zmenšuje jeh dlnst t při chlazvání pdle vzrce: Obr.3: Závislst dlnsti prti náhlým změnám teplty na sučinitel délkvé tepltní rztažnsti pr desku skla tlušťky 1 mm [13]: A tepelně dlná skla, B běžná sdnvápenatá skla t a) z jedné strany: t d /13/ d t b) z bu stran: t d /14/ 1 d t a - dlnst při tl. stěny d [mm], t -dlnst při tl.stěny d 1 mm. Literatura [1] Fanderlík, I. A kl.: Křemenné skl a jeh využití v praxi, Praha, SNTL, 1985, [] Fanderlík I.: Vlastnsti skel, Infrmatrium, spl.s r.., Praha, 1996 [3] Hrák, Z., Krupka, F., Šindelář, V.: Technická fyzika, Praha, SNTL, 1961 [4] Jelínek, F.: Knstrukce bvdvéh pláště budv z plchéh skla, SNTL Praha, 198 [5] Kupilík, V.: Čirá prtipžární skla pr stavební účely, Tepelná chrana budv, ISSN , 3, 000, č.4, str.3-1 [6] Kupilík, V.: Knstrukce pzemních staveb 80 - Pžární bezpečnst staveb, Učební texty ČVUT, Praha, 1998, str [7] Kupilík, V.: Stavební knstrukce z pžárníh hlediska, Grada Publishing Praha, 006, ISBN [8] Kupilík, V.: Závady a živtnst staveb, Grada Publishing Praha, 1999, ISBN [9] Lederer, J.: Příspěvek k mechanické pevnsti skla se zřetelem na jeh pužití ve stavebnictví, 7. Infrmační bulletin stavebníh skla, Skl Unin Teplice, březen 1971, str.13-0 [10] Menčík, J.: Úvd d lmvé mechaniky skla a keramiky. Sklář a keramik, rč.3, 1983, č., str.83 9 [11] Vích, M., Nvtný, Vl.: Nvé přístupy ke sledvání pevnsti skla, Infrmativní přehled SVÚS Hradec Králvé, rč.xxvi, 1983, č. 3 [1] Vlf, M.B.: Skl ve výpčtech, Praha, SNTL, 1984, [13] Vlf, M.B. a kl.: Tepelné vlastnsti skel, Praha, SNTL, 1968

5 QUALITY RCORD Název Ppis Kategrie Název subru Tepelné vlastnsti skla Vlastnsti skla určující jeh chvání při pžáru. V tét části jsu zmíněny tepelné vlastnsti skla, kterými jsu především délkvá a tepltní rztažnst a dlnst prti náhlým změnám. Tyt vlastnsti jsu d značné míry vlivňvány slžením (strukturu) skla. Skl z pžárníh hlediska 3-1_Tepelne_vlastnsti_skla.pdf Datum vytvření Autr Klíčvá slva Dc. Ing. Václav Kupilík, CSc. Katedra knstrukcí pzemních staveb, Fakulta stavební, ČVUT v Praze Napětí; Vlastnsti materiálů; Tepelná rztažnst; Sučinitel délkvé tepltní rztažnsti; Odlnst skla. Literatura Fanderlík, I. A kl.: Křemenné skl a jeh využití v praxi, Praha, SNTL, 1985 Fanderlík I.: Vlastnsti skel, Infrmatrium, spl.s r.., Praha, 1996 Hrák, Z., Krupka, F., Šindelář, V.: Technická fyzika, Praha, SNTL, 1961 Jelínek, F.: Knstrukce bvdvéh pláště budv z plchéh skla, SNTL Praha, 198 Kupilík, V.: Čirá prtipžární skla pr stavební účely, Tepelná chrana budv, ISSN , 3, 000, č.4, str.3-1 Kupilík, V.: Knstrukce pzemních staveb 80 - Pžární bezpečnst staveb, Učební texty ČVUT, Praha, 1998, str Kupilík, V.: Stavební knstrukce z pžárníh hlediska, Grada Publishing Praha, 006, ISBN Kupilík, V.: Závady a živtnst staveb, Grada Publishing Praha, 1999, ISBN Lederer, J.: Příspěvek k mechanické pevnsti skla se zřetelem na jeh pužití ve stavebnictví, 7. Infrmační bulletin stavebníh skla, Skl Unin Teplice, březen 1971, str.13-0 Menčík, J.: Úvd d lmvé mechaniky skla a keramiky. Sklář a keramik, rč.3, 1983, č., str.83 9 Vích, M., Nvtný, Vl.: Nvé přístupy ke sledvání pevnsti skla, Infrmativní přehled SVÚS Hradec Králvé, rč.xxvi, 1983, č. 3 Vlf, M.B.: Skl ve výpčtech, Praha, SNTL, 1984 Vlf, M.B. a kl.: Tepelné vlastnsti skel, Praha, SNTL, 1968