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玻璃是一種結構材料嗎?

為了提供建築師、設計師和業主一個完全美學以及對建築的挑戰,結構玻璃及相關性產品的服務於是應運而生。結構玻璃的強度甚至增加了玻璃的穩定性。

玻璃的透明度

要把玻璃當作是一個結構單位,最重要的理由是它的透明性。因為玻璃的結構中並無晶格的存在透明化(非結晶體)。使它成為一種無定型但各向同性的材料,也就是說玻璃的各種特性並不因量測方向不同而異。這一點有別於大多數結晶體材料。圖一解釋玻璃的生產技術。

 

 圖一、不同溫度,產生不同的玻璃型態與比容 

 通常當液體或熔體經冷卻時,其體積會變小。一般而言,結晶體在熔點(Tm)開始時產生結晶,緊接著體積會迅速變小。溫度越低體積越小,在低溫度時、結晶體的膨脹係數比熔體的膨脹係數小許多。

但玻璃在溫度Tm時沒產生結晶(因為玻璃沒有熔點),玻璃體積繼續沿圖一的平衡虛線縮。但這平衡曲線不會跟著溫度下降而無限制的下降,而是在某一溫度,曲線開始偏移,從這個溫度點開始,曲線逐漸轉向與結晶體的降溫曲線幾乎平行的狀態。產生偏離的原因是當冷卻時,玻璃液體的黏性增加。因為這個原因,玻璃成型的速度會越來越慢,最後黏性越來越高,而使液體變成固體,這個過程發生在轉變溫度Tg。

Tm到Tg這轉變過程是連續發生的,這也稱為轉變區域。在強化製作過程裡,轉變區域佔了非常重要的因素,它決定了強化玻璃的強度。如果Tm到Tg這轉變區域,確實產生結晶化,通常稱為結晶過程(或失透過程)(造成玻璃透明性降低)。

註:此段是說明玻璃的失透性。當冷卻速度較慢時,玻璃內部的分子有時間進行排列重組,即有可能發生析晶。玻璃析晶後,透明程度大大降低。

玻璃的強度

如機械強度,化學耐久性等性質,使得玻璃作為結構玻璃單元成為可能,就穩定性來說最重要的還是玻璃的強度。玻璃的原子與原子間的連接鍵決定了玻璃的理論強度。然而,玻璃實際強度會比理論強度低許多。

玻璃實際強度與玻璃理論強度相比,有如此之大的差值,主要是由於玻璃表面存者無數,肉眼無法看得到的微小裂紋。

 

圖二、玻璃強度和造成玻璃強度減弱的原因

註:有些裂的非常尖銳,應力集中的能力非常強,使得玻璃在承受小應力時,超微裂紋就可以迅速擴展,導致玻璃破裂。

A.A. Griffith是第一個提出玻璃表面會產生裂紋的人。一種在玻璃表面的微小裂紋,在載荷時,產生應力集中(Stress concentration),導致玻璃的破裂。因而,會產生破裂的應力取決于Griffith裂紋的密度和分佈形狀。整體而言,破裂的產生是因裂紋產生化學變化,包括大氣中的水分及氣體、甲苯,這些會破壞原子之間的緊密性。以及,加工、搬運、按裝過程中,玻璃表面及玻璃邊緣,還會出現「刮傷」等現象,都會影響其強度。

玻璃的靜態疲勞

如果在這期間,裂紋到達應力臨界長度時,將產自發性的斷裂過程。這種在應力作用某段時間後,玻璃破裂。這種現象稱為玻璃的靜態疲勞。

從觀察中,可推論出產生靜態疲勞的原因:

1.  靜態疲勞只有在,存在水時,才會發生。

2.  在非常低的溫度下,不會產生靜態疲勞

3.  升高溫度,促進靜態疲勞。

4.  靜態疲勞與微裂紋的大小無關。

 玻璃的熱處理

把玻璃表面變為永久的壓應力對玻璃本身來說是有利的。玻璃的熱處理可將玻璃表面變成壓應力。玻璃會破裂,應力至少要達到某特定壓應力。所以只有強化玻璃和熱硬化玻璃才能抵抗更高的載荷,這表層壓應力也會阻止靜態疲勞的產生。因經過熱處理的玻璃強度會增加,甚至超過表層壓應力,由於玻璃表層會阻止裂紋的發展,使玻璃不會破裂(自爆)。

玻璃的脆性破裂

當玻璃受到應力作用時,它的變形與作用應力(applied stress)必是成比例關係(Hooke’s定律)(見圖3)。當應力昇高到一定極限時,大多數材料發生塑性變形。雖然已產生永久變形,這些材料還可以經受較大的應變而不斷裂。所以,這些材料是屬於延展性材料。然而,玻璃結構不允許產生任何塑性變形,所以玻璃的應力、應變關係完全是線性關係(是比例關係)。即玻璃不會產生永久變形,當應力去除後,玻璃恢復原狀。玻璃是脆性材料註(brittle material),脆性破裂(brittle failure)是由破裂力學(Mechanical failure)所引起。

 

圖三、脆性材料→破裂力學-裂紋的深度與機械強度的關係。

 

其它破裂的原因:

玻璃不能承受動態疲勞。(動態疲勞─是指風或其它抗動載荷,玻璃產生疲勞,使其原有的載荷能力大大降低)。(玻璃是脆性材料,當反覆施加載荷時─動態疲勞載荷,玻璃內部的微裂紋會發展,造成破裂)。

玻璃本身在生產過程中,其變形很小,然後就停止了。沒有隨時間而發生蠕變。(蠕變:變形與時間有關。例如:可以快速走過有些沼澤地。但人站其上,它隨時間變形把人陷入其中)。(玻璃是脆性材料,不會蠕變發生。包括金屬在內的絕大多數材料能發生蠕變)。

玻璃對局部區域的過載應力敏感,因為玻璃不能靠微小的塑性變形來重新分佈過載應力。(玻璃是脆性材料,局部發生過載應力後,局部會發生破裂。金屬類延展性材料,局部應力過載後可以產生局部塑性變形,讓其他區域分擔過載的應力)。

註:玻璃不會有一般可察覺到的蠕動現象。但若時間長度達50年,玻璃也可有微小的變化,這個變化在尺寸上是難以測量的。但是對於強化玻璃來說,涉及到應力鬆弛的問題,從幾十年的應力鬆弛效果的角度。應該說,玻璃是有蠕動的,只是時間跨距非常大,蠕變程度非常小。室溫下的蠕變又可稱為Cold Flow。

膠合玻璃

為降低玻璃板的破裂,我們可以使用比設計載荷更高承載的膠合玻璃。使用膠合玻璃的優點就是當其中一層玻璃破裂,其它還是保持完整,並且破裂的玻璃片會附著於中間層的PVB膜。

膠合玻璃的透明度和一般玻璃一樣,因為中間層PVB膜的折射指數跟玻璃一樣。

對於結構玻璃工程的了解

1. 對結構玻璃的認知

要完成一棟建築物的結構玻璃工程是要全體有關單位的配合。一旦建築師有了構思,台灣玻璃公司(台玻)、顧問公司、想要承包的公司、這些公司的工程師形成一團隊,聚集他們的專業知識來評估工作的可行性。

2.  實體實驗(MOCK UP)之前。

目前結構玻璃的技術仍然在發展當中,沒有標準規範,也沒有一套完整的施工規範。所以每一項工種的技術必須在進行MOCK UP以前,由整個團隊來完成。這個團隊需對每一項工種,提出一套完整的監控計劃。

3. 確定結構玻璃的施工計劃

當安全係數及施工圖確定,或者有通過許可的特別技術等,實體實驗(MOCK UP)後,以上這些有關工程的施工計劃也須馬上進行,其中玻璃的安裝方法也是技術的一部份,所以正式施工時,不應該有任何不能克服的問題。

結構玻璃的安裝或玻璃是一種結構材料嗎?

在結構玻璃工程裡,玻璃是基本的要素,如果按裝過程、按裝完成後,產生玻璃的破裂,那能稱為結構玻璃的按裝嗎?或者玻璃與結構性Silicone及螺栓五金(Planar  System)相互連結,即是結構玻璃?關於後者疑問,玻璃僅被當作建築外牆的一部份,並不是一個建築的主要結構,但我們可以肯定的說,玻璃是可以被當成結構材料的。

球狀螺栓品質有保證,裝配簡單,施工成本低。 直到現在,德國對於將玻璃當成建築物的一部份,還沒有一套公認的規範。目前的研究的主要目的就是要發展結構玻璃的安全理論,並建立出相應的設計理念。目前本公司亦有工程博士參與德國規範的製訂,所以台灣現在也有能力自己設計、計算無框式結構玻璃,並負責施工。我們未來的目標就是要發展新的玻璃結構體及設計標準,並與此領域的使用者共同商討研究!

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