Účinná ochrana před hlukem (2. část)

16. srpna 2013

Partneři sekce:

V předcházejícím čísle časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby jsme vás informovali o negativních vlivech nadměrného hluku způsobeného nárůstem silniční a železniční dopravy, jakož i o možnosti omezení hluku pomocí protihlukových stěn. Další část příspěvku se zaměřuje na materiálové vlastnosti protihlukových stěn a jejich využití v souladu s požadavky, které se na ně kladou.

Transparentní protihlukové stěny se používají buď v hustě osídlených oblastech, ve kterých pozemní či železniční komunikace prochází jejich středem, nebo naopak v oblastech bez osídlení, kde by monotónní netransparentní stěny mohly vést u řidičů motorových vozidel ke ztrátě pozornosti a orientace, nehledě na estetické kvality.

Transparentní výplňový materiál lze rozdělit do dvou hlavních skupin. První jsou transparentní skleněné panely převážně z tepelně tvrzeného skla. Oproti nim stojí polykarbonátové (PC) panely nebo dnes častěji používané polymethylmetakrylátové panely (PMMA – plexisklo). V případě tepelně tvrzeného skla jsou mechanické vlastnosti srovnatelné s plexisklem, tedy skleněné panely vyhoví všem požadavkům a zkouškám, které vyplývají z ustanovení norem ČSN EN 1794. Tepelně tvrzené sklo navíc díky tlakovému předpětí v povrchové vrstvě může nabídnout o poznání vyšší tvrdost a tím i odolnost proti mechanickému poškození nejvíce exponované povrchové vrstvy. Tepelně tvrzené sklo se tříští při poškození na malé neostré kostičky (obr. 1), které nezpůsobí vážnější škodu na majetku či zdraví uživatelů. Pro konstrukce protihlukových stěn je též vhodné (tam, kde to okolnosti vyžadují) použít vrstvená bezpečnostní skla, například s mezivrstvou z PVB fólie (polyvinylbutyral). Při poškození tak dojde k rozbití jednoho ze skleněných panelů, přičemž střepy zůstanou přichyceny na mezivrstvě, takže nemohou ohrozit účastníky provozu. Vrstvená bezpečnostní skla i po porušení navíc vykazují zbytkovou únosnost, respektive únosnost po porušení. Skleněná tabule po rozbití jedné vrstvy skla dál plní funkci protihlukové stěny až do výměny poškozeného dílu.

Tepelně tvrzené (kalené) sklo
Tepelně tvrzené sklo se vyrábí z běžně dostupného plaveného skla, kdy se tabule po očištění zahřeje na teplotu kolem 650 °C a následně se rychle ochladí proudem studeného vzduchu z obou stran (obr. 2). Tímto postupem se na povrchu skleněné tabule vytvoří tlakové napětí, které je v rovnováze s tahovým uvnitř (obr. 3).

Obr. 2 Výrobní postup pro tepelně tvrzené sklo


Obr. 3 Průběh napětí po tloušťce u tepelně tvrzeného skla	Obr. 4 Vrstvené bezpečnostní sklo

apětí má po tloušťce parabolický průběh, přičemž se jeho úroveň v tlaku pohybuje v rozmezí 90 – 140 MPa. To vede ke zvýšení pevnosti skla v tahu, protože při návrhu nosných konstrukcí ze skla lze počítat s tlakovým povrchovým napětím a vlastní pevností v tahu plaveného skla. Navíc nedochází k rozevírání a růstu trhlinek na povrchu, které jsou pro tahovou pevnost skla rozhodující. Tepelně tvrzené sklo rovněž lépe odolává lokálním teplotním rozdílům až 150 °C (plavené sklo 40 °C). Při porušení dojde k náhlému úbytku energie po celé ploše skleněné tabule, která se roztříští na malé neostré kousky skla. Rozbité tepelně tvrzené sklo není tedy nebezpečné uživatelům tak, jako v případě velkých střepů, které vzniknou při kolapsu skleněné tabule z plaveného skla. Naopak nevýhodou tepelně tvrzeného skla je nulová zbytková únosnost dílců, nezbytnost mechanických úprav (řezání skla na požadované rozměry, vrtání otvorů atd.) před tepelnou úpravou a možnost spontánního kolapsu skleněných dílců, který je způsoben vměstky sulfidu niklu (NiS). Sulfid niklu mění v průběhu tepelné úpravy součinitel tepelné roztažnosti, který je potom větší než součinitel roztažnosti skla. Přítomnost těchto nežádoucích vměstků lze zjistit a tuto nevýhodu eliminovat destruktivní zkouškou teplotním šokem (tzv. Heat Soak Testem – DIN 18516-4). Tepelně tvrzené sklo se běžně vyrábí do tloušťky 19 mm. Pro konstrukce transparentních protihlukových stěn jsou pak vhodná skla o tloušťce 10, 11 a 15 mm.

Vrstvené (laminované) bezpečnostní sklo
Vrstvené bezpečnostní sklo se skládá ze dvou nebo více tabulí plaveného nebo pevnostně upravovaného skla, které jsou vzájemně spojeny pomocí průhledné mezivrstvy. Obvykle se na tuto vnitřní vrstvu používá fólie polyvinylbutyralu (PVB) se základní tloušťkou 0,38 mm. Největší výhodou vrstvených skel je zbytková únosnost tabule po rozbití, protože roztříštěné úlomky skla zůstanou přichyceny na fólii. Vrstvené bezpečnostní sklo je tak do jisté míry i po porušení schopno přenášet zatížení, proto se používá na nosné konstrukce (nosníky, sloupy) a na zasklení, které by v případě porušení skleněné tabule ohrozilo uživatele (obr. 4).

Při výrobě se očištěné skleněné tabule naskládají na sebe v určeném pořadí s vloženou mezivrstvou PVB fólie nebo jiného materiálu. Následně se předehřejí na teplotu okolo 70 °C a slisují mezi válci, kdy je vytlačen přebytečný vzduch. V autoklávu je vrstvené bezpečnostní sklo při teplotě okolo 140 °C dále lisováno pod tlakem 0,8 MPa (obr. 5).

Na chování vrstvených skel při zatížení mají největší vliv materiálové charakteristiky použité fólie, která spojuje jednotlivé skleněné tabule. Modul ve smyku PVB fólie, která je v současnosti nejrozšířenější, se mění s teplotou a délkou trvání zatížení. Na velikosti modulu ve smyku G závisí průběh napětí od zatížení ve vrstveném bezpečnostním skle (obr. 6). Pro dlouhodobé zatížení se obvykle při návrhu vrstveného bezpečnostního skla vliv smykového spřažení mezi tabulemi zanedbává. Při posouzení se tedy pouze sčítají tuhosti a pevnosti samostatných jednovrstvých tabulí. Naopak pro krátkodobé zatížení, jakým je například poryv větru či náraz, lze se smykovým spojením počítat. Vliv modulu ve smyku G na celkovou únosnost vrstveného bezpečnostního skla je tedy významný.

Takto podepřená a uložená konstrukce vykazuje velmi dobrou deformační kapacitu a svou poddajností dokáže odolávat rázovému zatížení jak tlakových vln od projíždějících automobilů, tak nárazům cizích předmětů z provozu. U transparentních protihlukových stěn s výplní ze skla není třeba používat další materiály na spodní části konstrukce stěny (například betonové hrazení), jak je tomu někdy zvykem zejména u stěn v ČR.

Obr. 5 Výrobní postup pro vrstvená skla

Obr. 6 Průběh napětí ve dvojvrstvém skle v závislosti na velikosti modulu ve smyku fólie

Skleněné transparentní protihlukové panely
V současnosti se funkce skla ve stavebnictví mění z materiálu používaného na výplně (okenní otvory ) na materiál pro nosné konstrukční prvky, jako jsou fasády, nosníky, schodiště, zábradlí aj. Sklo je zároveň plně recyklovatelným materiálem. Estetická funkce skla je navíc podpořena jeho životností, inertností vůči agresivnímu prostředí, odolností vůči poškození vrypem a relativní stálostí jeho parametrů a jejich degradace vlivem stárnutí oproti materiálům z plexiskla (či PMMA), které již po několika letech působení UV záření ztrácí transparentnost, barevnou stálost a jsou náchylnější na poškození vrypem. Transparentní protihlukové stěny jsou používány na mostech z důvodu nižší hmotnosti, ale také jako doplňující prvky v plných stěnách pro zajištění kontaktu řidičů s okolím. Jsou využívány ve většině případů jako odrazivé, nepředpokládá se jejich využití ve větším měřítku pro stěny pohltivé, přestože existují i transparentní stěny pohltivé. V případě potřeby umožňuje systém uložení transparentní výplně v hliníkovém profilovém rámu kombinovat stěnu s lehkými pohltivými panely. Touto kombinací lze získat výhled i požadované akustické parametry zvukové pohltivosti DLα . Samotná hmotnost transparentních panelů od formátu 2 × 2 m vždy překročí přípustnou hodnotu na ruční manipulaci s břemeny bez ohledu na to, zda je výplň z plastu nebo ze skla. Ve srovnání s plastovými transparentními deskami je hmotnost panelů z tvrzeného bezpečnostního skla sice vyšší, ale pro běžně používané manipulační prostředky (hydraulické ruce, jeřáby) je zatížení do 250 kg stále zanedbatelné. Vyšší hmotnost neomezuje použití tvrzeného skla ani na mostních objektech, rozdíl hmotnosti do 40 kg/m2 není pro mostní římsu podstatný. Pokud je třeba, je možné dosáhnout snížení hmotnosti použitím například lehkých hliníkových soklových panelů (hmotnost asi 12 kg/m²).

Jednou ze zásadních vlastností tepelně tvrzeného skla je skutečnost, že typickým tvarem porušení jsou ve všech případech lehké drobné neostré úlomky (ČSN EN 12 150), na rozdíl od tepelně neupraveného (plaveného) skla, které se porušuje ve velkých ostrých střepech. Tato vlastnost zařazuje výplně z tepelně tvrzených skel do nejvyšší bezpečnostní kategorie podle ČSN EN 1794-2 příloha B (norma z roku 2004 byla v roce 2011 novelizována, původní klasifikace šesti tříd byla redukována do čtyř tříd). Výplně s klasifikací 3 a 4 (respektive 5 a 6 dle ČSN EN 1794-2: 2004) lze použít tam, kde hrozí nebezpečí střetu osob s padajícími úlomky. Tedy především na mostech, opěrných zdech, přestřešení a podobně. Vzhledem k tomu, že po destrukci výplně dojde k rozpadu na drobné neostré úlomky, není ve své podstatě potřeba instalovat bezpečnostní pojistná lanka za předpokladu, že se jedná o jednovrstvé (monolitické) sklo. Oproti plastům je sklo 100% recyklovatelné, hliníkové rámy nebo panely také. V případě využití vrstvených bezpečnostních skel pro protihlukové panely lze zhotovit otvory v tabulích skla pro protažení pojistného lanka. V tomto případě by se jednalo o bezpečnostní vrstvená skla z tepelně tvrzených skel za použití PVB fólií mezi skly, nikoli na jejich povrchu. S ohledem na výše uvedené mechanické vlastnosti (pevnost) musí mít tvrzené bezpečnostní sklo vždy hrany upravené broušením (obr. 7). Z technologických důvodů se provádí samotné opracování hran před tepelným zpracováním, a proto nemůže docházet k narušení těsnění u panelů v nosném systému.

Z hlediska vyhodnocení bezpečnosti padajících úlomků dle normy ČSN EN 1794-2 přílohy B a jejich možné použití na mostech lze pro zjednodušení výplně rozdělit do dvou skupin:

A – úlomky po rozbití nesplňují kritéria dle tabulky B.3.8.1 ČSN EN 1794-2 příloha B,
B – úlomky po rozbití splňují kritéria dle tabulky B.3.8.1 ČSN EN 1794-2 příloha B, nebo k rozbití výplně nedošlo ani výplň nevypadla z rámu, přičemž skupinu A lze použít pouze tam, kde nehrozí nebezpečí střetu s padajícími úlomky (především mimo mosty); skupinu B lze použít ve všech aplikacích, tedy mimo mosty, na mostech, opěrných zdech přestřešení atd.

Do skupiny A patří tyto materiály:

organické PMMA tloušťky 15 mm v provedení XT (extrudované) bez polyamidových vláken,
organické PMMA tloušťky 15 mm v provedení GS (lité) bez polyamidových vláken,
organické PMMA tloušťky 20 mm v provedení XT (extrudované) bez polyamidových vláken,
organické PMMA tloušťky 20 mm v provedení GS (lité) bez polyamidových vláken.

Do skupiny B patří tyto materiály:

tepelně tvrzené sklo (ESG) tloušťky 10 mm,
tepelně tvrzené sklo (ESG) tloušťky 12 mm,
tepelně tvrzené sklo (ESG) tloušťky 15 mm,
organické PMMA tloušťky 15 mm v provedení GS – CC (lité) s polyamidovými vlákny,
organické PMMA tloušťky 20 mm v provedení GS – CC (lité) s polyamidovými vlákny,
polykarbonátové desky PC tloušťky 15 mm v provedení XT (extrudované).

Při stanovení cenového porovnání materiálů ve skupině B je nutné skupinu rozdělit na dvě části. První skupina zastupuje produkty z tepelně tvrzeného skla, oproti nim stojí produkty z organické PMMA. Rozdíl pořizovací ceny za skleněné transparentní protihlukové panely dosahuje až 50% úspory oproti materiálům z organické PMMA ve stejné kvalitě. Tepelně tvrzená skla je možné dodávat také v protipožárním provedení.

Tato aplikace je vhodná například na přestřešení komunikací, tubusy, nebo tam, kde je předepsáno omezení tepelné radiace při požáru (protihlukové stěny u obytných budov). Pro tyto aplikace jsou k dispozici například skla Pyropane 100 s odolností E 15 (E 30) v tloušťce 6 a 8 mm. Jedná se o speciálně upravené protipožární sklo s vysokou mechanickou odolností. Sklo Pyropane bylo použito například na protihlukové stěně Vchynice (dálnice D8), kde mělo být původně provedeno zasklení z PMMA GS-CC, ale z důvodu předepsané požární odolnosti EW 15DP1 to nebylo z PMMA nebo PC možné a bylo nakonec zvoleno využití protipožárního skla Pyropane (obr. 8).


Obr. 8 Protihluková stěna Vchynice (dálnice D8)

Potiskem transparentních skleněných tabulí nebo jejich zabarvením lze velice jednoduše řešit opatření proti úmrtnosti ptactva. Za nejúčinnější metodu můžeme považovat potisk čirých desek vodorovnou sítí čar tloušťky 2 mm v osových vzdálenostech 30 mm bez ohledu na barvu (obr. 9). Motiv je na skleněnou výplň nanesen sítotiskem před tepelným tvrzením (zakalením). Pro potisky se používají pigmentované skleněné prášky. Vhledem k této technologii je životnost potisku srovnatelná s životností skla. Daný motiv potisku lze měnit dle potřeby. Navíc je sklo i potisk odolné organickým rozpouštědlům, není potřeba používat antigrafitti nátěry jako u plastových nebo hliníkových výplní. Povrch skla je výrazně hladší než povrch plastových výplní, transparentní skleněné výplně mají lepší samočisticí vlastnosti, takže dochází v menší míře ke znečištění prachovými částicemi. Rovněž skleněné výplně mohou být omývány silnějšími dešťovými srážkami.

Povrchový potisk skla lze provádět sítotiskem v široké škále úprav, které vyhoví ornitologům i požadavkům ŘSD (v důsledku tepelného zpracování je kvalita povrchu potisku totožná s kvalitou skla).


Obr. 10 Transparentní protihlukové stěny

Závěr
V souvislosti s požadavky moderní architektury na transparentnost a lehkost stavebních konstrukcí a s rozvojem technologií na výrobu a úpravu mechanických vlastností stavebního skla v posledních letech přestává být použití nosných skleněných konstrukcí pouze představou a stává se realitou. Nosné prvky ze skla (nosníky, sloupy, desky) plní spolehlivě svoji funkci v konstrukci a dokážou účinně přenášet všechna zatížení do podpůrných konstrukcí případně přímo do základů. Nejsou výjimkou ani konstrukce, kde sklo plní hlavní nosnou funkci.

Použití skla pro konstrukci protihlukových stěn se vzhledem k vyspělým technologiím a jasně definovaným pevnostním a přetvárným charakteristikám samotného materiálu jeví jako velmi výhodné vzhledem k požadavkům, které jsou na tyto konstrukce kladeny. Jedná se zejména o transparentnost, neboť v místě, kde není třeba transparentní konstrukce, není třeba ani skla. Žádný jiný transparentní stavební materiál se po tak dlouhou dobu (desítky let) nedokáže tak účinně bránit účinkům UV záření, změnám teploty, vlhkosti a dalším vlivům agresivního prostředí v blízkosti pozemní komunikace jako kvalitní, konstrukční, plně recyklovatelný materiál. V neposlední řadě je důležité si uvědomit, obzvláště v dnešní době, že tepelně tvrzené sklo je i levnější variantou transparentní protihlukové části panelu. Jeho pevnost, pružnost i povrchová tvrdost umožňuje jeho použití v protihlukových stěnách a splnění všech požadavků na ně kladených.

TEXT: Ing. Pavel Hotový (text vychází ze studie Transparentní protihlukové stěny, kterou zpracovaly Ing. Martina Eliášová, CSc., a Ing. Michal Netušil, Ph.D.)
OBRÁZKY A FOTO: AGC Flat Glass Czech, Aerolux

Pavel Hotový je produktový manažer pro stavební sklo ve společnosti AGC Flat Glass Czech, a. s.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.