Staklo, arhitektonsko staklo - opšti pregled osnovnih osobina materijala

Staklo je neorganski materijal, amorfne strukture visokih performansi. Staklo je jednoobrazan, proziran materijal, koji se dobija u složenom tehnološkom procesu.

Staklene table (Foto: Depositphotos)

Sadržaj 

Osnova ovog procesa su dve faze: topljenje staklarskog kamena i izlomljenog stakla, u prvoj, i hlađenje tečnosti sa neprestanim povećanjem viskoziteta pre završnog hlađenja, u drugoj fazi.

Staklo - vrste i podele

Osobine stakla zavise od:

• hemijskog sastava (odnosa i vrste komponenata)
• postupka dobijanja
• načina prerade
• postupaka dodatne obrade.

Sve osobine stakla mogu se pojaviti u različitim oblicima i kombinacijama što za posledicu ima veliki broj proizvoda od stakla. U zavisnosti od hemijskog sastava staklo može biti krečno i olovno.

Krečno (obično) staklo ima primarni značaj za primenu u arhitekturi. Osnovna sirovina od koje se proizvodi krečno staklo jeste kvarcni pesak (SiO₂) od 69% do 74%.

U sastav krečnog stakla ulaze još:

• kalcijum-oksid (CaO) 5% – 12%
• natrijum-oksid (Na₂O) 12% – 16%
• magnezijum-oksid (MgO) 0% – 6%
• aluminijum-oksid (Al₂O₃) 0% – 3%.

Borosilikatno staklo je staklo koje u svom sastavu pored kvarcnog peska sadrži oksid bora (B2O3) u sledećem odnosu sa drugim komponentama:

• kvarcni pesak (SiO₂) 70% - 87%
• bor-oksid (B₂O₃) 7% - 15%
• natrijum-oksid (Na₂O) 1% - 8%
• kalijum-oksid (K₂O) 1% - 8%
• aluminijum-oksid (Al₂O₃) 1% - 8%.

Olovno staklo (kristal) dobija se kada se krečnjak zameni olovnim oksidom (PbO).

Za primenu stakla u arhitekturi najznačajnije su sledeće grupe osobina:

• fizičke osobine stakla:
  1. optičke i energetske
     • transmisija (propuštanje) svetlosti
     • indeks prelamanja svetlosti
  2. termičke osobine
  3. otpornost u požaru
  4. akustičke osobine
  5. poroznost
• mehaničke osobine stakla: čvrstoća, tvrdoća i otpornost na habanje
• hemijske:hemijska postojanost
• vizuelne: providnost, boja i površinski karakter.

Fizičke osobine stakla

Pod fizičkim svojstvima materijala podrazumevaju se ona svojstva koja se ne menjaju (odnosno koja se menjaju samo dok traju uzroci koji promene izazivaju), koje materijal karakterišu bez obzira na količinu i oblik ili proizvod u kome se nalazi.

Optičke i energetske osobine stakla

Deo spektra elektromagnetnog solarnog zračenja koji stiže do površine zemlje je deo optičkog zračenja, koji se kreće u talasnim dužinama od 290 do 2.100nm i obuhvata vidljivo, ultraljubičasto i infracrveno zračenje. Vidljivi deo spektra je između 400 i 780nm. Između 300 i 400nm je ultraljubičasto zračenje, dok je od 780 do 2.110nm zona infracrvenog (toplotnog) zračenja.

Distribucija optičkog zračenja bi se mogla iskazivati sledećim odnosom: ultraljubičasto 3%, vidljivo 53%, infracrveno 44%.

Za arhitekturu je propuštanje svetlosti od velikog značaja ako se uzme u obzir značaj svetlosti kao fenomena za percepciju u prostoru. Optičke osobine podrazumevaju sve karakteristike materijala u odnosu na optičko elektromagnetno zračenje, posebno u odnosu na vidljivi deo spektra i zavise od vrste stakla. Kod stakla i drugih transparentnih materijala, fotoni u vidljivom delu spektra nisu apsorbovani.

Kada svetlost padne na obično nezaprljano ravno staklo, debljine 6mm, deo biva reflektovan (oko 4%), deo apsorbovan (1,6 - 2,5%), a ostatak propušten (maksimalno 91-92%).

Stako na fasadi zgrade (Foto: Depositphotos) 

U pogledu propuštanja sunčeve svetlosti i energije mogu se definisati osnovne karakteristike stakla: transmisije (propustljivost) svetlosti, ukupna transmisija energije i solarni fakor.

• Transmisija svetlosti (eng. light transmission – LT) je mera propuštanja solarnog zračenja u okviru vidljivog dela spektra, odnosno sa talasnim dužinama od 400 do 780nm. Predstavlja odnos propuštene svetlosti i ukupne količine svetlosti koja pada na staklo pod uglom od 90°. Izražava se u procentima (%).
• Direktna transmisija energije (eng. direct transmission energy – DET) predstavlja propuštenu energiju u unutrašnji prostor unutar talasnih dužina od 320 do 2.500nm. Izražava se u procentima (%).
• Solarni faktor (g) je odnos količine toplotne energije koja prolazi kroz staklo (direktno kao toplotna i ona koja je prvo apsorbovana) i ukupne energije koja dolazi do stakla. Dodavanjem stakala određenih hemijskih sastojaka i nanošenjem posebnih slojeva (eng. coating-a), dobijaju se različite vrste stakla, specifičnih svetlosnih i termičkih osobina.

Termičke osobine stakla

Za arhitektonske objekte od najvećeg značaja su sledeće termičke osobine:

• Specifični toplotni kapacitet [C] - označava brzinu zagrevanja ili hlađenja materijala, odnosno količinu toplote koju je potrebno dovesti jedinici mase da bi se temperatura promenila za 1K; za obično staklo iznosi 0,85 – 1kJ/kg°C;
• Koeficijent prolaza toplote [U(k)] - odražava količinu toplote koja prođe u jedinici vremena, kroz jediničnu površinu, pri razlici temperature od 1K. Za staklo debljine 4mm iznosi 5,81W/m²K;
• Koeficijent toplotne provodljivosti [λ] - količina toplote koja prođe u jedinici vremena, kroz sloj materijala debljine 1m, upravno na njegovu površinu, ako razlika u temperaturi njegovih graničnih površina iznosi 1K. Jedinica mere je W/mK;
• Koeficijent toplotnog širenja - mera za širenje materijala, određuje ponašanje materijala pri temperaturnim promenama, što je od velikog značaja, naročito za kontakt sa drugim materijalima u konstrukcijama. Termički koeficijent toplotnog izduženja zavisi od hemijskog sastava stakla: za kalcijum-silikatno staklo iznosi 9·10-6, a za borosilikatno 3-6·10-6. Za staklene ploče značajniji podatak je podatak o površinskom širenju i ima vrednost dvostrukog koeficijenta linearnog izduženja.

Promena dužine staklenog elementa usled dejstva toplote, može se izraziti: ΔL = α·ΔT·L (α – koeficijent linearnog izduženja, ΔT – promena temperature, L – početna dužina elementa).

Do pojave termičkog zamora dolazi kada je materijal duže vreme izložen promenama temperature. Posledica je smanjenje mehaničke čvrstoće i oštećenja materijala. Termopostojanost stakla pri naglom zagrevanju je veća nego pri hlađenju, s obzirom da je otpornost stakla na pritisak oko deset puta veća od otpornosti stakla na zatezanje. Povećanjem debljine stakla opada vrednost temperaturne razlike koju staklo može da podnese.

Prilikom izbora vrste stakla za elemente konstrukcije mora se naročito voditi računa u njegovoj otpornosti na temperaturne šokove. Temički šok nastaje usled nagle promene temperature (npr. nastajanje ili gašenje požara).

Koeficijenti toplotne provodljivosti [λ] za pojedine materijale:

• voda 0,56W/mK;
• staklo 1W/mK;
• aluminijum 230W/mK;
• čelik 70W/mK;
• plastika 0,16 - 0,25W/mK;
• drvo 0,14 - 0,17W/mK;
• opeka 0,8 - 1,2W/mK.

Otpornost stakla u požaru

Pri dejstvu požara, kao i za druge materijale, za staklo su najvažnije osobine: zapaljivost i otpornost u požaru.

Obično staklo spada u nezapaljive materijale (klasa A1). Prilikom požara, obično staklo brzo puca usled termičkog šoka i ne može se smatrati protivpožarnim materijalom. Međutim, primenom borosilikatnog i višeslojnog stakla sa međuslojevima otpornim na visoke temperature, ponašanje stakla u požaru je značajno izmenjeno, stoga je staklo postalo jedan od materijala koji se može koristiti i kao požarna barijera.

Otpornost u požaru je vremenski interval u kojem su elementi sposobni da vrše svoju funkciju u uslovima standardnog požara, klase otpornosti za staklo su 30, 60, 90, 120 i 180 minuta.

Akustičke osobine stakla

Pod akustičnim osobinama smatra se skup osobina koje se odnose na ponašanje materijala pri dejstvu zvuka. U užem smislu to je odnos primenjenog materijala i zaštite od buke. Velika gustina stakla povoljno se odražava na akustičke osobine, ali uzimajući u obzir malu debljinu, vrednosti su nezadovoljavajuće.

Višeslojna stakla mogu obezbediti određeni nivo slabljenja zvuka, kao i termoizolaciona stakla, koja pored svoje, osnovne funkcije, povećanjem međuprostora između stakala daju dobre rezultate u smanjivanju nivoa buke. Zvučna izolacija stakla zavisi od debljine, te za staklo od 3mm iznosi 24dB, za staklo debljine 9mm - 30dB.

Poroznost stakla

Poroznost je bitna osobina materijala u arhitekturi i predstavlja stepen kompaktnosti materijala. Kod stakla poroznost je ravna nuli, staklo ne propušta ni tečnosti ni gasove.

Staklo i njegove mahaničke osobine

Mehaničke osobine karakterišu ponašanje materijala pri dejstvu spoljnih (mehaničkih) sila, prilikom kojeg dolazi do određenog naponskog stanja (naprezanja), dok ne dođe do promene materije, odnosno loma materijala.

Čvrstoća stakla (E)

Čvrstoća materijala je sposobnost materijala da se suprostavlja deformacijama i slomu. Ova osobina obuhvata nekoliko aspekata ponašanja stakla i to: sposobnost da podnosi pritisak, zatezanje i savijanje. Ponašanje stakla u stanjima naprezanja, u velikoj meri određuju njegovu upotrebljivost, budući da je materijal od koga se projektuju i izvode ovi konstruktivni elementi.

Prema načinu na koji se deformiše, staklo spada u krte materijale, kod kojih do sloma dolazi naglo, bez prethodnih upozorenja. Krta priroda stakla neće dozvoliti redistribuciju opterećenja ili apsorpciju energije udarca.

Staklo je amorfne strukture i njegova mehanička svojstva su ista u svim pravcima. Staklo je jako u stanjima pritiska, ali slabo pri zatezanju. Do loma stakla usled savijanja, dolazi na delu stakla napregnutom za zatezanje, a ne na pritisak. Otpornost stakla prilikom naprezanja zavisi od dužine vremena naprezanja (dugotrajno ili kratkotrajno), debljine stakla, temperature i veoma mnogo od integriteta staklene površine (ivice, rupe u staklu i sl.).

Teoretske vrednosti su više puta veće od praktičnih, uglavnom zbog nesavršenosti staklene povšine, tzv. Grifitovih naprslina.

Čvrstoća stakla pod pritiskom za jednu istu vrstu stakla kreće se u širokim granicama i zavisi od oblika koji se ispituje i uslova pri kojima se ispitivanje vrši. Za obično građevinsko staklo iznosi 20.000 – 45.000N/cm². Čvrstoća pri zatezanju i savijanju je i do deset puta manja i za obično građevinsko staklo iznosi 4.000N/cm².

Mera kojom se indirektno izražava čvrstoća materijala na pritisak je Jungov modul koji je jednak količniku između naprezanja i deformacije. Na primer, za dijamant iznosi 1.200.000MN/m², aluminijum 73.000MN/m², a za staklo 70.000MN/m².

Veoma je važna mera otpornosti stakla, kao materijala, pri kojoj će biti usklađeni zahtevi maksimalne iskorišćenosti materijala, bez ugrožavanja sigurnosti. Sigurnost se izražava koeficijentom sigurnosti [Ks], kojim se predstavlja odnos između maksimalnih dozvoljenih i stvarnih napona, koje materijal može da izdrži.

Poboljšanje karakteristika stakla u stanjima naprezanja moguće je ostvariti procesom kaljenja, termičkom ili hemijskom doradom.

Tvrdoća stakla

Tvrdoća materijala je osobina koja se odnosi na otpornost prema lokalnom dejstvu sila i podrazumeva otpornost materijala prema: paranju, zarezivanju i prodiranju drugog materijala. Tvrdoća zavisi od sastava i načina prerade stakla. Staklo je veoma tvrd materijal, uporediv sa čelikom. To je jedna od njegovih najvažnijih osobina, značajna za obradu i trajnost materijala. Po Mosovoj skali od 1 do 10 staklo ima vrednost 5-7.

Otpornost stakla na habanje

Habanje je pojava na dodirnim površinama materijala sa drugim materijalima, kada kao posledica trenja dolazi do otiranja ili struganja. Za staklo ovo je veoma važna osobina, naročito za one elemente konstrukcija po kojim se gazi, gde prašina i prljavština mogu biti abrazivno sredstvo.

Kod stakla proces habanja utiče, pre svega, na promenu vizuelnih kvaliteta, a ne na značajniju promenu mase. Za homogene materijale kakvo je staklo, habanje je ravnomerno i ispoljava se gubljenjem sjaja, postaje poluprozračno i matirano. Površinskim procesima moguće je povećati otpornost na habanje.

Hemijske osobine stakla

Hemijska postojanost stakla – Trajnost stakla je odraz hemijske postojanosti i velike tvrdoće. Staklo je otporno na kiseline, soli i njihove rastvore i kratkotrajno dejstvo baza na nižim temperaturama. Vlaga i voda prilikom neprikladnog skladištenja mogu da izazovu koroziju i to od 8 μm godišnje, posle čega površina postaje gruba.

Na površinama se formira prvo sivkasta, a potom sloj bele boje, koji se teško uklanja. Borosilikatno staklo ima povećanu otpornost prema kiselinama i alkalnim rastvorima.

Staklena fasada koncertne sale Harpa u Rejkjaviku, Island (Foto: Smallredgirl, Depositphotos)

Vizuelne osobine stakla

Prozirnost

U odnosu na sve druge materijale, veoma značajna osobina stakla, vezana za njegovu primenu u arhitekturi u pogledu vizuelnog komfora, jeste prozirnost (transparentnost). Ova osobina u direktnoj je vezi sa transmisijom svetlosti i prema evropskim normama definisana je u standardu EN 572 – 1, gde su za određene debljine stakla date minimalne vrednosti transmisije svetlosti (merene prema EN 410) za transparentno i polutransparento staklo.

Najprozirnija stakla, bez boje, jesu stakla sa malom količinom ferooksida (Fe₂O₃). Ova osobina, određenim postupcima prerade, može se menjati i kreće se od potpuno prozirnih, preko poluprozirnih (prozračnih) do neprozirnih vrsta stakla.

Efekat prozirnosti može zavisiti i od ugla pod kojim se gleda kroz staklo. Stakla sa hologramskom folijom su prozirna samo kada se gleda upravno na ravan stakla.

Boja stakla

Dodavanjem aditiva u rastopljenu masu stakla dobijaju se stakla različitih boja iz dekorativnih razloga ili radi dobijanja specifičnih vrsta stakla u pogledu propuštanja vidljivog ili infracrvenog zračenja. Ova stakla apsorbuju veću količinu toplotnog zračenja, ali imaju bitnu manu – menjaju kvalitet percepcije boja u prostoru, budući da menjaju boje.

Bojeno staklo je moguće kasnije obrađivati – sečenje, brušenje, bušenje, peskarenje, oblikovanje. Najrasprostranjenija su stakla zelene, plave, sive i braon boje u svim nijansama.

Površinski karakter stakla

Kada je reč o izgledu površine stakla, ona je kod običnog stakla sjajna i glatka. Dodatnom obradom stakla moguće je dobiti staklene površine izmenjenog izgleda, bez sjaja ili sa reljefnom fakturom. Promenom površinskog karaktera menja se i stepen prozirnosti.

Staklo - dimenzije

Pod dimenzijama stakla podrazumeva se njegova širina, dužina i debljina. Dimenzije su uslovljene proizvodnim procesima proizvođača i zavise od vrste i debljine stakla. Ograničenja postoje za sve vrste stakla, a proizvođači vrednosti iskazuju kroz minimalne/maksimalne moguće vrednosti u mm i dopuštenu toleranciju istih.

U arhitekturi je često poželjna što veća veličina stakla kako zbog smanjenja broja veza tako i zbog estetskih kriterijuma, iako ona u isto vreme podrazumeva veliku težinu za pojedinačni panel, što u određenoj meri usložnjava celokupnu konstrukciju.

Najočiglednija prednost stakla je jednostavna hemijska struktura i transparentnost koja određuje vizuelni aspekt ovog materijala. Staklo poseduje pozitivne osobine, ali treba naglasiti da one nisu bez limita. Osobine stakla veoma variraju u zavisnosti od vrste.

Za konstruktivnu primenu stakla u arhitekturi od najvećeg značaja su mehaničke osobine stakla i ponašanje u uslovima požara.

Staklo je krt materijal i problemi čvrstoće običnog stakla i slabe otpornosti pod dejstvom zatežućih sila prouzrokuju lak i brz lom. Ponašanje u požaru (izuzev skupih složenih proizvoda) je slabo. Pored dobre i poželjne transmisije svetlosti, staklo ima probleme sa provodljivošću toplote.