《達人專欄》颱風天,鋁窗玻璃破裂的原因探討與改善之策(上)

【窗裡乾坤】專欄  編者:左大鈞

颱風來襲時,強勁的瞬間風壓會使玻璃出現撓曲現象,而風壓愈強,玻璃的撓曲狀況就愈顯著;因此,當玻璃一旦出現明顯的撓曲狀況時,許多人就會因為玻璃容易碎裂的印象,而開始憂心玻璃會不會發生破裂的問題。

其實,玻璃在颱風來襲時會出現破裂,如不考慮是因為鋁窗結構不佳與立框不牢而造成窗框崩解所導致的破裂外,不外乎有以下幾種可能的態樣:

  1. 由於玻璃的抗拉強度(玻璃受外力形變,在破裂前所能承受的最大應力)較低,所以屬脆性材料,因此當風壓強勁時,玻璃的撓曲量如果超過了本身可以負荷的臨界強度,或是強化玻璃原本平衡的壓縮與引張應力,因撓曲的影響而受到破壞,玻璃就可能出現破裂或自爆的狀況。
    2017年8月23日天鴿颱風侵襲澳門,許多高樓玻璃因無法承受劇烈的風壓而發生破裂,由上圖玻璃破裂後,窗框四邊仍殘存有玻璃殘骸的狀況可窺知,玻璃因撓曲過大,且超出了自身可以負荷的強度,因此從玻璃的中心位置向室內爆裂(圖片來源:明鏡新聞網)
  2. 玻璃受到外物撞擊,導致玻璃破裂;不同於風壓所產生的是一種均佈負荷的受力(整個玻璃面同時受力),外物撞擊則屬於集中負荷的受力,也就是玻璃的受力,是集中在一個撞擊點上,因為來襲物的動能過大且能量與受力集中,因此導致玻璃被貫穿而使整片玻璃破裂。
  3. 玻璃安裝在鋁窗溝槽時,如果沒有足夠的吃深,再加上矽利康黏合性不佳,則玻璃在大風壓下,就會因為撓曲的狀況,使得原本即已不足的吃深,變得更淺,而降低了玻璃應有的穩固性,並導致整片玻璃從鋁窗溝槽中脫落而破碎。
  4. 強化玻璃最脆弱的位置是在四個邊角上,因此鋁窗在套裝玻璃時,如果玻璃的邊角與靠近室內面的鋁框沒有適當的間隙,則玻璃在承受風壓而往室內面彎曲時,玻璃的邊角就會擠迫到室內側的鋁框(如圖所示),當擠迫的力道愈益強烈,強化玻璃就可能從最脆弱的邊角發生破裂。
  5. 推開窗或其他同樣也是使用壓條來固定玻璃的窗種,在玻璃套裝時,如果壓條未安裝妥適,就容易受到玻璃撓曲擠迫的影響,而出現鬆動與發出喀、喀作響的異音狀況;一旦鋁窗壓條不慎鬆脫,玻璃即會失去穩固的倚靠,就可能發生從鋁窗溝槽中脫落而碎裂的問題。

在瞭解了玻璃在颱風侵襲下,可能發生破裂的幾種主要態樣後,我們再來看看該如何提升玻璃的安全性,及該如何來降低玻璃破裂所造成的危害性。

首先,玻璃的強度與安全性會因為尺寸、形狀、厚度規格、組成形式而有不同;如果屏除外物撞擊、安裝不良的因素來看,玻璃尺寸愈方正、面積愈小,厚度愈厚,則強度愈佳。

其次,經過熱處理的強化玻璃,強度概約是一般無強化平板玻璃的3.5~5倍,因此具有較佳的抗衝擊能力;而在玻璃的組成形式上,膠合玻璃因在玻璃夾層內黏合有單層或多層的PVB膜,由於這個PVB膜具有很強的結合力,所以玻璃破裂時較不會出現碎片飛濺的情形,安全性也比較高。

爰上,當我們針對空曠地區、平坦地貌、高樓層、北向與南向(受颱風、東北季風、西南氣流影響較大的座向)等風勢嚴峻下的建築物開口,在進行窗型與玻璃評估時,應避免設計過度狹長的窗型,因為玻璃的形變量與長度有密切關係,所以面積大小雖然相同,但形狀不同的玻璃,如果形狀愈狹長,則撓曲所產生的形變量一定會比形狀較為方正的玻璃來得大,玻璃破裂的風險性也相對較高;

因此如果位在迎風面、大風勢的建築開口屬於瘦高或扁寬的形狀,則窗型建議應設計為有開天氣窗或以併窗方式來做設計,如此即能避免玻璃出現過於狹長的狀況;而在玻璃規格的選擇上,則以8mm以上厚度的強化玻璃,甚至是使用5mm+5mm以上膠合強化玻璃為佳,但玻璃如果採用的是複層玻璃時,因為其結構係由兩片單層玻璃夾有中空層所組成,所以在強度表現上會比由相同厚度單層玻璃所組成的膠合玻璃差,甚至是比單獨一片較厚的單層強化玻璃差;

因此,如大風壓環境仍需使用複層玻璃時,可考慮在複層玻璃的中空層內加裝鋁隔條(即所謂的格子窗),這樣就能提高複層玻璃的結構強度(補充說明:依強度試算公式計算,相同尺寸玻璃在強度表現上,5mm+5mm膠合強化玻璃強度>8mm單層強化玻璃>5mm+9.5mm空氣層+5mm複層強化玻璃)。

要特別提醒,強化玻璃的強度雖然較佳,但由於強化玻璃是經過焠火與急速冷卻所製成,因此玻璃中心向外膨脹的應力與表層向內部壓縮的應力,是處在一個平衡的狀態,而當玻璃出現撓曲狀況時,玻璃表層的一面是處於受壓縮狀態,而另一面卻是處於被伸張的狀態,所以如果玻璃尺寸太大,撓曲的變形量也相對會比較大,這時玻璃就會因為受到劇烈的受壓與伸張,使得原本平衡的內部應力被破壞,並導致自爆情形的發生;故而,過大面積的強化玻璃仍是存有破裂的風險,在設計上仍建議要儘量避免。

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《窗裡乾坤》專欄,撰文:左大鈞,FB粉絲專頁官網

簡介:名匠鋁窗工藝有限公司總經理,曾任正新精品門窗行銷、客服與業務主管、News 98新聞台「居家達人到你家」節目企劃製作、萬能科大業師。

我常跟人說:「無限大乘上零,永遠等於零;所以再華麗的裝修、再名貴的傢俱,如果沒有好的窗戶把關,所有價值都會大打折扣」,想想這幾年風災,許多家戶飽受漏水之苦,不就是這個道理嗎?期望「窗裡乾坤」的推出,能包羅各種大家所關心的鋁窗問題,進而讓大家能夠體認:愛家,就從窗出發。

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