膠合玻璃與單層玻璃工程性質比較

賴映宇 結構技師

玻璃可透光的性質，使其廣泛的應用在建築結構中。玻璃依據強度可分為普通退火玻璃(Annealed Glass)、熱硬化玻璃(Heat-Strengthened Glass)以及強化玻璃(Fully Tempered Glass)，依據組成可分為單層玻璃(Monolithic Glass)、膠合玻璃(Laminated Glass)及複層玻璃(Insulating Glass)。

玻璃屬於脆性材料，無明顯之降伏點，設計上是以玻璃撓曲破裂強度除上對應的安全係數，視為線彈性材料進行設計。玻璃的陽氏係數為10400ksi、撓曲破裂強度依據普通玻璃、熱硬化玻璃以及強化玻璃分別為6ksi、12ksi、24ksi。安全係數參考AAMA(American Architectural Manufactures Association)建議，以破裂機率8‰為依據，訂定出安全係數2.5。

設計玻璃時一般採用幾種方式，包括查表、有限元素分析、取單位寬度以簡支結構檢核。

 　1.查表：ASTM E1300係針對建築結構用之玻璃容許載重所訂定出的標準，依據玻璃的邊界條件(4邊固定至單邊固定)以及玻璃的種類或厚度(5mm至22mm；單層、膠合或複層)皆有詳盡的圖表可供工程師查找。另在ASTM E1300中有訂定出玻璃標稱厚度與最小厚度的關係，例如標示為12mm厚之玻璃，最小容許厚度為11.91mm，在設計時，工程師可斟酌採用。

　2.有限元素分析：在特殊的尺寸或固定方式下，例如採用爪具固定之結構玻璃，ASTM E1300可能不敷使用，此時會仰賴有限元素分析軟體，玻璃雖屬於板材結構，但相較於鋁包版，玻璃之厚度動輒6mm以上，非線性效應不甚明顯，以線性分析已屬合宜。

　3.取單位寬度以簡支結構檢核：在單邊固定、兩邊固定以及四邊固定的狀況下，若無圖表可供查詢，以單位寬度估算玻璃厚度以及撓度可使工程師迅速得到一個初步的結果。

以下要比較在兩邊固定狀況下，取單位寬度檢核單層玻璃與查表法檢核相同厚度之單層玻璃與膠合玻璃結果差異。依據材料力學，變位與t3(I=b*t3/12)成反比、強度與t2(S=b*t2/6)成反比，若膠合玻璃之膠合膜功效優異，則可得到相近於複合的效果，反之若膠合膜幾乎無貢獻，則會得到近似兩片玻璃疊合的效果，兩者勁度相差4倍、強度相差2倍，膠合膜之功效影響甚鉅。

結論

　1.由ASTM-E1300圖表可知12mm玻璃強度上單層玻璃較複層玻璃高出約1.3倍，變形單層玻璃較複層玻璃少約1.8倍，若以厚度轉換，約差14~20%；16mm玻璃強度上單層玻璃較複層玻璃高出約1.35倍，變形單層玻璃較複層玻璃少約1.9倍，若以厚度轉換，約差16~24%；19mm玻璃強度上單層玻璃較複層玻璃高出約1.34倍，變形單層玻璃較複層玻璃少約1.6倍，若以厚度轉換，約差16~17%。

　2.膠合膜的功效影響膠合玻璃工程性質甚鉅，然膠合膜的效用無法以基礎力學方式得到，必須仰賴玻璃廠商以實驗數據佐證之。

參考文獻

[1]         ASTM-E1300-03 .

[2]         Structural Properties of Glass（1984）. AAMA.