Elément vitré multiple et procédé de fabrication de cet élément La présente invention est relative à un élément vitré multiple du type dans lequel des parties de l'une des vitres sont décalées par rapport aux autres afin de ménager un espace d'air entre les vitres. Les bords des feuilles de verre peuvent être fixés ensem ble de diverses manières ; la manière préférée con siste toutefois à produire le décalage des vitres pen dant que le verre est ramolli par la chaleur du sou dage.
On connait depuis longtemps des éléments vitrés doubles comprenant deux feuilles de verre superposées à quelque distance l'une de l'autre et dont les bords extrêmes sont réunis. Il est également bien connu d'évacuer l'air contenu dans l'espace compris entre les feuilles de verre et de remplir cet espace avec de l'air sec ou d'y conserver le vide.
D'ordinaire, les éléments à deux vitres constitués par des feuilles planes s'infléchissent facilement sous l'influence des variations de température et de pres sion barométrique du fait que le verre est une matière plutôt flexible et que la flexion s'applique à une sur face considérable. Dans les cas où l'on soumet à la flexion une seule feuille ou les deux pour créer un espace plein d'air, les contraintes qui prennent nais sance dans la partie incurvée au cours de la flexion du verre, par suite de variations dues aux pressions intérieures ou extérieures ont une importance capi tale pour la durée de conservation de l'élément.
C'est à ce dernier problème que se rapporte la pré sente invention.
La présente invention a pour objet un élément vitré multiple destiné à servir à la fermeture des ouvertures ménagées dans des constructions mon tées sur le sol et utilisées dans des conditions nor males de pression atmosphérique et de température ambiante, cet élément comprenant des vitres planes écartées l'une de l'autre et réunies par fusion le long de leurs bords extrêmes, étant caractérisé par le fait qu'il présente une partie incurvée le long desdits bords.,
et qu'il contient un gaz qui a été emprisonné dans ledit élément sous des conditions de tempéra ture et de pression telles que la face extérieure de ladite partie incurvée se trouve soumise à une com pression supérieure ou à une tension inférieure à celles qui existeraient sous lesdites conditions nor males.
L'invention comprend également le procédé de fabrication d'un tel élément vitré multiple, procédé du type consistant à amener deux vitres à une petite distance l'une de l'autre et à chauffer les bords extrêmes de ces vitres pour les faire fondre en for mant un ensemble vitré multiple, présentant une partie incurvée le long desdits bords,
ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on soumet l'élément à une contrainte préliminaire et que l'on remplit cet élément de gaz que l'on y enferme sous des condi tions de température et de pression telles que la face extérieure de ladite partie incurvée soit soumise à une compression supérieure ou à une tension infé rieure à celles qui existeraient sous lesdites condi tions. normales.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'élément vitré selon l'in vention La fig. 1 est une vue en plan de l'élément.
La fig. 2 est une coupe transversale partielle à grande échelle par II-II de la fig. 1.
L'élément vitré représenté au dessin est formé d'une feuille de verre 1 sensiblement plane, et d'une seconde feuille 2 dont la partie marginale est dis posée angulairement par rapport à cette feuille et se termine par des parties marginales raccordées par fusion, ou soudées aux parties correspondantes de la feuille 1.
A l'intérieur de l'élément, les faces inté rieures des feuilles 1 et 2 sont réunies par une sur face courbe sensiblement uniforme. La résistance mécanique de l'élément dépend en grande partie de l'uniformité des parties courbées intérieures et exté rieures formant la liaison entre les- parties planes des feuilles 1 et 2 et de la liaison marginale obtenue par fusion réunissant les feuilles.
Le procédé de scellement des bords peut être appliqué indifféremment par fusion ou par tout autre moyen approprié. De même, la forme particulière donnée à la partie déportée, l'espace compris entre les feuilles, et le procédé utilisé pour réaliser le dé calage dans une seule des feuilles ou dans les deux ne présentent pas d'importance particulière. Il est important toutefois d'éviter dans les feuilles des coudes prononcés et de grandes variations de sec tion à l'endroit de ces coudes.
Il est évident que des coudes prononcés créent des concentrations de con traintes, tandis que des courbes uniformes d'un rayon appréciable ont tendance à produire une répar tition uniforme des contraintes. De même, des varia tions de la section transversale, même si la courbe est uniforme sur une des surfaces de la feuille,
créent des zones de moindre résistance. Un autre facteur important de la réalisation de ces éléments réside dans le fait que la précontrainte doit être effectuée après que les parties déportées ont été for mées dans le verre. S'il en est autrement, dans cer taines conditions, cette précontrainte peut être nui sible plutôt qu'avantageuse, ainsi qu'on l'expliquera en détail ci-après.
La forme préférée de l'élément est celle repré sentée sur le<B>-</B>dessin et est obtenue en superposant, à quelque distance l'une de l'autre, deux feuilles de verre ayant la dimension désirée et en chauffant les bords de la feuille 2 jusqu'à ce qu'ils se ramollis sent et se raccordent par fusion aux bords corres- pondants de la feuille 1. On exerce ensuite une trac tion sur la feuille 2 pour l'éloigner de la feuille 1 jusqu'à l'écartement désiré, et l'on termine la sou dure.
En se référant maintenant en détail à la fig. 2, on voit que la liaison marginale entre les feuilles 1 et 2 comprend une partie 3 obtenue par fusion simultanée, une partie incurvée extérieure 4 et une partie incurvée intérieure 5 qui, avec les parties plates des feuilles 1 et 2, délimitent un espace d'air 6. L'espace 6 communique avec l'extérieur par un trou d'échappement 7.
Le dessin. montre de façon évidente que, lorsque l'espace 6 de l'élément est rempli d'air à la pression atmosphérique et à la température ambiante et que le trou 7 est scellé, les surfaces 4 et 5 (fig. 2) ne sont soumises à aucun effort de compression ou de tension.
Cependant, si la température ou la pres- sion barométrique régnant au lieu où l'on utilise l'élément diffèrent de celles qui existent au lieu où l'on a effectué ce scellement, les deux surfaces 4 et 5 se trouveront soumises à des contraintes de valeurs différentes et s'exerçant de diverses maniè res. Si la pression extérieure augmente, les feuilles 1 et 2 ont tendance à se rapprocher l'une de l'autre, la surface 4 subira un effort de tension et la surface 5 subira un effort de compression.
De même, si la pression extérieure demeure égale à celle régnant au moment où l'on a réalisé le scellement et si la pres sion de l'air régnant dans l'espace 6 augmente par suite d'une élévation de la température, la surface 4 se trouve soumise à un effort de compression et la surface 5 à un effort de tension.
On peut calculer ces contraintes qui prennent naissance dans les surfaces 4 et 5 et réaliser les feuilles 1 et 2 en utilisant du verre présentant une résistance mécanique suffisante pour résister de façon sûre à ces contraintes. Toutefois, l'utilisation de verre de résistance mécanique spéciale augmente toujours les prix de revient et il en résulte que la fabrication d'un élément de ce genre n'est pas dési rable du point de vue économique.
Un but visé par la précontrainte est d'éviter qu'il soit nécessaire d'utiliser des verres spéciaux. Outre les contraintes calculables, il existe certaines autres variations de contraintes ou variations de contraintes potentielles, auxquelles l'élément se trouve soumis pendant son utilisation et qui sont imprévi sibles.
La surface 5 se trouve à l'intérieur de l'élément et n'est pas soumise à une détérioration qui amène rait rapidement la destruction de l'élément. La sur face 4, toutefois, se trouve à découvert et est sus ceptible d'être endommagée pendant la durée d'uti lisation de l'élément.
Par exemple, la surface 4 peut être accidentellement éraflée par le vitrier au cours de l'assemblage du vitrage et du cadre ou bien la surface pourrait être volontairement éraflée par une personne mal intentionnée, négligente ou malfai sante. La surface 4 pourrait également, pendant la durée d'utilisation de l'élément, être endommagée par les intempéries ou de quelque autre manière.
Toute détérioration de la surface 4 diminue la résis tance de l'élément et crée une source de concentra tion des contraintes pouvant entramer la destruction de l'élément sous une contrainte que l'élément aurait pu supporter si cette détérioration ne s'était pas produite.
Le verre est élastique entre certaines limites, il peut fléchir facilement, pourvu qu'on applique suf fisamment lentement l'effort de flexion et il reprend toujours sa forme initiale lorsque cette force cesse de s'exercer. On peut le souder à chaud, le courber à chaud et le façonner autrement à chaud. Lorsque le verre est soumis, à froid, à des contraintes dépas sant sa limite élastique, il ne prend pas une défor mation permanente, il se rompt. Il est, en outre, bien connu que la rupture du verre commence tou- jours du côté où s'exerce la tension provoquant la déformation.
Si l'on se réfère maintenant à la fig. 2 du dessin, on va examiner les contraintes appliquées à la sur face 4 et à la surface 5 pendant l'utilisation normale prévue de l'élément utilisé comme panneau transpa rent placé dans un immeuble, un train, un réfrigéra teur ou dans d'autres utilisations similaires, à des tem pératures, et à des pressions barométriques autres que celles existant au moment où l'élément est scellé.
Les statistiques démographiques actuelles montrent que 85 % de la population des Etats-Unis résident et travaillent dans des régions qui se trou vent à une altitude inférieure à 910 m et qui sont desservies par des lignes de chemin de fer ne dépas sant jamais des altitudes de 910 m environ. En con- séquence, il faut s'attendre à ce que l'élément à double vitrage décrit soit utilisé normalement à des altitudes comprises entre le niveau de la mer et 910 m environ.
De même, ces mêmes statistiques accusent des probabilités de températures, à l'inté rieur de l'élément, de 430 C environ, à une altitude de 910 m environ lorsqu'il est exposé au soleil en été, et de - 290 C environ au niveau de la mer dans des conditions défavorables. Ces valeurs ex trêmes de conditions climatiques détermineraient des valeurs extrêmes de contraintes de tensions sur la surface 4 au niveau de la mer et sur la surface 5 à l'altitude de 910 m environ.
Le tableau ci-après indique les contraintes de tensions auxquelles serait soumis un élément à dou ble vitrage entre les conditions extrêmes d'altitudes et de températures précédentes.
Pression barométrique à environ 910 m d'alti tude = 0,920 kg/ce.
Pression barométrique au niveau de la mer = 1,033 kg/cm2.
Pression barométrique à environ 455 m d'alti tude = 0,977 kg/ce.
Dimensions de l'élément = 0 m 60 X 0 m 60 environ.
Espace d'air = 4,70 mm environ. Epaisseur du verre = 3 mm environ.
EMI0003.0026
Condition <SEP> de <SEP> scellement <SEP> Contrainte <SEP> en <SEP> 41 <SEP> Contrainte <SEP> en <SEP> 5
<tb> au <SEP> niveau
<tb> Essais <SEP> à <SEP> environ
<tb> de <SEP> la <SEP> mer <SEP> 910 <SEP> mètres
<tb> Pression <SEP> d'altitude
<tb> Température <SEP> et <SEP> à <SEP> -29"C <SEP> o
<tb> barométrique <SEP> o <SEP> C <SEP> en <SEP> k <SEP> mm- <SEP> et <SEP> à <SEP> 43- <SEP> <B>C</B>
<tb> g/ <SEP> en <SEP> kg/mm2
<tb> en <SEP> kg/cmz
<tb> 1 <SEP> 1,033 <SEP> <B>-29</B> <SEP> 0 <SEP> 4
<tb> 2 <SEP> 0,920 <SEP> 43 <SEP> 2,95 <SEP> 0
<tb> 3 <SEP> 0,977 <SEP> 21 <SEP> 2,2 <SEP> 1,23
<tb> 4 <SEP> 0,977 <SEP> - <SEP> 1 <SEP> 1,41 <SEP> 2,11
<tb> 5 <SEP> 1,054 <SEP> 21 <SEP> 1,41 <SEP> 2,
11 Si l'on se réfère au tableau précédent, on voit nettement que les contraintes imposées à des élé ments à vitrages doubles du type comportant du verre courbe varient considérablement dans les limi tes de fluctuation des pressions. et des températures auxquelles on peut normalement s'attendre.
D'après les, valeurs indiquées à la ligne 1 du tableau, un élément scellé à la pression atmosphé rique, au niveau de la mer et à la température de - 290 C, aurait, d'une part, sa surface extérieure 4 maintenue sous un effort de compression dans toute la gamme d'abaissement de la pression atmosphéri que et d'augmentation de la température jusqu'à une altitude de 910 m environ et une température de 430 C environ et, d'autre.
part, sa surface inté rieure 5 soumise à une contrainte de tension maxi mum de 4 kg/mn±z. De même, si l'on se rapporte aux indications de la ligne 2 du tableau, on voit qu'un élément scellé à une altitude de 910 m envi ron et une température de 430 C environ se trouve soumis, lorsqu'il est utilisé au niveau de la mer et à une température de - 290 C environ, à une con trainte de tension maximum de 2,95 kg/me dans la.
surface extérieure 4, contrainte qui est également indésirable. La ligne 3 du tableau indique qu'un élé ment scellé à une pression atmosphérique régnant à une altitude intermédiaire de 455 m environ et à une température de 210 C environ imposerait, au niveau de la mer et à une température de - 290 C, sur la surface extérieure 4, une contrainte de tension de 2,200 kg/me environ et une pression de tension de 1,23 kg/me environ sur la surface intérieure 5 à une altitude de 910 m environ et une température de 430 C environ.
Les comparaisons ci-dessus, fournies par le ta bleau, entre les contraintes maxima possibles impo sées aux surfaces 4 et 5 des parties courbées de cet élément, lorsqu'il est scellé dans l'une ou l'autre des conditions extrêmes d'utilisation probable et à celles correspondant à un point choisi entre ces extrêmes,
démontrent qu'il est nécessaire d'appliquer à l'élé ment un traitement supplémentaire afin. de réaliser une structure qui se comportera sans danger dans toutes les conditions d'utilisation et d'abus. que l'on connaît et que l'on peut raisonnablement prévoir. L'élément doit être tel qu'on puisse l'utiliser sans danger en n'importe quel endroit se trouvant dans la gamme de conditions choisies.
C'est pourquoi le procédé dont il s'agit ici vise à placer un élément précontraint de telle manière que, indépendamment du lieu où l'on réalise le scel lement, et dans des limites choisies, lorsqu'on uti lise cet élément entre ces limites, les, parties vulné rables de ce dernier ne soient pas soumises à des contraintes dépassant les limites de sécurité prévues et l'utilisation excessive qu'on peut prévoir de cet élément.
Le susdit procédé consiste a) à prendre, dans le calcul, un coefficient mini mum de sécurité correspondant aux con traintes maxima prévisibles auxquelles l'élé ment est susceptible d'être soumis ;
b) à réaliser l'élément de telle manière que la majeure partie de la totalité des contraintes de tensions susceptibles de s'exercer sur la partie courbée de l'élément soient appliquées sur la surface intérieure 5 ; c) à soumettre la surface extérieure 4 à des efforts de compression pendant une partie importante de la gamme prévue des varia tions de températures.
La surface 5 de la partie courbée de l'élément étant scellée à l'intérieur de ce dernier se trouve, par conséquent, protégée contre les. types de dété rioration précités auxquels la surface 4 se trouve exposée. Par conséquent, la surface 5 peut suppor ter avec sécurité une charge plus élevée que la sur face 4.
C'est pourquoi, on répartit la totalité des contraintes de tensions qui s'exercent sur la partie courbée de l'élément, de telle sorte que la surface 5 supporte une contrainte de tension de traction 50 % plus élevée que celle que supporte la surface 4.
Ce résultat peut être obtenu soit en faisant varier les températures ou les pressions au moment où l'on réalise le scellement, soit en contrôlant le volume d'air remplissant l'élément. Bien entendu, si on le désire, on peut répartir les contraintes dans une proportion différente.
Afin de déterminer les diverses contraintes ad missibles appliquées sur les parties courbées des éléments de dimensions différentes dans des condi tions variables de température et de pression, on peut utiliser la formule ci-après ; cette formule a été mise au point afin de déterminer la pression absolue requise pour amener la rupture d'éléments de dimensions différentes et comportant des inter valles d'air différents.
P = pression externe de rupture de l'élément. PI = pression interne de l'élément après scel lement.
P2 = pression interne de l'élément juste avant la rupture.
V1 = volume de l'élément après scellement.
V2 = volume de l'élément juste avant la rup ture.
t, = température intérieure de l'élément après scellement.
t2 = température intérieure de l'élément juste avant sa rupture.
q = différence de pression entre la pression régnant à l'intérieur et la pression s'exer çant à l'extérieur de l'élément.
L = côté du carré.
n = écartement entre les feuilles de verre. h = épaisseur du verre. E = module d'élasticité = 7030 kg/mm . R = module de rupture.
S = contrainte maximum en kg/mm2. d = flèche au centre de la plaque.
F = flèche moyenne<B>/</B> flèche au centre = 0,25 pour plaque encastrée.
a = constante de déformation = 0,0138 pour plaque carrée encastrée.
b = constante de tension = 0,0513 pour plaque carrée encastrée.
Lorsque l'élément est sur le point de se rompre
EMI0004.0067
Par conséquent
EMI0004.0068
D'après Timoshenko, Strength of Materials 5>, vol. II, pages 506-7-8 (1930),
EMI0004.0072
Par conséquent
EMI0004.0073
(d'après Timoshenko - supra -page 104).
En substituant ces expressions de q et de d dans l'expression de P, il vient
EMI0004.0076
Si l'on se réfère maintenant aux valeurs indi quées du tableau ci-dessus pour l'essai No 3, on voit qu'un élément d'environ 0,60 m X 0,60 m dont le scellement a été réalisé dans des conditions sen siblement moyennes de température et de pression donnerait, dans la surface 4, au niveau de la mer et à une température de - 29o C environ, une ten sion d'environ 2,00 kg/mm2 et, dans la surface 5, à l'altitude de 910 m environ et à une température de 430 C environ, une tension de 1,23 kg/mm2 envi ron.
Les valeurs indiquées pour l'essai No 4 mon trent qu'un élément de la même dimension dont le scellement a été réalisé à la même pression mais à une température de - 1 0 C environ donnerait, sur la surface 4, une tension de 1,40 kg/mm et, sur la surface 5, une tension de 2,11 kg/mm à une alti tude de 910 m environ et à une température de 430 C. Ceci correspond à une répartition des con traintes telle que la contrainte maximum s'exerçant sur la face intérieure de l'élément à l'endroit de la surface 5, est 50 % plus élevée que la contrainte maximum s'exerçant sur la surface extérieure 4 de cet élément.
En d'autres termes, les contraintes se trouvent dans une situation relative inverse de celle qui résulte des valeurs indiquées au tableau pour l'essai No 3, à savoir que la contrainte la plus éle vée est celle qui s'exerce sur l'intérieur.
D'après les valeurs indiquées au tableau pour l'essai No 5, on voit qu'en effectuant également le scellement de l'élément à la température de 21 C, comme dans le cas de l'essai No 3, mais en augmentant de 0,977 kg/cm2 à 1,055 kg/cmz la pression à laquelle on effectue le scellement, les tensions sont les mê mes que dans le cas de l'essai No 4 ou, en d'autres termes, la proportion entre les contraintes se trouve renversée et la contrainte maximum s'exerce main tenant sur la partie protégée intérieure 5.
Un autre avantage de ce procédé de précon trainte apparaît de la comparaison des essais Nos 3 et 5. De calculs basés sur la formule donnée ci- dessus, on déduit que la contrainte qui s'exerce à la partie coudée est d'environ 0,034 kg/mm2 par demi- degré centigrade- environ de variation de tempéra ture.
Il s'ensuit que la surface 4 d'un élément scellé dans les conditions indiquées au tableau pour l'essai No 5 se trouverait, au niveau de la mer et pour une température de - 29c, C environ, soumise à une contrainte de tension d'environ 1;40 kg/mmD. Pour une augmentation de température d'environ 42o C, c'est-à-dire pour une température d'environ 13o C, la surface 4 se trouverait soumise à une contrainte de compression et demeurerait en compression pour toutes les températures supérieures à cette dernière.
Si l'on compare à nouveau les valeurs indiquées au tableau pour les essais Nos 3 et 4, on voit que la surface 4 d'un élément de 0,60 m X 0,60 m scellé dans les conditions indiquées. pour l'essai No 3 ne serait, à la température précitée d'environ 130 C, soumise à aucune contrainte, mais que, au fur et à mesure que la température s'abaisse, la surface 4 se trouverait soumise à une contrainte de tension pour toutes les températures inférieures à 210 C environ. Si un élément scellé dans les conditions précitées avait sa surface 4 soumise à une contrainte de compression pour toutes les températures supé rieures à -10 C, on verrait que l'essai No 4 aurait une avance de 400 C sur l'essai No 3.
Par consé quent, non seulement un élément scellé dans les conditions de l'essai No 4 est soumis à la contrainte maximum dans les conditions extrêmes inversées de la face extérieure à la face intérieure de l'élément quand on effectue la comparaison avec les condi- tions de l'essai No 3, mais encore la surface exté rieure 4 se trouve soumise à la compression pour la majeure partie des gammes de températures pos sibles que l'on peut rencontrer, c'est-à-dire de -10 C, à 430 C, soit une différence de 44 degrés, comparée à la gamme comprise entre -10 C et - 290 C, soit une différence de 28 degrés seule ment.
On peut appliquer le procédé de précontrainte à tout élément de dimension quelconque comportant un espace quelconque entre les feuilles de verre et présentant n'importe quelle forme de courbure dans la feuille, ainsi qu'un congé interne à l'endroit de la soudure. Il n'est pas nécessaire que les bords marginaux de la feuille soient reliés par fusion (ob tenue par un procédé de soudure électrique) si ce n'est que c'est là le seul procédé actuellement connu du demandeur pour produire un congé interne entre les deux feuilles de verre.
On peut résumer comme suit le procédé per mettant de précontraindre l'unité. Après avoir choisi la dimension de l'élément désiré, l'écartement entre les feuilles et l'épaisseur de la feuille, on évalue les contraintes réelles à l'endroit des parties courbes de la feuille, conformément à la formule ci-dessus, pour des conditions de précontrainte dans lesquelles l'élément doit être utilisé. On choisit alors la répar tition maximum désirée des contraintes aux condi tions extrêmes d'utilisation envisagées.
On peut ensuite évaluer les températures et les pressions de scellement pour assurer les contraintes désirées, en tenant compte du fait qu'une rupture dans une pièce de verre courbée commencera toujours du côté de la courbure où se produit la tension. En conséquence, on peut tolérer de plus grandes con traintes du côté de la courbure où s'exerce la com pression, dans les conditions extrêmes d'utilisation pour obtenir un élément dont le côté exposé de la courbure peut être maintenu sous compression pen dant la majeure portion de la gamme des tempéra tures possibles que l'on rencontre à l'endroit possible d'utilisation.
On prend, de préférence, la gamme de températures comme donnée variable, étant donné qu'il est possible qu'un élément installé à n'importe quelle altitude soit soumis à toute la gamme des températures choisies, alors que les pressions baro métriques pour le niveau de la mer et pour une altitude d'environ 910m sont seulement comprises entre 0,921 kg/cm- et 1,029 kg/cm". De même, cha que degré de variation de température se produisant dans un élément d'environ 0;60 m X 0,60 m produit des changements de contrainte d'approximativement 1,85 kg/cm-. Les éléments ayant d'autres dimen sions subissent des variations proportionnelles ana logues.
Bien que lorsque l'on trace la courbe de la variation de pression dans l'élément pour chaque degré de changement de température, on n'obtient pas une courbe rectiligne, on peut la considérer comme telle pour toutes les utilisations pratiques. De même, on doit établir chaque dimension de l'élé- ment pour assurer un coefficient de sécurité supé rieur à 1, de manière que l'on puisse tolérer que des contraintes éventuelles dépassant celles qui ont été choisies par les calculs s'exercent sur le verre, grâce à l'excès de résistance que l'on a prévu.
Multiple glazed element and method of manufacturing this element The present invention relates to a multiple glazed element of the type in which parts of one of the panes are offset with respect to the others in order to provide an air space between the panes. The edges of the glass sheets can be secured together in various ways; the preferred manner, however, is to produce the offset of the panes while the glass is softened by the heat of the soldering.
Double glazed elements have been known for a long time comprising two sheets of glass superimposed at some distance from each other and the end edges of which are united. It is also well known to evacuate the air contained in the space between the sheets of glass and to fill this space with dry air or to keep the vacuum there.
Usually, the two-pane elements made of flat sheets flex easily under the influence of variations in temperature and barometric pressure because glass is a rather flexible material and bending is applied to a surface. on considerable face. In cases where one or both sheets are flexed to create an air-filled space, the stresses that arise in the curved portion during the bending of the glass, due to variations due to internal or external pressures are of paramount importance to the shelf life of the element.
It is to this latter problem that the present invention relates.
The present invention relates to a multiple glazed element intended to serve for closing the openings made in constructions mounted on the ground and used under normal conditions of atmospheric pressure and ambient temperature, this element comprising flat panes spaced apart. 'one from the other and joined by fusion along their extreme edges, being characterized by the fact that it has a curved part along said edges.,
and that it contains a gas which has been trapped in said element under conditions of temperature and pressure such that the outer face of said curved portion is subjected to a higher com pressure or a lower voltage than those which would exist under said normal conditions.
The invention also comprises the method of manufacturing such a multiple glazed element, a method of the type consisting in bringing two panes at a small distance from each other and in heating the end edges of these panes to melt them together. forming a multiple glazed assembly, having a curved part along said edges,
this method being characterized by the fact that the element is subjected to a preliminary stress and that this element is filled with gas which is enclosed therein under conditions of temperature and pressure such as the outer face of said curved portion is subjected to a higher compression or a lower tension than those which would exist under said conditions. normal.
The accompanying drawing shows, by way of example, an embodiment of the glazed element according to the invention. FIG. 1 is a plan view of the element.
Fig. 2 is a partial cross-section on a large scale taken by II-II of FIG. 1.
The glazed element shown in the drawing is formed of a substantially planar glass sheet 1, and of a second sheet 2, the marginal part of which is arranged angularly with respect to this sheet and ends in marginal parts connected by fusion, or welded to the corresponding parts of the sheet 1.
Inside the element, the inner faces of the sheets 1 and 2 are joined by a substantially uniform curved surface. The mechanical strength of the element depends largely on the uniformity of the inner and outer curved parts forming the connection between the flat parts of the sheets 1 and 2 and the marginal bond obtained by fusion joining the sheets.
The edge sealing process can be applied either by fusion or by any other suitable means. Likewise, the particular shape given to the offset part, the space between the sheets, and the method used to perform the offset in only one of the sheets or in both are not of particular importance. However, it is important to avoid pronounced elbows in the leaves and large variations in section at the location of these elbows.
It is evident that sharp elbows create stress concentrations, while uniform curves of appreciable radius tend to produce a uniform stress distribution. Likewise, variations in the cross-section, even if the curve is uniform over one of the surfaces of the sheet,
create areas of least resistance. Another important factor in the production of these elements lies in the fact that the prestressing must be carried out after the offset parts have been formed in the glass. Otherwise, under certain conditions, this prestressing may be detrimental rather than beneficial, as will be explained in detail below.
The preferred form of the element is that shown in the <B> - </B> drawing and is obtained by superimposing, at some distance from each other, two sheets of glass of the desired size and heating edges of sheet 2 until they soften and merge with the corresponding edges of sheet 1. Then pull the sheet 2 away from sheet 1 until 'at the desired spacing, and we finish the hard sou.
Referring now in detail to FIG. 2, it can be seen that the marginal connection between the sheets 1 and 2 comprises a part 3 obtained by simultaneous fusion, an outer curved part 4 and an inner curved part 5 which, together with the flat parts of the leaves 1 and 2, define a space d air 6. The space 6 communicates with the outside through an exhaust hole 7.
The drawing. shows clearly that when the space 6 of the element is filled with air at atmospheric pressure and room temperature and the hole 7 is sealed, the surfaces 4 and 5 (fig. 2) are not subjected to no compression or tension.
However, if the temperature or barometric pressure prevailing at the place where the element is used differ from those which exist at the place where this sealing was made, the two surfaces 4 and 5 will be subjected to stresses. of different values and exercised in different ways. If the external pressure increases, the sheets 1 and 2 tend to come closer to each other, the surface 4 will undergo a tension force and the surface 5 will undergo a compressive force.
Likewise, if the external pressure remains equal to that prevailing at the time when the sealing was carried out and if the air pressure prevailing in space 6 increases as a result of a rise in temperature, the surface 4 is subjected to a compressive force and the surface 5 to a tensile force.
These stresses which arise in surfaces 4 and 5 can be calculated and sheets 1 and 2 made using glass having sufficient mechanical strength to reliably withstand these stresses. However, the use of glass of special mechanical strength always increases the cost price and it follows that the manufacture of such an element is not desirable from an economic point of view.
One aim of prestressing is to avoid the need to use special glasses. In addition to the calculable stresses, there are certain other stress variations or potential stress variations to which the member is subjected during use and which are unforeseeable.
The surface 5 is inside the element and is not subject to deterioration which would rapidly lead to the destruction of the element. The surface 4, however, is exposed and is susceptible to damage during the life of the element.
For example, the surface 4 may be accidentally scratched by the glazier during the assembly of the glazing and the frame or the surface may be intentionally scratched by a malicious, negligent or ill-intentioned person. The surface 4 could also, during the period of use of the element, be damaged by the weather or in some other way.
Any deterioration of the surface 4 decreases the resistance of the element and creates a source of stress concentration which can lead to the destruction of the element under a stress that the element could have withstood if this deterioration had not occurred. .
Glass is elastic within certain limits, it can flex easily, provided that the flexural force is applied slowly enough, and it always returns to its original shape when this force ceases to be exerted. It can be hot welded, hot bent, and otherwise hot shaped. When the glass is subjected, when cold, to stresses exceeding its elastic limit, it does not take a permanent deformation, it breaks. It is, moreover, well known that glass breakage always begins on the side where the tension causing the deformation is exerted.
If we now refer to fig. 2 of the drawing, we will examine the stresses applied to the surface 4 and to the surface 5 during the normal intended use of the element used as a transparent panel placed in a building, a train, a refrigerator or in a building. other similar uses, at temperatures, and barometric pressures other than those existing at the time the element is sealed.
Current demographic statistics show that 85% of the population of the United States reside and work in areas which are at elevations below 910 m and which are served by rail lines never exceeding elevations of 910 m approximately. As a result, it is to be expected that the double glazed unit described will be used normally at altitudes between sea level and approximately 910 m.
Likewise, these same statistics show probabilities of temperatures, inside the element, of approximately 430 C, at an altitude of approximately 910 m when it is exposed to the sun in summer, and of - 290 C approximately. at sea level under adverse conditions. These extreme values of climatic conditions would determine extreme values of stress stresses on surface 4 at sea level and on surface 5 at an altitude of approximately 910 m.
The table below indicates the stress stresses to which a double glazing element would be subjected between the extreme conditions of previous altitudes and temperatures.
Barometric pressure at about 910 m altitude = 0.920 kg / cc.
Barometric pressure at sea level = 1.033 kg / cm2.
Barometric pressure at about 455 m altitude = 0.977 kg / cc.
Dimensions of the element = 0 m 60 X 0 m 60 approximately.
Air space = approximately 4.70 mm. Glass thickness = approximately 3 mm.
EMI0003.0026
Condition <SEP> of <SEP> sealing <SEP> Constraint <SEP> in <SEP> 41 <SEP> Constraint <SEP> in <SEP> 5
<tb> at <SEP> level
<tb> Tests <SEP> to <SEP> approximately
<tb> from <SEP> the <SEP> sea <SEP> 910 <SEP> meters
<tb> Pressure <SEP> altitude
<tb> Temperature <SEP> and <SEP> to <SEP> -29 "C <SEP> o
<tb> barometric <SEP> o <SEP> C <SEP> in <SEP> k <SEP> mm- <SEP> and <SEP> to <SEP> 43- <SEP> <B> C </B>
<tb> g / <SEP> in <SEP> kg / mm2
<tb> in <SEP> kg / cmz
<tb> 1 <SEP> 1,033 <SEP> <B> -29 </B> <SEP> 0 <SEP> 4
<tb> 2 <SEP> 0.920 <SEP> 43 <SEP> 2.95 <SEP> 0
<tb> 3 <SEP> 0.977 <SEP> 21 <SEP> 2.2 <SEP> 1.23
<tb> 4 <SEP> 0.977 <SEP> - <SEP> 1 <SEP> 1.41 <SEP> 2.11
<tb> 5 <SEP> 1.054 <SEP> 21 <SEP> 1.41 <SEP> 2,
If one refers to the preceding table, it can be seen clearly that the stresses imposed on double-glazed elements of the type comprising curved glass vary considerably within the limits of fluctuation of the pressures. and temperatures that can normally be expected.
According to the values indicated in row 1 of the table, an element sealed at atmospheric pressure, at sea level and at a temperature of - 290 C, would have, on the one hand, its outer surface 4 kept under a compressive force over the whole range of lowering the atmospheric pressure and increasing the temperature up to an altitude of approximately 910 m and a temperature of approximately 430 C and, other.
part, its interior surface 5 subjected to a maximum tensile stress of 4 kg / min ± z. Likewise, if we refer to the indications in row 2 of the table, we see that an element sealed at an altitude of approximately 910 m and a temperature of approximately 430 C is subjected, when it is used to sea level and at a temperature of approximately - 290 C, at a maximum tension stress of 2.95 kg / m in the.
outer surface 4, which stress is also undesirable. Line 3 of the table indicates that an element sealed at an atmospheric pressure prevailing at an intermediate altitude of approximately 455 m and at a temperature of approximately 210 C would impose, at sea level and at a temperature of - 290 C, on the outer surface 4, a tensile stress of about 2.200 kg / me and a tensile pressure of about 1.23 kg / me on the inner surface 5 at an altitude of about 910 m and a temperature of about 430 C.
The above comparisons, provided by the table, between the maximum possible stresses imposed on the surfaces 4 and 5 of the curved parts of this element, when it is sealed under one or other of the extreme conditions of use probable and those corresponding to a point chosen between these extremes,
demonstrate that it is necessary to apply additional treatment to the element in order to. to achieve a structure that will behave safely under all conditions of use and abuse. that we know and that we can reasonably predict. The element should be such that it can be used safely in any location within the chosen range of conditions.
This is why the process in question here aims to place a prestressed element in such a way that, independently of the place where the sealing is carried out, and within chosen limits, when this element is used between these limits, the vulnerable parts thereof are not subjected to stresses exceeding the safety limits provided and excessive use that can be expected of this element.
The aforesaid method consists of a) taking, in the calculation, a minimum safety coefficient corresponding to the maximum foreseeable stresses to which the element is likely to be subjected;
b) to produce the element in such a way that the major part of the totality of the tension stresses likely to be exerted on the curved part of the element are applied on the interior surface 5; c) subjecting the outer surface 4 to compressive forces for a substantial part of the expected range of temperature variations.
The surface 5 of the curved part of the element being sealed inside the latter is therefore protected against. above-mentioned types of deterioration to which the surface 4 is exposed. Therefore, surface 5 can safely withstand a higher load than surface 4.
Therefore, all of the tensile stresses exerted on the curved part of the element are distributed such that the surface 5 supports a tensile stress 50% higher than that supported by the surface. 4.
This result can be obtained either by varying the temperatures or pressures at the time when the sealing is carried out, or by controlling the volume of air filling the element. Of course, if desired, the stresses can be distributed in a different proportion.
In order to determine the various admissible stresses applied to the curved parts of the elements of different dimensions under varying conditions of temperature and pressure, the following formula can be used; this formula was developed in order to determine the absolute pressure required to cause the rupture of elements of different dimensions and with different air gaps.
P = external rupture pressure of the element. PI = internal pressure of the element after sealing.
P2 = internal pressure of the element just before rupture.
V1 = volume of the element after sealing.
V2 = volume of the element just before the break.
t, = internal temperature of the element after sealing.
t2 = internal temperature of the element just before its rupture.
q = pressure difference between the pressure prevailing inside and the pressure exerted outside the element.
L = side of the square.
n = distance between the glass sheets. h = glass thickness. E = modulus of elasticity = 7030 kg / mm. R = modulus of rupture.
S = maximum stress in kg / mm2. d = arrow in the center of the plate.
F = medium arrow <B> / </B> arrow in the center = 0.25 for recessed plate.
a = deformation constant = 0.0138 for embedded square plate.
b = voltage constant = 0.0513 for square flush plate.
When the element is about to break
EMI0004.0067
Therefore
EMI0004.0068
According to Timoshenko, Strength of Materials 5>, vol. II, pages 506-7-8 (1930),
EMI0004.0072
Therefore
EMI0004.0073
(from Timoshenko - supra -page 104).
By substituting these expressions of q and d in the expression of P, it comes
EMI0004.0076
If we now refer to the values indicated in the table above for test No 3, we see that an element of approximately 0.60 m X 0.60 m, the sealing of which was carried out under conditions sen sibly averages of temperature and pressure would give, in surface 4, at sea level and at a temperature of - 29o C approximately, a tension of approximately 2.00 kg / mm2 and, in surface 5, to altitude of approximately 910 m and at a temperature of approximately 430 C, a tension of approximately 1.23 kg / mm2.
The values indicated for test No 4 show that an element of the same size, the sealing of which was carried out at the same pressure but at a temperature of around - 1 0 C would give, on surface 4, a tension of 1 , 40 kg / mm and, on surface 5, a tension of 2.11 kg / mm at an altitude of approximately 910 m and at a temperature of 430 C. This corresponds to a distribution of the stresses such as the maximum stress exerted on the inner face of the element at the location of the surface 5, is 50% higher than the maximum stress exerted on the outer surface 4 of this element.
In other words, the stresses are in a relative situation opposite to that which results from the values indicated in the table for test No. 3, namely that the highest stress is that exerted on the inside. .
From the values given in the table for test No 5, it can be seen that by also sealing the element at a temperature of 21 C, as in the case of test No 3, but increasing by 0.977 kg / cm2 to 1.055 kg / cmz the pressure at which the sealing is effected, the tensions are the same as in the case of test No 4 or, in other words, the proportion between the stresses is reversed and the maximum stress is now exerted on the inner protected part 5.
Another advantage of this pre-stressing process appears from the comparison of tests Nos. 3 and 5. From calculations based on the formula given above, it is deduced that the stress exerted on the bent part is approximately 0.034 kg. / mm2 per half degree centigrade - approximately change in temperature.
It follows that the surface 4 of an element sealed under the conditions indicated in the table for test No 5 would be, at sea level and for a temperature of approximately - 29 ° C., subjected to a tensile stress. of about 1; 40 kg / mmD. For a temperature increase of about 42o C, that is to say for a temperature of about 13o C, the surface 4 would be subjected to a compressive stress and would remain in compression for all temperatures above the latter. .
If we compare again the values indicated in the table for tests Nos 3 and 4, we see that the surface 4 of an element of 0.60 m X 0.60 m sealed under the conditions indicated. for test No 3 would, at the aforementioned temperature of about 130 C, be subjected to no stress, but that, as the temperature falls, the surface 4 would be subjected to a tensile stress for all temperatures below approximately 210 C. If an element sealed under the above conditions had its surface 4 subjected to a compressive stress for all temperatures above -10 C, it would be seen that test No 4 would have a lead of 400 C over test No 3.
Therefore, not only an element sealed under the conditions of Test No. 4 is subjected to the maximum stress under the extreme conditions reversed from the outer face to the inner face of the element when the comparison is made with the conditions. tions of test No 3, but still the outer surface 4 is subjected to compression for the major part of the possible temperature ranges that can be encountered, i.e. -10 C, at 430 C, a difference of 44 degrees, compared to the range between -10 C and - 290 C, or a difference of only 28 degrees.
The prestressing process can be applied to any element of any dimension having any space between the sheets of glass and having any shape of curvature in the sheet, as well as an internal fillet at the place of the weld. The marginal edges of the sheet need not be fused together (obtained by an electric welding process) except that this is the only process currently known to the applicant for producing an internal fillet between. the two sheets of glass.
The process for pre-stressing the unit can be summarized as follows. After choosing the size of the desired element, the spacing between the sheets and the thickness of the sheet, the actual stresses at the location of the curved parts of the sheet are evaluated, in accordance with the above formula, for the prestressing conditions in which the element must be used. The desired maximum distribution of the stresses under the extreme conditions of use envisaged is then chosen.
Seal temperatures and pressures can then be evaluated to ensure the desired stresses, taking into account that a break in a bent piece of glass will always start on the side of the bend where the stress occurs. Consequently, greater stresses can be tolerated on the side of the curvature where the compression is exerted, under extreme conditions of use, to obtain a member whose exposed side of the curvature can be kept under compression during the operation. major portion of the range of possible temperatures encountered at the possible location of use.
The temperature range is preferably taken as variable data, since it is possible for an element installed at any altitude to be subjected to the entire range of temperatures chosen, while the barometric pressures for the sea level and for an altitude of about 910m are only between 0.921 kg / cm- and 1.029 kg / cm ". Likewise, each degree of temperature variation occurring in an element of about 0.60 m X 0.60 m produces changes in stress of approximately 1.85 kg / cm. Elements with other dimensions undergo similar proportional variations.
Although when one plots the curve of the pressure variation in the element for each degree of temperature change, one does not obtain a rectilinear curve, it can be considered as such for all practical uses. Likewise, each dimension of the element must be established to ensure a safety coefficient greater than 1, so that any stresses which exceed those chosen by the calculations can be tolerated to be exerted on glass, thanks to the excess resistance that has been expected.