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.