GLASS HISTORY, COMPOSITION, PROPERTIES AND BUILDING APPLICATIONS

GLASS HISTORY, COMPOSITION, PROPERTIES AND BUILDING APPLICATIONS Student Lecture NTNU - 28.09.2009 Bjørn Petter Jelle ab a Department of Building Materials and Structures, SINTEF Building and Infrastructure b Department of Civil and Transport Engineering, Norwegian University of Science and Technology a NO-7465 Trondheim, Norway b NO-7491 Trondheim, Norway 1

Glass - Overview What is Glass? History Composition Manufacturing Glass Types (Note: Float Glass) Material Properties Application in Buildings Glass Types (e.g. Safety Glass) Literature 2

Glass - History How was Glass Discovered? With the following citation we may go back 4000-6000 years in history (Zerwick - A short history of glass, 1990): Who, when he first saw the sand or ashes... melted into a metallic form... would have imagined that, in this shapeless lump, lay concealed so many conveniences of life?... Yet, by some such fortuitous liquefaction was mankind taught to procure a body... which might admit the light of the sun, and exclude the violence of the wind... 3

Glass History Compositon How to make glass from sand silica SiO 2? Melting point of silica is > 1700ºC impossible in older days? How??? 4

Glass History Compositon Main component is sand silica SiO 2 Melting point of silica is > 1700ºC not so practically done! Adding soda ash (Na 2 CO 3 ) Reduces melting point, e.g. 800ºC Water-glass, sodium silicate, NaSiO 3 Soluble in water! not so practical either! Adding stabilizer, e.g. limestone CaCO 3 Non-soluble product (finally!) Typical glass composition: 65 % sand, 20 % soda ash and 15 % limestone 5

Glass Supercooled Liquid A Rigid Liquid A given deformation in glass which takes 1 second at 965ºC takes 1 hour at 538ºC 1 day at 427ºC 1 year at 316ºC 35 10 9 years at room temperature (!) 6

Glass Solar Radiation A Marvellous Material Why do we use glass? 7

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures T(λ) + A(λ) + R(λ) = 1 (100 %) and E(λ) = A(λ) 1 2 1 Incident Light R A E = A T T + A + R = 1 R 1 T 1 2 R2 2 2 T 1 R 1 R 2 A 1 2 T 1 R 1 R 2 A 1 T 1 R 2 T 1 R 1 R 2 2 2 T 1 T 1 R 1 R 2 T 1 R 2 A 1 T 1 A 2 T 1 R 1 R 2 2 and so on T 1 R 1 R 2 A 2 2 2 T 1 R 1 R 2 A 2 T 1 T 2 T 1 T 2 R 1 R 2 T 1 T 2 R 1 R 2 2 2 8

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures Solar Radiation Glazing Factors Generally, the most important solar radiation glazing factors are: Ultraviolet Solar Transmittance, Tuv Visible Solar Transmittance, Tvis Solar Transmittance, Tsol Solar Material Protection Factor, SMPF Solar Skin Protection Factor, SSPF External Visible Solar Reflectance, Rvis,ext Internal Visible Solar Reflectance, Rvis,int Solar Reflectance, Rsol Solar Absorbance, Asol Emissivity, ε Solar Factor, SF Colour Rendering Factor, CRF 9

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures The Solar Transmittance (T sol ) is given by the following expression: T sol 2500nm T( λ)s λ= 300nm = 2500nm S λ λ= 300nm λ λ λ S λ = relative spectral distribution of solar radiation T(λ) = spectral transmittance of the glass λ = wavelength λ = wavelength interval S λ λ values at different wavelengths are given in a table 10

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures Transm. / Absorb. / Reflect. 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Float Glass Transmittance Absorbance Reflectance Transmittance Absorbance Reflectance 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 Wavelength (nm) 11

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures Transm. / Absorb. / Reflect. 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Glass with Low Emittance Coating Absorbance Reflectance Transmittance Transmittance Absorbance Reflectance 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 Wavelength (nm) 12

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures Transm. / Absorb. / Reflect. 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Silver Coated Glass Reflectance Absorbance Transmittance Transmittance Absorbance Reflectance 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 Wavelength (nm) 13

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures Transm. / Absorb. / Reflect. Transm. / Absorb. / Reflect. 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Float Glass Transmittance Absorbance Reflectance Transmittance Absorbance Reflectance 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 Wavelength (nm) Glass with Low Emittance Coating Absorbance Reflectance Transmittance Transmittance Absorbance Reflectance Transm. / Absorb. / Reflect. 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Silver Coated Glass Reflectance Absorbance 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 Wavelength (nm) Transmittance Transmittance Absorbance Reflectance 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 Wavelength (nm) 14

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures Glass Type T uv T vis T sol SMPF SSPF R vis,ext R vis,int R sol A sol ε* SF CRF Three-Layer 1 Float/Float/Float Three-Layer 2 Float/Float/Low E Three-Layer 3 Float/Low E/Low E Three-Layer 7 Silver/Low E/Low E 0.40 0.73 0.59 0.40 0.90 0.21 0.17 0.17 0.24 0.837 0.68-0.26 0.69 0.44 0.48 0.93 0.18 0.10 0.25 0.31 0.837 0.57-0.18 0.66 0.37 0.54 0.95 0.15 0.09 0.29 0.34 0.837 0.50-0.03 0.15 0.08 0.91 0.99 0.26 0.14 0.25 0.67 0.837 0.17-15

Glass Solar Radiation Window Panes Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures www.pilkington.no 16

Glass Solar Radiation Smart Windows Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures Applied voltage Electrochromic Windows Glass PAMPS Glass Light Indium-tin oxide Polyaniline Prussian blue Indium-tin oxide Tungsten oxide 17

Glass Solar Radiation Smart Windows Solar Radiation through Window Panes and other Glass Structures Transmittance 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Glass/ITO/PANI/PB/PAMPS/WO 3 /ITO/Glass - 1800 mv 0 mv + 200 mv + 500 mv + 800 mv +1200 mv +1400 mv 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 Wavelength (nm) Regulating > 50 % of the Total Solar Radiation! 18

Glass Solar Radiation Self-Cleaning Window Panes Window Panes Cleaning Themselves? How? Solar Radiation (UV) + Water + Special Coating (e.g. TiO 2 ) www.pilkington.no How well does it work? Organic vs. Inorganic Dirt? 19

Today s First Nut The A4 Paper Folding How high? Fold an A4 paper 100 times. Press out all air between the paper sheets. Put the paper pile on the table in front of you. Guess how far above the table does the paper pile reach? 20

Today s Second Nut The Triangle and The Square Triangle: Make 4 identical equilateral triangles as the one above (same size also!) out of a total of 6 matches. Square: Make 6 identical squares as the one above (same size also!) out of a total of 9 matches. 21

Glass Safety Glass What is safety?... May a glass be safe at all? Two/three important examples of safety glass: Heat Strengthened Glass ( Varmeforsterket Glass ) Heat Tempered (Toughened) Glass ( Herdet Glass ) Laminated Glass (PVB film between two glass plates) Combinations of Heat Strengthened, Heat Tempered, Laminated and Normal Glass 22

Glass Safety Glass Granulation of Heat Tempered Glass Impact from sharp objects Stresses in glass due to external influences, e.g. at glass mounting Direct contact between glass and hard materials, e.g. various fastening devices (typical metal without gaskets) Spontanous granulation (due to NiS particles) 23

Glass Spontaneous Granulation Heat tempered glass Thermally toughening, 620ºC (above softening point of soda lime silicate glass) β-nis α-nis Softened form of the glass contracts around the shrunken α-nis crystal Sudden cooling to room temperature Glass hardens around α-nis Too rapid cooling for α-nis to change back to β-nis α-nis must go back to β-nis (low temperature form) Can only do so slowly α-nis β-nis (temperature and time dependent, faster at higher temperatures) Volume expansion since V(β-NiS) > V(α-NiS) Glass breakage Test: Heat soak process at 290ºC ± 10ºC Conversion of α-nis β-nis goes faster at this higher temperature Note: T > 320ºC Toughening pre-stress begins to reduce 24

Glass Mounting Glass Breakage Too Close Contact! Glass Glass and Glass - Metal 25

Glass Mounting Glass Breakage Too Close Contact! Glass Glass and Glass - Metal 26

Glass Mounting Glass Breakage Resulting in... : 27

Glass Mounting Glass Breakage Ageing of gaskets... Apply proven accelerated climate tested gaskets! 28

Glass Mounting Glass Breakage 29 Glass Metal Contact Where are the Gaskets...?

Glass Mounting Glass Breakage 30 Glass Metal Contact Where are the Gaskets...?

Glass Mounting Glass Breakage Glass Metal Contact Resulting in... : 31

Glass Mounting Glass Breakage 32 Lack of gaskets...

Glass Mounting Glass Breakage... lack of gaskets again... 33

Glass Glass Breakage Technical Directives Forskrift om krav til byggverk og produkter til byggverk (TEK) av 22. januar 1997 nr. 33 Ajourført med endringer ved forskrift 24. juni 2003 nr. 751 og 10. mai 2004 nr. 736, i kraft 1. juli 2004 Sikkerhet i bruk 7-4 Sikkerhet i bruk Bestemmelsene om sikkerhet i bruk skal sikre at ethvert byggverk, del av byggverk og arealer nær slike kan nyttes til sitt forutsatte formål uten at de medfører fare for personer som bruker dem på forutsatt måte. 34

Glass Glass Breakage Technical Directives Forskrift om krav til byggverk og produkter til byggverk (TEK) av 22. januar 1997 nr. 33 Ajourført med endringer ved forskrift 24. juni 2003 nr. 751 og 10. mai 2004 nr. 736, i kraft 1. juli 2004 Sikkerhet i bruk 7-4 Sikkerhet i bruk 2. Sikkerhet mot sammenstøt med byggverk Gulv i byggverk og grunn utenfor der personer normalt kan oppholde seg skal ha slik fri avstand til takutspring eller overliggende faste eller bevegelige deler av byggverket at sammenstøt ikke finner sted. Det må legges særlig vekt på sikker høyde i trapp, på repos, i dører o.l. Mot trafikkarealer må høyden til utstikkende faste eller bevegelige deler av byggverk være så stor at all forventet trafikk trygt kan passere under dem. Byggverk og deler av byggverk skal være lett å se eller utformet slik at sammenstøt med byggverket eller del av det ikke kan skje. Der det benyttes materialer som kan være vanskelige å oppfatte for orienteringshemmede, må det det brukes tydelig merking. Materialer som kan knuses og derved volde fare for skade på person må ikke benyttes: i kommunikasjonsveier, herunder dører, alminnelig tilgjengelig for publikum på arbeidsplasser, eller der det kan utgjøre særlig fare for barn ved fall eller lek med mindre materialene er avskjermet slik at personer ikke kan støte mot dem. 35

Glass Glass Breakage Technical Directives Forskrift om krav til byggverk og produkter til byggverk (TEK) av 22. januar 1997 nr. 33 Ajourført med endringer ved forskrift 24. juni 2003 nr. 751 og 10. mai 2004 nr. 736, i kraft 1. juli 2004 Sikkerhet i bruk 7-4 Sikkerhet i bruk 3. Fallskader Byggverk og deler av byggverk skal ha slik planløsning og utførelse at fall som kan føre til skader unngås ved forutsatt bruk av byggverket. Gulv eller underlag må ha en overflate som er mest mulig skli- og snublesikker. Nivåforskjeller og åpninger i gulv må utføres slik at de ikke utgjør fare for personer, og avgrenses slik at de heller ikke utgjør fare for personer som snubler nær dem. Nivåforskjeller som på grunn av byggverkets bruk ikke kan avgrenses må være lett å se og godt belyst. Det må legges særlig vekt på å unngå at barn faller utfor eller gjennom åpninger eller utfor nivåforskjeller. Trapp skal utføres med slik bredde, inntrinn og stigning at den er lett og sikker å bruke. Eventuelle fall må stanses ved at det i trapp ikke er vesentlig lenger mellom hvert repos eller hvileplan enn en normal etasje. Repos og hvileplan skal ha tilstrekkelig størrelse til å kunne stanse fall. Nivåforskjeller i kommunikasjonsvei og trapper skal ha sikker avgrensning og solid håndlist på begge sider. Vinduer skal ha barnesikring, med mindre utformingen gjør det umulig for barn å klatre eller falle ut av dem. 36

Glass Glass Breakage Technical Directives Forskrift om krav til byggverk og produkter til byggverk (TEK) av 22. januar 1997 nr. 33 Ajourført med endringer ved forskrift 24. juni 2003 nr. 751 og 10. mai 2004 nr. 736, i kraft 1. juli 2004 Sikkerhet i bruk 7-4 Sikkerhet i bruk 7-45 Nedfall fra byggverk Byggverk eller del av byggverk skal utføres slik at det ikke faller ned med fare for skade på mennesker, dyr eller utstyr. Fasadematerialer må utføres og festes slik at de under forekommende klimatiske forhold og dimensjonerende laster ikke faller ned. Byggverk skal sikres slik at is og sne ikke kan falle ned på steder hvor personer kan oppholde seg. 37

Glass Safety Glass in Buildings Note: New Norwegian Standard: NS 3510 (1. utgave september 2006) Sikkerhetsglass i bygg Krav til klasser i ulike bruksområder Safety glass in buildings Requirements to classes in different application areas Generally: Stricter rules E.g.: Railings, h > 0.5 m Apply Laminated Glass (or laminated and heat tempered glass, but not only heat tempered glass!) 38

Glass Glass Breakage Gardermoen Airport Not exactly Ice Cubes in the Beer... (!) VG Nett 06.03.2007 39

How do they dare? A few days after publication of these photos... Glass Glass Breakage Dangerous?... it said BAANG-BOOM!!!... one of the glasses went to the basement...... still the manager was not going to change the other glass...... claiming it was safe (?!)...... and following the directives (?!)... Glass & Fasade nr. 1, 2006 Anyone taking the lift with a glass floor again? 40

Glass Glass Breakage Dangerous? Are Our Kids Safe? Glass & Fasade nr. 1-2008 41

Glass Glass Breakage Dangerous? Glass & Fasade nr. 1-2008 42

Glass Glass Breakage Dangerous? Glass & Fasade nr. 1-2008 Glass & Fasade nr. 3-2008 43

Glass Glass Breakage Dangerous? Glass & Fasade nr. 3-2008 44

Glass Glass Breakage Dangerous? Glass & Fasade nr. 3-2008 45

Do you dare? Glass Glass Breakage Dangerous? Grand Canyon Nice View Safe? A small stone under a shoe...? Special shoe covers... good enough? 46