شیشهٔ تخت طی سده‌های متمادی در بازشوهای دیوار و پنجره‌ها به کار رفتهاست. این ماده ضمن آن‌که نور را به داخل راه می‌دهد و افق بصری را گسترش می‌دهد، از عناصر محیطی نیز محافظت می‌کند. شیشه همچنین در طول عمر ساختمان از پتانسیل مناسبی برای صرفه‌جویی انرژی برخوردار است. پیشرفت‌های فناورانه‌ای که در چند دههٔ اخیر حاصل شده، شیشهٔ صفحه‌ای معمول را به ماده‌ای مقاوم‌تر با الگوی گسیختگی ایمن‌تر و قابل‌پیش‌بینی‌تر و تا حدی ظرفیت پس از شکست—حتی شبه‌نرم‌شدگی—تبدیل کرده است. از این‌رو امروزه شیشه یک مادهٔ سازه‌ای با جایگاه/اعتبار تثبیت‌شده به شمار می‌رود. این امر امکان ساخت ساختمان‌هایی با مرزبندی‌های کم‌مصالح فراهم می‌کند: ساختمان‌های پوسته‌شیشه‌ای که در سیمای شهرهای مدرن به‌سرعت غالب شده‌اند. بر اساس سامانهٔ اتصال شیشه به سازهٔ اصلی، انواع مختلفی از ساختمان‌های دارای نمای شیشه‌ای وجود دارد. سامانه‌های نمای شیشه‌ای با اتصال نقطه‌ای (Point Fixed Glass Façade Systems یا PFGFS) از نظر بیان معماری مزیتی مهم دارند و شفافیت بیشتری فراهم می‌کنند، زیرا برای پشتیبانی اضافی نیازی به مولیون‌ها و قاب‌ها نیست و تنها از اتصالات نقطه‌ای مجزا استفاده می‌شود.
آیین‌نامه‌های طراحی برای شیشهٔ سازه‌ای همچنان در حال توسعه‌اند و یکی از جنبه‌هایی که به توجه بیشتری نیاز دارد، رفتار سامانه‌های PFGFS در برابر اثرات لرزه‌ای است. این موضوع اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا ارزیابی‌های پسا زلزله نشان داده است که آسیب قابل‌توجهی به سامانه‌های نمای شیشه‌ای (GFS) به سبب تغییرشکل‌های برشی درون‌صفحه‌ای (racking) مشاهده شده است. چنین آسیب‌هایی می‌تواند هزینه‌های سنگینی از نظر تلفات انسانی و نیز هزینه‌های اقتصادی (تعمیرات و وقفهٔ بهره‌برداصری) در پی داشته باشد.
مقالهٔ حاضر که در وبلاگ پوکاسازه به این موضوع می‌پردازد و مروری بر جنبه‌های کلیدی آن ارائه می‌کند: مرور پژوهش‌های پیشین—هم تحلیلی و هم آزمایشگاهی—دربارهٔ عملکرد PFGFS تحت بارهای لرزه‌ای، مقررات آیین‌نامه‌ای کشورهای مختلف، و همچنین توصیه‌هایی برای پیش‌بینی ظرفیت رکینگ (ظرفیت تحمل تغییرشکل برشی درون‌صفحه‌ای) سامانه‌های نمای شیشه‌ای با اتصال نقطه‌ای که در ایران با عنوان نمای اسپادری هم شناخته می‌شود.
مقدمه
شیشه یک ماده پایدار است (اساساً از ۷۵٪ شن مذاب و ۲۵٪ کلسیم‌کربنات و سودا ساخته می‌شود و می‌تواند به‌طور کامل بازیافت شود). این ماده شفاف و ظریف است و می‌تواند احساس تماس واقعی با فضای بیرون را ایجاد کند. لازم است توجه داشت که سامانه‌های نمای ساختمان نقش مهمی در تأمین نور خورشید، محافظت در برابر هوا و به‌ویژه فراهم کردن محیط داخلی مناسب با کنترل راحتی و مصرف انرژی کافی (برای گرمایش و سرمایش) دارند.
مواد مختلفی می‌توانند برای سامانه‌های نما به کار روند و انتخاب آنها بستگی به طراحی معماری ساختمان دارد. دو نوع نما قابل تشخیص هستند
- نماهای غیرشفاف: ساخته‌شده از لایه‌های مواد جامد مانند مصالح بنایی، سنگ، پنل‌های بتنی پیش‌ساخته، فلز (آلومینیوم، فولاد ضدزنگ).
- نماهای شیشه‌ای: مانند دیوارهای پرده‌ای یا نمای فروشگاهی، که از شیشه نیمه‌شفاف و قاب فلزی به‌عنوان اجزای ثانویه تشکیل شده‌اند.
تمایل فعلی در ساخت ساختمان‌ها، ایجاد فضاهای سبک‌تر، بزرگ‌تر و جادارتر است، بنابراین سامانه‌های نمای شیشه‌ای بدون قاب در سی سال گذشته محبوبیت یافته‌اند، زیرا امکان شفافیت بالای نما را با استفاده از عناصر کمتر برای نگهداری پنل‌های شیشه‌ای فراهم می‌کنند. استفاده کنونی از نماهای شیشه‌ای سازه‌ای پیچ‌شده با نصب مهره و پیچ، از مجموعه‌های صفحه معلق دهه‌های ۱۹۶۰ و ۷۰ آغاز شد، با معرفی سیستم Planar شرکت Pilkington در سال ۱۹۸۱ و سپس سیستم‌های توپ‌مفصلی La Villete از RFR تا تکنیک‌های اتصال نقطه‌ای امروزی.
سامانه‌های مدرن نمای شیشه‌ای بدون قاب شامل اتصال بازوهای اسپایدر پیچ‌دار هستند که پشتیبانی نقطه‌ای از پنل‌های شیشه‌ای، معمولاً در گوشه‌های هر پنل، فراهم می‌کنند و بسته به اندازه پنل ممکن است نقاط میانی نیز نیاز باشد. تکیه‌گاه‌های سازه‌ای برای این سامانه‌ها می‌توانند از سیستم‌های خرپا، کابل یا فولادی متفاوت باشند. به‌طور کلی، در یک سامانه نمای شیشه‌ای (GFS) چهار جزء اصلی قابل شناسایی است: پنل‌های شیشه‌ای، اتصالات پیچ‌دار، اتصالات پشتیبانی شیشه و سازهٔ اصلی پشتیبان.
آسیب به سامانه‌های نمای شیشه‌ای در زمین‌لرزه‌های گذشته
در زمین‌لرزه‌های گذشته، آسیب‌های غیرسازه‌ای به‌طور مداوم گزارش شده است. سرمایه‌گذاری بر روی اجزای غیرسازه‌ای در ساخت‌وساز (شامل محتویات) برای یک دفتر معمولی حدود ۸۲٪ و برای بیمارستان‌ها تا ۹۲٪ از کل هزینه‌های ساختمان است، که نشان‌دهنده سرمایه‌گذاری زیاد در اجزای غیرسازه‌ای و محتویات نسبت به اجزای سازه‌ای و قاب ساختمان است.
پس از زمین‌لرزه سن فرناندو در سال ۱۹۷۱ (کالیفرنیا)، که در آن چندین ساختمان با آسیب شیشه‌ای گزارش شد، مشخص شد که اجزای غیرسازه‌ای می‌توانند در برابر لرزش شدید بسیار آسیب‌پذیر باشند. آسیب به این اجزا نه تنها می‌تواند بسیار پرهزینه باشد، بلکه تهدید واقعی برای ایمنی جان انسان‌ها ایجاد می‌کند. بنابراین کاهش آسیب به این عناصر در چند دهه گذشته یکی از وظایف مهم مهندسی بوده است.
از زمین‌لرزه شدید شهر مکزیک در سال ۱۹۸۵، درس‌هایی درباره آسیب شیشه به‌دست آمد؛ سقوط شیشه پنجره دومین آسیب غیرسازه‌ای جدی و مستند بود. در زمین‌لرزه شدید اخیر ۱۹ سپتامبر ۲۰۱۷ در پوبلا، مکزیک، آسیب در ساختمان‌های متوسط تا بلند (۸ تا ۱۲ طبقه) گزارش شد که عمدتاً به دلیل بی‌نظمی‌های سازه‌ای بود. آسیب غیرسازه‌ای مهمی در دیوارهای پرکننده مشاهده شد (نماهای بنایی ساختمان‌ها به شدت آسیب دیدند) و همچنین سقوط شیشه پنجره‌ها رخ داد.
ارتباط مهمی بین تغییر مکان بین‌طبقه و آسیب شیشه در چندین ارزیابی پس از زمین‌لرزه گزارش شده است. سامانه‌های نمای شیشه‌ای انعطاف‌پذیر که توسط دیوارهای پرده‌ای فلزی و مولیون‌ها احاطه شده‌اند، در رویدادهای لرزه‌ای گذشته آسیب کمتری نشان داده‌اند، عمدتاً به دلیل شکل‌پذیری بالای سیلیکون که امکان انطباق بهتر با تغییر مکان‌ها در هنگام لرزش زمین را فراهم می‌کند.
علاوه بر این، گزارش شده است که آسیب شیشه با افزایش اندازه پنجره‌ها و پیکربندی نامنظم پلان به‌طور مداوم افزایش می‌یابد. بنابراین، به دلیل افزایش قابل توجه استفاده از شیشه در ساختمان‌ها، علاقه به کنترل آسیب احتمالی آنها نیز رو به افزایش است. نمونه‌ای از سقوط شیشه دیوار پرده‌ای در شکل زیر نشان داده شده است.
گزارش گستره‌ی آسیب زمین‌لرزه کرایست‌چرچ در سال ۲۰۱۱ (نیوزیلند) نشان داد که آسیب شدید در شیشه‌های اسپایدر مشاهده شده است، همانطور که در شکل زیر قابل مشاهده است. این رفتار حول «اسپایدر» که هر پنل شیشه‌ای را نگه می‌دارد شکل گرفته است و احتمالاً به دلیل تمرکز تنش در این نواحی ایجاد شده است، ناشی از محدودیت اتصال اسپایدر به سازه. در جدول ۱، خلاصه‌ای از درصد آسیب شیشه برای برخی از زمین‌لرزه‌های مهم ۵۰ سال گذشته ارائه شده است و در شکل نموداری با داده‌های جدول در پایین نمایش داده شده است.
| رویداد زمین لرزه | تاریخ | آسیب گزارش شده روی نماها | داده ها |
| سن فرناندو (کالیفرنیا)، ایالات متحده آمریکا | 19 فوریه 1971 | ۳۰٪ از نماهای ساختمان دچار شکستگی شیشه شدند. | ۵۰ ساختمان بلندمرتبه در مکان‌هایی دور از مرکز زمین‌لرزه |
| گررو-میچوآکان (GM)، مکزیک | 19 سپتامبر 1985 | ۵۰٪ از ساختمان‌هایی که آسیب سازه‌ای داشتند، دچار آسیب شیشه‌ای شدند ۲۵٪ از ساختمان‌ها دچار آسیب شدید و ریزش شیشه شدند. | ۲۶۳ ساختمان اداری چندطبقه |
| نورثریج (No)، کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا | 17 ژانویه 1974 | ۲۵٪ از پنجره‌های فروشگاهی دچار آسیب شدند. سیستم‌های CW به طور کلی عملکرد خوبی داشتند، آسیب بیشتر در پنجره‌های فروشگاهی کم‌ارتفاع مشاهده شد. | بیش از ۱۴ ساختمان در مرکز شهر بان‌بَنک با آسیب محدود غیرسازه‌ای و بدون آسیب سازه‌ای گزارش شدند؛ سیستم‌های دیوار پرده‌ای بلندمرتبه. |
| کوبه (Ko)، ژاپن | 17 ژانویه 1995 | شکستگی عمومی شیشه و تغییر شکل در قاب‌های شیشه‌ای مشاهده شد. تفاوت‌هایی در جهت‌گیری نماها مشاهده گردید؛ پانل‌های شیشه‌ای با جهت‌گیری جنوبی بیش از ۷۰٪ آسیب دیدند، در حالی که نماهای شمالی کمتر از ۱۵٪ آسیب داشتند. ساختمان‌های بلندمرتبه آسیب سازه‌ای قابل توجه یا آسیب عمده شیشه‌ای نشان ندادند. | چندین ساختمان ارزیابی شدند، از ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه (تا ارتفاع ۶۰ متر) تا ساختمان‌های بلندمرتبه (بالاتر از ۶۰ متر). |
| بم (Ba) ایران | 26 دسامبر 2003 | ۷۰٪ از ساختمان‌های منطقه تخریب شدند و ساختمان‌هایی که آسیب سازه‌ای قابل توجهی نداشتند، آسیب غیرسازه‌ای مهمی (ریزش شیشه) را تجربه کردند. | بررسی میدانی در شهر مرکز زلزله بم بر روی چندین ساختمان با ارتفاع متوسط تا بلند |
| کریست‌چرچ (Ch)، نیوزیلند | 22 فوریه 2014 | آسیب‌های شیشه برای تمام پوشش‌های سبک شامل شیشه ثبت شد. تقریباً نیمی از تمام پوشش‌های سبک شیشه‌ای دچار آسیب شیشه شده بودند و ۳۹٪ از آنها خطر سقوط شیشه را نشان دادند. تنها ۶۰٪ از سیستم‌های پرکننده به‌عنوان قابل بهره‌برداری یا مناسب برای سکونت فوری در نظر گرفته شدند. ۱۷٪ به‌عنوان خطر بالا ارزیابی شدند که بالاترین میزان در میان گروه‌های نما بود. | ۳۷۱ سیستم نمای شیشه‌ای بر روی ۲۷۱ ساختمان مورد بررسی قرار گرفت. |
| مرکزی (Ce)، ایتالیا | 30 آگوست 2016 | به‌طور کلی، عملکرد خوب سیستم‌های شیشه‌ای به کیفیت رابط بین پانل‌های شیشه‌ای و قاب‌های پشتیبان (سیلیکون) نسبت داده می‌شود. | از میان ۳۰۰ ساختمان با سیستم‌های سازه‌ای مختلف مورد بررسی قرار گرفته (مدارس، بیمارستان‌ها، ساختمان‌های عمومی و مسکونی) |
| کایکورا (Ka)، ژاپن | 13 نوامبر 2016 | شکستن کامل پانل‌های شیشه‌ای تمپر شده به دلیل تمرکز تنش؛ این رفتار به ناتوانی سیستم‌های سنتی در سازگاری با تغییرشکل‌های سازه‌ای نسبت داده شد (مقدار تغییرشکلی که سیستم نمای شیشه‌ای اسپایدر می‌تواند تحمل کند حدود ۱٪ نسبت رانش است)، بدون داشتن افزونگی مانند سیستم‌های دارای قاب. | چندین ساختمان چندطبقه با سازه مدرن، ساخته شده در دهه ۱۹۸۰ یا بعدها، بلافاصله پس از زلزله کایکوورا در ولینگتون مشاهده شدند. |
| مکزیکو سیتی (MC)، مکزیک | 19 سپتامبر 2017 | ۴۰٪ از ساختمان‌ها دچار خسارت قابل توجه در نما و اجزای سازه‌ای شدند. | ۲۵ ساختمان با ویژگی‌های متفاوت و دامنه کامل خسارت، از 8 تا 12 طبقه |
پیکربندی سازه‌ای نما برای سیستم‌های شیشه‌ای با اتصال نقطه‌ای
سیستم‌های مختلف نماهای شیشه‌ای با اتصال نقطه‌ای (PFGFS) به دلیل نیازهای معماری توسعه یافته‌اند. با گذر زمان، صنعت مطابق با نیازهای بازار تکامل یافته است. هرچند سیستم‌های نمای شیشه‌ای استانداردسازی نشده‌اند، چهار جزء پایه‌ای برای سیستم‌های شیشه‌ای با پیچ‌کاری وجود دارد که در ادامه توضیح داده شده‌اند: پانل‌های شیشه‌ای، اتصالات پیچ‌کاری، اتصالات پشتیبانی شیشه و سازه اصلی پشتیبان.
پانل‌های شیشه‌ای
معمولاً شیشه سکوریت و شیشه لمینت رایج‌ترین انواع پانل‌های شیشه‌ای مورد استفاده در نماها هستند. شیشه سکوریت با فرآیند حرارت‌دهی در دماهای بالا (۶۰۰–۶۵۰ درجه سانتی‌گراد) و سپس سردسازی سریع، یک میدان کششی مطلوب در سراسر سطح پانل‌ها ایجاد می‌کند که باعث تعادل تنش در ضخامت شیشه می‌شود. یکی از ویژگی‌های مهم این نوع شیشه، توانایی خرد شدن به ذرات کوچک پس از شکست است.
شیشه لمینت، از سوی دیگر، با فرآیند اتصال دو یا چند لایه شیشه با یک لایه میانی تولید می‌شود. محبوب‌ترین لایه میانی PVB (پلی وینیل بوتیرال) است؛ سایر انواع لایه میانی شامل EVA (اتیلن وینیل استات) یا SentryGlass (SG) می‌شوند. این نوع شیشه که به شیشه ایمنی معروف است، هنگام وارد شدن ضربه کافی برای شکستن شیشه، قطعات معمولاً به‌صورت یکپارچه باقی می‌مانند و محکم به لایه PVB چسبیده‌اند.
با توجه به عواملی مانند شکل، اندازه شیشه، نوع لبه‌کاری، کیفیت سوراخ‌ها و غیره، مقاومت پانل شیشه‌ای متفاوت خواهد بود؛ برای شیشه‌های نقطه‌ای، تنش‌ها در نزدیکی سوراخ‌ها و ضخامت شیشه مقاومت پانل‌ها را تعیین می‌کند و طراحی نهایی نیز تغییر شکل پانل را در نظر می‌گیرد.
اتصالات پیچ
اتصالات پیچ‌دار، پشتیبانی نقطه‌ای برای پانل‌های شیشه‌ای فراهم می‌کنند و وزن خود شیشه و بارهای جانبی را به سازه منتقل می‌کنند. این اتصالات معمولاً در گوشه‌های پانل‌های شیشه‌ای قرار دارند و علاوه بر آن در نقاط میانی لبه‌های بلند نیز نصب می‌شوند.
چند نوع پیچ وجود دارد:
- اتصالات countersunk تقویت‌شده (امکان انتقال مستقیم بارهای صفحه‌ای و درون‌صفحه‌ای از طریق رابط بین پیچ و شیشه را فراهم می‌کنند)،
- اتصالات پیچ مفصلی (امکان چرخش اتصال نسبت به تکیه‌گاه شیشه را فراهم می‌کنند)،
- انواع مختلف بازوهای اسپایدر و اتصالات پیچ که در شکل زیر نشان داده شده‌اند.
تمامی تجهیزات از فولاد ضدزنگ با کیفیت بالا و پولیش آینه‌ای (گریدهای ۳۰۴، ۳۱۶ و ۳۱۶LM) ساخته شده‌اند تا بهترین حفاظت ممکن در برابر اکسیداسیون و خوردگی فراهم شود. عناصر اصلی یک اتصال بازوی اسپایدر در شکل زیر نشان داده شده است.
۱. پنل شیشه‌ای
۲. پیچ‌های مفصلی (رُوتول‌ها / پچ‌فیتینگ‌ها)
۳. بازوی اسپایدر
۴. پیچ خارجی
۵. میله نگهدارنده
۶. سازه پشتیبان
هیچ تماس مستقیمی بین پنل‌های شیشه‌ای و پیچ‌های فلزی وجود ندارد؛ یک ماده پلیمری واسطه با مدول الاستیسیته کمتر استفاده می‌شود تا توزیع یکنواخت تنش اطراف سوراخ‌ها را تسهیل کند. پیچ‌ها می‌توانند با سر داخل یا خارج پنل‌های شیشه‌ای نصب شوند. همچنین می‌توان از سیستم‌های شیشه دو جداره استفاده کرد که نیازمند پیچ‌های مخصوص برای این قابلیت است (انواع مختلف پیچ‌ها در شکل ۶ نشان داده شده‌اند). امکان نصب نقطه‌ای پیچ در داخل پنل شیشه‌ای و همچنین استفاده از اتصال سیلیکونی پیچ‌ها به پنل شیشه‌ای نیز وجود دارد، هرچند این سیستم‌ها ممکن است به دلیل دوام محدود در طول زمان کاربرد محدودی داشته باشند.
تجهیزات نگهدارنده شیشه
تجهیزات نگهدارنده شیشه، پشتیبانی مکانیکی فراهم کرده و امکان انتقال بارها به سیستم اصلی سازه را فراهم می‌کنند. انواع مختلفی از این تجهیزات در بازار وجود دارند، از جمله: پایه‌های اسپایدر، براکت‌های زاویه‌ای، براکت‌های پینی و دستگاه‌های گیره‌ای. به طور کلی، انتخاب این تجهیزات بر اساس ارزیابی‌های معماری و زیبایی‌شناسی در نماها انجام می‌شود.
سازه نگهدارنده
وظیفه اصلی سازه نگهدارنده، انتقال بارها از تجهیزات نگهدارنده شیشه به خود سازه ساختمان است. مانند تجهیزات نگهدارنده شیشه، سازه‌های نگهدارنده نیز می‌توانند بسته به الزامات معماری متفاوت باشند، اما دو سیستم رایج عبارتند از: سازه‌های فولادی (تراس‌ها و فین‌ها) و سیستم‌های کابلی (میلگرد یا سیم‌هایی که تحت بارهای کششی عمل می‌کنند). شکل زیر نمونه‌هایی از این سیستم‌ها را نشان می‌دهد.
مطالعات تحلیلی و آزمایشگاهی برای سیستم‌های نمای شیشه‌ای با اتصال نقطه‌ای
در ۳۰ سال گذشته، مطالعات تجربی و تحلیلی برای بررسی عملکرد لرزه‌ای سیستم‌های نمای شیشه‌ای قاب‌دار انجام شده است، با تمرکز بر رفتار آنها پس از زلزله‌های بزرگ. یکی از مهم‌ترین مطالعات تجربی در این زمینه در آزمایشگاه تحقیقات پوسته ساختمان دانشگاه میسوری-رولا (UMR) انجام شد و مقاومت در برابر سقوط و قابلیت بهره‌برداری سیستم‌های پرده‌ای رایج مورد استفاده در ساختمان‌های میان‌ارتفاع را تحت زلزله شبیه‌سازی‌شده بررسی کرد. شکل ۸، چیدمان آزمایش مورد استفاده در برنامه آزمایشی UMR را نشان می‌دهد
آزمایش‌های موسوم به «تست‌های کرشندو» با استفاده از عملگرهای هیدرولیکی کنترل‌شده انجام شد که جابه‌جایی جانبی سیستم‌های شیشه‌ای را افزایش می‌دادند. شکل زیر، دامنه‌های سینوسی با افزایش تدریجی جابه‌جایی جانبی را نشان می‌دهد. این مطالعات تجربی منجر به تعدادی بازنگری پیشنهادی شد، از جمله: «توصیه‌های NEHRP برای مقررات لرزه‌ای ساختمان‌های جدید و سایر سازه‌ها ((FEMA 450) که در سال ۲۰۰۰ در NEHRP Provisions FEMA 451) منتشر شد.
چیدمان کار تجربی امکان توسعه پروتکل‌های آزمایشی پذیرفته‌شده توسط صنعت را فراهم کرد که توسط انجمن تولیدکنندگان معماری آمریکا (AAMA) منتشر شد، تحت عنوان: «روش توصیه‌شده تست دینامیکی برای تعیین جابه‌جایی لرزه‌ای که موجب ریزش شیشه از یک سیستم دیواری می‌شود» که در AAMA 501.6 در سال ۲۰۰۱ منتشر گردید.
چندین آزمایش بر اساس تنظیمات آزمایشی AAMA 501.6 برای نمای‌های شیشه‌ای دارای قاب انجام شد، مانند کار توسعه‌یافته توسط روی دیوارهای پرده‌ای در مقیاس کامل با پیکربندی IGU، به منظور تعیین رفتار سرویس و حد نهایی جابه‌جایی و شیشه‌هایی سکه با فیلم پِت لنگرگذاری شده‌اند، و موارد دیگر.
برای سیستم‌های نمای شیشه‌ای با تکیه‌گاه نقطه‌ای (PFGFS)، تعداد محدودی آزمایش‌های تجربی و مطالعات تحلیلی اخیر انجام شده است. کارهای تجربی و مدل‌های المان محدود (FE) برای بررسی پارامترهایی مانند فاصله بین پیچ و سوراخ، تغییر قطر سوراخ و فاصله بین سوراخ و لبه شیشه توسعه یافته‌اند. گزارش شده است که برای بارهای درون‌صفحه‌ای روی پانل‌های شیشه‌ای، افزایش فاصله بین پیچ و سوراخ شیشه و همچنین افزایش فاصله بین سوراخ و لبه پانل، تنش ایجاد شده در پانل‌های شیشه‌ای را بهبود می‌بخشد.
برای بهبود رفتار سیستم‌های نمای شیشه‌ای با تکیه‌گاه نقطه‌ای (PFGFS) در مناطق با لرزه‌خیزی بالا، عملکرد لرزه‌ای سیستم‌های مخصوص بازوی عنکبوتی که شیشه را به قاب‌های سازه‌ای متصل می‌کنند، مورد ارزیابی قرار گرفت. این سیستم‌ها شامل سوراخ‌های افقی بزرگ با شیار بودند که امکان جابجایی افقی مجزا را فراهم می‌کردند (در شکل های زیر مشخص است). برای این منظور، از درزگیر سیلیکونی با مدول پایین استفاده شد تا اجازه جابجایی جسم صلب در حین حرکات رَکینگ داده شود. اندازه‌های سوراخ‌های شیاردار باید بر اساس نیازهای جابجایی نمای شیشه‌ای ساختمان محاسبه شوند.
در طول آزمایش تجربی، قاب نما تحت جابجایی درون‌صفحه‌ای با مقادیر افزایشی شامل سه چرخه شرایط خیز الاستیک (0.4٪)، یک چرخه شرایط خیز غیرالاستیک (2.5٪) و ظرفیت خیز سوم (2.9٪) قرار گرفت. سیستم عملکرد بسیار خوبی داشت و تمامی معیارهای آیین‌نامه را برآورده کرد، به طوری که پانل‌های شیشه‌ای دست‌نخورده باقی ماندند. تنها زمانی که قاب از محدوده طراحی شیارهای بازوی عنکبوتی فراتر رفت، پانل‌های شیشه‌ای چرخش قابل توجهی نشان دادند، اما هیچ شکستن شیشه یا پیچ مشاهده نشد.
یک پروتکل آزمون استاندارد توسعه داده شد و برای انجام آزمایش‌های رَکینگ (Racking) بر سیستم‌های شیشه‌ای نقطه‌ای استاندارد (PFGFS) در مناطق با لرزه‌خیزی پایین تا متوسط مانند استرالیا استفاده شد. نتایج آزمایش‌ها امکان کالیبره کردن مدل‌های المان محدود (FE) را فراهم کرد که سپس به سایر سیستم‌ها و پیکربندی‌های هندسی PFGFS گسترش یافت. هدف، ارزیابی عملکرد رکینگ درون‌صفحه‌ای PFGFS از نظر ظرفیت جابه‌جایی جانبی بود. برای این منظور، دو آزمایش آزمایشگاهی با مقیاس کامل توسعه یافت:
الف) بازوهای عنکبوتی نوع X با پیچ‌های countersunk برای پنل‌های شیشه لمینت شده که با سیلیکون آب‌بندی شده‌اند،
ب) بازوهای عنکبوتی نوع K با پیچ‌های button head
هر دو آزمایش تحت بار جانبی درون‌صفحه‌ای 100 کیلو نیوتن و جابه‌جایی بیش از 150 میلی‌متر قرار گرفتند. شکل 11 نمای کلی آزمایش را نشان می‌دهد.
دو آزمایش انجام شد: سیستم شیشه‌ای با بازوهای عنکبوتی نوع X پین‌شده (آزمایش شماره ۱) و بازوهای عنکبوتی نوع K ثابت (آزمایش شماره ۲). نتایج نشان داد که این سیستم‌ها به دلیل انتقال جسم صلب، ظرفیت تغییر شکل جانبی زیادی داشتند؛ نسبت تغییر شکل جانبی ۲.۱٪ برای آزمایش شماره ۱ و ۵.۲۵٪ برای آزمایش شماره ۲ بود. ظرفیت تغییر شکل بیشتر با سه مکانیزم اصلی مرتبط بود: فاصله‌های استاندارد ایجادشده بین پیچ‌ها و سوراخ‌ها در اتصالات بازوهای عنکبوتی و قاب سازه‌ای پشتیبان، امکان چرخش جسم صلب بازوهای عنکبوتی در صفحه و تغییر شکل‌ها و تسلیم بازوهای عنکبوتی که اجازه می‌داد سیستم به صورت جانبی حرکت کند. شکست زمانی رخ داد که حرکت خارج از صفحه ناشی از ترکیب خمش موضعی و تنش‌های کششی قطری اطراف اتصالات پیچ‌شده بازوهای عنکبوتی باعث شروع ترک در یکی از پنل‌های شیشه‌ای شد.
یک الگوریتم کامپیوتری برای پیش‌بینی مقاومت و تسهیل بهینه‌سازی انواع اتصال‌های شیشه‌ای پیچ‌دار اجرا شد. چندین پارامتر مؤثر بر رفتار سیستم (شکل پیچ، اندازه سوراخ، نزدیکی نصب و غیره) همراه با نتایج تحلیل اجزای محدود (FE) مورد بررسی قرار گرفت.
اثرات بارگذاری لرزه‌ای روی پنل‌های شیشه‌ای با تثبیت نقطه‌ای ابتدا با استفاده از یک روش ساده برای تعیین نیروهای لرزه‌ای منتقل‌شده به پنل‌های نما، بر اساس پاسخ الاستیک سیستم، مطالعه شد. مدل اجزای محدود توسعه داده شد و بار لرزه‌ای با تحلیل تاریخچه زمانی دینامیکی اعمال گردید. پنل‌های شیشه‌ای لمینت شده و مجموعه‌ای از پارامترهای مختلف در نظر گرفته شدند، شامل تغییر ضخامت پنل‌های شیشه‌ای و نوع لایه میانی (PVB و SentryGlass). نتایج نشان داد که روش‌های ساده برای تعیین نیروهای لرزه‌ای منتقل‌شده به پنل‌های نما قادر به ثبت اثرات رزونانس ناشی از فرکانس طبیعی ساختمان هستند که با شبیه‌سازی‌های عددی تحلیل تاریخچه زمانی به دست آمده بود. نتیجه‌گیری شد که توجه ویژه‌ای باید صورت گیرد تا از ایجاد نیروهایی که فرکانس طبیعی پنل‌های شیشه‌ای را نزدیک به دوره طبیعی ساختمان می‌کنند جلوگیری شود و در چنین شرایطی، بهبود رفتار لرزه‌ای با استفاده از تجهیزات ویژه برای افزایش نسبت میرایی ضروری است.
علاوه بر این، مدل‌های اجزای محدود (FE) برای شبیه‌سازی PFGFS انجام شد، شامل یک قاب سازه‌ای که بار جانبی به آن اعمال می‌شد. غیرخطی بودن هم برای رفتار فاصله‌های داخلی (built-in gaps) و هم برای حرکت‌های خارج از صفحه پنل‌های شیشه‌ای مدل شد، و تغییرشکل‌های درزگیر و بازوهای اسپایدر از سوی دیگر به‌صورت عناصر خطی الاستیک مدل شدند.
مدل‌های FE برای پیش‌بینی عملکرد جانبی (racking) PFGFS با پیکربندی‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفتند: شبکه‌های چندگانه، انواع درزگیر (درزگیر هواشناسی، سازه‌ای و درزگیرهای ویژه)، ضخامت درزگیر و هندسه و ضخامت شیشه (۱۲، ۱۰ و ۱۵ میلی‌متر). نتایج نشان داد که عملکرد جانبی سیستم‌های PFGFS افزایش می‌یابد زمانی که سختی درزگیر سیلیکونی کاهش یابد و ضخامت آن افزایش یابد، نسبت ارتفاع به عرض پنل افزایش یابد و ضخامت شیشه بیشتر شود.
مقررات آیین‌نامه‌ای برای نیازهای تغییرمکان درون‌صفحه‌ای
سیستم‌های شیشه‌ای می‌توانند با استفاده از پیکربندی‌های مختلف شیشه برای قاب، انواع شیشه (مواد، عملیات حرارتی) و روش اتصال شیشه به قاب طراحی شوند، اما به دلیل این تنوع پیکربندی‌ها، بار درون‌صفحه‌ای، یعنی بار و تغییرمکان ناشی از زلزله، متفاوت خواهد بود. بنابراین نیاز فزاینده‌ای وجود دارد که این سازه‌ها نه تنها به‌عنوان عناصر غیرسازه‌ای عمومی، همانطور که در طراحی‌های کنونی در آیین‌نامه‌ها در نظر گرفته می‌شوند، بلکه به‌عنوان عناصری با رفتار قابل پیش‌بینی تحت شرایط مختلف تعریف شوند. امروزه، انجام آزمایش‌های تجربی بیشتر و تحلیل‌های اجزای محدود برای بررسی عملکرد پیکربندی‌های غیرمعمول سیستم‌های شیشه‌ای تحت بارهای زلزله ضروری است؛ بنابراین اکثر طراحان به دلیل کمبود مطالعات منتشر شده، به‌ویژه برای PFGFS، از قوانین کلی برای تحمل تغییرمکان جانبی پیروی می‌کنند.
کدهای طراحی، بارهای طراحی برای سرویس‌دهی و معیارهای حالت حد نهایی را برای حرکت‌های خارج از صفحه و درون صفحه ساختمان‌ها مشخص می‌کنند. رویه متداول در کدهای طراحی، تعیین محدودیت‌هایی برای تغییر مکان بین طبقات نسبت به قاب سازه‌ای است تا از آسیب به اجزای غیرسازه‌ای، از جمله نماهای شیشه‌ای، جلوگیری شود. در جدول ۲ گزارشی از کدهایی که به نماهای شیشه‌ای اشاره دارند، ارائه شده است.
تقریباً تمام مفاد کدهای طراحی فعلی شامل مشخصات محدودیت نسبت تغییر مکان بین طبقات تحت بار جانبی (IDR) هستند. به طور کلی، این محدودیت‌ها بر اساس سیستم اصلی مقاوم در برابر زلزله ساختمان تعیین می‌شوند. مشخصات مستقیمی برای نماهای شیشه‌ای وجود ندارد و رویه فعلی توصیه می‌کند تا برای پیکربندی‌های غیرمعمول، آزمایش‌های تجربی انجام شود و هر کد طراحی، رفتار متفاوتی برای اجزای غیرسازه‌ای در نظر می‌گیرد.
نتیجه گیری
مروری بر پژوهش‌های جاری در زمینه نماهای شیشه‌ای سازه‌ای ارائه شد که تمرکز آن بر سیستم‌های نماهای شیشه‌ای با اتصالات نقطه‌ای (PFGFS) بود. مهم است که بدانیم عملکرد تغییر شکل جانبی درون‌صفحه‌ای (in-plane racking) در PFGFSهای معمولی هنوز موضوعی در حال تحقیق است و هدف از آن توسعه راهنمایی‌های واضح برای پروتکل‌های آزمایشی و تکنیک‌های تحلیلی می‌باشد. همچنین نیاز است که رویکردهای ساده‌شده برای مهندسین طراح توسعه یابند و مشخصات کدهای طراحی روشن مانند آنچه برای سیستم‌های نماهای دیوارپوش (Curtain Wall) تدوین شده، ارائه گردد.