建築用ガラス
イギリスのカンタベリーにある建物で、16 世紀から 20 世紀までの各世紀のさまざまな建築様式とガラス張りでその長い歴史を示しています。

建築用ガラスは、建築材料として使用されるガラスです。最も一般的には、外壁の窓を含む建物の外壁の透明な窓枠材として使用されます。また、内部の間仕切りや建築上の特徴としても使用されます。建物に使用されるガラスは、強化ガラス、強化ガラス、合わせガラスなどの安全性の高いガラスであることが多いです。

歴史

近代建築用ガラスの発展の年表

種類

鋳造ガラス

ガラス鋳造とは、溶融ガラスを鋳型に流し込み、凝固させることでガラス製品を鋳造する技法です。この技法はエジプト時代から用いられてきました。現代の鋳造ガラスは、窯鋳造、砂型、黒鉛型、金属型への鋳造など、様々な方法で形成されます。光学的品質は劣るものの、鋳造ガラスの窓はローマの主要建造物や、ヘルクラネウムやポンペイの豪華な邸宅に見られるようになりました。[ 10 ]

クラウンガラス

これらの窓ガラスの一部に見られる同心円状の歪んだ弧は、おそらく 16 世紀の王冠ガラスであることを示しています。

ガラス窓製造の最も初期の方法の一つは、クラウンガラス法でした。高温の吹きガラスをパイプの反対側で切り開き、冷める前にテーブルの上で高速回転させます。遠心力によって、高温のガラス球は丸く平らな板状に成形されます。その後、この板をパイプから切り離し、枠に収まる長方形の窓枠に切り込みます。

クラウンガラスの中央には、吹きガラスのボトルネックの厚い残骸が残るため、「ブルズアイ」と呼ばれています。ブルズアイによって生じる光学的な歪みは、ガラスを研磨することで軽減できます。ダイパーラティス窓の開発は、クラウンガラスから3枚の規則的なダイヤモンド型の窓ガラスを、最小限の廃棄物と最小限の歪みで簡単に切り出すことができたことにも起因しています。

この板ガラス製造法は非常に高価で、大型のガラス板の製造には適していませんでした。19世紀にはシリンダー法、シート法、ロール板法に取って代わられましたが、伝統的な建築や修復工事では今でも使用されています。

シリンダーガラス

この製造工程では、ガラスを円筒状の鉄製の型に吹き込みます。両端を切り落とし、円筒の側面に切り込みを入れます。切り込まれた円筒は炉に入れられ、平らなガラス板へと展開されます。

引き伸ばし板ガラス（フルコー法）

この窓ガラスの反射には、古いガラスの凹凸のある表面が見えます。

引き抜き板ガラスは、溶融ガラスの槽にリード線を浸し、槽から取り出したばかりのガラスの膜が硬化する間にそのリード線をまっすぐ引き上げることによって作られました。これはフルコール法として知られています。このフィルムまたはリボンは、冷却しながら両端をトラクターでつかまれて継続的に引き上げられました。約12メートル後、垂直のリボンから切り離され、さらに切断できるように下に傾けられました。このガラスは透明ですが、槽から取り出して硬化する間の小さな温度変化により厚さにばらつきがあります。これらのばらつきにより、わずかな歪みの線が生じます。このガラスは古い家屋で今でも見受けられるかもしれません。フロートガラスがこのプロセスに取って代わりました。

アーヴィング・ワイトマン・コルバーンは、同様の方法を独自に開発しました。彼は1899年にこの方法の実験を開始し、1906年に生産を開始しました。彼は破産しましたが、マイケル・ジョセフ・オーウェンズに買収されました。この方法は不完全であったため、彼らは1916年まで改良を続け、ついに完成に至りました。翌年、この技術に基づいたガラス工場を設立しました。[ 11 ]

鋳造板ガラス

1838年、ジェームズ・ハートリーは、新しい鋳造ガラス製造法で製造されたハートリー特許ロール板の特許を取得しました。ガラスは炉から大きな鉄の取鍋に入れられ、頭上のレール上を走るスリングで運ばれます。取鍋からガラスは圧延台の鋳鉄製のベッドに投げ込まれ、鉄のローラーでシート状に圧延されます。このプロセスは板ガラスの製造に用いられるプロセスに似ていますが、規模が小さいです。このようにして圧延されたシートは、取鍋との直接接触によって損なわれたガラス部分を取り除くため、熱くて柔らかいうちに大まかにトリミングされます。そして、まだ柔らかいシートは、徐冷炉と呼ばれる温度制御された炉の開口部に押し込まれ、ローラー システムによって下方に運ばれます。

研磨された板ガラス

研磨板ガラスの工程は、シート状またはロール状の板ガラスから始まります。このガラスは寸法精度が悪く、視覚的な歪みが生じることがよくあります。これらの粗い板ガラスを研磨し、その後透明に磨き上げます。これはかなり高価な工程でした。

フロート法が使われる前は、板ガラスには遊園地やお祭りの鏡に見られるような視覚的な歪みがあったため、鏡は板ガラスでした。

1918年、ベルギーの技術者エミール・ビシュルーは、溶融ガラスを2つのローラーの間に流し込むことで板ガラスの製造技術を改良しました。これにより、板ガラスの厚さがより均一になり、凹凸が少なくなり、研磨や研磨の必要性が軽減されました。この工程はアメリカ合衆国でさらに改良されました。[ 12 ]

ロール板ガラス

フィギュアロールガラス

型押し（または「カテドラル」）のロール板ガラスに見られる精巧な模様は、ロール板ガラスの製法と似ていますが、板ガラスが2つのローラーの間で鋳造され、そのうちの1つに模様が刻まれている点が異なります。場合によっては、両方のローラーに模様が刻まれていることもあります。模様は、メインロールから出たガラスがまだ柔らかいうちに、印刷ローラーによってシートに押し付けられます。このガラスは、高浮き彫りの模様を呈しています。その後、ガラスは徐冷炉で焼きなましされます。

この目的で使用されるガラスは、通常、他の用途で使用される透明ガラスよりも色が白くなります。

エンボス加工の深さによっては、一部の型板ガラスのみ強化ガラスにすることができます。片面のみに模様が刻印されている「片面型板ガラス」は、積層することで安全ガラスにすることができます。一方、両面に模様が刻印されている「両面型板ガラス」は、安全ガラスにすることはできませんが、両面の模様を収めるため、一般的な型板ガラスよりも厚みがあります。最終的な厚みは、刻印されたデザインによって異なります。

フロートガラス

世界の板ガラスの90%は、1950年代にピルキントン・グラス社のアラステア・ピルキントン卿によって発明されたフロートガラス製法によって生産されています。この製法では、溶融ガラスを溶融スズ槽の一端に注ぎます。ガラスはスズ上に浮かび、スズ槽に沿って広がるにつれて平らになり、両面が滑らかな表面になります。ガラスは溶融スズ上を流れながら冷却され、ゆっくりと固化し、スズ槽から連続したリボン状になって出てきます。その後、ガラスは徐冷炉と呼ばれる炉で冷却され、焼きなましされます。完成品はほぼ完璧な平行面を持ちます。

錫と接触していたガラス面には、表面にごく微量の錫が埋め込まれています。そのため、ガラスのその面は鏡面加工しやすいコーティングが施されますが、その面は柔らかく、傷がつきやすいという欠点もあります。

ガラスは、2、3、4、5、6、8、10、12、15、19、25mmの標準的な厚さで製造されており、建築業界では10mmが最も一般的なサイズです。窒素/水素雰囲気下でスズの上に浮かぶ溶融ガラスは、約6mmの厚さまで広がり、表面張力により停止します。より薄いガラスは、スズの上に浮かべて冷却する間にガラスを引き伸ばすことで作られます。同様に、より厚いガラスは、スズ上で冷却される際に押し戻され、それ以上膨張しません。

強化ガラス

強化ガラス（または焼き入れガラス）は、標準的なフロートガラスを原料として作られ、耐衝撃性のある安全ガラスです。フロートガラスが割れると、鋭く危険な破片が飛び散ります。強化処理により、ガラスの内面と外面の間に張力が生じ、ガラスの強度が増し、万が一破損した場合でも、ガラスが小さな無害な破片に砕けるようになります。カットされたガラスパネルは強化炉に入れられます。ここでガラスパネルは600度以上に加熱され、その後、表面が冷風で急速に冷却されます。これにより、ガラス表面と内部のより温かいガラス粒子に引張応力が生じます。ガラスの上部の厚みが冷えると収縮し、対応するガラス要素を強制的に収縮させてガラスパネルに応力を加え、強度を高めます。[ 13 ]

プリズムガラス

プリズムガラスは光を曲げる建築用ガラスです。20世紀初頭には、地下空間や窓から遠い場所に自然光を取り入れるためによく使われました。[ 14 ]プリズムガラスは歩道に使われており、ヴォールト照明と呼ばれています。[ 15 ]窓、間仕切り、天蓋にはプリズムタイルと呼ばれ、デッキプリズムは帆船のデッキ下の空間を照らすために使われました。プリズムガラスは装飾性も高く、フランク・ロイド・ライトは40種類以上のプリズムタイルをデザインしました。[ 16 ]現代の建築用プリズム照明は、一般的に普通の窓ガラスにプラスチックフィルムを貼って行われます。 [ 17 ]

ガラスブロック

壁に使われているガラスレンガ
ロンドン、バーリントン ハウスの外にある歩道の天窓 (「舗装灯」とも呼ばれる)

ガラスブロック（ガラスレンガとも呼ばれる）は、ガラスで作られた建築要素で、地下駐車場、洗面所、公営プールなど、光を取り入れつつプライバシーや視覚的な遮蔽が必要な場所に使用される。ガラスブロックは、もともと1900年代初頭に工場に自然光を取り入れるために開発されました。

焼きなましガラス

アニールガラスとは、熱処理（急冷）や強化（熱処理による強度向上）によって生じる内部応力のないガラスです。ガラスを転移点以上に加熱した後、急冷せずにゆっくり冷却すると、アニール処理されます。フロートガラスは製造工程でアニール処理されます。しかし、ほとんどの強化ガラスは、特殊な熱処理を施したフロートガラスから作られています。

焼き入れガラスは、大きなギザギザの破片に砕け、深刻な怪我を引き起こす可能性があり、建築用途においては危険物とみなされています。世界の多くの地域の建築基準法では、浴室、ドアパネル、非常口、学校や住宅の低い場所など、破損や怪我のリスクが高い場所での焼き入れガラスの使用が制限されています。怪我のリスクを軽減するため、これらの場所では合わせガラスや強化ガラスなどの安全ガラスを使用する必要があります。

合わせガラス

強化合わせガラスの破損による「ウェットブランケット効果」

合わせガラスは、2枚以上のガラスをPVBなどの中間膜で熱と圧力をかけ、1枚のガラスに接合して製造されます。破損した場合でも、中間膜がガラスの層同士の接着力を維持し、ガラスの破片が飛び散るのを防ぎます。また、中間膜によってガラスの遮音性も向上します。

異なる種類のガラスと中間層を使用して製造される合わせガラスにはいくつかの種類があり、破損したときに異なる結果をもたらします。

強化ガラスで作られた合わせガラスは、安全性が重視されるものの強化ガラスが使用できない場合によく使用されます。フロントガラスは一般的に合わせガラスです。破損した際にPVB層がガラスの破片化を防ぎ、「蜘蛛の巣状」のひび割れパターンを形成します。

強化合わせガラスは、小さな破片に砕けるように設計されており、怪我のリスクを軽減します。両方のガラスが割れると、「濡れた毛布」のような効果が生じ、開口部からガラスが落下します。

熱強化合わせガラスは焼き入れガラスよりも強度が高いですが、強化ガラスほどではありません。セキュリティが重視される場所でよく使用されます。強化ガラスよりも割れやすい形状ですが、形状を維持するため（強化合わせガラスの「濡れた毛布」効果とは異なり）、開口部に留まり、より長時間、より大きな力に耐えることができます。そのため、侵入がはるかに困難になります。

合わせガラスは防弾ガラスと似た特性を持っていますが、混同してはいけません。どちらもPVB中間膜を使用していますが、引張強度は大きく異なります。防弾ガラスと合わせガラスは、それぞれ異なる基準で評価されており、破砕パターンも異なります。[ 18 ]

耐熱強化ガラス

熱強化ガラス、または強化ガラスは、表面を圧縮させるために熱処理が施されたガラスですが、強化ガラスのように破損時に「さいの目に」割れるほどではありません。破損すると、熱強化ガラスは鋭利な破片に砕け散り、その破片は通常、焼きなましガラスよりもやや小さく、焼きなましガラスと強化ガラスの中間の強度を持ちます。

熱強化ガラスは、強い直撃を受けても割れませんが、端面が弱いという欠点があります。熱強化ガラスの端面を硬いもので軽く叩くだけで、ガラス全体を粉砕してしまう可能性があります。

化学強化ガラス

化学強化ガラスは、強度を高めたガラスの一種です。破損すると、フロートガラス（焼きなましガラス）と同様に、細長く尖った破片となって砕け散ります。そのため、化学強化ガラスは安全ガラスとはみなされず、安全ガラスが必要な場合は合わせガラスを使用する必要があります。化学強化ガラスの強度は、通常、焼きなましガラスの6～8倍です。

ガラスは、カリウム塩（通常は硝酸カリウム）を含む450℃（842°F）の浴にガラスを浸すことで化学的に強化されます。これにより、ガラス表面のナトリウムイオンが浴溶液中のカリウムイオンに置換されます。

強化ガラスとは異なり、化学強化ガラスは強化後に切断することが可能ですが、切断部から約20mmの範囲内で強度が失われます。同様に、化学強化ガラスの表面に深い傷が付くと、その部分の強度も失われます。

一部の戦闘機のキャノピーには化学的に強化されたガラスが使用されていました。

低放射ガラス

低放射率物質でコーティングされたガラスは、赤外線の放射エネルギーを反射するため、放射熱は発生源と同じ側に留まり、可視光は透過します。これにより、冬場の室内からの放射熱は反射され、夏場の太陽からの赤外線は反射され、室内は涼しく保たれるため、窓の効率が向上することがよくあります。

加熱可能なガラス

電気加熱ガラスは比較的新しい製品であり、建物や車両の設計におけるソリューションの発見に役立ちます。加熱ガラスのアイデアは、エネルギー効率の高い低放射ガラス（通常は単純なケイ酸塩ガラスに特殊な金属酸化物コーティングを施したもの）の使用に基づいています。加熱ガラスは、木材、プラスチック、アルミニウム、またはスチール製の あらゆる種類の標準的なガラスシステムに使用できます。

セルフクリーニングガラス

近年（2001年、ピルキントン・グラス社）のイノベーションは、いわゆるセルフクリーニングガラスで、建築、自動車、その他の技術用途を対象としています。ガラスの外側にナノメートルサイズの二酸化チタンをコーティングすることで、セルフクリーニング機能をもたらす2つのメカニズムが生まれます。1つ目は光触媒効果で、紫外線が窓ガラス表面の有機化合物の分解を触媒します。2つ目は親水性効果で、水がガラス表面に引き寄せられ、薄い膜を形成して分解された有機化合物を洗い流します。

複層ガラス

複層ガラス（断熱ガラス）は、2層以上のガラスを端から端までスペーサーで分離し、層間に空気層を作るために密閉した窓ガラスまたはガラス要素です。このタイプのガラスは、断熱性と遮音性を備えています。この空間に不活性ガスを充填することで、低エネルギー建物のための省エネ・持続可能な建築設計を実現します。

真空ガラス

1994年に登場した断熱ガラスの革新は真空ガラスであり、現在までに商業的に生産されているのは日本と中国のみである。[ 19 ]真空ガラスの極薄さは、特に建物の保存や歴史主義建築において、エネルギー効率がはるかに低い従来の単板ガラスに代わる真空ガラスとして、多くの新しい建築の可能性をもたらす。

真空ガラスユニットは、通常はソルダーガラスを用いて2枚のガラスの端をシールし、内部の空間を真空ポンプで真空にすることで作られます。2枚のガラス間の真空空間は非常に浅くても優れた断熱性を発揮するため、公称厚さ6mmという薄さの断熱窓ガラスを実現できます。この薄さの理由は一見複雑ですが、真空中では対流や気体伝導が起こらないため、断熱性が本質的に優れています。

残念ながら、真空ガラスにはいくつかの欠点があります。製造が複雑で困難です。例えば、真空ガラスの製造には、ガス抜き、つまり加熱して内面に吸着したガスを放出させる工程が不可欠です。ガス抜きを行わないと、後でガスが漏れて真空状態が破壊される可能性があります。この加熱工程のため、現状では真空ガラスは強化ガラスや熱処理による強度向上が不可能です。真空安全ガラスが必要な場合は、ガラスをラミネート加工する必要があります。また、ガス抜きに必要な高温は、他の現代の断熱ガラスの内面（つまり、空気層に面する面）の片面または両面に赤外線による熱損失を防ぐために施されることが多い、高効率の「ソフト」低放射コーティングを破壊する傾向があります。しかしながら、真空ガラスには、やや効果の劣る「ハード」コーティングも依然として適しています。

さらに、真空ガラスユニットの外側には大気圧が存在するため、2枚のガラス板が互いにたわんで接触するのを防ぐため、何らかの方法でガラス板を離して保持する必要があります。接触してしまうと、ユニットを真空状態にする目的が達成されません。ガラス板を離して保持する役割は、スペーサーのグリッドによって担われます。スペーサーは通常、約20mm間隔で配置された小さなステンレス鋼の円板で構成されています。スペーサーは非常に小さいため、通常は1m以内の非常に近い距離からしか見えません。しかし、スペーサーはある程度の熱を伝導するため、寒い天候では真空窓の表面に一時的な格子状の模様が形成されることがよくあります。これは、スペーサーを中心とした内部結露の小さな円（ガラスが平均よりもわずかに冷えている部分）または、外部に結露がある場合はガラスの外側に小さな円（スペーサーによって近くのガラスがわずかに温まっているため、結露がない部分）のいずれかです。

スペーサーによって生じるガラス間の熱伝導は、真空ガラスの全体的な断熱効果を制限する傾向があります。しかしながら、真空ガラスは、従来のはるかに厚い複層ガラスと同等の断熱性を備え、2枚のガラス板が大気によって押し付けられるため、曲げ力に対して実質的に1枚の厚いガラス板のように反応するため、より強度が高い傾向があります。また、真空ガラスは、他の一般的な窓ガラスと比較して、非常に優れた遮音性も備えています。

遮熱ガラス

遮熱ガラスの一種に、放射冷却を利用するものがあります。このガラスは、コンタクトレンズポリマーでコーティングされたガラスの上に、シリカ、アルミナ、酸化チタンからなる厚さ1.2ミクロンの透明放射冷却層（TRC）を積層したものです。この層は可視光のみを透過するため、建物の冷房コストを最大3分の1削減できます。開発者は機械学習と量子コンピューティングを用いてモデルを迅速にテストし、最適な代替案を特定しました。[ 20 ]

耐震要件

米国のほとんどの管轄区域で施行されている最新の建築基準は、2006年版国際建築基準（IBC、2006年）です。2006年版IBCは、米国土木学会（ASCE、2005年）が策定した「建物およびその他の構造物の最小設計荷重」の2005年版の耐震規定を参照しています。ASCE 7-05には、建築用ガラスを含む非構造部材に関する具体的な要件が含まれています。[ 21 ]

反射した太陽光

設計が不適切だと、大量のガラスを使用した凹面は太陽の角度によっては太陽光集光器として機能し、人を傷つけたり財産に損害を与えたりする可能性があります。 [ 22 ]

参照

「琥珀色」の強化図柄ロールガラス

参考文献

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  18. ^ 「強化ガラスと防弾ガラスの違い | Barrett Limited」barrettlimited.com . 2018年7月17日閲覧。
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  20. ^ Paul, Andrew (2022年11月30日). 「科学者らが量子コンピューティングを用いて、エアコンの必要性を3分の1に削減するガラスを開発」 .ポピュラーサイエンス. 2024年6月11日閲覧。
  21. ^ Behr, RA (2009).地震や異常気象に耐える建築用ガラス. Woodhead Publishing Limited. ISBN 978-1-84569-369-5。
  22. ^スミス＝スパーク、ローラ（2013年9月3日）「ロンドンの高層ビルからの反射光で車が溶ける」CNN
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