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PITTSBURGH PLATE GLASS COMPANY, résidant à PITTSBURGH, Pennsylvania (E.U.A.).
PERFECTIONNEMENTS RELATIFS A LA PRECONTRAINTE DE VITRAGES DOUBLES.
La présente invention est Relative à des éléments de vitrages dou- bles du type dans lequel des parties ;de l'une des feuilles sont déportées par rapport aux autres, afin de ménager un espace d'air entre les feuilles de verre, les bords des feuilles de verre pouvant être fixés ensemble de di- verses manières; la manière préférée ,consiste toutefois à fixer les bords des feuilles ensemble par soudage et à former la partie déportée des feuil- les pendant que le verre est rempli par la chaleur du soudage.
La présente invention concerne plus particulièrement un procédé destiné à précontraindre des éléments de vitrages doubles du type décrit, afin de renforcer l'élément à l'endroit des coudes ou des parties déportées qui s'y ¯trouvent; elle concerne également le produit obtenu au moyen de ce procédé.
On connaît depuis longtemps des éléments de vitrages doubles comprenant deux feuilles de verre superposées à quelque distance l'une de l'autre et dont les bords marginaux dont réunis ensemble. Il est également bien connu d'évacuer-Pair de l'espace compris entre les feuilles de verre,, et de remplir l'espace avec de l'air sec ou de conserver le vide.
D'ordinaire,les éléments à doubles vitrages constitués par des feuilles plates s'infléchissent facilement sous l'influence de variations de température et de pression barométrique du fait que le verre est relati- vement une matière plutôt flexible et que la flexion s'étend sur une surface considérable. Dans les cas où l'on squmet à la flexion une seule feuille ou les deux pour créer un espace d'air, les contraintes qui prennent naissance dans la partie courbée au cours de la flexion du verre, par suite de varia- tions dues aux pressions intérieures ou extérieures ont une importance capi- tale dans la durée de conservation de l'élément. C'est à ce dernier problè- me que se rapporte la présente invention.
Sur le dessin annexé qui représente à titre d'exemple non limita- tif un mode de réalisation de l'invention:
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La figure 1 est une vue en plan de 1' éléments
La figure 2 est une coupe transversale partielle à grande échel- le par II-II de la figure 1.
L'élément objet de l'invention est formé d'une feuille de verre 1 sensiblement plate et d'une seconde'feuille 2 dont la partie marginale est disposée angulairement'par rapport à cette feuille et se termine par des parties marginales raccordées par fusion, ou soudées aux parties correspon- dantes de la feuille 1. A l'intérieur de l'élément, les faces intérieures des feuilles 1 et 2 sont réunies par un congé sensiblement uniforme. Bien enten- du, la résistance mécanique de l'élément dépend en grande partie de l'uni- formité des parties courbées intérieures et extérieures formant la liaison entre les parties plates des feuilles 1 et 2 et de la liaison marginale ob- tenue par fusion réunissant les feuilles.
Pour atteindre les buts de la présente invention, il est sans im- portance que le procédé de scellement des bords soit réalisé par exemple par fusion ou par tout autre moyen approprié. De même, la forme particuliè- re donnée à la partie déportée., l'espace compris entre les feuilles,, et le procédé utilisé pour réaliser le décalage 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 va- riations de section à l'endroit de ces coudes. Il est évident que des cou- des prononcés créent des concentrations de contraintes, tandis que des courbes uniformes d'un rayon appréciable ont tendance à produire une'ré- partition uniforme des contraintes.
De même, des variations 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 des éléments conformes à l'invention réside dans le fait que la précontrainte doit être effectuée après que les parties déportées ont été formées dans le verre. S'il en est autrement, dans certaines con- ditions, cette précontrainte peut être nuisible plutôt qu'avantageuse, ain- si qu'on l'expliquera en détail ci-après.
La forme préférée de l'élément est celle représentée sur le des- sin 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 ramollissent et se raccordent par fu- sion aux bords correspondants 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 on termine la soudure.
En se référant maintenant en détail à la figure 2, on voit que la liaison marginale entre les feuilles 1 et 2 comprend une partie 3 obte- nue par fusion simultanée, une partie incurvée extérieure 4 et une partie incurvée intérieure 5 qui, avec les parties plates des feuilles 1 et 2, dé- limitent un espace d'air 6. L'espace 6 communique avec l'extérieur par un trou d'échappement 7.
Le dessin montre de façon évident que, lorsque l'espace 6 de l'é- lément est rempli d'air à la pression atmosphérique et à la température am- biante et que le trou 7 est scellé, les surfaces 4 et 5 (figure 2) ne sont soumises à aucun effort de compression ou de tension. Cependant, si la tem- pérature ou la pression barométrique régnant au lieu où l'on utilise l'élé- ment diffèrent de celles qui existent au lieu où l'on a effectué ce scelle- ment, les deux surfaces 4 et 5 se trouveront soumises à des contraintes de valeurs différentes et s'exerçant de diverses manières. Si la pression exté- rieure 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 pression de !-'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.
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Bien entendu, on peut calculer ces contraintes, qui prennent naissance dans les surfaces 4 et 5 et réaliser les feuilles 1 et 2 en uti- lisant du verre présentant une résistance mécanique suffisante pour résis- ter 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 désirable du point de vue économique.
Un but visé par la précontrainte est d'éviter qu'il soit néces- saire d'utiliser des verres spéciaux. Outre les contraintes calculables, il existe certaines autres variations de contraintes ou variations de contrain- tes potentielles auxquelles l'élément se trouve soumis pendant son utilisa- tion et qui sont imprévisibles.
La surface 5 se trouve à l'intérieur de l'élément et n'est pas soumise à une détérioration qui amènerait rapidement la destruction de l'élément. La surface 4, toutefois, se trouve à découvert et est suscepti- ble d'être endommagée pendant la durée d'utilisation 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, négligeante ou malfaisante. La surface 4 pourrait également, pendant la durée d'utili- sation de l'élément,être endommagée par les intempéries ou de quelque au- tre manière.
Bien entendu, alors, toute détérioration de la surface 4 di- minue la résistance de l'élément et crée une source de concentration des contraintes pouvant entraîner la destruction de l'élément sous une contrain- te que l'élémen aurait pu supporter si cette détérioration ne s'était pas produite .
Le verre présente certaines caractéristiques en commun avec les métaux. Il est élastique entre certaines limites, il peut fléchir facile- ment, pourvu qu'on applique suffisamment lentement l'effort de flexion et il reprend toujours à sa forme initiale lorsque cette force cesse de s'exer- cer.On peut le souder à chaud, le courber à chaud et le façonner autrement à chaud de nombreuses autres manières comme du métal. Le verre diffère du métal en ce que, lorsqu'il est soumis à froid à des contraintes dépassant sa limite élastique, il ne prend pas une déformation permanente, il se rompt.
Il est, en outre, bien connu que la rupture du verre commence toujours du côté où s'exerce la tension provoquant la déformation.
Si on se réfère maintenant à la figure 2 du dessin, on va exami- ner les contraintes appliquées à la surface 4 et à la surface 5 pendant l'u- tilisation normale prévue de l'élément utilisé comme panneau transparent placé dans un immeuble, un train , un réfrigérateur ou dans d'autres utili- sations similaires, à des températures et à des pressions barométriques au- tres 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 trouvent à une altitude in- férieure à 910 m et qui sont desservies par des lignes de chemin de fer ne dépassant jamais des altitudes de 910 m environ.
En conséquence, il faut s'attendre à ce que l'élément à double vitrage décrit soit utilisé normale- ment 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'intérieur de l'élément, de 43 C environ, à une altitude de 910 m envi- ron lorsqu'il est exposé au soleil en été, et de -29 C environ au niveau de la mer dans des conditions défavorables. Ces valeurs'extrêmes de conditions climatiques détermineraient des valeurs extrêmes de contraintes de tension 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 auxquel- les serait soumis un élément à double vitrage entre les conditions extrêmes d'altitudes et de températures précédentes.
Pression barométrique à environ 910 m d'altitude = 0,920 kg/cm2
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Pression barométrique au niveau de la mer = 1,033 kg/cm Pression barométrique à environ 455 m d'altitude = 0,977 kg/cm2 Dimensions de Isolement = O m 60 x O m 60 environ Espace d'air = 4,70 mm environ Epaisseur du verre = 3 mm environ.
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Si l'on se réfère au tableau précédent., on voit nettement que les contraintes imposées à des éléments à vitrages doubles du type compor- tant du verre courbe varient considérablement dans les limites de fluctua- tions des pressions et des températures auxquelles on peut normalement s'attendre.
Diaprés les valeurs indiquées à la ligne 1 du tableau, un élé- ment scellé à la pression atmosphérique, au niveau de la mer et à la tem- pérature de -29 C aurait d'une part, sa surface extérieure 4 maintenue sous un effort de compression dans toute la gamme d'abaissement de la pres- sion atmosphérique et d'augmentation de la température jusqu'à une altitu- de de 910 m environ et une température'de 43 G environ et, d'autre part, sa surface intérieure 5 soumise à une contrainte de tension maximum de 4 kg/mm2.
De même, si on se rapporte aux indications de la ligne 2 du. ta- bleau, on voit qu'un élément scellé à une altitude de 910 m environ et une température de 43 C environ se trouve soumis, lorsqu'il est utilisé au ni- veau de la mer et à une température de -29 C environ, à une contrainte de tension maximum de 2,95 kg/mm2 dans la surface extérieure 4, contrainte qui est également indésirable.
La ligne 3 du tableau indique qu'un élément scel- lé à une pression atmosphérique régnant à une altitude intermédiaire de 455 m environ et à une température de 21 C environ imposerait, au niveau de la mer et à une température de -29 C, sur la surface extérieure, 4, une con- trainte de tension de 2,200 kg/mm2 environ et une pression de tension de 1,23 kg/mm2 environ sur la surface intérieure 5 à une altitude de 910 m environ et une température de 43 C environ.
Les comparaisons ci-dessus, fournies par le tableau, entre les contraintes maxima possibles imposées aux surfaces 4 et 5 des parties cour- bées de cet élément, lorsqu'il est scellé dans l'une ou l'autre des condi- tions extrêmes d'utilisation probable et à celles correspondant à un point choisi entre ces extrêmes, démontrent qu'il est nécessaire d'appliquer à l'élément 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.
En outre, le pro- cédé de traitement appliqué à l'élément doit être tel que cet élément puisse être fabriqué, en n'importe quel lieu de la gamme d'utilisation possible et qu'on puisse ensuite l'utiliser sans danger en n'importe quel endroit se trouvant dans la gamme de conditions choisies.
C'est pourquoi le procédé objet de l'invention vise à placer un élément précontraint de telle manière qu'indépendamment du lieu où l'on réa- lise le scellement et dans des limites choisies, lorsqu'on utilise cet élé-
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ment entre ces limites, les parties vulnérables 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 procédé objet de l'invention consiste: a) à prendre, dans le calcul, un coefficient minimum de sécurité correspondant aux contraintes maxima prévisibles auxquelles l'élément 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 par- tie courbée de l'élément soient appliquées sur la surface intérieure 5; c) à soumettre la surface extérieure 4 à des efforts de compres- sion pendant une partie importante de la gamme prévue des variations de tem- pératures.
Si l'on se réfère maintenant à là figure 2 et au tableau ci-des- sus, on voit que la surface 5 de la partie courbée de l'élément est'scellée à l'intérieur de ce dernier et se trouve, par conséquent, protégée contre les types de détériorations précités auxquels la surface-4 se trouvé expo- sée. Par conséquent, la surface 5 peut supporter avec sécurité une charge plus élevée que la surface 4. C'est pourquoi, conformément à l'invention, 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 tem- pératures 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 dé- sire, on peut répartir les contraintes dans-une proportion différente.
Afin de déterminer les diverses contraintes admissibles appli- quées sur les parties courbées des éléments de dimensions différentes dans des conditions 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 intervalles d'air différents.
P = pression externe de rupture de l'élément
P1 = pression interne de l'élément après scellement
P2 pression intérieure de l'élément juste avant la rupture
V1 = volume de l'élément après scellement
V2 = volume de l'élément juste avant la rupture t1 = 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'exergant à l'extérieur de l'élément
L = coté du carré n = écartement entre les feuilles de verre h = épaisseur du verre
E = module d'élasticité = 7030 kg/mm2
R = module de rupture
S = contrainte maximum en kg/mm2 d = flèche au centre de la plaque F = flèche moyenne/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: q = 2 - P
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D'où P = P 2 - q p 2V2 Pive t2 tl P2 PIVlt2 V2tl Par conséquent P = t2pivi ¯ q tlV2 V2 V, - L2 (2dP) P = t2PlVl tl VI + L2 (2dF) (1930)$ Diaprés Timoshenko, "Strengh of i4aterialstle vol II, pages 506-7-8 (1930), S = 6baL2 h 2 par conséquent q = Sh2 6bLz Or d = aaL4 (diaprés Timoshenko-supra - page i.04) Eh3 En substituant ces expressions de q et de d dans l'expression de P, il vient ;
P = t2Pl VI Shz .¯ t,Vl - FaSh4 - -6bL= 1 1 3 Ehb
Si l'on se réfère maintenant aux valeurs indiquées du tableau ci-dessus-pour l'essai n 3, on voit qu'un élément d'environ 0,60 m x 0,6Qn. dont le scellement a été réalisé dans des conditions sensiblement moyennes de température et de pression donnerait, dans la surface 4, au niveau de la mer et à une température de -29 C environ, une tension d'environ 2,00 kg/mm2 et, dans la surface 5, à l'altitude de 910 m environ et à une tempé- rature de 43 C environ, une tension de 1,23 kg/mm2 environ.
Les valeurs in- diquées pour l'essai n 4 montrant qu'un élément de la même dimension dont le scellement a été réalisé à la même pression mais à une température de -1¯C environ donnerait, sur la surface, 4, une tension de 1,40 kg/mm2 et, sur la surface 5, une tension de 2,10 kg/mm2 à une altitude de 910 m envi- ron et à une température de 23 C. Ceci correspond à une répartition des contraintes telles que la contrainte maximum s'exerçant sur la face inté- rieure de l'élément à l'endroit de la surface 5, est 50 % plus élevée que le contrainte maximum s'exerçant sur la surface extérieure 4 de cet élément.
En d'autres termes, les contraintes se trouvent dans une situation relati- ve inverse de celle qui résulte des valeurs indiquées au tableau pour l'es- sai n 3, à savoir que la contrainte la plus élevée est celle qui s'exerce sur l'intérieur. D'après les valeurs indiquées au tableau pour l'essai n 5,
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on voit qu'en effectuant également le scellement de l'élément à la tempéra- ture de 21 C, comme dans-le cas de l'essai n 3, mais en augmentant de
0,977 kg/cm2 à 1,055 kg/cm2 la pression à laquelle on effectue le scelle- ment, les tensions sont les mêmes que dans le cas de l'essai n 4 ou en d'autres termes, la proportion entre les contraintes se trouve renversés et la contrainte maximum s'exerce maintenant sur la partie protégée inté- rieure 5.
Un autre avantage de ce procédé de précontrainte conforme à l'in- vention apparaît de la comparaison des essais n 3 et n 5. Des calculsba- sés sur la formule donnée ci-dessus, on déduit que la contrainte-qui s'exer- ce à la partie coudée est d'environ 0,034 kg/mm2 par demi degré centigrade environ de variation de température.
Il s'ensuit que la surface 4 d'un élé- ment scellé dans les conditions indiquées au tableau pour l'essai n 5 se trouverait, au niveau de la mer et pour une température de -29 0 environ, soumis à une contrainte de tension d'environ 1,40 kg/mm2. Pour une augmen- tation de température d'environ 42 C, c'est-à-dire pour une température d'en-. viron 13 C, la surface 4 se trouverait soumise à une contrainte de compres- sion 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 n 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 n 3 ne serait, à la température précitée d'environ 13 C, soumise à aucune contrainte, mais qu'au fur et à mesure que la température s'abaisse, la surface 4 se trouve- rait soumise à une contrainte de tension pour toutes les températures in- férieures a 21 C environ. Si un élément scellé dans les conditions préci- tées avait sa surface 4 soumise à une contrainte de compression pour toutes les températures supérieurs à -1 C, on verrait que la ligne 4 aurait une avance de 40 C sur la ligne 3.
Par conséquent, non seulement un élément scellé dans les conditions de la ligne 4 est soumis à la contrainte maxi- mum dans les conditions extrêmes inversées de la face extérieure à la face inférieure de l'élément quand on effectue la comparaison avec les conditions de la ligne 3, mais encore la surface extérieure 4 se trouve soumise à la compression pour la majeure partie des gammes de températures possibles que l'on peut rencontrer, c'est-à-dire de -1 C, à 43 C, soit une différence de 44 , comparée à la gamme comprise entre -1 C et -29 C, soit une différence de 28 seulement.
On peut appliquer le procédé de précontrainte à tout élément de dimension quelconque comportant un espace désiré quelconque entre les feuil- les de verre et présentant n'importe quelle forme de courbure désirée 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 fu- sion (obtenue par un procédé de soudure électrique) si ce n'est que 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 permettant de précontrain- dre l'unité. Après avoir choisi la dimension de l'élément désiré,l'écarte- ment entre les feuilles et l'épaisseur de la feuille, on évalue les contrain- tes 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 répartition maximum désirée des contraintes aux conditions extrêmes d'utilisation envisagées. On peut ensuite évaluer les températures et les pressions de scellement pour assu- rer 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 compression, dans les condi- tions extrêmes d'utilisation pour obtenir un élément dont le côté exposé de la courbure peut être maintenu sous compression pendant la majeure por- tion de la gamme des températures possibles que l'on rencontre à l'endroit
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possible d'utilisation.
On prend de préférence la gamme de températures com- me 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 barométriques pour le niveau de la mer et pour une altitude d'environ 910 m. sont seulement comprises entre 0,921 kg/cm2 et 1,029 kg/cm2. De même, chaque demi-degré de variation de tempéra- ture se produisant dans un élément d'environ 0,60 m x 0,60 m produit des changements de contrainte d'approximativement 1,85 kg/cm2. Les éléments ayant d'autres dimensions subissent des variations proportionnelles analo- gues.
Bien que lorsque l'on trace la courbe de la variation de pression dans l'élément pour chaque degré de changemement de température, on n'ob- tienne pas une courbe rectiligne, on peut la considérer comme telle pour toutes les utilisations pratiques. De mime, on doit établir chaque dimen- sion de l'élément pour assurer un coefficient de sécurité supérieur: à 1, de manière que l'on puisse tolérer que des contraintes éventuelles dépas- sant celles qui ont été choisies par les calculs s'exercent sur le verre, grâce à l'excès de résistance que l'on a prévu.