Aktualne wydanie

2020 06 okladka

Świat Szkła 06/2020

User Menu

 

Swiat Szkla Skyscraper 08-2020 final

 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

okladka Dom inteligentny 22

(w opracowaniu) 

 dom bez barier okladka

gotowy

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

 

 Baner 2

Nieniszczące badanie wytrzymałości szkła za pomocą ultradźwięków
Data dodania: 22.02.20

Od wieków szkło było stosowane głównie jako wypełnienie okien i drzwi, natomiast w ostatnich latach stało się kluczowym materiałem w architekturze.

 

Już w 1935 r. znakomity architekt okresu modernizmu Charles-Édouard Jeanneret, znany jako Le Corbusier, w cyklu swoich artykułów określił szkło jako „fundamentalny materiał nowoczesnej architektury”.

 

Podobnie szkło oceniał Michael Wigginton, który określił je jako „najznamienitszy materiał wynaleziony przez człowieka”.

 

2020 02 29 1

 

2020 02 29 1a

Rys. 1. Główne wejście do salonu Apple, Mediolan, Włochy (fot. Özhan Aydar)

 

Pod względem architektonicznym szkło charakteryzuje się wieloma pożądanymi cechami, z których najważniejszą jest transparentność [Wala 2017, Kozłowski 2019]. Społeczeństwo coraz więcej czasu spędza wewnątrz budynków i dlatego dostęp do naturalnego światła ma ogromne znaczenie dla ich dobrego samopoczucia i efektywności pracy. Szklane elementy nośne umożliwiają dostęp światła dziennego w głąb budynków, co również pozwala na znaczne ograniczenie kosztów doświetlenia wnętrz.

 

Kolejną cechą szkła jest jego dekoracyjność, która zależy od geometrii kształtowania elementów oraz wydobywania z nich plastyczności, jak również wykorzystania jej powierzchni w celach znaczeniowych lub medialnych. Dlatego szkło głównie używane jest do budowy nowoczesnych fasad budynków. Szkło jest również materiałem wytrzymałym, trwałym oraz odpornym na działanie czynników atmosferycznych.

 

Obecnie szkło jest wykorzystywane do budowy wielkowymiarowych fasad, jak również nośnych elementów konstrukcyjnych, takich jak ściany, belki, słupy, stopy i dachy.

 

Przykładem takiego zastosowania szkła jest inwestycja zrealizowana w 2018 r. w Mediolanie, przedstawiona na rys. 1. Konstrukcja jest całkowicie wykonana ze szkła i stanowi główne wejście do salonu branży elektronicznej. Jej wymiary w rzucie to 3×12 m, a wysokości wynosi 8 m. Konstrukcję tworzy 11 wielkowymiarowych paneli połączonych ze sobą spoinami wykonanymi z silikonu konstrukcyjnego.

 

Sztywność przestrzenna konstrukcji jest zapewniona dzięki mocowaniom dolnym paneli, które są usztywnione (przenoszą moment zginający), nośnym połączeniom klejowym między panelami oraz układem paneli w rzucie (system równoległych i prostopadłych do nich ścian). W tym rozwiązaniu szkło jest w pełni odpowiedzialnym materiałem konstrukcyjnym i integralność konstrukcji zależy bezpośrednio od jego wytrzymałości.

 

Bezpieczeństwo budowli jest zapewnione przez zastosowanie szkła hartowanego i laminowanego, jak również wykonanie w trakcie projektowania złożonych analiz statycznych i dynamicznych uwzględniających różne przypadki obciążenia i pracy elementów. Dodatkowo, konstrukcja wykazuje wysoki globalny współczynnik bezpieczeństwa.

 

 

Szkło pod względem mechanicznym jest materiałem kruchym, a tym samym bardzo wrażliwym na niedoskonałości, takie jak naturalne mikropęknięcia oraz mikrozarysowania, które są naturalnym efektem procesu produkcyjnego szkła płaskiego, późniejszej obróbki szkła, jak również konserwacji gotowego produktu [Karlsson et al. 2010].

 

Te niedoskonałości są zwykle niewidoczne gołym okiem, natomiast mają one kluczowy wpływ na wytrzymałość szkła i skutkują tym, że rozrzut jej wartości (dla szkła odprężonego) wynosi od 30 do 110 MPa [Karlsson 2013]. Bez tych wad powierzchni szkło miałoby wytrzymałość znacznie przekraczającą wytrzymałość większości innych materiałów, takich jak np. stal [Wondraczek et al. 2011].

 

Kolejnym zjawiskiem związanym z wytrzymałością szkła odprężonego jest zmniejszanie się jej wartości w czasie [Khorasani 2004]. Jest to spowodowane głównie korozją szkła spowodowaną wpływem wilgoci zawartej w powietrzu, która sprawia, że w elemencie obciążonym mikrouszkodzenia rozwijają się w czasie.

 

Znaczne wytężenie elementu dodatkowo przyspiesza ten proces. Spadek wytrzymałości szkła w czasie jest również związany z naturalnym zużyciem elementów związanym z ich konserwacją (np. myciem), wpływem czynników atmosferycznych oraz aktami wandalizmu.

 

Przykładowo, nośność szklanego dachu obciążonego w sposób długotrwały (30 dni) śniegiem stanowi mniej niż połowę nośności tej samej konstrukcji obciążonej takim samym obciążeniem co do wartości, natomiast w sposób krótkotrwały (1 godzina). Z powodu swojej kruchości szkło pęka w ułamku sekundy, nieoczekiwanie, a katastrofa konstrukcji nie jest poprzedzona znacznymi jej deformacjami, tak jak się to dzieje w przypadku konstrukcji

 

stalowych, w których uplastycznienie stali powoduje powstanie przegubów plastycznych i redystrybucję sił wewnętrznych. Zjawisko to, w połączeniu z dużą niepewnością co do początkowej wytrzymałości szkła, prowadzi do niepotrzebnego przewymiarowania elementów, a tym samym niewykorzystania w pełni jego potencjału.

 


Niniejszy artykuł przedstawia założenia, metodologię oraz pierwsze wyniki projektu badawczego, którego celem jest nieniszczące badanie wytrzymałości szkła za pomocą ultradźwięków (metoda NAW®).

 

Metoda ta w założeniu pozwala na określenie rzeczywistej nośności szklanej tafli w momencie dostawy z fabryki, jak również w czasie jej użytkowania, co może być ujęte w formie raportu z regularnych kontroli. Inspiracja dla tej idei pochodzi z przemysłu drzewnego, gdzie drewno jest sortowane (przyporządkowywane do odpowiedniej klasy) na podstawie sztywności (metoda mechaniczna) bądź odpowiedzi akustycznej (metoda dynamiczna) elementów [Olsson i Oscarsson 2017].

 

2020 02 29 2 

Rys. 2. Rozkład wytrzymałości szkła dla niesortowanego (linia przerywana) i sortowanego szkła (linia ciągła)

 

(...)


Normatywna i rzeczywista wytrzymałość szkła
Zgodnie z normą EN 572-2 Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo-wapniowo- krzemianowego. Część 2: Szkło float charakterystyczna wytrzymałość na zginanie odprężonego szkła płaskiego wynosi 45 MPa. Jest to wartość wyznaczona jako 5% kwantyl rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości szkła w warunkach normalnych, co oznacza, że 95% wartości z populacji próbek ma wartość równą lub większą niż wartość charakterystyczna.

 

Znajduje to odzwierciedlenie w wartości obliczeniowej (projektowej) wytrzymałości szkła odprężonego na rozciąganie, która wynosi ok. 22 MPa dla obciążenia krótkotrwałego o czasie trwania 30 sekund (np. obciążenie wiatrem) zgodnie z normą prEN-16612 opublikowaną jako finalny projekt w 2019 r.

 

Obecnie nie istnieją metody badań nieniszczących dla szkła, które pozwoliłyby zagwarantować, że szkło wykazuje wytrzymałość określoną w normach. Standardowo prowadzi się badania zginania do zniszczenia elementu dla wybranych próbek z partii. Oznacza to ryzyko, że istnieją szklane konstrukcje, których nośność jest znacznie niższa niż wynikałoby to z założeń projektowych. Dodatkowo, biorąc pod uwagę fakt, że wytrzymałość szkła zmniejsza się w czasie, niepewność co do rzeczywistej jej wartości zwiększa się w czasie użytkowania konstrukcji.

 

Możliwość wyeliminowania tafli wykazujących obniżoną nośność pozwoliłoby na obniżenie obecnie stosowanych bardzo wysokich materiałowych współczynników bezpieczeństwa dla szkła (rys. 2). Takie podejście pozwoliłoby na zredukowanie grubości tafli szklanych w elementach, co ma ogromne znaczenie, ponieważ mniej wyprodukowanego szkła oznacza mniej CO2 uwalnianego do atmosfery. Poza tym, zmniejszenie masy elementów pozwoliłby na oszczędności związane z transportem elementów.

 

2020 02 29 3 

Rys. 3. Metoda NAW®:
a) propagacja fali akustycznej przez element,
b) odebrany sygnał dla materiału idealnego – bez wad,
c) odebrany sygnał dla materiału z nieciągłościami.

 


Rynek szkła na świecie
Zgodnie z raportem „Flat Glass Market: Global Industry Trends, Share, Size, Growth, Opportunity and Forecast 2019-2024” globalny rynek szkła płaskiego był warty 104,5 mld USD. Patrząc w przyszłość, analitycy spodziewają się, że rynek ten osiągnie wartość 153,3 mld USD do 2024 r., osiągając skumulowany roczny wskaźnik wzrostu na poziomie 6,6% w latach 2019-2024.

 

Podobny trend obserwuje się również w Polsce. Zgodnie z „Rocznikiem statystycznym przemysłu – 2017”, opublikowanym przez Główny Urząd Statystyczny, wartość produkcji szkła i wyrobów ze szkła w Polsce w 2017 r. wyniosła 11,8 mld złotych. Produkcja samego szkła bezpiecznego hartowanego wzrosła w ostatniej dekadzie o ok. 70 tys. ton (produkcja w 2000 r. wyniosła 12,4 tys. ton, a w 2005 r. – 29,6; 2010 r. – 51,0; 2015 r. – 72,9; 2016 r. – 80,6 tys. ton).

 

Wydaje się, że firmy przetwórcze szkła mogą być potencjalnie zainteresowanie możliwością identyfikacji i sortowaniem produktów szklanych tak, aby do produkcji elementów odpowiedzialnych, jak np. szklane żebra, belki lub słupy, stosować szkło o najwyższej jakości.

 

To pozwoli na zmniejszenie zużycia materiału, zwiększy poziom bezpieczeństwa oraz ograniczy liczbę reklamacji w przyszłości. Rozwiązanie ma również zaletę w kolejnej fazie realizacji inwestycji, w której element jest zamontowany na miejscu przeznaczenia.

 

Dzięki nieniszczącej metodzie określania wytrzymałości szkła można zweryfikować, czy zamontowane elementy dalej spełniają wymagania normowe. Pomiary można również prowadzić w kolejnych latach istnienia konstrukcji, identyfikując stopień degradacji szkła.

 

O nośności szklanej belki decyduje konkretna tafla w laminacie, która wykazuje najniższą nośność. Dzięki nieniszczącej metodzie weryfikacji elementów, można zidentyfikować te „wadliwe” przed ich laminowaniem.

 

2020 02 29 4 

Rys. 4. Zależność między wartością uszkodzenia z NAW® a zmierzoną siłą niszczącą uzyskana w badaniach pilotażowych

 

2020 02 29 5 

Rys. 5. Oznaczenia krawędzi próbek

 

 


Metodologia nieniszczących badań
Pomiary metodą NAW® oparte są na analizie fali ultradźwiękowej,
która jest wprowadzana do elementu za pomocą nadajnika [Haller 2008]. Odbiornik po drugiej stronie próbki wykrywa transmitowaną falę, która kolejno jest analizowana za pomocą autorskiego algorytmu (rys. 3a). W przypadku materiału idealnego (bez wad) odebrany sygnał jest pozbawiony zniekształceń i wygląda jak na rys. 3b, gdzie zarejestrowana odpowiedź jest taka sama, jak wygenerowany sinusoidalny sygnał o częstotliwości ω.

 

Natomiast odpowiedź materiału z nieciągłościami charakteryzuje się pewnymi nieliniowościami sygnału w postaci wyższych harmonicznych częstotliwości 2ω - 4ω (rys. 3c). Nieliniowości odbieranego sygnału są silnie powiązane z defektami w badanym materiale, a ich liczba jest proporcjonalna do liczby uszkodzeń lub wad. Metoda NAW® jest w pełni zautomatyzowana, a specjalny algorytm generuje konkretną wartość liczbową (tzw. damage factor DF), która jest łatwa do interpretacji i pozwala na proste porównywanie wyników pomiarów.

 

2020 02 29 6 

Rys. 6. Stanowisko badawcze

2020 02 29 7 


Rys. 7. Próbka pod obciążeniem

 


Badania wstępne
W celu pierwszej weryfikacji idei wykonano badania pilotażowe na niewielkiej liczbie próbek. Badania prowadzone były w próbie dwupierścieniowej, na standardowych próbkach o grubości 4 mm. Przed badaniem, na dolnej (rozciąganej) powierzchni próbek wykonano ręcznie zarysowanie o różnej długości (5, 20 i 30 cm) i dla każdej próbki wykonano pomiar metodą NAW®.

 

Kolejno próbki w liczbie trzech dla tej samej długości zarysowania zbadano w maszynie wytrzymałościowej do ich zniszczenia. Rys. 4 przedstawia zależność między wartością DF oraz siłą niszczącą dla próbek z różnymi defektami (różną długością zarysowania). W badaniach uzyskano wyraźną korelację między wielkością zarysowania i siłą niszczącą.

 

Najwyższą średnią wartość DF uzyskano dla próbek z największą wadą, natomiast najniższą dla próbek z zarysowaniem o najmniejszej długości. Podobną zależność uzyskano dla wartości siły niszczącej, uzyskując największe wartości siły dla próbek z najkrótszą rysą, natomiast najmniejsze dla próbek z największą wadą.

 

W badaniach uzyskano pewien rozrzut wartości, który był spowodowany głównie ręcznym wykonaniem rysy a tym samym niedoskonałym jej zrealizowaniem. Niemniej jednak pierwsze wyniki zostały uznane jako obiecujące i stanowiły podstawę do wykonania kolejnych badań.

 

Tabela 1. Wyniki badań wytrzymałościowych

2020 02 29 9a 


Badania właściwe
W ramach badań właściwych zbadano tafle szklane wykonane ze szkła odprężonego o wymiarach 6×100×1000 mm, z trzema różnymi stanami krawędzi: nieobrobione, z zatępionymi narożami i polerowane – patrz rys. 5 [Karlsson et al. 2018].

 

Powodem wyboru tego typu próbek było założenie, że stan krawędzi tafli szklanej determinuje jej nośność. Wyniki badań, które można znaleźć w literaturze bezpośrednio wskazują, że obróbka krawędzi tafli powoduje wzrost jej nośności.

 

Przed badaniami na obu końcach próbek przyklejono generator sygnału akustycznego i odbiornik. Elementy badano w próbie czteropunktowego zginania (rys. 6), która w przeciwieństwie do trzypunktowego zginania, pozwala na uzyskanie stałego momentu zginającego między punktami przyłożenia obciążenia bez udziału siły tnącej. Dodatkowo, w tym schema-

 

cie obciążenia maksymalne naprężenia rozciągające występują na krawędzi próbki. Jest to celowe działanie, ponieważ badania są skupione na możliwości nieniszczącej identyfikacji różnej nośności próbek, zdeterminowanej różnym stanem wykończenia ich krawędzi.

 

Próbki obciążano w maszynie wytrzymałościowej z różną prędkością przemieszczenia tłoka: 0,5, 2 i 5 mm/min. Próbkę pod obciążeniem pokazano na rys. 7.

 

Równocześnie z pomiarem siły, prowadzono pomiary metodą NAW®. Pomiar chwilowej wartości DF wykonywany był co 5 s.

 

Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 1 oraz na rys. 8. Uzyskane wyniki wskazują jednoznacznie, że najniższą wartość siły niszczącej uzyskano dla próbek z krawędziami nieobrobionymi, natomiast największą dla elementów z krawędziami polerowanymi (patrz tab. 1).

 

Równocześnie zaobserwowano, że prędkość obciążania próbki również ma wpływ na wartość siły niszczącej. Jest to znane zjawisko, związane ze zwiększeniem wytrzymałością materiałów obciążonych w sposób dynamiczny.

 

Przykładem mogą być badania próbek obciążonych wybuchem, które wskazują, że dynamiczna wytrzymałość materiału może być kilkukrotnie wyższa niż obciążonego statycznie. W badaniach właściwych uzyskano największe odchylenie standardowe średniej siły niszczącej dla próbek z krawędziami polerowanymi, co może wskazywać, że ten proces obróbki krawędzi wprowadza przypadkowe zarysowania, których wpływ ujawnia się w dużym rozrzucie wyników.

 

Zależność siły niszczącej i wartości DF uzyskana z wyników badań wytrzymałościowych i metody NAW® dla wybranej prędkości obciążania próbki (0,6 mm/min) przedstawiono na rys. 8. Krzywa „A” oznacza próbki z zatępionymi krawędziami, krzywa „B” próbki nieobrobione, natomiast krzywa „C” próbki z krawędziami polerowanymi. Można zauważyć, że w każdym przypadku stopień zniszczenia wzrasta wraz z siłą przyłożoną do próbki, co świadczy o otwieraniu się mikrorys, a tym samym postępowej degradacji materiału.

 

2020 02 29 8 

Rys. 8. Średni przebieg siły i wartości DF uzyskana z badań

 

2020 02 29 9 

Rys. 9. Rysa wykonana za pomocą wgłębnika twardościomierza

 

 

Podsumowanie i kierunki dalszych badań
Wyniki badań pilotażowych i właściwych pokazują, że można potencjalnie powiązać wyniki uzyskane metodą NAW® z wytrzymałością szkła. W badaniach udowodniono, że istnieje wyraźna korelacja między wielkością wad w próbce i jej nośnością.

 

Słabym punktem badań była niedoskonałość wykonania zarysowania na powierzchni szkła (badania pilotażowe) oraz niepowtarzalny stopień obróbki krawędzi szkła (badania właściwe). Pomimo dużego rozrzutu wyników badań wstępnych uzyskano wyraźną korelację. W badaniach właściwych uzyskano bardziej spójne wyniki, natomiast głównym mankamentem był brak informacji na temat rzeczywistego stanu krawędzi.

 

Z tych powodów w kolejnym projekcie badawczym, planowanym do realizacji w 2020 r., wady w szkle zostaną wprowadzone za pomocą specjalnego urządzenia, który pozwala na wykonanie ściśle zdefiniowanej wady w próbce (rys. 9).

 

Ten sposób wykonania wady w szkle pozwoli na uzyskanie większej powtarzalności wyników jak również dalszą kalibrację algorytmu. W projekcie badawczym prowadzone będą również prace nad nowym sposobem montażu czujników, który nie będzie wymagał ich przyklejenia do próbki. Tym samym pozwoli na bezinwazyjne pomiary istniejących konstrukcji.

 

(...)

 

dr inż. Marcin Kozłowski
Wydział Budownictwa, Politechnika Śląska
www.marcinkozlowski.eu 

 

Artykuł powstał na podstawie wystąpienia Autora w dn. 9.12.2019 r. na Konferencji Technicznej „Świata Szkła” pt. Szkło budowlane. Nowe przepisy technologie o organizacja produkcji.

 

Literatura
[1] Haller, K., Doctoral Thesis: Acoustical measurements of material nonlinearity and nonequilibrium recovery. Department of Mechanical Engineering, Blekinge Institute of Technology, 2008.
[2] Karlsson S., Kozłowski M., Kinsella D., Haller K., Andersson S., Hellman F., Persson K.: Kvalitetshöjning av planglas. Icke-förstörande provning av glasets hållfasthet (Poprawa jakości szkła płaskiego. Nieniszczące badanie wytrzymałości). SHS-rapport: 2018-001
[3] Karlsson, S., B. Jonson, and Stålhandske C.: The Technology of Chemical Glass Strengthening – a Review. Glass Technology – European Journal of Glass Science and Technology Part A, 2010. 51(2): p. 41-54.
[4] Karlsson, S., Jonson B., Johansson M., and Enquist B.: The effect of single-side ion exchange on the flexural strength of plain float glass and float glass containing a drilled hole. Glass Technology: European Journal of Glass Science and Technology Part A, 2013. 54(2): p. 66-71.
[5] Khorasani, N.: Design principles for glass used structurally. Department of Building Science: Lund University, 2004.
[6] Kozłowski Marcin: Balustrady szklane. Analizy doświadczalne i obliczeniowe, podstawy projektowania. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2019
[7] Olsson, A. and Oscarsson J.: Strength grading on the basis of high resolution laser scanning and dynamic excitation: a full scale investigation of performance. European Journal of Wood and Wood Products, 2017. 75(1): p. 17-31. DOI: 10.1007/s00107-016-1102-6.
[8] Wala E.: Szkło we współczesnej architekturze. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2017.
[9] Wondraczek, L., Mauro J.C., Eckert J., Kühn U., Horbach J., Deubener J. and Rouxel T.: Towards Ultrastrong Glasses. Advanced Materials, 2011. 23(39): p. 4578-4586. DOI: 10.1002/adma.201102795.

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 02/2020
   

 

 

 

01 chik
01 chik