| Zaawansowana metoda obliczeniowa do projektowania złączy SSG – poza ETAG 002 |
| Data dodania: 29.07.22 |
|
ETAG 002 i ASTM C 1401 są głównymi międzynarodowymi normami określającymi zasady projektowania spoin silikonowych w zastosowaniach Structural Sealant Glazing (Klejone Szklenie Strukturalne SSG).
Podają one metody obliczeniowe w odniesieniu do płaskich szyb zespolonych o regularnym kształcie, ustawionych pionowo, przyklejonych ze wszystkich stron z profilami nośnymi, narażonych na niewielkie ugięcia i poddane obciążeniu wiatrem, ciężarem własnym i wahaniom temperatury.
Rys. 1 Wytrzymałość na rozciąganie dynamiczne uzyskana w badaniach na próbkach H o wymiarach spoiny 12 mm x 12 mm x 50 mm [1]
Powyższe normy nie zawierają żadnych zaleceń dotyczących projektowania złączy SSG w innych konfiguracjach systemowych, które są powszechnie stosowanymi rozwiązaniami w branży fasadowej.
Dotyczy to m.in. elementów, które są nachylone do wewnątrz lub na zewnątrz, nie są połączone/przyklejone ze wszystkich stron, są płaskie i zakrzywione, mają nieregularny kształt i podlegają różnym rodzajom obciążeń (np. obciążeniom przewidzianym dla barier, a także obciążeniom śniegiem, konserwacyjnym, wybuchowym itp.)
W niniejszym artykule przedstawiono zaawansowaną metodę obliczeniową opracowaną przez firmę SIKA, służącą do projektowania połączeń SSG narażonych na wszelkiego rodzaju naprężenia (rozciągające, ścinające i zginające).
Ta metoda obliczeń koreluje wytrzymałość oferowaną przez klej z czasem trwania i jednoczesnością przyłożonego obciążenia, dzięki czemu można ją zastosować w dowolnej konfiguracji systemu. Doświadczenie zdobyte przez firmę SIKA podczas realizacji projektów można zobaczyć na praktycznych przykładach.
Normy te podają skuteczne zasady dla typowych systemów fasadowych składających się z pionowych elementów szklanych o prostokątnym kształcie, klejonych/ połączonych z konstrukcją ze wszystkich stron, podpartych mechanicznie lub niepodpartych, podlegających małym/ograniczonym ugięciom i narażonych na obciążenie wiatrem, ciężarem własnym oraz na obciążenia klimatycznym (zmiany termiczne).
W ostatnich dziesięcioleciach w branży fasadowej nastąpił znaczny rozwój dostępnych technologii, co zwiększyło złożoność projektów i stanowiło wyzwanie dla projektantów złączy SSG stosowanych w nowych konfiguracjach systemu i w nowych warunkach obciążenia.
Dotyczy to między innymi elementów nachylonych do wewnątrz lub na zewnątrz, niepołączonych ze wszystkich stron do konstrukcji, zakrzywionych lub o nieregularnym kształcie, narażonych na obciążenia jako bariery chroniące przed upadkiem z wysokości, obciążenia śniegiem, obciążenia silnymi podmuchami wiatru, obciążenia związane z konserwacją itp.
Obecnie dla inżynierów fasad jasne jest, że zasady zawarte w dostępnych normach są skuteczne, ale ich zakres jest bardzo ograniczony. Należy ustalić nowe metody obliczeniowe, wymagania konstrukcyjne i limity obciążeń/osiągów, aby odpowiedzieć na rzeczywiste potrzeby rynku bez uszczerbku dla bezpieczeństwa budynków i ich użytkowników
W niniejszym artykule przedstawiono zaawansowaną metodę obliczeniową opracowaną przez firmę SIKA do projektowania połączeń SSG narażonych na wszelkiego rodzaju naprężenia (rozciągające, ścinające i zginające) i mającą zastosowanie do dowolnej konfiguracji systemu i warunków obciążenia.
Metoda obliczeniowa zaproponowana w niniejszym dokumencie jest obecnie przedmiotem dyskusji w CEN/TC349/WG2 w celu uaktualnienia obecnych procedur normatywnych.
2. Zależność wytrzymałości złącza/połączenia SSG od czasu trwania obciążenia
- Dynamiczna wytrzymałość na rozciąganie σdyn, określona jako: gdzie:
gdzie: RUS,5 jest charakterystyczną wytrzymałością kleju na ścinanie,
Wartość RUS,5 uzyskano na podstawie badań przeprowadzonych na próbkach H o wymiarach spoiny 12 mm x 12 mm x 50 mm, poddanych próbie ścinania z prędkością 5 mm/min. Wytrzymałość ta jest wykorzystywana do wyznaczania grubości spoin SSG ze względu na dylatacje termiczne. gdzie: γc ≥ 10 jest współczynnikiem pełzania Dodatkowo, próba pełzania opisana w ETAG 002 [1] w p. 5.1.4.6.8 jest stosowana w celu kontroli, czy przyjęta statyczna wytrzymałość na ścinanie zapewnia sprężyste zachowanie połączenia po poddaniu go trwałemu ścinaniu i jednoczesnemu dynamicznemu rozciąganiu, ograniczając jednocześnie zjawisko pełzania.
W systemach niepodpartych wytrzymałość na ścinanie statyczne jest wykorzystywana do określenia wymiaru spoiny połączeń SSG obciążonych ciężarem szkła.
Mimo że ETAG 002 [1] nie podaje jednoznacznej definicji wytrzymałości na rozciąganie statyczne σstat, można ją zdefiniować za pomocą definicji współczynnika pełzania jako σstat = σdyn / γc W systemach niepodpartych wytrzymałość na ścinanie statyczne jest wykorzystywana do określenia wymiaru spoiny dla złączy SSG obciążonych ciężarem szkła. σstat = σdyn / γc Podejście przedstawione w ETAG 002 [1] pozwala na określenie wytrzymałości zarówno na dynamiczne, jak i statyczne rozciąganie i ścinanie kleju SSG. Nie daje ono jednak jednoznacznych odpowiedzi na następujące podstawowe pytania:
- Jaki jest czas trwania obciążenia związany z obciążeniem „dynamicznym” i „statycznym”? Aby odpowiedzieć na te pytania, należy najpierw określić czas trwania wszystkich obciążeń działających na system SSG. Typowe czasy trwania obciążenia uwzględniane w projektach elewacji to: t ≤ 5 sek. obciążenie wiatrem, Gdy czas trwania obciążenia jest bardzo krótki i impulsowy, zwykle prędkość odkształcania złącza staje się bardziej istotna: 1,0 m/s ≤ s < 6,0 m/s obciążenie wybuchowe Oczywiście oszacowane powyżej czasy trwania obciążeń i prędkości odkształceń muszą być określone na podstawie projektu.
Po określeniu czasu trwania każdego obciążenia przyłożonego do systemu SSG, można przetestować i określić wytrzymałość kleju SSG dla każdego czasu trwania obciążenia.
W tablicy 1 podano zestawienie wytrzymałości obliczeniowych zapewnianych przez silikon konstrukcyjny Sikasil® SG-500 i Sikasil® SG-550 w zależności od czasu trwania obciążenia lub szybkości odkształcania. Wartości odnoszą się do badań wykonanych dla spoiny o przekroju 12 mm x 12 mm, które są standardowymi wymiarami próbek stosowanymi przez ETAG 002 [1] do określania wytrzymałości.
3. Kombinacje obciążeń i kontrola naprężeń zależnych od ram czasowych
PRZYKŁAD: LC1: obciążenie ciężarem własnym LC2: obciążenie ciężarem własnym + obciążenie śniegiem LC3: obciążenie ciężarem własnym + α3 obciążenie LC4: obciążenie ciężarem własnym + α4 obciążenie
Celem jest:
Dla każdej kombinacji obciążeń należy obliczyć naprężenia wprowadzane do połączeń SSG i porównać je z wytrzymałością zapewnianą przez klej w zależności od czasu trwania obciążenia.
Na koniec, dla każdej kombinacji obciążeń, należy sprawdzić poziom wykorzystania połączenia w następujący sposób.
Dla każdego przedziału czasowego i i kombinacji obciążeń LC (load combination):
μTension = (σ1,i + σ2,i + … + σn,i) / σDesign_i ≤ 1,0 gdzie σi oraz τi to naprężenia rozciągające i ścinające w złączu SSG w rozpatrywanym przedziale czasu i dla określonej kombinacji obciążeń, a σDesign_i oraz τDesign_i to referencyjne wytrzymałości obliczeniowe do wykorzystania przy czystym rozciąganiu i czystym ścinaniu dla określonego czasu trwania obciążenia.
W rozdziale 6 przedstawiono praktyczny przykład zastosowania opisanej powyżej metody obliczeniowej.
- Wysokość złącza/spoiny h musi być maksymalnie 3 razy większa od jej grubości e, aby zapewnić, że złącze będzie się zachowywać jak czyste połączenie przegubowe. Jeśli b>3e, naprężenia zginające są przenoszone na połączenie, które nie zachowuje się ani jako czysty przegub, ani jak połączenie w pełni utwierdzone. - Maksymalne ugięcie szyby zespolonej musi być ograniczone do Lmin/100, gdzie Lmin jest długością najkrótszego boku elementu szklanego. W przypadku większych ugięć tafli/paneli szklanych naprężenia zginające przenoszone są na złącza.
Ogólnie rzecz biorąc, ETAG 002 ma na celu zaprojektowanie połączenia SSG jako czystego przegubu/ zawiasu. Z drugiej strony, w codziennym projektowaniu elewacji wymagane są zasady kontroli naprężeń zginających przenoszonych na połączenie SSG.
W przypadku wystąpienia dużych ugięć tafli szklanej lub gdy stosunek wysokości spoiny/połączenia do grubości jest większy niż 3, naprężenie zginające przenoszone na połączenie można obliczyć na podstawie następującej zależności:
σBend = h α Ebend / (2 e)= naprężenie zginające przy rozciąganiu
gdzie:
h = wysokość spoiny
Do prostokątnych paneli szklanych klejonych na 4 krawędziach: α = 3,2 f / Lmin
gdzie:
3,2 = współczynnik kształtu
W wielu konfiguracjach systemowych konstrukcja obejmuje ramę pomocniczą połączoną łącznikami z profilami nośnymi (rys. 2). Aby zapewnić stabilność całego schematu statycznego, moment zginający M musi zostać przeniesiony na złącza SSG tafli szklanej przyklejonej do ramy podkonstrukcji pomocniczej.
Rys. 2. Moment zginający wprowadzony do złącza SSG z powodu mimośrodowości obciążenia
W takich przypadkach naprężenie rozciągające przy zginaniu można obliczyć w następujący sposób:
σBend = M / W = M / (h2/6)
Należy zauważyć, że moment zginający wprowadza naprężenia szczytowe do przekroju połączenia, zgodnie z typowym uproszczonym rozkładem naprężeń pokazanym na rys. 3.
Taki rozkład naprężeń jest zupełnie inny niż ten przyjęty w ETAG 002 [1] dla przenoszenia czystych sił rozciągających. Rzeczywiście, ETAG002 [1] uwzględnia: - wytrzymałość na rozciąganie zapewnianą przez spoinę/złącze, obliczoną na podstawie wartości maksymalnej siły rozciągającej RUT,5 uzyskanej podczas badania przy czystym rozciąganiu próbek H ze spoiną 12 mm x 12 mm.
Rys. 3. Rozkład naprężeń wywołanych czystym rozciąganiem i zginaniem
Aby ocenić naprężenia zginające wprowadzane do spoiny/złącza, należy zdefiniować nową wytrzymałość kleju na rozciąganie. W rzeczywistości bardzo ostrożne byłoby porównanie naprężeń szczytowych wywołanych zginaniem ze średnią wytrzymałością na rozciąganie uzyskaną w wyniku czystego rozciągania na próbkach typu H (rys. 1).
Zamiast tego, naprężenie szczytowe może być skorelowane ze średnią wytrzymałością na rozciąganie próbek o kształcie hantli o grubości 2 mm i szerokości 4 mm poddanych próbie rozciągania (rys. 4). Innymi słowy, lokalne naprężenie szczytowe może być skorelowane z czystą wytrzymałością materiału. Biorąc pod uwagę współczynnik redukcji 6, wytrzymałość na rozciąganie przy dynamicznym zginaniu zapewniana przez Sikasil® 500 i Sikasil® SG-550 wynosi odpowiednio 0,36 MPa i 0,56 MPa.
Rys. 4. Naprężenia rozciągające w próbkach o kształcie hantli poddanych próbie rozciągania
Projekt Novartis zbudowany w New Jersey przez firmę Gartner [3] może być wykorzystany do sprawdzenia poprawności (walidacji) koncepcji poza testami na małą skalę. Typowa fasada składa się z pionowych, szklanych żeber/lameli o wysokości ponad 9 m i rozstawie ok. 0,93 m, połączonych/przyklejonych za pomocą Sikasil® SG-550 z profilami U, jak pokazano na rys. 5.
Rys. 5. Projekt Novartis (NJ, USA) i typowy detal żebra szklanego
Aby zminimalizować wymiary słupów pionowych, należy wziąć pod uwagę wkład usztywniający wynikający z bezwładności żeber szklanych; w tym celu kluczowe znaczenie ma funkcja konstrukcyjna połączeń SSG.
Aby ocenić deformacje elewacji i sprawdzić wymiary spoin/złączy SSG, przeprowadzono analizę metodą elementów skończonych MES (w rzeczywistości, gdy trzeba ocenić udział wszystkich elementów w sztywności, nie można stosować uproszczonych równań). Symulując złącza SSG za pomocą elementów objętościowych i prawa hipersprężystości, można było obliczyć naprężenia szczytowe w złączu.
Zgodnie z zaproponowaną powyżej koncepcją projektową dla ograniczania naprężeń szczytowych w złączach, dla Sikasil® SG-550 można dopuścić maksymalne naprężenie 0,56 MPa; taka granica wytrzymałości została określona na podstawie wytrzymałości końcowej 3,4 MPa uzyskanej w próbach rozciągania hantli i pomniejszonej o współczynnik 6.
W celu weryfikacji/sprawdzenia poprawności analizy MES i projektu systemu, wykonano próbę na makiecie (mock-up) odtwarzającą system i przewidywane obciążenia (rys. 6).
Rys. 6. Projekt Novartis: badanie na makiecie (mock-up)
Na podstawie analizy MES można było przewidzieć maksymalne naprężenie ok. 3,6 MPa w złączu przyłożone w obszarze naroża, gdy siła F na makiecie osiągnęła wartość ok. 40 kN (rys. 7).
Rys. 7. Sikasil® SG-550: wyniki badań makiety (mock-up) w porównaniu z przewidywaniami naprężeń w metodzie elementów skończonych MES
Badanie próbne na makiecie (mock-up) w pełni potwierdziło przewidywania. Rzeczywiście, gdy obciążenie testowe osiągnęło wartość ok. 40 kN, pojawiły się rozdarcia w miejscu naroża, gdzie model MES wykazał maksymalne naprężenie 3,6 MPa, co jest wartością bardzo zbliżoną do wytrzymałości granicznej 3,4 MPa określonej w testach z użyciem próbek typu hantle z wykorzystaniem kleju Sikasil® SG-550.
W związku z tym zaprojektowanie połączenia z maksymalnym naprężeniem szczytowym 0,56 MPa na podstawie współczynnika redukcyjnego 6 zastosowanego do wytrzymałości granicznej z badań próbek hantli mogłoby umożliwić zaprojektowanie go zgodnie z wymaganiami bezpieczeństwa określonymi przez ETAG 002, wykraczającymi poza jego zasady projektowania. Wyniki badań makiety (mock-up) można wykorzystać jako walidację zaproponowanej koncepcji projektowej, korelując zginanie i naprężenie szczytowe z badań próbek hantli, bez jakiegokolwiek uszczerbku/ kompromisu dla ostatecznego poziomu bezpieczeństwa.
Na koniec, dla każdej kombinacji obciążeń należy sprawdzić poziom wykorzystania połączenia zgodnie z równaniami podanymi w rozdziale 3. Jeżeli do złącza SSG wprowadzane jest również naprężenie zginające, muszą być spełnione wszystkie poniższe zależności:
Dla każdego przedziału czasowego i kombinacji obciążenia: μTension = (σ1,i + σ2,i + … + σn,i) / σDesign_i ≤ 1,0
Powyższe równania gwarantują, że dla różnych przedziałów czasowych i kombinacji obciążeń, zarówno naprężenia średnie, jak i naprężenia szczytowe przenoszone na część złącza są odpowiednio kontrolowane, zapewniając globalny współczynnik bezpieczeństwa równy 6. Trwają kompleksowe badania mające na celu określenie wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu σDesignBending_i zapewnianej przez klej Sikasil® SG w zależności od różnych czasów trwania obciążeń.
Rys. 8. Szkic układu szyby zespolonej
Szyby zespolone składają się z szyby laminowanej złożonej z dwóch warstw szkła o grubości 6 mm i wymiarach 1482 mm x 4345 mm (szerokość x wysokość); szyba zewnętrzna składa się ze szkła monolitycznego o grubości 8 mm i wymiarach 1482 mm x 5052 mm (szerokość x wysokość). Dolna część o długości 707 mm jest tzw. stepem dla szyby zewnętrznej.
Obciążenie ciężarem własnym szyby zewnętrznej nie jest podtrzymywane mechanicznie, lecz przenoszone przez spoiny Sikasil® IG-25 HM Plus. Szyby zespolone są nachylone do wewnątrz, a ich maksymalne nachylenie w stosunku do osi pionowej wynosi 8°.
KROK 1: Można zidentyfikować kombinacje obciążeń
Dla powyższych ram czasowych można zdefiniować następującą kombinację obciążeń:
KROK 2: Należy obliczyć naprężenia przenoszone
- Dla LC2:
KROK 3: Dla każdej kombinacji obciążeń należy sprawdzić stopień wykorzystania złącza zgodnie z równaniami podanymi w punkcie 3.
Dla Sikasil® IG-25 HM Plus można stosować następujące wartości wytrzymałości:
- Dla LC1:
μShear = τDL_LC1 / τDesign_>90d = 0,0105 /0,011 =
μTension = (σDL_LC2 + σWL_LC2 + σCL_LC2) /σDesign_< 1d =
W związku z tym można było zaakceptować spoinę o szerokości 12 mm wykonaną z kleju Sikasil ®IG-25 HM Plus.
W odróżnieniu od metod obliczeniowych zawartych w aktualnych normach, pozwala ona na uwzględnienie wszelkich naprężeń rozciągających, ścinających i zginających wprowadzanych do złącza SSG bez odniesienia do konkretnego systemu elewacji lub rodzaju obciążenia. W rzeczywistości metoda ta wprowadza kompleksowe podejście inżynierskie przydatne w każdej konfiguracji systemu i warunkach obciążenia, z zachowaniem poziomów bezpieczeństwa określonych w normach.
Doświadczenie zdobyte w ramach projektu Novartis w USA może potwierdzić słuszność koncepcji stosowanej w odniesieniu do naprężeń zginających i szczytowych, których nie uwzględniają i nie dopuszczają obecne normy. Przedstawiono również przykład praktyczny, w którym metodę zastosowano do projektowania połączeń IG w niestandardowej konfiguracji systemu. Zaproponowana w niniejszym dokumencie metoda obliczeniowa jest obecnie przedmiotem dyskusji w CEN/TC349/WG2 w celu uaktualnienia obecnych procedur normowych.
Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. w Tampere w Finlandii
Bibliografia
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne |
