Czytaj także -

Aktualne wydanie

2021 07 okladka1

Świat Szkła 07-08/2021

User Menu

 ET-160x600-PL-4

 

 

 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

 baner klej do luster 7 7 2021

 

 Banner Firma Vitrum fiale

 

 

480x100

 

 

 RZ RT 2022 Banner Tag Motiv Animiert 550x150 PL

 

 

Czy montują Państwo lustra u klienta za pomocą kleju silikonowego?
 
Czy uważają Państwo, że klej do luster LAKMA jest lepszy od innych klejów dostępnych na rynku?
 
Czy stosują Państwo klej do luster firmy LAKMA?
   
Trwałość strukturalnego kleju silikonowego w projektowaniu szklenia giętego na zimno
Data dodania: 28.06.21

Gięcie na zimno szyb w nietypowych fasadach było w przeszłości z powodzeniem realizowane przy użyciu silikonów do szklenia strukturalnego (structural silicone glazing SSG) jako jedynej metody otrzymywania wygiętej szklanej membrany. Nadal jednak wyzwaniem jest właściwa analiza tego, jak długotrwałe obciążenie spowodowane gięciem szkła na zimno może wpłynąć na trwałość strukturalnych szczeliw silikonowych (structural silicone sealants).

 

2021 06 44 1

Rys. 1: Pomiar siły potrzebnej do ugięcia płyty zamocowanej w narożach

 

Do tej pory praktyki projektowe stosowane przy gięciu na zimno wykorzystują klasyczne modele mechaniczne oparte na celowo zaniżonych/niskich dopuszczalnych naprężeniach. Jednak w przypadku analizy metodą elementów skończonych (MES finite element analysis FEA) te naprężenia mogą wskazywać na taki rozkład naprężeń, w którym w obszarze spoiny uszczelniającej występują lokalne piki/szczyty naprężeń znacznie przewyższające dopuszczalnej wartości.

 

Zbadano za pomocą MES różne konstrukcje ze szkła giętego na zimno pod kątem ich właściwości strukturalnych. Opracowano również reprezentatywny test laboratoryjny w celu oceny silikonu konstrukcyjnego/strukturalnego stosowanego w szkle giętym na zimno. Przeprowadzono długoterminowe testy umożliwiające monitorowanie zmian w konstrukcyjnej spoinie silikonowej w celu oceny jej wytrzymałości/ trwałości poprzez powiązanie poziomu obciążenia z szybkością odkształcenia w czasie.

 

Testy obejmowały użycie szybkiej kamery do monitorowania deformacji szczeliwa podczas procesu pękania i propagacji pęknięć. Ostatecznie analiza dostarcza więcej informacji na temat lepszych modeli predykcyjnych do określenia kryteriów do projektowania szklenia strukturalnego giętego na zimno.

2021 06 44 2

 Rys. 2. Model MES do symulacji procesu gięcia na zimno

 


Wprowadzenie
Szkło gięte na zimno zastosowane na fasadach z przeszkleniami strukturalnymi jest już użytkowane od ponad dekady bez zauważalnych problemów z przeciekaniem lub defektami konstrukcyjnymi.

 

W poprzednich projektach fasad wykorzystywano technikę gięcia na zimno, aby uzyskać krzywoliniowy wygląd, gdy część wieży budynku wykręca się wzdłuż osi pionowej. Wygląd wygiętej fasady uzyskano poprzez wprowadzenie wygięcia płaskich (na początku) elementów oszklenia ścian osłonowych, doginając narożnik oszklenia do wcześniej ukształtowanej konstrukcji w celu wykonania krzywizny, podczas gdy pozostałe narożniki są montowane w płaszczyźnie.

 

Powykonawcza analiza projektu została udokumentowana w pracy badawczej wykonanej przez współpracowników z branży elewacji [1]. W badaniach wykorzystano metody mechaniczne do określenia potencjalnego stałego obciążenia przenoszonego na szczeliwo w wyniku odkształcenia szkła, a następnie przeprowadzono analizę metodą elementów skończonych potencjalnej krzywizny występującej w ramie i oszkleniu. Pomiary zostały następnie zaimplementowane, w małej skali, do szyb zespolonych i przebadane zgodnie z normą ASTM E2188 [2] w zakresie trwałości/wytrzymałości.

 

Wstępne kryteria do projektowania wykorzystujące dopuszczalne naprężenia w silikonie konstrukcyjnym, wynikające ze zginania na zimno oszklenia, opierały się na wytycznych określonych przez ASTM C1401[3] i ETAG 002[4]. Szyba zespolona o grubości 24 mm (6-12-6) o wymiarach 1500 x 3000 mm była przytrzymywana w trzech narożach, a czwarte niepodparte naroże było doginane do pożądanego ugięcia (aby szyba przyjęła wygięty kształt ramy konstrukcji) – jednoczenie dokonywano pomiaru siły potrzebnej do uzyskania pożądanego kształtu szyby.

 

Założono wówczas, że siła będzie rozłożona równomiernie od narożnika do wymiaru połowy krótkiego boku - 750 mm wzdłuż krótkiego boku i od narożnika do wymiaru połowy długiego boku – 1500 mm wzdłuż długiego boku (rys.1).

 

Następnie obliczony został wymiar spoiny silikonowej spełniający kryteria projektowe (naprężenia w spoinie powinny być mniejsze od dopuszczalnych), aby utrzymać tę płytę w długotrwałym ugięciu na zimno. Typowe dopuszczalne naprężenie w spoinie silikonowej jest określone na 7000 Pa - jest to niezwykle proste i konserwatywne podejście (z dużym zapasem bezpieczeństwa).

 

Obecnie, dzięki projektowaniu parametrycznemu, wykorzystanie analizy elementów skończonych prowadzi do bardziej wszechstronnej metodologii projektowania elementów szklanych giętych na zimno. Przeprowadzono badania, aby zrozumieć wpływ zakresu zginania na trwałość strukturalnych spoin/złącz silikonowych, wykraczające poza pierwotne uproszczone podejście opisane wcześniej.

 

Badanie obejmowało budowanie prostych modeli fizycznych z odkształceniami utrzymywanymi na różnych poziomach, a następnie mierzenie powstałego odkształcenia szczeliwa (spoiny silikonowej), które monitorowano pod kątem pojawiania się uszkodzeń w czasie pracy odkształconej spoiny (z coraz większym wymuszonym odkształceniem).

 

Modele konstrukcji wskazywały na zależność nie tylko wpływu obciążenia na trwałość szczeliwa, ale także wielkości odkształceń. Metodologia jest przedstawiana jako ulepszony proces projektowania oszklenia giętego na zimno odnośnie trwałości szczeliwa. Badanie skupia się na testowaniu trwałości szczeliwa w oparciu o długotrwałe odkształcenia.

 


Fizyczna/rzeczywista makieta
Próbki do badań zostały wyprodukowane w celu odtworzenia „efektu sprężyny” szklanego panelu przyklejonego za pomocą silikonu strukturalnego do metalowego słupka podczas gięcia na zimno. Próbka składała się z aluminiowego panelu o wymiarach 508 x 508 mm z wycięciem na w środku o kwadratowym kształcie.

 

Panel aluminiowy o wymiarach 304 x 304 mm został przymocowany na obwodzie wycięcia za pomocą dwuskładnikowego strukturalnego kleju silikonowego. Szczeliwo pozostawiono następnie do utwardzenia przez 21 dni. W makiecie nie użyto szkła, ponieważ skupiono się na ocenie silikonu pod kątem awarii/uszkodzenia. Pęknięcie szkła byłoby prawdopodobne przy wysokich naprężeniach potrzebnych do spowodowania uszkodzenia silikonu.

 

Aparatura badawcza składa się z uchwytu, który mocuje/zaciska trzy naroża większej płyty aluminiowej. W czwartym narożu znajduje się urządzenie dociskowe (z napędem hydraulicznym) z wgłębnikiem (intender), które może ciągnąć naroże do góry, podczas gdy pozostałe trzy naroża są utrzymywane nieruchomo.

 

Płytka wewnętrzna jest umieszczona od dołu, tak że działanie naprężenia odtwarza „efekt sprężysty”, wynikający z gięcia na zimno zespołu szklanego, działający na strukturalną spoinę/złącze silikonową. Urządzenie badawcze pozwala na pomiar pełzania w czasie za pomocą liniowych mierników przemieszczeń, rejestrując zmianę wymiaru spoiny/złącza w funkcji czasu.

 

Podczas trwania testu nagrano również wideo, aby monitorować pękanie kleju/szczeliwa oraz propagację pęknięć. Próbka badawcza została zamodelowana za pomocą metody elementów skończonych MES, aby zrozumieć, jak dobrze odkształcenia teoretyczne wynikające z analiz teoretycznych mogą „przewidywać” rzeczywiste odkształcenia pomierzone w trakcie badań.

 

Tabela 1. Porównanie typowych właściwości aluminium i szkła

2021 06 44 4t1

 


Tabela 2. Hiperelastyczne właściwości materiału dla DowSil 983 (Mooney Rivlin)

2021 06 44 4t2

 

Omówienie modelu MES dotyczącego rozkładu naprężeń
Proces gięcia na zimno strukturalnego oszklenia z klejem silikonowym (Structural Silicone Glazing SSG) jest symulowany w teście laboratoryjnym w celu oceny jego wpływu na silikon (rys. 2).

 

Ten proces badań/testów jest również modelowany przez MES, aby zrozumieć rozkład odkształceń w silikonie. W tym badaniu i w symulacji komputerowej za pomocą MES płyta aluminiowa o wymiarach 6,35 mm x 304,8 mm x 304,8 mm (6061) jest połączona silikonem strukturalnym (DC983) z płaską ramą aluminiową o wymiarach 6,35 mm x 508 mm x 508 mm z kwadratowym wycięciem 233,75 mm x 233,75 mm pośrodku.

 

Szerokość spoiny SSG wynosi zatem 26 mm, a jej grubość jest ustalona na 9,525 mm przez przekładkę z pianki poliuretanowej -9,525 mm x 9,525 mm. Do badań użyto płyty aluminiowej, ponieważ ma ona bardzo podobny moduł i gęstość jak szkło (patrz Tabela 1), ale nie rozpada się na małe kawałki jak szkło przy nadmiernym obciążeniu, co jest znacznie bezpieczniejsze w przypadku długotrwałych badań dotyczących trwałości/wytrzymałości.

 

Sklejone płyty aluminiowe (Al.) są następnie mocowane do stalowego uchwytu w trzech wybranych narożach, a czwarte naroże jest podnoszone za pomocą wgłębnika (ramienia siłownika hydraulicznego). Ten proces podnoszenia jest symulowany w modelu MES przy założeniu, że siłownik hydrauliczny jest sztywnym ciałem.

 

Należy zauważyć, że w MES odnośnie silikonu użyto siatkę elementów o wymiarach 1 x 1 x 1 mm oraz hiperelastyczne właściwości tego materiału podane w tabeli 2. Elementy modelowane z różnymi rozmiarami siatki będą dawały różne wyniki.

 

2021 06 44 3

Rys. 3. Próba zginania na zimno SSG i symulacja MES: (a) Próba zginania na zimno z natychmiastowym uszkodzeniem SSG oraz (b) Modelowanie MES

 


Eksperymenty fizyczne
Przyklejona próbka aluminium została najpierw wygięta do natychmiastowego zniszczenia, jak pokazano na rysunku 3, a ten proces gięcia jest również symulowany przez model FEA. Stwierdzono, że szczytowe maksymalne odkształcenie główne wynoszące 123% występuje w pobliżu tego samego miejsca, gdy zainicjowano uszkodzenie SSG, co sugeruje, że maksymalne odkształcenie główne może być wykorzystane do oszacowania, kiedy SSG ulegnie uszkodzeniu w teście zginania na zimno. 

 

2021 06 44 4

Rys. 4. Relaksacja użytego silikonu podczas testu zginania na zimno: (a) Szczytowe odkształcenie silikonu natychmiast po zginaniu z symulacji MES oraz (b) Zmierzone ugięcie silikonu (zmienne w czasie)


Wyniki i dyskusja
Relaksacja SSG z początkowym szczytowym odkształceniem na poziomie 104,6%.
Ponieważ odkształcenie na poziomie 123% prawdopodobnie spowoduje natychmiastowe uszkodzenie silikonu, w teście wytrzymałości na zginanie na zimno pokazanym na rysunku 4, szczytowe odkształcenie zostało ustawione na 104,6% poprzez obliczenia FEA.

 

Zanim silikon strukturalny osiągnie swoją granicę wytrzymałości, przyklejona płyta aluminiowa o wymiarach 6,35 mm x 304,8 mm x 304,8 mm będzie stopniowo powracać do pierwotnego kształtu (mniejsze wygięcie) z powodu powolnej reakcji lepkosprężystej silikonu z upływem czasu. Zostało to zmierzone za pomocą precyzyjnego czujnika zegarowego (rys. 5).

 

 

2021 06 44 5

Rys. 5. Zmierzona relaksacja lepkosprężysta silikonu podczas testu gięcia na zimno

 

Sugeruje to, że relaksacja SSG przyczyni się do zmiany profilu w elemencie giętym na zimno, a ta zmiana profilu będzie się zwiększać z czasem. Lepkosprężysta relaksacja (viscoelastic relaxation) silikonu będzie widoczne na elewacji obiektu handlowego. Chociaż zmiana byłaby stopniowa, może być dla projektanta niemiłą niespodzianką. To kolejny składnik w zrozumieniu pracy giętej na zimno elewacji i jej trwałości.

 

 2021 06 44 6

Rys. 6. Pękanie SSG podczas testu gięcia na zimno

 

2021 06 44 7

Rys. 7. Wzrost pęknięć w silikonie podczas testu gięcia na zimno na poziomie 104,6%

 


Strukturalne uszkodzenie silikonu z początkowym odkształceniem szczytowym na poziomie 104,6%
SSG w próbce giętej na zimno z początkowym szczytowym odkształceniem ustawionym na 104,6% trwało około 1693 godzin. Pęknięcie silikonu zapoczątkowane w miejscu. przewidywanego przez MES. maksymalnego głównego położenia piku pokazano na rysunkach 6 i 7. To dodatkowo potwierdza, że maksymalne odkształcenie (tzw. pik) jest rozsądnym kryterium projektowym.

 

 2021 06 44 8

Rys. 8. Wzrost pęknięć w silikonie podczas testu zginania na zimno przy 118,6%

 


SSG po awarii z początkowym odkształceniem szczytowym na poziomie 104,6%
Po tym, jak spoina silikonowa pękła w teście trwałości, monitorowano to zjawisko przez kolejne 100 dni. Stwierdzono, że pęknięcie silikonu będzie nadal rosło w logarytmicznym związku z czasem, jak pokazano na rysunku 7.

 

Niepowodzenie SSG z początkowym odkształceniem szczytowym przy 118,6% Poprzez zwiększenie początkowego szczytowego odkształcenia silikonu do 118,6% w teście zginania na zimno stwierdzono, że silikon wytrzyma tylko 21 godzin zanim pęknie.

 

Sugeruje to, że wyższy szczyt maksymalnego odkształcenia głównego zmniejszy trwałość stali SSG w procesie gięcia na zimno. Stąd, aby osiągnąć pożądaną trwałość SSG w procesie gięcia na zimno, jego szczytowe odkształcenie główne musi być kontrolowane w pożądanym zakresie, który zapewni brak inicjacji pęknięć lub odpowiedzi lepkosprężystej.

 

 2021 06 44 9

Rys. 9. Prognoza odkształcenia w SSG w istniejącej aplikacji/realizacji z oszkleniem giętym na zimno: (a) Symulacja MES przemieszczenia w gięciu na zimno (b) Odkształcenie w SSG w pobliżu naroża/narożnika

 

2021 06 44 10

Rys. 10. Trwałość SSG w oszkleniu giętym na zimno dzięki połączeniu testu w skali laboratoryjnej z przypadkiem analizy zrealizowanego obiektu

 


Projektowanie wymiarów spoiny z silikonu strukturalnego w zastosowaniach giętych na zimno
Pokazane istniejące zastosowanie gięte na zimno jest również modelowane dla szczytowego odkształcenia w SSG, rysunek 9. Jest ono określane na podstawie obliczeń MES (FEA), szczytowe odkształcenie wynosi około 20% w pobliżu narożnika SSG.

 

W przypadku tego giętego na zimno zastosowania nie zaobserwowano żadnych strukturalnych uszkodzeń silikonu ani przecieków. Konserwatywną korelację trwałości silikonu można nadal ustalić, łącząc przewidywanie odkształcenia z testów w skali laboratoryjnej z przewidywaniem odkształcenia w tej istniejącej aplikacji giętej na zimno, jak pokazano na rysunku 10.

 

W przypadku istniejącego zastosowania oszklenia giętego na zimno uśrednione naprężenie w SSG można obliczyć, zakładając, że większość naprężeń zginających jest przenoszona przez SSG w pobliżu narożnika giętego na zimno, jak pokazano na rys. 1 i 10. Stąd uśrednione naprężenie w SSG może należy obliczyć na podstawie równania 1. Szczegółowe obliczenia przedstawiono w tabeli 3.

 

2021 06 44 12
Wzór równania

 


Gdzie a to szerokość IGU, b to wysokość IGU, δ to szerokość styku silikonowego, F to siła wymagana do wygenerowania przemieszczenia SSG zginanego na zimno. Jest to opisane wcześniej uproszczone podejście do obliczania średniego naprężenia.

 

Tabela 3. Uśrednione naprężenie w SSG w analizie zginania na zimno

 2021 06 44 11


Wnioski
Poprzednie metody ograniczania stałego obciążenia silikonu strukturalnego sprawdzały się w przeszłości (a zamontowane fasady są nadal w dobrym stanie). Zastosowanie analizy elementów skończonych MES wykazało wpływ potencjalnych lokalnych szczytów naprężeń na trwałość procesu gięcia na zimno.

 

Na podstawie prac badawczych opisanych w powyższym artykule wykazano, że wprowadzenie oszacowań lokalnego piku/maksimum przemieszczenia wywołanego przez odkształcenia zapewnia wgląd w trwałość/ wytrzymałość, jak wykazano na fizycznych próbkach testowych.

 

W projektowaniu oszklenia giętego na zimno powinno unikać się zginania w elementach, które mają nadmierne obciążenia stałe i lokalne obszary szczytowego odkształcenia. W oparciu o analizy obiektów będące w eksploatacji, ograniczenie szczytowych naprężeń w przypadku typowych rozmiarów elementów 1 x 1 x 1 mm (w MES) do około 15% ma potencjalny wpływ na przewidywany okres użytkowania wynoszący 30 lat lub więcej w oparciu o przetestowane i przeanalizowane w tym artykule materiały.

 

Ponadto nie wykazano, że tryb awarii w przypadku nadmiernych obszarów naprężeń szybko ulega awarii. Wykazano, że propagacja pęknięć po odpowiedzi lepkosprężystej jest powolna i prawdopodobnie zatrzyma się po zmniejszeniu się naprężeń zginających w pozostałej części silikonowego mocowania.

 

Zaproponowano ulepszony proces projektowania w oparciu o obecną metodologię wykorzystującą analizę elementów skończonych MES dla projektów gięcia na zimno: określenie wystarczającego rozmiaru spoiny, aby utrzymać stałe obciążenia na poziomie lub poniżej podanych przez producentów szczeliwa silikonowego dopuszczalnych naprężeń w obszarze styku rzeczywistego gięcia.

 

Nie istnieją normy określające właściwości materiału określonego przez specyficzne zastrzeżone formuły. Komunikacja z dostawcą silikonu na temat właściwości materiału, sposobu ich pomiaru i oczekiwanej zmienności ze względu na proces produkcyjny jest niezbędna do stworzenia długoterminowego udanego projektu.

 


Rekomendowane etapy projektowania SSG:

- Opracowanie modelu konstrukcji, aby określić szczytowe naprężenia i szczytowe odkształcenia silikonu za pomocą oprogramowania elementów skończonych MES, które umożliwia modelowanie właściwości hiperelastycznych.

 

- Dostosowanie projektu spoiny/złącza silikonowej lub momentu zginania, aby utrzymać szczytowe naprężenia na poziomie 15% (lub poniżej) pierwotnego wymiaru elementu (elementów) siatki.

 

Oczywiście istnieją zastrzeżenia, które nie zostały szczegółowo wymienione w powyższej metodologii, ale należy je zrozumieć i przyjąć zasadę, że należy zastosować odpowiednie modele zachowania materiału, odpowiednie elementy i rozmiar siatki w MES oraz że w konstrukcji szklanej tolerancje i prawidłowe wykonanie są krytyczne dla efektywności/ wydajności.

 

Ta zmodyfikowana metodologia zapewnia lepszy wgląd w parametry określające trwałość przy gięciu na zimno w ulepszonym procesie projektowania wykraczającym poza obecny stan techniki.

 

 

Podziękowania
Chcielibyśmy podziękować firmie Eclat Digital za wsparcie, oprogramowanie i wykonanie symulacji.


Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. Tampere w Finlandii

 

Jon Kimberlain, Lawrence D. Carbary, Pierre Descamps, Valerie Hayez, Jie Feng

 

Bibliografia
- Besserud, K., Bergers, M., Czarny, A. J., Carbary, L. D., A. Mazurek, D. Misson i K. Rubis, Trwałość szyb zespolonych giętych na zimno (Durability of Cold-Bent Insulating-Glass Units), Journal of ASTM International, tom. 9, nr 3 Paper ID JAI104120 Dostępne online na www.astm.org
- ASTM E2188-10 Standardowa/Normowa metoda badania efektywności szyb zespolonych (Standard Test Method for Insulating Glass Unit Performance), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2010, https://doi.org/10.1520/E2188-10
- ASTM C1401-14 Normowy/Standardowy przewodnik dotyczący szklenia strukturalnego (Standard Guide for Structural Sealant Glazing), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014, https://doi.org/10.1520/C1401-14
- ETAG 002 Wytyczne dotyczące Europejskiej Aprobaty Technicznej dla klejów/szczeliw konstrukcyjnych (Guideline for European Technical Approval for Structural Sealant), Europejska Organizacja Aprobat Technicznych, Kunstlaan 40 Avenue des Arts, B-1040 Bruksela, wydanie listopad 1999 3. poprawka maj 2012.

 

2020 10 48 11 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  
Świat Szkła 6/2021  

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik