Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 07 okladka

 

       7-8/2019

 

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

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

 LiSEC SS Konfig 480x120

  

VITRUM Swiat Szkla Web

 

ift 480x105px RFT19 engl 

 

 GP19-480x105px

 

 GLASS 480X120

 

FASADY METALOWO-SZKLANE Modelowanie i analiza połączeń punktowych
Data dodania: 14.09.11

FASADY METALOWO-SZKLANE
Modelowanie i analiza połączeń punktowych


Połączenia klejone jako samodzielne i współpracujące z innymi rodzajami łączników stają się coraz bardziej popularnymi w szeroko rozumianym budownictwie. Znajdują zastosowanie zarówno w konstrukcjach fasadowych przy łączeniu elementów wykończeniowych, jak i w łączeniu elementów konstrukcyjnych.

Z szerokiej gamy tych połączeń analizie poddano połączenia punktowe utrzymujące panele szklane na elewacji budynku w konstrukcjach ścian osłonowych. Na bazie tego typu połączeń, po wykonaniu szeregu badań niszczących, opracowano model matematyczny, pozwalający na przedstawienie zasad pracy skleiny utrzymującej tafle szklane w elewacji budynku.


Model realizowany w laboratorium
W badaniach nośności połączeń dąży się do realizacji programu obciążenia, który zbliżony jest do warunków obciążeń występujących w rzeczywistości. Obciążenia nośnych połączeń konstrukcji fasad metalowo-szklanych składają się z:

a) obciążeń statycznych, a w szczególności:
·  ciężaru własnego okładziny,
·  obciążeń wiatrem,
·  obciążeń termicznych.
b) obciążeń dynamicznych, a w szczególności:
·  obciążeń udarowych,
·  drgań dynamicznych.

W opracowaniu niniejszym skupiono się na obciążeniach statycznych, a typy rozpatrywanych modeli analizowano z uwagi na typowy schemat pracy połączenia dla fasady metalowo-szklanej. Podstawowym kryterium było obciążenie połączenia z uwagi na ścięcie spoiwa dla pionowo zamontowanych elementów okładzinowych fasady.



Rys. 1. Schemat połączenia do określenia maksymalnych naprężeń ścinających

Drugim schematem zniszczenia uwzględnianym w badaniach była możliwość oderwania się okładziny od wieszaka wskutek ssania wiatru lub ciężaru podwieszonego elementu (dla podwieszeń okładzin elewacji).  


Rys. 2. Badany model połączenia ścinanego (zgodnie z rys. 1)

Dobór kształtu i sposobu wykonywania elementów badawczych oparty został na wynikach badań wstępnych. W trakcie tych badań określono wymiary elementu badawczego, i okuć metalowych, a także i rodzaj tafli szklanej oraz rodzaj i sposób zamocowania czujników indukcyjnych. Okucia metalowe wykonane zostały ze stali nierdzewnej tak, by wyeliminować ewentualne wpływy zjawisk korozji na styku kleju z metalem. Aby odzwierciedlić pracę połączenia punktowego, powierzchnia styku okucia z okładziną (szkłem) została zamodelowana w postaci krążka o średnicy 5 cm. Na podstawie takiej powierzchni wyznaczano naprężenia w połączeniu. Cały model badawczy bazuje na określaniu procentowego udziału odkształceń przy zadanych siłach ścinających, bądź rozrywających. By opierać się na procentowym oznaczaniu odkształceń przyjęto odniesienie, że przesunięcie w połączeniu o wartość od środka ciężkości skleiny do jej krawędzi (w kierunku działania obciążenia) będzie traktowane jako stuprocentowe i w tym przedziale będą określane odkształcenia.

 
 Rys. 3. Schemat połączenia do określenia maksymalnych naprężeń rozrywających
 
 Rys. 4. Badany model połączenia rozrywanego (zgodnie z rys. 3)

Do badań użyto spoiwa konstrukcyjnego o specyfikacji „895” i „993” odpowiednio jedno i dwuskładnikowego. Spoiwa te produkowane są przez koncern Dow Corning.

Podczas badań oprócz pomiaru siły przyłożonej do połączenia badano jego odkształcenie.

Badania przeprowadzono w laboratorium Instytutu Konstrukcji Budowlanych Politechniki Warszawskiej na stanowisku badań wytrzymałościowych. Najważniejszą częścią systemu był program sterujący, umożliwiający wykonywanie badań w dwóch formach odczytów. W pierwszym przypadku program sterujący operował siłą narastającą w sposób ciągły od zera do wartości siły niszczącej (przyrost na poziomie 0,5 kN na 5 min.), a odkształcenia były rejestrowane w odstępach co 5 sekund.

W drugim przypadku program dla konkretnych przyrostów siły, ustawionych co 0,5 kN, odczytywał przyrosty odkształceń na poszczególnych urządzeniach pomiarowych. Podczas badań stwierdzono, że pierwszy sposób pomiarów z siłą narastającą liniowo i odczytami odkształceń przez komputer z urządzeń pomiarowych co 5 sekund daje większą ilość danych, a przez to w dokładniejszy sposób opisuje przebieg procesu pracy połączenia.

 
 Rys. 5. Przykładowe nomogramy obrazujące przebieg badań dla siły poprzecznej (ścinanie)
 
 Rys. 6. Przykładowe nomogramy obrazujące przebieg badań dla siły normalnej (odrywanie)

Wyniki badań laboratoryjnych

Połączenia badane na ścinanie uzyskiwały jednostkową siłę ścinającą (siłę niszczącą) na poziomie 3,5-4,0 kN. Jest to jednak siła, która generowała odkształcenia dochodzące do 70-80% w połączeniu.

Przy siłach rzędu 0,7-0,8 siły niszczącej pełzanie połączeń oznaczono z przyrostami 0,05-0,20 mm w ciągu 15 min. Z tego względu ograniczono wartości maksymalnych naprężeń dopuszczalnych w tego typu połączeniach do odkształceń poniżej 30%. Przy takim ograniczeniu odkształceń wyznaczono dopuszczalną wartość naprężenia ścinającego na 0,6 MPa. Ta reguła potwierdzała się dla połączeń ze schematem zniszczenia wewnątrz skleiny. Jednak podczas badań około 7% połączeń rozwarstwiło się poprzez oderwanie spoiwa od łącznika.

Powodowało to niezachowanie dopuszczalnej wartości naprężenia na poziomie 0,6 MPa. Oczywiście schemat zniszczenia następował w tych przypadkach dla naprężeń większych od określonych przez nas, dopuszczalnych na poziomie 0,6 MPa. Jednak bezpieczna wartość 0,6 MPa w wadliwie pracujących połączeniach powodowała odkształcenia, niejednokrotnie przekraczające 40-50%. Jest to problem ważny z punktu widzenia dokładności, jakiej będą wymagały prace na budowie przy wykonywaniu tego typu styków. Dobre przygotowanie podłoża, zagruntowanie, i oczyszczenie w warunkach placu budowy musi być poddawane szczególnemu nadzorowi. Błędy, bowiem, przy tych pracach będą skutkowały niską jakością połączeń i w rezultacie możliwością wystąpienia awarii budowlanej.

Wiadomo jest o znaczących różnicach i znacznych wartościach temperatur związanych z przegrzewaniem się wierzchnich warstw okładzin. Dlatego też, po zapoznaniu się z wartościami naprężeń, charakterem pracy połączeń w warunkach 17-25ºC, zajęto się procesem przegrzewania się połączeń takiego typu, w fasadzie metalowo-szklanej.

Dla badania połączeń w podwyższonej temperaturze wykonano 8 modeli połączeń dla pomiaru siły ścinającej i 12 modeli badawczych dla analizy rozrywanych styków. Badania partii trzeciej (w podwyższonej temperaturze), podobnie jak pierwszej i drugiej miały taki sam przebieg odnośnie pomiaru siły i odkształceń. W tej części różnica polegała na badaniu połączenia w temperaturze +80ºC (±5ºC). Ostatnie dwie próby ścinania i rozrywania połączeń wykonano na modelach badawczych wielokrotnie poddanych nagrzaniu do temperatury bliskiej 100ºC i wychłodzeniu poniżej 0ºC (warunki pogodowe, naturalne).

Wyniki wskazują na potwierdzenie reguł określonych powyżej dla poprzednich badań, w pierwszej i drugiej partii badanych elementów. Otrzymano takie same wartości odkształceń i naprężeń, a wartości 0,6 MPa pozostały niezmienione, jako granica 30% odkształcenia w połączeniach, przy niezauważalnych efektach płynięcia skleiny w połączeniach.

Oczekiwano, że klej w takiej, podwyższonej, temperaturze będzie szybciej wiązał, a sama skleina łatwiej będzie ulegała procesom pełzania. Jednak na tym poziomie badań nie stwierdzono by przegrzewanie połączenia klejonego do temperatury około 100ºC i obciążenie go w temperaturze 80ºC wpływało istotnie na nośność i zmianę charakteru pracy skleiny. Nie zauważalne były również odstępstwa dla modeli poddanych wielokrotnemu ogrzaniu i wychłodzeniu. Ważnym jest również to, że wyższa temperatura nie miała istotnego wpływu na proces wiązania silikonu w połączeniu.

Warto jednak zauważyć, że modele trzeciej partii nie miały żadnego błędu z uwagi na sposób klejenia i schemat zniszczenia połączenia.

 
 Rys. 7. Odczyty czujników termicznych wewnątrz pieca przy wygrzewaniu elementów badawczych do badań w temperaturze +80 ºC (trzeci etap)
 
 Rys. 8. Wygląd pieca w którym dokonywano wygrzewania elementów badawczych
 
 Rys. 9. Przykładowe nomogramy obrazujące przebieg badań dla siły poprzecznej (ścinanie), z modeli wykonanych dla partii trzeciej

Model matematyczny połączenia
Wykorzystując wyniki badań zamieszczone powyżej, zbudowano dwa modele MES (metoda elementów skończonych) dla badanego, klejonego połączenia punktowego szyb fasadowych. Obydwa modele są przeznaczone do obliczeń przy wykorzystaniu programu ABAQUS/Standard.

 
 Rys. 10a. Model jednej ósmej połączenia punktowego
 
 Rys. 10b. Model połówki połączenia punktowego

Pierwszy model, przedstawiony na rys. 10a, obejmuje jedną ósmą połączenia, przeciętego trzema wzajemnie prostopadłymi płaszczyznami symetrii. Model ten wykorzystano do symulacji próby rozciągania. Drugi model, przedstawiony na rys. 10b, reprezentuje połowę połączenia, wyciętą myślowo przez płaszczyznę symetrii, zlokalizowaną w połowie grubości szyby.

Drugi model wykorzystano zarówno do symulacji próby rozciągania, jak i ścinania. W obydwu przypadkach zamodelowano wycinek szyby, połączenie klejowe i krążek metalowy mocowania. Początek globalnego układu współrzędnych przyjęto na osi symetrii połączenia, w połowie grubości szyby (rys. 10a i 10b). Oś „z” jest skierowana pionowo do góry. Wymiary wycinka szyby (rys. 10b), zgodne z osiami globalnego układu współrzędnych „xyz” lub „1, 2, 3”, wynoszą 100x100x2.5 mm, gdzie wymiar w kierunku osi z stanowi połowę grubości szyby. Warstwę kleju stanowi krążek o promieniu 25 mm i grubości 6 mm. Krążek metalowy mocowania ma tę samą średnicę i grubość, co warstwa kleju.

 
Rys. 11. Zależności siła–wydłużenie dla eksperymentu i kolejnych
modyfikacji danych wsadowych
 


W obydwu modelach zastosowano ośmiowęzłowe elementy bryłowe typu C3D8R. Zrezygnowano z wykorzystania elementów dwuwymiarowych, dedykowanych dla zagadnień osiowosymetrycznych, w rozpatrywanym przypadku nieodpowiednich dla próby ścinania.

Model połówki połączenia składa się z 57335 elementów, model dla jednej ósmej połączenia ma cztery razy mniej elementów. Budując siatkę elementów skończonych, zachowano symetrię względem płaszczyzn „xz” i „yz”. Podział na elementy skończone w kierunku pionowym (osi „z”) jest zmienny. Zakładając, że odkształcenia w szybie i krążku stalowym są pomijalnie małe, zagęszczono siatkę w warstwie kleju, tworząc osiem warstw. W krążku stalowym występują cztery warstwy, a w szybie (połowie grubości) dwie warstwy. Krążek stalowy zamodelowano jako ciało sztywne, wykorzystując opcję *Rigid Body. Największe elementy w warstwie kleju mają krawędzie o długości ok. 1 mm.

Wprowadzono niezmienne warunki brzegowe narzucające ograniczenia dotyczące trzech składowych przemieszczenia ux, uy, uz (trzy stopnie swobody) dla wszystkich węzach w dolnej podstawie modeli, w przekroju poziomym szyby. Dla modelu ćwiartki, dodatkowo w płaszczyznach symetrii „xz” i „yz”, odebrano przemieszczenia w kierunku prostopadłym do danej płaszczyzny, czyli odpowiednio uy i ux.

Obciążenie do krążka jest przykładane do tzw. punktu referencyjnego, jako wymuszone przemieszczenie w kierunku pionowym (równolegle do osi „z”) dla rozciągania lub poziomo (równolegle do osi „x”) dla ścinania.

W plikach wsadowych dla programu ABAQUS zastosowano następujący spójny zestaw jednostek podstawowych: długość – mm, czas – s, masa – t (tona), W takim przypadku siła jest wyrażona w N, a otrzymywane naprężenia są w N/mm2 czyli MPa.

Dla warstwy szkła i stalowego krążka zadano materiał liniowo sprężysty. Badając pracę skleiny przyjęto, że całość deformacji modelu występuje tylko w warstwie kleju. Dla kleju założono dostępny w programie ABAQUS model izotropowego materiału hipersprężystego, ze sformułowaniem typu Marlow dla potencjału energii odkształceń [1].

Potencjał energii odkształceń definiuje energię odkształceń nagromadzoną w materiale na nominalną jednostkę objętości (w początkowej nie odkształconej konfiguracji). Formuła określająca potencjał energii jest wykorzystywana do modelowania zachowania mechanicznego polimerów. Rys. 11 przedstawia zależności siła-wydłużenie dla eksperymentu i dla kolejnych modyfikacji danych materiałowych w postaci zależności σ-ε. Modyfikacje polegają na redukcji naprężeń w stosunku równym ilorazowi wielkości siły obliczonej (w poprzedniej aproksymacji) do pomierzonej w eksperymencie.

Poniżej wyniki analizy matematycznej badanych połączeń.

 
 
 
 
 Rys. 12. Kontury pierwszego odkształcenia głównego dla różnych poziomów obciążenia.
 
 Rys. 13. Kontury naprężenia zastępczego Hubera-Misesa dla próby rozciągania
 
 Rys. 14. Kontury naprężenia zastępczego dla próby ścinania

prof. dr hab. inż. Wojciech. Żółtowski, dr inż. Leszek Kwaśniewski, mgr inż. Marcin Cwyl
Politechnika Warszawska


LITERATURA
·  ABAQUS/Standard User’s Manual, Hibbitt, Karlsson&Sorensen, Inc, Pawtucket, 1998, Version 6.5. [1]
·  ABAQUS Theory manual, Hibbitt, Karlsson&Sorensen, Inc., Pawtucket, 1998, Version 6.5. [2]
·  Soderberg A., Modelling of Strain Hardening and Strain Rate Hardening of Dual Phase Steels in FEA of Energy Absorbing Components, NAFEMS World Congress, Malta 2005. [6]
·  Bródka J., Łubiński M., 1971. Lekkie konstrukcje stalowe. Warszawa, Arkady.
·  Żółtowski W., Łubiński M., 2003. Konstrukcje metalowe. Część I. Warszawa, Arkady.
·  Żółtowski W., Cwyl M., 2003. Metody inżynierskich obliczeń konstrukcji ze stopów aluminiowych, na bazie konstrukcji fasad słupowo-ryglowych. Warszawa, „Murator PLUS”.
·  REYNAERS Aluminium, Katalog dla architektów i projektantów, Piaseczno, Reynaers Polska.

 

Czytaj także --

Czytaj także

 

 

01 chik
01 chik