Niniejszy artykuł, jako część 3 cyklu wymienionego w tytule, stanowi kontynuację i zakończenie obu wcześniejszych publikacji [1] i [2].
Jako pierwsza zostanie omówiona tu praca wyszczególniona w części 1 artykułu [1] w pozycji [2.7] . Dotyczy ona spraw stateczności elementów ze szkła, głównie wyboczenia przy ich ściskaniu.
W badaniach uwzględniono najważniejsze parametry, takie jak początkową deformację szklanego elementu, jego grubość, oraz własności lepko-sprężyste PVB jako pośredniej warstwy szkła laminowanego. Wykonano badania doświadczalne i opracowano przynależny sposób obliczeń. Stwierdzono, że nośność ściskanego elementu zależy od wytrzymałości na rozciąganie powierzchni szkła. Na tej podstawie zaproponowano odpowiednie wskazówki dla projektowania.
W poprzednich częściach wspomniano, że szkło zaczyna być atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym belek, słupów i paneli. Z uwagi na zwykle dużą smukłość tych elementów, są one w obszarach ściskania narażone na utratę stateczności. Samo to zjawisko zależy m.in. od produkcyjnych tolerancji wymiarów, początkowych deformacji, sprężystych i plastycznych własności, procesu utwardzania i długotrwałości obciążenia. W tych warunkach potrzebna jest znajomość nośności krytycznej elementów szklanych – przy wyboczeniu prętów i płyt oraz zwichrzenia belek.
Rys. 1. Pręt ściskany mimośrodowo z początkowym wygięciem (wg [1]-[2.7])
Ograniczając się do wyboczenia prętów z laminowanego szkła hartowanego wypada stwierdzić, że z uwagi na istniejące początkowe wygięcia (rys. 1) zwykle nie osiąga się stanu bifurkacji. Nośność krytyczna pręta determinowana jest jego wytrzymałością przy zginaniu. Wygięcia początkowe szkła zwykłego są z reguły małe: poniżej L/2500; natomiast szkło hartowane wykazuje większe wygięcia początkowe – rzędu L/200 – o sinusoidalnym rozkładzie.
W tych warunkach można też wyznaczyć naprężenia krytyczne – analitycznie i numerycznie. Prowadzi to do określenia krytycznej smukłości pręta.
Analiza obliczeniowa została poparta badaniami eksperymentalnymi (rys. 2).
Pozwoliło to ustalić krzywe wyboczeniowe szkła hartowanego (rys. 3).
Rys. 2. Eksperyment wyboczenia dla szkła zwykłego (wg [1]-[2.7])
Rys. 3. Krzywe wyboczeniowe dla szkła hartowanego (wg [1]-[2.7])
Podobne badania dla szkła laminowanego są bardziej złożone. Jest to związane z lepko-sprężystą własnością warstwy pośredniej i jej podatnością na wzajemny przesuw przyległych tafli szklanych przy zginaniu.
[2.8] Innym ważnym problemem wytrzymałościowym jest zmęczenie szkła przy obciążeniu cyklicznym. Badania są na etapie wstępnym. Trudność polega tu na potrzebie uwzględnienia kruchego charakteru szkła. W praktyce, zmęczenie szkła może być np. wynikiem działania wiatru na szklane fasady budynków.
Rys. 4. Krzywa Wöhlera w badaniu zmęczenia (wg [1]-[2.8])
Innym podejściem jest zastosowanie procedury schodkowej. W badaniach obciążenie ma charakter zmienny lub pulsacyjny. Nośność zmęczeniowa określona jest w postaci największej amplitudy naprężeń, przy której element przenosi obciążenie „nieskończenie długo” bez zniszczenia materiału – w warunkach dopuszczalnych deformacji; zwykle przyjmuje się tu 2 miliony cykli obciążenia. Obciążeniem jest najczęściej siła skupiona umieszczona w środku rozpiętości belki, ewentualnie także za pośrednictwem beleczki pośredniej. Zastosowane urządzenie badawcze pokazane jest na rys. 5.
Rys. 5. Stand laboratoryjnego badania zmęczenia szklanej belki (wg [1]-[2.8])
Wskutek naprężeń ściskających, istniejących w obszarach powierzchniowych szkła hartowanego, otrzymywane tu wyniki mają mniejszy rozrzut. W wykonanych badaniach cztery z dziesięciu próbek uległy zniszczeniu przed osiągnięciem liczby 2 milionów cykli obciążenia. W każdym przypadku początek pęknięcia elementu pojawił się w punkcie działania siły skupionej.
Otrzymane wyniki wskazują na to, że nośność zmęczeniowa jest co najmniej równa nośności statycznej przy zginaniu elementu. Wyniki te nie są jednak wystarczające dla pełnego rozeznania całości tej problematyki. Powinno odbywać się to przy uwzględnieniu wpływu na wytrzymałość zmęczeniową różnych parametrów geometrycznych i naprężeniowych, a także typów szkła. Niewątpliwie, w chwili obecnej badania tego typu są na etapie początkowym.
[2.9] Ostatnia z omawianych tu prac poświęcona została strukturalnemu zachowaniu się tafli szkła laminowanego, podpartych punktowo – przegubowo lub sztywno zamocowanych. Badania te wykonano dla zmiennej temperatury (0ºC-60ºC) i dwóch grubości szkła. Wyniki eksperymentalne porównano z numerycznymi, otrzymanymi metodą elementów skończonych.
Program badawczy skupiono na rozeznaniu wpływu pośredniej warstwy PVB na zachowanie się całości tafli szklanej i na nośności na ścinanie samej tej warstwy. Przebadano to w warunkach działania różnych temperatur, czasowej długotrwałości obciążenia, procesów starzenia się (wilgoć, światło, dynamika obciążeń) i sposobu zamocowania tafli.
Otrzymano wartości modułu ścinania pokazane na rys. 6. Mają one jednakże charakter tylko szczególny (pojedynczy typ PVB zależy od producenta, brak możliwości wykonania opracowania statystycznego) i stąd nie są zbyt przydatne w projektowaniu.
Należy spodziewać się, że rzeczywiste moduły ścinania są mniejsze od tych pokazanych na rys. 6.
Rys. 6. Moduły ścinania G laminatu PVB jako funkcje temperatury i czasu (wg [1]-[2.9])
Laminowane tafle szklane, podparte punktowo, przeliczono najpierw numerycznie. We wszystkich obliczeniach przyjęto moduł ścinania laminatu PVB, zależny od temperatury i czasu, jako kolejno stały.
Badania doświadczalne dotyczyły zginania próbek z hartowanego szkła laminowanego o szerokości wynoszącej 250 mm i o grubościach równych 4/1,52/4 mm oraz 10/1,52/10 mm (szkło/PVB/szkło) – w układzie belki pokazanej na rys. 7 – przy obciążeniu krótkotrwałym (5 sek.-10 min.) i długotrwałym (3-5 dni) (rys. 8). Punkty podparcia belki mogły być przegubowe lub w pełni zamocowane.
Rys. 7. Eksperyment zginania szklanej belki przy jej punktowym podparciu (wg [1]-[2.9])
Rys. 8. Urządzenie dla badania wpływu obciążenia i punktowego podparcia laminowanych tafli szklanych (wg [1]-[2.9])
Badania miały na celu ustalenie, czy w analizie można też przyjmować określony stały moduł ścinania. Wykonano ok. 150 doświadczeń, które – w pewnych warunkach – dopuszczalność takiego założenia potwierdziły.
W szczególności natomiast ustalono, że zachowanie się szklanych tafli laminowanych, podpartych punktowo przegubowo lub zamocowanych, jest dość różne i zależy od położenia punktu pomiarowego w próbce.
Słowo końcowe
W zamyśle autora, przedstawienie zwartych opisów wszystkich dziewięciu przytoczonych tu prac, miało na celu przybliżyć Czytelnika do nieszablonowej inżynierii szkła i konstrukcji szklanych, jaka jest dziś przedmiotem dociekań naukowych na świecie.
Siłą rzeczy, bardzo skrótowe ujęcie tematyki nie pozwala na głębsze w nią wniknięcie, ale przynajmniej umożliwia jej zgrubne rozpoznanie. Niewątpliwie, nauka na tym odcinku ma jeszcze wiele do zrobienia – podążając za narastającymi potrzebami współczesnej architektury, budownictwa i inżynierii materiałowej.
prof. Zbigniew Cywiński
Politechnika Gdańska
Bibliografia
[1] Cywiński Z.: Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych. Część 1. „Świat Szkła” 12/2010
[2] Cywiński Z.: Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych. Część 2. „Świat Szkła” 1/2011
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
inne artykuły tego autora:
- Nowoczesna symbioza stali i szkła , Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 3/2011
- Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych. Część 3, Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 2/2011
- Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych. Cz. 2 , Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 1/2011
- Miejsce nauki w inżynierii szkła i konstrukcji szklanych Część 1 , Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 12//2010
- Inżynieryjne problemy transparentności konstrukcji budowlanych , Zbigniew Cywiński, Świat Szkła 11/2010
patrz też:
- Szklane ściany nośne , Marcin Kozłowski, Świat Szkła 1/2011
- Północnoamerykańskie normy do projektowania szkła , Marcin Kozłowski, Świat Szkła 12/2010
- Europejskie normy do wymiarowania szkła, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 9/2010
- Szklane schody w Toronto, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 7-8/2010
- Realizacje, które inspirują, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 6/2010
- Właściwości i odmiany szkła konstrukcyjnego, Marcin Kozłowski, Świat Szkła 5/2010
- Szkło jako materiał konstrukcyjny , Marcin Kozłowski, Świat Szkła 4/2010
- Projektowanie bezpiecznych przeszkleń w ścianach osłonowych ze szkłem , Artur Piekarczuk, Świat Szkła 2/2010
- Weryfikacja badawcza numerycznych metod obliczeń szyb zespolonych , Artur Piekarczuk, Świat Szkła 10/2008
- Wpływ warunków podparcia na wyniki obliczeń ugięć szyb wielkoformatowych pod obciążeniem równomiernie rozłożonym, Artur Piekarczuk, Świat Szkła 4/2008
- Metoda projektowania szyb zespolonych, Artur Piekarczuk, Świat Szkła 3/2008
- Metoda obliczeń ugięć okien PVC pod obciążeniem wiatrem , Artur Piekarczuk, Świat Szkła 7-8/2006
- Ściany osłonowe z oszkleniem mocowanym mechanicznie Cz. 2, Artur Piekarczuk, Świat Szkła 6/2005
- Ściany osłonowe z oszkleniem mocowanym mechanicznie Cz. 1, Artur Piekarczuk, Świat Szkła 5/2005
- Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część 2 , Zbigniew Respondek, Świat Szkła 1/2005
- Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część 1 , Zbigniew Respondek, Świat Szkła 12/2004
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
więcej informacj: Świat Szkła 2/2011
