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

 

Badania elementów szklanych w różnych warunkach obciążenia i pracy
Data dodania: 28.01.09

W nowoczesnych budowlach szklane kompozyty znajdują szerokie zastosowanie jako elementy nośne. Prócz szklanych płyt występujących w fasadach, w budynku wyodrębnić można szklane belki czy kolumny, stanowiące integralną część szkieletu konstrukcji.

To niespotykane dotąd zastosowanie szkła zrodziło potrzebę badań elementów wykonanych z tego materiału w próbach zginania, ściskania czy rozciągania. W niniejszym artykule opisano sposoby badań i wyniki eksperymentów przeprowadzonych przez zagraniczne ośrodki naukowe na szklanych próbkach.

Badanie wytrzymałości długotrwałej szkła
    Badanie przeprowadzone przez Sglavo w1997 r. miało na celu określenie zachowania elementów szklanych w przypadku długotrwałego działania obciążeń. Wyniki badań wykazują, że wytrzymałość długotrwała szkła maleje w czasie, co pokazano na wykresie zamieszczonym na rys. 1.

    Spadek wytrzymałości szkła, wynikający z długotrwałego działania obciążeń, nazywany jest często zmęczeniem statycznym. Zjawisko to tłumaczy się wzrostem długości uszkodzeń struktury szkła. Większe uszkodzenia z kolei powodują większą koncentrację naprężeń, co wiąże się ze zmniejszeniem nośności szklanego elementu.
    Wzrost rys spowodowany jest głównie korozyjnym działaniem wody. Szkło tylko pozornie wykazuje odporność na jej działanie. Obecność cząsteczek wody w okolicach wierzchołków pęknięć, czyli nieciągłości przestrzennego szkieletu krzemianowo-tlenowego, powoduje stopniowe powiększanie rozmiarów tych nieciągłości. Dzieje się to w wyniku hydrolizy. W czasie tej chemicznej reakcji następuje przerwanie połączenia krzem-tlenkrzem, a następnie przyłączenie grup wodorotlenowych do każdego z atomów krzemu, co można zapisać równaniem:

    Przyłączone do atomu krzemu grupy wodorotlenowe nie mają możliwości utworzenia dalszych połączeń z atomami innych pierwiastków, co sprzyja poszerzaniu nieciągłości  w przestrzennym szkielecie budującym szkło. Stopniowy wzrost długości szczeliny w wyniku chemicznego oddziaływania wody przedstawiono schematycznie na rys. 2.
    Prędkość spadku wytrzymałości szkła zależy w dużym stopniu od poziomu wilgotności powietrza otaczającego szklany element. Wytrzymałość szkła w czasie nie spada jednak do zera. Z danych udostępnionych przez producentów szkła i zebranych w pracy CROMPTON P. R., Assessment of design procedures for structural glass beams. Oxford University 1999 wynika, że minimalna wytrzymałość szkła niehartowanego utrzymuje się w granicach od 6-7 MPa.

Badania wpływu wielkości i położenia próbek na wytrzymałość na zginanie elementów szklanych
    W latach 90. na uniwersytecie w Delft rozpoczęto pracę nad projektem skonstruowania całkowicie przeźroczystego pawilonu. Do budowy tego obiektu przewidziano szkło i tworzywa sztuczne. Zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom takiej konstrukcji wymusiło dokładne rozpoznanie zachowania wszystkich elementów konstrukcyjnych, w tym szklanych belek wykonanych ze szkła laminowanego.
Opis badań
    Wśród licznych badań ośrodka naukowego w Delft przeprowadzono m.in. czteropunktowe zginanie próbek wykonanych z nielaminowanego szkła. Badano próbki o różnych rozmiarach jak i o różnym ich ustawieniu w stosunku do kierunku działania obciążenia, tzn. próbki stojące – pracujące jak tarcze, próbki leżące – pracujące jak płyty. Każdą próbkę wycięto z tafli szklanej o grubości 10 mm, a następnie jej brzegi poddano oszlifowaniu i wypolerowaniu. Połowę próbek poddano hartowaniu. W celu uniknięcia wyboczenia w trakcie zginania próbek stojących, zastosowano podparcie w kilku punktach na długości.

Rezultaty
    Średnią wartość naprężenia niszczącego i wartość odchylenia standardowego dla każdego rodzaju próbki, uzyskane w wyniku przeprowadzenia 16 prób zestawiono w tabeli 1.

    Wyniki jednoznacznie pokazują, że elementy wykonane ze szkła hartowanego ulegają zniszczeniu przy dużo wyższym poziomie naprężeń, niż elementy wykonane ze szkła nie poddanego hartowaniu.
    Badania wykazały także, że na wartość naprężenia niszczącego ma wpływ efekt skali. Próbki o większych rozmiarach uległy zniszczeniu przy mniejszej wartości obciążenia zarówno w przypadku szkła hartowanego jak i niehartowanego.
    Sposób obciążenia szklanego elementu także nie pozostaje bez znaczenia dla określenia wartości naprężeń niszczących. Wytrzymałość elementu szklanego obciążonego w sposób tarczownicowy jest około 40% mniejsza niż wytrzymałość elementu szklanego obciążonego w sposób płytowy.

Wpływ grubości i kondycji krawędzi na nośność szklanych elementów
Opis badań

    Na Uniwersytecie w Delft podjęto ponadto próbę określenia wpływu grubości, jak i wpływu kondycji krawędzi na nośność szklanych elementów. Określenie wpływu grubości na wytrzymałość przeprowadzono na próbkach wyciętych ręcznie ze szklanych tafli o grubościach 2, 3, 6 i 8 mm. Badanie polegało na zginaniu pasm szklanych ułożonych horyzontalnie pojedynczą siłą, przyłożoną w środku rozpiętości elementu. Przy tym sposobie ułożenia próbki, krawędzie zawierające uszkodzenia nie były obciążone bezpośrednio.

Rezultaty
    Wyniki doświadczenia zestawiono w tabeli 2. Zawiera ona wartości średniego naprężenia niszczącego oraz odchylenia standardowego obliczonego na podstawie rezultatów uzyskanych w 10 próbach dla każdego typu pasma szklanego.

    Wyniki badań pokazują, że wytrzymałość próbek o grubości większej niż 3 mm widocznie spada. To zjawisko tłumaczy się istnieniem większych nierówności na krawędziach elementów grubszych, co znacznie osłabia nośność elementu szklanego Wycinanie elementów z grubszych tafli nastręcza większych trudności, przez co jakość krawędzi jest znacznie gorsza. Również to badanie pokazuje, że na wartość naprężenia niszczącego ma wpływ efekt skali, który tłumaczy się tym, że na brzegach próbek wyciętych z grubszych tafli istnieje wyższe prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięć o większych rozmiarach.

Badania wpływu stanu wykończenia krawędzi na wytrzymałość w próbach zginania elementów szklanych
    Badania wpływu stanu wykończenia krawędzi na nośność zostały rozpoczęte z tego względu, że to właśnie uszkodzenia krawędzi czy rogów elementów szklanych mają decydujący wpływ na wartość naprężeń niszczących w próbach zginania. Uszkodzenie krawędzi następuje już w okresie powstawania elementów szklanych. Wycinanie z wyprodukowanej w hucie tafli szklanej elementów o odpowiednich wymiarach, powoduje powstanie na ich brzegach zarysowań o różnych rozmiarach i kształtach.

Opis badań
    Badaniom wpływu jakości wykończenia krawędzi poddano próbki o grubości 3 mm wycinane z tafli szklanej ręcznie lub za pomocą maszyny. Krawędzie próbek były oszlifowane lub nie zostały poddane żadnemu procesowi obróbki. Dla każdego typu próbki przeprowadzono 10 prób zginania.

Rezultaty
    Wyniki zestawiono w tabeli 3.

    Z tego doświadczenia wynika, że nośność elementu w decydującym stopniu zależy od wykończenia jego krawędzi. Na kondycję krawędzi mają wpływ zarówno sposób wycinania elementu z tafli szklanej jak i procesy obróbki. Próbki wycięte mechanicznie wykazują wyższą wytrzymałość średnią, ale równocześnie większą wartość odchylenia standardowego, co oznacza, że występują większe rozbieżności wyników badań próbek o jednym rodzaju wykończenia krawędzi.

Badania wytrzymałości na zginanie szklanych próbek poddanych próbie trójpunktowego zginania
Opis badań

    W 2006 r. w laboratorium zakładu Génie Civil na Faculté Polytechnique de Mons przeprowadzono eksperyment, celem którego było określenie wartości siły niszczącej dla szklanych elementów poddanych zginaniu. Badane próbki wykonane były ze szkła wyprodukowanego metodą float, które jest najczęściej stosowane w budownictwie. Krawędzie próbek zostały oszlifowane. Każdą ze szklanych beleczek, dla bezpieczeństwa, owinięto przeźroczystą folią. Folia ta przeciwdziałała rozsypaniu się szkła po przekroczeniu nośności elementu. Umożliwiła ona również zaobserwowanie sposobu pęknięcia kolejnych próbek. Obciążenie próbki stanowiła siła skupiona,  przyłożona w środku rozpiętości między podporami. W punktach podparcia i w punkcie przyłożenia siły skupionej, między powierzchnią szklanej próbki a elementem maszyny wytrzymałościowej, zastosowano gumowe podkładki celem uniknięcia koncentracji naprężeń. By zapobiec wyboczeniu zastosowano boczne elementy podtrzymujące.

Wyniki eksperymentu
    Porównując wyniki doświadczenia uzyskane dla kolejnych próbek można zaobserwować duży rozrzut wartości sił niszczących. Minimalna uzyskana wartość siły niszczącej wyniosła 893,4 N dla próbki 12, a maksymalna 2205,6 N w przypadku próbki 20. Ten duży rozrzut wyników doświadczeń spowodowany zastał najprawdopodobniej dużym zróżnicowaniem wielkości mikrorys krawędziowych występujących w próbkach.
    Podczas próby zginania próbek szklanych w laboratorium w Mons wykonano wykresy obrazujące zależność wartości siły niszczącej P i przemieszczenia środkowego punktu próbki u. Przykładowy wykres zamieszczono na rys. 6.

    Przebieg zależności P(u) reprezentuje prosta łamana. Ten załamany przebieg jest rezultatem zastosowania podkładek gumowych w miejscu podparcia i w miejscu przyłożenia siły skupionej. Zachowanie się szkła pod wpływem obciążenia, bez wpływu oddziaływania podkładek elastycznych, obserwuje się dopiero od punktu 1 (rys. 6.), w którym następuje znaczne zwiększenie kąta nachylenia linii reprezentującej zależność P(u) do osi poziomej wykresu. Od tego punktu widać liniową zależność między siłą a przemieszczeniem. Tuż przed osiągnięciem wartości obciążenia niszczącego (punkt 2, rys. 6.), szkło nie wykazuje żadnych odkształceń plastycznych, a zniszczenie próbki następuje nagle w wyniku pęknięcia, co potwierdza idealnie kruchą naturę szkła.

 Sposób pękania próbek
    Oprócz wykresów P(u) w Mons wykonano także zdjęcia próbek po pęknięciu. Wygląd wybranej próbki po zniszczeniu przedstawiono na rys. 7.
    W zniszczonym elemencie szklanym można zaobserwować charakterystyczny układ pęknięć. Pęknięcia rozchodząc się w różnych kierunkach z jednego punktu, położonego w strefie naprężeń rozciągających, tworzą formę przypominającą wachlarz. Punkt inicjacji pęknięć (środkowy punkt wachlarza) dla wielu próbek nie wystąpił dokładnie w centralnym punkcie próbki, w którym poziom naprężeń rozciągających teoretycznie był największy. Może to oznaczać, że rysa o największym rozmiarze nie znajdowała się w samym środku rozpiętości belki, a w jego okolicy. Porównując obraz zniszczeń próbek można stwierdzić, że im większa wartość siły niszczącej, tym większa liczba pęknięć tworzących wachlarz. Zatem już po samym wyglądzie zniszczonej próbki można stwierdzić, która z próbek miała większą wytrzymałość. Na rys 8, 9, 10 i 11 zamieszczono wykresy P(u) i zdjęcia przedstawiające wygląd po zniszczeniu próbek 12 i 20. Próbka 12 została zniszczona siłą o najmniejszej wartości, a próbka 20 charakteryzowała się największą nośnością.

Kryterium pękania materiałów kruchych a wyniki eksperymentu
    Jak wynika z zależności:

    w celu określenia krytycznej wartości współczynnika intensywności naprężeń, niezbędna jest znajomość dwóch wielkości. Pierwszą z nich jest wartość naprężenia niszczącego σC, drugą jest długość pierwotnego uszkodzenia a, znajdującego się w miejscu, z którego rozpoczęła się propagacja pęknięcia. Z powodu braku danych dotyczących długości uszkodzenia, nie można jednoznacznie określić wartości KIC dla badanego w Mons szkła. Uzyskanie wartości KIC w przeprowadzonym doświadczeniu byłoby możliwe, w przypadku badania próbek zarysowanych w kontrolowany sposób, czyli po wprowadzeniu rysy o ściśle określonej długości lub po mikroskopowym badaniu próbek szklanych, w celu określenia długości pierwotnego uszkodzenia krawędzi. Wyniki badań skłaniają do przekonania, że im bardziej ograniczymy rozbieżność głębokości rys na krawędzi, tym bardziej można będzie ograniczyć zmienność wartości sił niszczących. Będzie wtedy również możliwe precyzyjniejsze określenie kryteriów zniszczenia, a więc bardziej dokładne określenie wartość wytrzymałości elementu.

    Ograniczenie wielkości zarysowań na krawędzi elementów szklanych można by osiągnąć przez pewne zmiany w technologii produkcji szkła, np. przez zastosowanie innego sposób cięcia szkła, czy lepszego narzędzia do obróbki krawędzi. Jednak przy wprowadzaniu wszelkich innowacji w procesy technologiczne szkła, trzeba mieć na uwadze wzrost kosztów, spowodowany tymi innowacjami. Należy pamiętać, że szkło znalazło tak szerokie zastosowanie jako materiał przezroczysty głównie ze względu na swoją niską cenę. Istnieją na rynku liczne materiały, które podobnie jak szkło są przezroczyste, a przy tym mniej kruche, czyli bardziej bezpieczne. Nie są one jednak rozpowszechnione ze względu na bardzo wysoki koszt produkcji. Poprawiając technologię obróbki krawędzi, w celu zwiększenia nośności szklanych elementów, powinno się pamiętać, że niedopuszczalne jest, by obróbka krawędzi samego elementu trwała dłużej niż jego wyprodukowanie.

Dobrosława Jaśkowska
Artykuł powstał na podstawie pracy magisterskiej „Warunki pękania i zniszczenia szkła” napisanej pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Tomasza Łodygowskiego i dr. inż Witolda Kąkola w Zakładzie Komputerowego Wspomagania Projektowania Politechniki Poznańskiej.

więcej informacji: Świat Szkła 1/2009

wszystkie części cyklu artykułów:
- Kryterium pękania i zniszczenia szkła konstrukcyjnego , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 9/2008,
- Badania elementów szklanych w różnych warunkach obciążenia i pracy , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 1/2009,
- Budowa wewnętrzna i właściwości szkła konstrukcyjnego , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 3/2009
- Technologia szkła stosowanego w budownictwie , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 4/2009,
- Od biżuterii do materiału konstrukcyjnego , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 6/2009,  
patrz też:
- Szkło jako materiał konstrukcyjny , Marcin Kozłowski, Świat Szkła 4/2010   

- Łączniki punktowe w szklanych konstrukcjach , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 1/2009

- Projektowanie szklanych konstrukcji mocowanych punktowo , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 2/2009

- Badanie doświadczalne konstrukcji szklanych mocowanych punktowo , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 3/2009 

- Analiza numeryczna konstrukcji szklanych mocowanych punktowo cz. 1 , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 4/2009

- Analiza numeryczna konstrukcji szklanych mocowanych punktowo cz. 2 , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 6/2009 

 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik