| 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).
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.
Rys. 2. Model MES do symulacji procesu gięcia na zimno
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.
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
Omówienie modelu MES dotyczącego rozkładu naprężeń
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.
Rys. 3. Próba zginania na zimno SSG i symulacja MES: (a) Próba zginania na zimno z natychmiastowym uszkodzeniem SSG oraz (b) Modelowanie MES
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)
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).
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.
Rys. 6. Pękanie SSG podczas testu gięcia na zimno
Rys. 7. Wzrost pęknięć w silikonie podczas testu gięcia na zimno na poziomie 104,6%
Rys. 8. Wzrost pęknięć w silikonie podczas testu zginania na zimno przy 118,6%
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.
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
Rys. 10. Trwałość SSG w oszkleniu giętym na zimno dzięki połączeniu testu w skali laboratoryjnej z przypadkiem analizy zrealizowanego obiektu
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.
Tabela 3. Uśrednione naprężenie w SSG w analizie zginania 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.
- 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
Jon Kimberlain, Lawrence D. Carbary, Pierre Descamps, Valerie Hayez, Jie Feng
Bibliografia
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne |
