Исследование прочностных свойств современного стекла в строительстве

В ходе эксперимента испытаниям были подвергнуты 2 партии образцов: Партия 1 и Партия 2.
Перед испытаниями все образцы были исследованы на наличие дефектов внешнего вида.
Испытания были проведены на экспериментальной установке — испытательной машине FP 100/1 нагрузка 10 тс, (свидетельство о поверке № 57550/445 от 28.05.2007 г.)
При испытаниях измеряли: толщину образца (мм), разрушающую нагрузку (кН), прогиб (мм).

Таблица 2.1. Средние результаты испытаний и доверительные интервалы разрушающего напряжения по партии 1*

• Share

Таблица 2.2.

• Share

Обработка результатов
Обработка полученных результатов испытаний проведена в соответствии с СТП 12-5-78 и EN 12603:2002 (E). Расчет доверительного интервала проводился по методу 8.4.1 стандарта.
В таблицах 2.1 и 2.2 приведены усредненные данные и доверительные интервалы разрушающего напряжения при вероятности разрушения 0,1% по двум партиям продукции 1* и 2* соответственно.

Таблица 3

• Share

Анализ результатов
Следует сразу отметить, что для инженеров-конструкторов, занимающихся прочностью конструкционных материалов, стекло является особым материалом ввиду высокого разброса прочностных характеристик.
В таблице 3 для сравнения приведены известные прочностные характеристики традиционных, хорошо известных материалов.
Из результатов измерений прочности пожаростойкого многослойного стекла следует, что разрушающая нагрузка растет (а прочность падает) с ростом общей толщины (и сложности конструкции) образца. В таблицах 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3 приведены значения предела прочности, где предел прочности есть коэффициент 0,426, умноженный на разрушающую нагрузку, деленный на квадрат толщины стекла.

qi = 0,426P/hi2

Где qi — предел прочности при центрально симметричном изгибе i-го образца, кГс/мм2;
Pi — разрушающая нагрузка i-го образца, кГс;
hi — толщина i-го образца, мм.
В полученных результатах не наблюдается зависимости коэффициента вариации (процента среднеквадратического отклонения) предела прочности от сложности конструкции образца.
Следует отметить, что несимметричные конструкции стекол выдерживают бульшие нагрузки при воздействии со стороны стекла, чем со стороны ПВБ-пленки триплекса (см. рис. 1а). Данная закономерность подтверждается как при расчетах средней прочности (среднего значения предела прочности) (рис. 1а), так и при расчетах предела прочности при вероятности разрушения 0,1% (рис. 1**).
При этом необходимо отметить, что с ростом числа слоев в образце (сложности конструкции) разница в значениях предела прочности при воздействии на разные стороны стекла снижается (см. рис. 1*).
Из результатов измерения прочности листового стекла и стекла, упрочненного методом ионного обмена, следует, что данный метод приводит к существенному (до 4–8 раз) росту предела прочности стекла. При этом основной прирост прочности происходит в начальной (до 2-х часов) фазе технологического процесса (на рис. 2 — резкий скачек средней прочности за 2 ч ионного обмена, для образцов 4 мм и 6 мм стекла). Дальнейшая процедура ионного обмена (до 16-ти часов) приводит к росту однородности прочностных характеристик в обрабатываемой партии (на рис. 2* — уменьшение коэффициента вариации) при учете значений с обеих сторон образцов.

Испытания показали, что для пожаростойкого многослойного стекла средняя прочность превышает характерную и принимаемую при расчетах строительных конструкций из отожженного стекла, но меньше принимаемого в расчетах предельно допустимого напряжения для изделий из закаленного стекла.

Проанализировав технологический процесс ионного обмена, можем прийти к выводу, что существенный рост прочности (на столько-то %) образцов достигается на первичном этапе обработки, что соответствует примерно 2-м часам. При последующей обработке (16 ч) могут быть достигнуты 2 цели:
А) получение более равномерной прочности с обеих сторон (с оловом и без);
Б) получение однородной партии образцов (уменьшение коэффициента вариации внутри партии);
(т.е. за первые 2 ч набирается максимальная прочность, далее (до 16  ч) выравниваются прочностные характеристики обеих сторон внутри каждого образца и внутри всей партии в целом).
В целом коэффициент вариации предела прочности в партии образцов толщиной 4 мм уменьшается с 39,63% до 26,85%, для образцов толщиной 6 мм с 41,3% до 31,02%. Однако наблюдается отклонение от этой закономерности при анализе пределов прочности при воздействии на образец с разных сторон. См. также таблицу 2.2.

• Share

• Share

Выводы
Стекло является аморфным и хрупким материалом, разброс прочностных характеристик которого выше, чем у традиционных конструкционных материалов, что требует продолжения исследований по выявлению технологических параметров и характеристик стекла, влияющих на его прочность. В результате испытаний не обнаружено зависимости разрушающих напряжений в стекле от наличия дефектов внешнего вида.
Образцы стекол сложной конструкции или неоднородные по составу имеют существенно различную прочность при воздействии на разные стороны листа, что может быть учтено в отдельных случаях применения стекла как конструкционного материала.
Технология упрочения методом ионного обмена позволяет достигнуть увеличения прочностных характеристик образцов, уменьшает их разброс внутри партии, однако неоднозначно влияет на прочность при воздействии на разные стороны образцов.
Учитывая актуальность проблемы, связанной с прочностью листового стекла, необходимо продолжить теоретические и экспериментальные исследования в данной области

А. Г. Чесноков, Зав. отделом стандартизации и испытаний,
С.А. Чесноков, н.с., ОАО «Институт стекла», г. Москва, РФ.,
А.Н. Королева, инж.-прогр., Институт систем программирования РАН, г. Москва, РФ.
Доклад на GLASS PERFORMANCE DAYS 2009, Тампере, Финляндия