Сэндвич-элементы из стекла и поликарбоната для остекления атриумов

Конструкция сэндвичей в огромной степени зависит от необходимости классификации по сопротивлению и по защитным свойствам при нападении. Ламинированное стекло со слоем поликарбоната много легче и тоньше, чем обычное безопасное стекло для тех же целей и нагрузок. Если вместо безопасного стекла для крышного (потолочного) остекления, остекления зимних садов и атриумов, которое воспринимает другие механические нагрузки, использовать стеклополикарбонат-сэндвич, то наблюдается совершенно иной характер распределения нагрузок, чем для вертикального остекления.
Эти эффекты возникают в частности из-за особой реологии и температурной зависимости свойств материала, используемого для промежуточного слоя. Уже подобраны и по составу, и по сечению материалы для стеклополикарбонат-сэндвича, которые могут служить для типичных приложений в архитектуре и для каждого вида по нагрузке и по классу защиты. Цель исследования — прочность и поведение сэндвич-конструкции до и после разрушения. Результаты подтверждены практическим использованием элементов из стеклополикарбонат-сэндвича для остекления крыш и атриумов.
В гражданском строительстве безопасное и защитное остекление используется в основном для защиты от наружного проникновения или вооруженной атаки. Стандарты в Германии разделяют защитное остекление на несколько классов по сопротивляемости: ручной атаке, [1]; противопулевого защитного остекления, [2]; безопасного остекления, сопротивляющегося взрывному воздействию, [3]. Степень защиты такого рода защитного остекления в соответствии со стандартами определена экспериментальными методами испытаний. Безопасное остекление классифицируется по сопротивляемости атаке.
В соответствии с классификацией по сопротивлению обычного безопасного остекления из ламинированного стекла его подразделяют по толщине сечения с учетом общего веса. В результате получают вес комплексной рамной конструкции и несущей конструкции. Для оптимизации требуемых функциональных свойств, исходя из свойств основных материалов — стекла и поликарбоната — и были разработаны композитные материалы. Стекло имеет высокую жесткость и поверхностную твердость. Поликарбонат характеризуется высокой ударной вязкостью и малым весом. Технический пластик из поликарбоната относится к разряду аморфных термопластов. Их комбинация в виде стеклополикарбонат-сэндвича отличается высокой сопротивляемостью удару и невысокому весу всей конструкции и относительно малой толщиной сечения.
Конструкция стеклополикарбонат-сэндвича состоит из как минимум двух стеклопанелей и минимум одного листа поликарбонатного пластика между ними. Панели и прокладка заламинированы слоем, в частности, полиуретана, который относится к группе термопластичных эластомеров.
Типичное применение стеклополикарбонат-сэндвич-панелей — вертикальное безопасное остекление с четырехсторонней несущей рамой. Результирующая нагрузка перпендикулярна плоскости панели и имеет динамическую и статическую составляющую. Динамическая составляющая определяется экспериментальным путем замеров согласно характеру (типу) атакующего воздействия, как заведомо наибольшая из всех возможных для этого класса защиты. Статическая нагрузка на вертикальное остекление состоит из ветровой нагрузки и для ламинированного стекла с покрытием — из дополнительной «климатической» нагрузки. Прочность вычисляется с учетом размеров панели и ее сечения без учета поперечной нагрузки. Выдерживаемая листом поликарбоната нагрузка не принимается в расчет.

• Share

ТАБЛИЦА 1. Сравнение ряда отдельных характеристик стекла и поликарбоната [4], [5], [6]

Если безопасное стекло используется в качестве горизонтального остекления, распределение механических нагрузок в стеклополикарбонат-сэндвич-панели носит иной характер по сравнению с вертикальным остеклением.
В Германии остекление атриумов и горизонтальных поверхностей крыш определено в [7] как остекление с углом наклона более, чем 100° от вертикали, под которым разрешен проход или нахождение людей. Помимо несущей способности от такого остекления требуется адекватное «поведение» после разрушающего воздействия и удержание осколков от падения на людей, которые могут оказаться под разрушенным остеклением.
Аналогично вертикальному остеклению результирующая нагрузка горизонтального потолочного остекления ортогональна плоскости панели и может быть разделена на динамическую и статическую составляющие. Далее, несущая способность составной конструкции к динамическому нагружению определяется экспериментально согласно классу защиты в зависимости от требуемой сопротивляемости по классификации. Статическая нагрузка потолочного остекления разделяется на собственный вес и снеговую нагрузку. Аналогично, прочность вычисляется с учетом размеров панели и ее сечения без учета поперечной нагрузки. Выдерживаемая листом поликарбоната нагрузка не принимается в расчет. В результате — применяемая ныне в Германии методика расчетов в итоге приводит к неэкономичному использованию более толстых листов стеклополикарбонат-сэндвичей, что приводит к утяжелению всей конструкции перекрытия.

• Share

Предмет исследований
В рамках проведенного экспериментального исследования были проведены испытания поведения конструкций до и после разрушающего воздействия. Существенной частью испытаний было изучение взаимодействия стеклянных панелей с листом поликарбоната в разбитом и не разбитом состояниях стекла. Перенос поперечной нагрузки на промежуточный слой через слой полиуретана тоже представлял практический интерес. Численная модель стеклополикарбонат-сэндвича была генерирована после тестов для описания экспериментальных данных.

• Share

• Share

Испытательная процедура
Экспериментальная установка соответствовала схеме нагружения в четырех точках согласно [8] для определения предела прочности при изгибе образца стекла, опертого в двух точках. Образец нагружался гидравлической машиной. Верхняя часть оборудования была соединена с тест-машиной и разгружала образец от нагрузки собственным весом. Размеры образцов для испытаний были 1100 мм на 360 мм. Образцы первого типа представляли собой один лист пластика из поликарбоната (PC), двух слоев полиуретана (PUR) и двух листов отожженного стекла (AG), а другого типа — с закаленным стеклом (TG) с обеих сторон. Толщина образцов различалась толщиной стекла, толщина промежуточного слоя из PUR — 2 мм. Всего было исследовано по шесть образцов каждых двух типов и каждых трех типоразмеров, их толщины приведены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Толщина сечения образцов по слоям

В центре каждого образца между слоями были приклеены тензометры для измерения прилагаемой нагрузки в главном направлении. Приклейка тензометров велась до процесса ламинации сэндвича. Видимой деламинации вокруг мест постановки тензометров и вдоль тонких сигнальных проводков не наблюдалось.
Во время испытаний скорость нагружения была постоянной и составляла 2 мм/с для контроля деформации и 0,2 кН/с для контроля силы. Время нагружения составляло для всех испытаний 60 с. Шаг — 10 мм для контроля деформации и 1 кН для контроля силы. Испытания проводились на целых и уже ломаных (битых) панелях.
Измерительная техника регистрировала информацию об усилии, деформации и результирующим напряжениям между слоями стеклополикарбонат-сэндвича.

Результаты замеров поведения конструкции
Поведение панели из стеклополикарбонат-сэндвича было получено расшифровкой данных сила/время и деформация/время. Серии данных, полученные для каждого образца и каждого значения предустановленной величины максимальной осадки, затем обрабатывались статистически.
На рис. 5 показано поведение конструкции стеклополикарбонат-сэндвича, которое зависит от его жесткости на изгиб. Жесткость на изгиб каждой композитной секции складывалась из взаимовлияния изгибной жесткости материала (модуль упругости) и упругости сечения (геометрический момент инерции второго порядка) единичных компонент плюс незначительное влияние на жесткость сигнальных проводков. Испытанные образцы имели одинаковую общую толщину 22 мм, но различались толщиной слоев стекла и поликарбоната в сэндвиче.
Модуль упругости отожженного и закаленного стекла был принят 70000 МПа (по данным [4] и [5]). Все замеры проводились кратковременно, при комнатной температуре и отсутствии химических и физических повреждений образцов, Модуль упругости поликарбоната был принят равным 2500 МПа, [6]. Жесткость на изгиб существенно зависела от толщины стеклянных панелей, что можно видеть на рис. 5.
Образцы типов P01и P04 с самыми тонкими листами стекла потребовали максимального усилия, чтобы достичь предустановленной величины осадки 10 мм. Критически важным детерминантом поведения конструкции оказался именно параметр толщины стекла в панели из стеклополикарбонат-сэндвича.

• Share

Эксперименты по изучению поведения конструкции после разрушения
Поведение после разрушения определяется как сопротивление общему обвалу частично поврежденной системы. В соответствии с [7], потолочное остекление нуждается в адекватной связи осколков, а на само «пост-крэш» поведение системы весьма влияет характер фрагментации и размер осколков, что важно и для предотвращения падения крупных фрагментов на людей в случае обрушения остекления.
Для анализа поведения стеклополикарбонат-сэндвича после частичного повреждения были проведены испытания с образцами с разбитым стеклом с обеих сторон или только с нижней стороны панели. Программа испытаний была повторена аналогично для изучения целой конструкции. Статистически обработанные данные «пост-крэш» поведения системы стеклополикарбонат-сэндвича для каждого типа образцов представлены на рис. 6, где для сравнения дополнительно показаны и цифры для цельных листов поликарбоната при таком же характере нагрузки.
Как видно на рис. 6, поведение системы после частичного разрушения существенно зависит от толщины листа поликарбоната. Образцы типов P03 и P06 с самым толстым листом PC требует максимального усилия, чтобы достичь оговоренной осадки 10 мм. Однако, сравнение поведения одиночного листа PC с «пост-крэш» поведением стеклополикарбонат-сэндвича показывает, что существует взаимовлияние между листом поликарбоната и связующими осколки слоями. Это определяющий детерминант поведения системы. Существенная зависимость между характером фрагментации и размером осколков на поведение системы обнаружена не была.
В этих же условиях сравнивалось поведение аналогичных по общей геометрии образцов обычного ламинированного стекла из отожженного и закаленного стекла. Для сравнения, обычное безопасное остекление из закаленного стекла вообще не имело «пост-крэш» поведения — оно полностью разрушалось при попытке частично разбить стекло на двух горизонтальных опорах (т.е., соответственно схеме нагружения в эксперименте).

• Share

Расчетные данные
Изгибная жесткость El образца вычислялась с учетом статического нагружения и величин силы F и деформации по уравнению 1:

W = (F * a)/24 El *(3*L2 – 4*a2) .

Данное уравнение применяется для расчета деформации W для статической системы или простого опертого на две точки бруса, которое заменяет собой схему опирания на 4 точки для листа, приведенное к изгибной жесткости El. Размеры l = 1000 мм в длину и а = 400 мм для расстояния от точек опирания до места приложения нагрузки.

• Share

Рис. 7. Корреляция между разными случаями сопротивления изгибу (нет перераспределения поперечной нагрузки, частичное и полное перераспределение поперечной нагрузки слоем полиуретана) показывает характер распределения напряжений, которые были рассчитаны для исследования образцов типа P05. Предустановленная нагрузка – 1 кН.

На изгибную жесткость стеклополикарбонат-сэндвича может влиять прослойка полиуретана из-за перераспределения поперечной нагрузки. Для расчета стеклополикарбонат-сэндвича была создана конечно-элементная модель с замещением фрагментами твердого тела. Эта программа для численного моделирования позволила рассчитать поведение конструкции для различных опытов. Предустановленная нагрузка была 1 кН. Вычисления были проведены для 2 случаев допущений и ограничений: нет перераспределения поперечной нагрузки и полное перераспределение поперечной нагрузки. Данные численного эксперимента сравнивались с данными измерений, как показано в табл. 3.

Таблица 2. Жесткость на изгиб стеклополикарбонат-сэндвича в сравнении со случаями полного, частичного или отсутствующего перераспределения поперечной силы благодаря слоям полиуретана. Предварительная нагрузка — 1 кН. Данные для образцов типов P01, P02, P03.

Величина изгибной жесткости могла находиться между значениями, вычисленными при полном и отсутствующем перераспределении усилия на изгиб. Анализ показывает наявность незначительного сопротивления изгибу из-за вклада, который вносит слой полиуретана в общее значение жесткости на изгиб.
Вследствие частичного переноса сопротивления изгибу на слой полиуретана, возможно только частичное перераспределение поперечной силы между одинарными листами. Таким образом, даже в случае листов с обоими разбитыми слоями стекла, смещение панелей одна относительно другой предотвращено. Жесткость на изгиб повышается вследствие частичного взаимодействия слоев в сэндвиче. То есть, поведение конструкции оптимизировано.
Соответственные нагрузки были вычислены по данным измерения деформаций. Функция деформации не показала никакого особого влияния на нее реологических характеристик использованных пластиков, поскольку условия испытаний были выбраны при комнатной температуре, и тесты относились к краткосрочным. Максимальное время приложения нагрузки в эксперимента составило 120 с. Напряжения рассчитывались согласно линейному закону Гука.
Численный анализ подтвердил наличие частичного перераспределения изгибной нагрузки через слой полиуретана, как показано на рис. 7. Если такого переноса нет, то система ведет себя как однородная пластина, нагрузки в ней неблагоприятны. При частичном переносе нагрузки слоями PU, напряжения в слое стеклянных панелей снижаются примерно вдвое по сравнению со случаем без перераспределения. Это означает, что панель из стеклополикарбонат-сэндвича ведет себя лучше, цельное или даже ламинированное стекло, перенося существенно большие нагрузки.

Выводы
Поведение до и после частичного разрушения панелей из стеклополикарбонат-сэндвича продемонстрировало существенную зависимость от соотношения толщины слоев стекла и листа поликарбоната. «Пост-крэш» поведение сэндвича во многом зависит от степени скрепления осколков со слоем поликарбоната. Испытания доказали повышение прочности на изгиб сэндвича из-за наличия слоя полиуретана. Дальнейшие исследования будут проведены для уточнения степени влияния слоя эластомера в сэндвиче.

Ссылки
[1] DIN EN 356: GIas im Bauwesen — Sicherheitssonderverglasung — Prufverfahren und Klasseneinteilung des Widerstandes gegen manuellen Angriff. Berlin, Februar 2000.
[2] DIN EN 1063: GIas im Bauwesen — Sicherheitssonderverglasung — Prufverfahren und Klasseneinteilung des Widerstandes gegen manuellen Angriff. Berlin, Januar 2000.
[3] DIN EN 13541: GIas im Bauwesen — Sicherheitssonderverglasung — Prufverfahren und Klasseneinteilung des widerstandes gegen Sprengwirkung. Berlin, Februar 2001.
[4] DIN EN 572-1: GIas im Bauwesen — Basiserzeugnisse aus KaIk-Natronsilicatglas — Teil 1: Definitionen und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften. Berlin, September 2004.
[5] DIN EN 12150-1: GIas im Bauwesen — Thermisch vorgespannten KalknatronEinscheibensicherheitsglas — Teil 1: Definition und Beschreibung. Berlin, November 2000.
[6] GE Plastic LEXAN® 9030: Datasheet.
[7] Technische Regeln fur die Verwendung von linienfOrmig gelagerten Verglasungen. In: Mitteilungen des DlBt 6/1 998, Berlin, September 1998.
[8] DIN EN 1288-3: Glas im Bauwesen — Bestiммung der Biegefestigkeit von Glas — Teil 3: Prufung von Proben bei zweiseitiger Auflagerung (Vierschneiden-Verfahren). Berlin, September 2000.