Стеклометаллические балки: разработка гибридных конструкций

Введение
Сечение стеклометаллических балок принципиально иное по сравнению со стеклянными, и они сконструированы в виде фланцевых балок с двумя стальными фланцами на концах и соединенной с ними стеклянной балкой со стеклянным же ребром жесткости, но разновидности конструкций этим не ограничиваются. Отдельные компоненты прикреп­ляются путем сплошного приклеивания по всей длине с использованием подходящей технологии склейки стекла. Однако типичные стальные стержневые балки с прямоугольным сечением обладают минимальной гибкостью при продольном изгибе, а стекло обладает существенной внутренней потерей несущей способности после разрушения каждой стеклянной панели независимо от типа стекла.
Гибридные стеклометаллические балки, рассматриваемые здесь, были разработаны по специальному заказу. Были проведены различные тесты на изгиб при опирании на четыре точки в широком диапазоне варьируемых параметров.
Экспериментальные результаты показали потенциальную пригодность стеклометаллических балок в прозрачных архитектурных решениях. Данная работа показывает важное свойство сохранения несущих свойств в состоянии после разрушения по сравнению со стеклянными балками прямоугольного сечения. Рассматривалась частная конструкция из хрупкого стекла и пластичной стали, что повысило необходимый запас статической прочности прозрачных несущих элементов, использованных в конструкции здания.
Для данного случая применения были изготовлены типичные стеклянные балки с прямоугольным сечением из ламинированного стекла. Техническими стандартами на конструкционные элементы из-за хрупкости стекла предусмотрено обеспечивать увеличенный запас прочности каждого конструкционного элемента здания, для которого все еще невозможно достоверно определить численные значения расчетным путем. В [1] и [2] проанализировано поведение стержней из ламинированного стекла под нагрузкой. Стеклянные балки теряют присущую им нагрузочную способность после разрушения каждой из стеклянных панелей из ламинированного безопасного стекла независимо от типа стекла, которое было испытано. Индивидуальное разрушение панелей имеет место приблизительно в одной и той же локализованной области. Это происходит из-за разрыва ПВХ-прослойки и последующей потери несущей способности пакета панелей.
Инновационные гибридные комбинированные балки из стекла и стали были разработаны как типичный композитный материал для применения в здании по индивидуальному проекту. Оба материала дополняют друг друга, чем достигается требуемая прозрачность и существенное повышение конструкционных свойств для использования в строительстве [3]. Стеклометаллические балки характеризуются сочетанием свойств элементарных компонентов с конструктивными преимуществами, достигнутыми в сечении при соединении продольных элементов в одно целое. В принципе, дизайн и размеры гибридных балок можно изменить по заказу для удовлетворения индивидуальных конструктивных требований прямо на месте строительства здания.

Предмет исследований
В целом, системное соединение стекла с гибкими и вязкими материалами придает ему такие свойства, которые нельзя достичь в монолитном стекле или в пакете ламинированного стекла. Использование стеклянных балок в качестве конструкционного материала в фасадных системах требует адекватной нагрузки на них и, в частности, обладания ими существенной несущей способности даже после разрушения целостности стекла (поведение конструкции после разрушения). Гибридные балки, сделанные из стекла и стали, на чем было сфокусировано данное исследование, способны еще более улучшить свои конструкционные несущие свойства и несущую способность после разрушения стекла.
Соединение деталей было оптимизировано для использования стекла в обычных условиях с учетом условий продольного склеивания двух соединяемых материалов — стекла и стали. Таким образом, были проанализированы поверхности стекла и различных видов стали, чтобы определить пригодность их для склейки акрилатными адгезивами с УФ-отверждением и фото-отверждением дневным светом. Были проведены дополнительные тесты на растяжение склеенных образцов. Затем были проведены испытания поведения различных типов гибридных балок, задействованных в строительстве, для определения их поведения в составе конструкции и их несущих свойств после разрушения стекла и сравнения результатов с балками прямо­угольного сечения, выполненными из ламинированного безопасного стекла. Существенная часть испытаний — испытания взаимодействия стекла и стали при наличии разбитых и цельных панелей стекла.

• Share

Характеристики поверхности материалов
Была исследована смачиваемость полированной стали, нержавеющей стали, стали с гальваническим покрытием и хромированной стали. Таким путем можно определить углы контакта между наносимой известной жидкостью и испытываемым твердым веществом с определенной поверхностью. Итак, контактные углы росли из-за энергетического взаимодействия между твердым и жидким веществами, на что влияли химический состав клеящей композиции и топология микронеровностей на поверхности твердого вещества. В целом, небольшой контактный угол менее 30° показывал достаточную смачиваемую способность поверхности [4].
Для определения контактных углов на поверхности металлов наносились капли испытательной жидкости. Вслед за этим определялось сечение капли по методу Юнга-Лапласа, как показано на рис. 1. Измерения проводились сразу для всех четырех испытываемых поверхностей металла и по десяти точкам на образце. Поверхности металла были предварительно тщательно очищены и обез­жирены. Испытательной жидкостью была дистиллированная вода.
Результаты, показанные на рис. 2, демонстрируют, что наименьший контактный угол для четырех поверхностей получается у необработанной нержавеющей стали. Полученные контактные углы были примерно одинаковыми для полированной стали и стали с гальваническим покрытием, а у хромированной стали угол был меньше, чем у них обоих, но больше, чем в случае с нержавеющей сталью. Таким образом, смачиваемость для нержавеющей стали оказалась наилучшей среди четырех испытанных образцов поверхности.
Следующая характеристика поверхности — особенно для твердой поверхности — способность обладать высокой поверхностной энергией, для жидкостей это называется поверхностным натяжением. Поверхностная энергия представляет собой энергию, которую необходимо приложить, чтобы разорвать химические связи и тем самым образовать новую поверхность жидкости или твердого вещества. Поверхностную энергию твердого вещества можно определить косвенно путем измерений контактных углов двух различных жидкостей. Отношение между контактными углами, т.е. поверхностным натяжением жидкостей, граничное натяжение между двумя фазами и поверхностью твердого вещества описано в свое время Юнгом. Вычисление поверхностного натяжения по Юнгу:

• Share

Как выяснили аналитики Оуэнс, Вендт, Рабель и Кэльбль (Owens, Wendt, Rabel, Kaelble) поверхностное натяжение/энергию можно разделить на полярную и неполярную части. Т.е., для вычислений требуется использовать минимум две жидкости, о которых известно, что одна из них принадлежит к полярной фракции, а другая — к неполярной.
Как показано на рис. 3, наибольшей поверхностной энергией обладает нержавеющая сталь. Поверхности сталей других видов обладают энергий этого же порядка. Их полярные и неполярные фракции энергии сопоставимы.
Поверхность нержавеющей стали обладает наибольшей полярной фракцией, которая более чем вдвое выше по сравнению со сталями других типов. Из-за того, что именно полярная составляющая имеет существенное влияние при формировании сил межмолекулярного притяжения между различными материалами, нержавеющая сталь обладает лучшими характеристиками смачиваемости для максимальной адгезии склеивания.
Были определены также дополнительные контактные углы и соответствующая поверхностная энергия и для стекла. Результаты, приведенные на рис. 4, показывают, что поверхностная энергия со стороны цинкового покрытия выше, чем со стороны газа атмосферы. Обе стороны обладают примерно одинаковой полярной фракцией энергии. Существенное различие есть у неполярной составляющей разных стеклянных поверхностей.
Контактный угол стекла меньше по сравнению с поверхностью нержавеющей стали, обладающей лучшей смачиваемостью, и, тем самым, она обладает большей поверхностной энергией, особенно ее полярной составляющей. Стекло и нержавеющая сталь в принципе пригодны для совместного применения в клееных конструкциях. Б?льшая поверхностная энергия у металла может быть обеспечена специальной обработкой поверхности, например, пламенным обжигом или плазменной обработкой в обычной атмосфере.

• Share

• Share

Испытания стеклометаллических образцов на разрыв
Вызванное адгезией напряжение внутри композитной системы, состоящей из стеклянной панели, клеящего слоя из акрилата и металлической конструкции, также было предметом испытаний на разрыв. Тесты проводились с целью получения первичной информации и результатов для выбора наилучшей поверхности металлов для склейки. Таким образом, было проведено четыре серии испытаний для различных типов сталей и соответствующих их поверхностей.
Были испытаны поверхности из полированной черной стали, нержавеющей стали, стали с гальваническим покрытием и хромированной стали. Цель этого — сократить число возможных материалов и покрытий и выбрать два наилучших сочетания. Черная сталь — это материал, который не применяется в фасадных конструкциях, однако он испытывался в этих сериях, чтобы получить величину различия между сталью с покрытием и без покрытия и другими сталями соответственно.
Образцы испытывались, как показано на рис 5. Для проведения правильных испытаний на разрыв к композиту стекло-акрилат-металл был прикреплен хомут. Было невозможно прикрепить чувствительный элемент тензометра непосредственно к испытываемому материалу из-за тонкости металлического профиля. Его нужно было согнуть минимум вдвое.
Проблема состояла в том, что неконтролируемый изгиб хомута мог оказать влияние на измерения в месте склейки. То есть результат измерений мог содержать данные напряжения и клеящего слоя, и изгиба хомута. Потребовалось использовать эпоксидную смолу, которая жестче и прочнее акрилата, как по величине адгезии, так и когезии, т.е. вызвать контролируемый разрыв сначала по слою акрилата или вдоль его контактной поверхности.
Образцы были изготовлены с использованием шаблонов и прихватов, чтобы обеспечить полную одинаковость толщины клеящего слоя и параллельность поверхности пластин стекла и металла и одинаковость геометрических размеров образцов.
Перед склейкой детали были очищены и обезжирены чистящим агентом, рекомендованным производителем клеящего состава, после чего детали фиксировались в два приема: сначала наносился слой акрилата, и он подвергался облучению определенной дозой УФ-излучения (или света) до отверждения, потом выполнялось эпоксидное соединение с хомутом. Испытания проводились с помощью универсального испытательного стенда, как показано на рис. 6.
Для каждого материала и поверхности было проведено минимум по 10 испытаний для получения статистически значимых данных с учетом 5%-квантили. Предпочитаемое статистическое распределение должно укладываться под кривой Гаусса. Но, как видно в [5], наилучшее и самое благоприятное распределение для серии испытаний с коэффициентом вариации более чем 5% — распределение по закону нормального логарифма. Если в испытательной серии одна или более ковариаций превышает 5%, можно использовать распределение по нормальному логарифму. Результаты и уравнения для распределения с 5%-квантилем показано на рис. 7. Ковариации для разрушающей нагрузки и напряжения находились в пределах от 11% до 25%. Было исключено по одному результату из каждой серии испытаний для черной полированной стали и нержавеющей стали, поскольку их параметры для разрушения вышли за рамки объясненных выше вероятностных пределов, и эти случаи не могут быть объяснены с механической точки зрения.
Результаты серий испытаний ясно показывают, что черная полированная сталь имеет наилучшие характеристики в смысле требований к материалам и поверхностям. Но в связи с тем, что черная сталь испытывалась только для сравнения с данными других сталей, предпочтительными материалами для композита оказались нержавеющая и гальванизированная (оцинкованная) сталь. Однако окончательное решение будет принято после проведения климатических испытаний образцов, включая их испытания солнечными лучами и испытания в климатической камере. Пока только были проведены испытания некондиционных образцов при температуре окружающей среды.

• Share

Тест на изгиб на четырех опорах
Для изучения поведения гибридных балок в составе конструкции до и после разрушения балки были испытаны методом изгиба на четырех опорах в соответствии с требованиями, описанными в [6]. Результаты сравнивались с несущей способностью балок из ламинированного безопасного стекла с прямоугольным сечением. На рис. 8 показано полу-сечение испытанных образцов.
Все образцы были сделаны из ламинированного безопасного стекла, выполненного из трех панелей отожженного стекла толщиной 6 мм и прослойкой из поливинилбутирала (PVB) толщиной 0,76 мм. Размеры образцов были 1100 мм в длину и 100 мм поперек. Были использованы стекла только со шлифованной матовой кромкой, поскольку они дают меньший разброс показателей и более высокое значение среднего значения разрушающей нагрузки, чем в случае с полированной или фацетированной (скошенной) кромкой [2]. Для стальных деталей гибридных балок была использована нержавеющая сталь из-за наилучших показателей, полученных в результате теста на разрыв клеящего слоя.
Как видно на рис. 9 и было описано в [1], [2] и [7], экспериментальный комплект одинарной балки опирается на защемленную опору и опору с роликом. Две точки приложения нагрузки размещены на третях длины балки, имитирующих значительно более широкую зону нагружения, чем дает постоянный изгибающий момент совместно с малым влиянием нагрузки на срез. Дополнительно были установлены боковые скобы, удерживающие балку от возможной потери устойчивости под нагрузкой из-за имеющихся остаточных крутящих напряжений в гибридной балке. Стрелу прогиба балки измеряли тензометром, установленным по середине балки. Испытания всегда прерывались после того, как разрушится хотя бы одна из трех пластин в балке. После этого испытания продолжались для изучения поведения балки в состоянии после разрушения.
Для сравнения поведения гибридных балок в составе конструкции до и после разрушения стекла были испытаны различные балки, жесткость при изгибе можно было вычислить по приложенной нагрузке и прогибу (рис. 10). Усиленные гибридные балки продемонстрировали увеличенные показатели жесткости по сравнению со стеклянными балками без стальных элементов. Наивысшую жесткость при прогибе показали испытания балок с типом сечения S1 и S2 (рис. 8). Поведение после разрушения стекла в стеклометаллической балке было много лучше, чем у обычных стеклянных балок. Стеклянные балки теряли свою несущую способность после разрушения всех своих стеклопанелей. Лучшую жесткость при прогибе после разрушения хотя бы одного из слоев стекла показали балки с сечением типа S3, сохранившие более 80% своей несущей способности по сравнению с балками с еще целыми стеклами.
Все описанные испытания носили кратковременный характер. С целью определить торможение при трещинообразовании и релаксационное поведение, необходимо данную серию испытаний дополнить соответствующими тестами при дальнейших исследованиях. Однако такие результаты долгосрочного поведения не были предметом данной статьи.

• Share

• Share

• Share

• Share

Выводы и заключение
Конструкционное использование стеклянных балок в фасадных системах требует от них адекватной несущей способности и наилучшего поведения после разрушения хотя бы одной из стеклянных панелей. Стальные компоненты, введенные в конструкцию балки путем приклейки к стеклу по всей длине способны существенно увеличить несущую способность балок. Были проведены испытания стеклометаллических образцов на лучшие показатели смачиваемости и прочности склейки на разрыв, которую продемонстрировала нержавеющая сталь.
Образцы стеклометаллических гибридных балок с разной конструкцией сечения были подвергнуты испытаниям на прогиб под нагрузкой, приложенной в четырех точках по известной методике. Гибридные балки показали гораздо лучшие результаты и по средней несущей нагрузке, и по поведению после разрушения хотя бы одного слоя стекла, чем балки из ламинированного безопасного стекла. Лучшее поведение до разрушения продемонстрировали образцы с сечением типов S1 и S2 (рис. 8). Наиболее подходящим по нагрузке, которую балка выносит после появления трещины по хотя бы одному слою стекла, был признан образец с сечением типа S3, где в качестве усилителя использовался тавровый профиль из нержавеющей стали, вклеенный по обеим сторонам своего ребра. Дальнейшие исследования будут проведены с учетом изучения стойкости и долговременного поведения клеящего слоя в нагруженной гибридной балке из стекла и стали.

Ссылки
1. Hess, R.: Glastr?ger. Forschungsbericht. Z?rich: vdf Hochschulverlag 2000.
2. Weller, B.; H?rth, K.; Werner, F.; Hildebrand, J.: Hybridbauteile im Konstruktiven Glasbau. Stahlbau Spezial. Berlin: Ernst & Sohn 2009. pp. 29–35.
3. Weller, B.; Weimar, T.: Glass plus X — Development of Innovative Hybrid Structures. IABSE Congress; Creating and Renewing Urban Structures; Chicago 2008. pp. 348-349.
4. Habenicht, G.: Kleben: Grundlagen, Technologien, Anwendungen. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2006.
5. [5] Deutsches Institut f?r Normung (DIN): GRUBEBAU: Grundlagen zur Beurteilung von Baustoffen und Bauarten im Pr?fzeichen- und Zulassungsverfahren — allgemeine Kriterien — experimentelle Bestimmung von Eigenschaften — Festlegung von Kontrollen. Berlin: Beuth 1986.
6. DIN EN 1288-3: Glass in building — Determination of the bending strength of glass — Part 3: Test with specimen supported at two points (four point bending). Berlin: Beuth 2000.
7. Louter, P.C.: Adhesively bonded reinforced glass beams. HERON Volume 52 no. 1/2 Special Issue on Structural Glass. Delft: 2007. pp. 31–57.

Проф., д.т.н. Бернард Веллер (Bernhard Weller), дипл.-инж. Торстен Вельмар (Thorsten Weimar), дипл.-инж. Филипп Крампе (Philipp Krampe), дипл.-инж. Аня Вальтер (Dipl.-Ing. Anja Walther), Дрезденский технический университет, Институт строительных конструкций, Дрезден, Германия. По  материалам доклада на Glass Performance Days 2009, Тампере, Финляндия, июнь 2009 г.