Исследования поведения стеклопакета с жесткой кромкой на изгиб в холодном состоянии

Дата: 28 июля 2022 г.

Фасады произвольной формы с гнутым стеклом становятся все более популярными. Поскольку изгиб стекла обеспечивает лучшую устойчивость к нагрузкам вне плоскости, это может привести к получению более тонкого стекла. Новый многообещающий метод заключается в холодном изгибе тонких стеклянных пластин с жесткими структурными краями в гиперболический параболоид (гипар) и последующем соединении углов для создания автономной, самонапряженной системы. В этом исследовании процесс изгиба специально изготовленных стеклопакетов («панелей») исследуется с акцентом на явление локальной нестабильности. Гипотеза о том, что на эту нестабильность влияет краевая жесткость пластины, проверяется с помощью профилей из стеклопластика 30х30 мм в качестве распорок по периметру стекла.

Они были приклеены к стеклу с помощью силиконового клея Dow 993. Всего было изготовлено четыре панели размером 1,5x1,5 м: три из полностью закаленного (FT) стекла толщиной 4 мм и одна из химически закаленного стекла (CT) толщиной 1,1 мм. Панели были холодно согнуты в серии лабораторных экспериментов. Была разработана численная модель, чтобы обеспечить дальнейшее понимание механической реакции и предсказать результат экспериментов. При таких размерах используемых панелей сформировать гипар было невозможно. Из-за небольшой толщины стекла одна из диагоналей при холодной гибке всегда выпрямлялась. Панели FT толщиной 4 мм вышли из строя, когда нижняя пластина сломалась при угловом смещении около 150 мм и общей нагрузке 2,6 кН.

Первой сломалась также нижняя пластина КТ толщиной 1,1 мм при угловом смещении 120 мм и общей нагрузке 1,4 кН. Верхняя и нижняя пластины соприкасались в центре пластины, когда угловое смещение составляло около 50 мм для панелей FT 4 мм и около 30 мм для панелей CT 1,1 мм. Численная модель предсказала этот контакт и общее поведение панели до углового смещения 60 мм. Был сделан вывод, что стекло слишком тонкое, чтобы создать гипар такого размера. Экспериментальные данные, полученные вместе с численной моделью, полезны для будущих исследований и разработок.

Трехмерная кривизна достаточной величины может сделать возможным использование тонкого стекла (<2,1 мм) в зданиях, что приведет к облегчению конструкций и снижению выбросов углерода. Многие исследователи за последнее десятилетие рассматривали способы реализации этого, и многие, такие как Галуппи и др. (2014), Дациу и Оверенд (2016), рассматривают возможность придания тонким стеклянным листам формы гиперболического параболоида (гипар). Однако эти исследования показали, что существует одна серьезная трудность при формировании гипара из тонкой пластинки. При скручивании пластины возникает явление локальной неустойчивости, при котором одна из диагоналей пластины выпрямляется (рис. 1). Икхаут и Стаакс (2004) обнаружили, что эта нестабильность возникает при угловом смещении, примерно в 16 раз превышающем толщину пластины.

Неринг и Зиберт (2018) обнаружили, что использование многослойного стекла помогает добиться большей кривизны тонкого стекла. Чтобы еще больше замедлить нестабильность, Галуппи и др. (2014) предлагают решение, заключающееся в усилении краев. С помощью численного анализа они показали, что явление нестабильности действительно имеет отсроченный характер. Чтобы проверить это экспериментально, Янг (2019) провел физические эксперименты на закаленной стеклянной пластине. Результаты этих экспериментов казались многообещающими. Таким образом, исследование, описанное в настоящей статье, основано на этих выводах.

Пластины, использованные Янгом (2019), имели размер 1x1 м, были изготовлены из химически закаленного (CT, Zaccaria et al, 2019) стекла толщиной 1,5 мм, усиленного квадратными полыми профилями из армированного стекловолокном полимера (GFRP) размером 30x30x3 мм. В настоящем исследовании панели были увеличены до 1,5x1,5 м, чтобы приблизиться к размерам, ожидаемым в реальных приложениях. По этой же причине к блоку была добавлена ​​дополнительная стеклянная пластина для эффективного изготовления тонкого стеклопакета (IGU), который мог бы обеспечить приемлемый уровень теплопроводности, необходимый в современных зданиях (рис. 2).

По углам оставили зазор, чтобы полость не загерметизировали. Таким образом, отдельные части краевой рамы могли двигаться независимо, а внутреннее давление не влияло на процесс формования. Были использованы те же профили из стеклопластика, что и те, которые использовал Янг (2019), поскольку они были легкими, что соответствовало первоначальной цели создания легкого строительного продукта. Кроме того, стеклопластик обладает хорошими изоляционными свойствами и имеет хорошее соотношение жесткости и веса. Для тестирования различных конфигураций панели использовались два типа стекла. Три панели были изготовлены из полностью закаленного стекла (FT) толщиной 4 мм, а одна панель из стекла CT толщиной 1,1 мм. Первоначальное намерение состояло в том, чтобы произвести три панели CT толщиной 1,1 мм, но панели толщиной 1,1 мм в необработанном состоянии было сложно изготовить из-за их хрупкости, а количество стекла CT, полученное в течение периода данного исследования, было достаточным для одного стекла CT. блок, подлежащий сборке.