设计冲击玻璃以满足龙卷风性能标准



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自 1990 年代中期以来,关于风载碎片保护的建筑规范要求就已经存在,因此,许多玻璃系统已经通过了这些性能要求的测试和认证。

龙卷风缓解的性能要求不太熟悉,但多年来人们对开发在龙卷风易发地区提供冲击保护的玻璃系统的兴趣不断增长。虽然美国 77% 的龙卷风在增强型藤田规模上被归类为 EF1 或以下,这意味着持续风速低于 110MPH,但重要的是要考虑更强大的龙卷风的影响。

本演示文稿侧重于指定性能要求的当前标准和建筑规范,以及根据 ASTM E1886 确定的测试指南对使用离子塑料夹层的各种玻璃结构进行的测试计划的结果。当按照 ASTM 标准进行测试时,木质碎片“导弹”被推动以不同速度行进,模拟不同级别的龙卷风活动。

介绍

从 1992 年安德鲁飓风过后,美国采用了与风载碎片保护相关的建筑规范要求和标准,这导致冲击玻璃系统在 20 年的时间里得到了广泛使用。17 个沿海州受这些建筑规范要求的影响,包括佛罗里达州、乔治亚州、北卡罗来纳州和南卡罗来纳州、弗吉尼亚州、马里兰州、特拉华州、新泽西州、纽约州、康涅狄格州、罗德岛州、马萨诸塞州、密西西比州、阿拉巴马州、路易斯安那州、德克萨斯州和夏威夷州. 受龙卷风影响的州显然不存在。

尽管存在自愿性建筑规范要求,但受龙卷风影响最严重的州尚未采用这些规定。由于与龙卷风相关的风速远高于飓风,因此对风载碎片保护的测试要求更为严格。已针对飓风开发和测试的飓风冲击系统无法通过龙卷风的冲击要求。尽管设计用于龙卷风防护的玻璃系统很少见,但在医院、学校和社区建筑等关键场所提供更高级别保护的愿望促使建筑业主要求性能更高的系统。

分类龙卷风

除南极洲外,所有大陆都发现了龙卷风。欧洲许多国家都经历过龙卷风,还有澳大利亚、日本、南非、巴西和孟加拉国。美国每年报告的龙卷风超过 1200 次,主要发生在所谓的“龙卷风巷”——德克萨斯州西北部穿过俄克拉荷马州和堪萨斯州东北部。

Tetsuya Theodore Fujita 博士于 1971 年推出了第一个龙卷风分类系统。他将他的系统称为 Fujita Scale(F-Scale),它分为六类。2007年,F-Scale被Enhanced Fujita Scale(EF-Scale)取代,在美国使用。加拿大于 2013 年采用了 EF-Scale。EF-Scale 风速基于破坏程度,从轻微破坏到完全破坏。

TORRO 量表(T 量表)主要在英国用于测量从 T0 到 T11 的龙卷风强度。该尺度基于风速,由龙卷风和风暴研究组织 (TORRO) 的 Terence Meaden 开发,作为 Beaufort 尺度的扩展。

联邦要求

联邦紧急事务管理局 (FEMA) 361 标准《社区避难所设计与施工指南》适用于社区避难所(也称为“安全室”)。社区避难所的设计和建造是为了保护大量人员免受自然灾害事件的影响。这些房间可能是独立的建筑物或内部空间,其中社区安全室或区域在结构上独立于建筑物。被大量人员占用的学校、医院和其他关键设施通常是社区安全室的场所。由于避难所对生命安全的重要性,FEMA 361 仅引用了 EF5 龙卷风碎片保护的要求。

建筑规范要求

ICC/NSSA 500 风暴避难所设计和建造标准自 2008 年起可供美国任何司法管辖区采用和使用。该规范适用于飓风中风暴避难所的设计、建造、安装和检查。或龙卷风多发地区。阿拉巴马州是唯一一个采用此规范作为提供学校风暴避难所的工具的州。2015 年 IBC 在第 423 节中讨论了风暴避难所。在龙卷风避难所设计风速为 250 英里/小时(根据 ICC500)的区域以及在总居住人数为 50 人或更多的大多数 E 组住宅中需要风暴避难所。在此风速下进行测试需要 6804 克(15 磅)2 x 4 英寸的冲击力,速度为 161 公里/小时(100 英里/小时)或 45 米/秒(147 英尺/秒)。

来源:国家气象局 图 1

来源:国家气象局 图 1

冲击系统测试标准

ASTM E1996 对飓风影响系统和导弹等级的要求分类如下:

保护类别包括增强保护和基本保护,进一步分为最接近地面的区域(下方的导弹 C、D 或 E)和高度大于 9.1 米的部分(下方的导弹 A)。大多数商用玻璃系统都经过基本保护测试;但是,有些建筑物或带有玻璃系统的基本设施必须符合“E”级导弹的增强防护冲击要求。

根据 FEMA 361,用于确定所有风况下抗冲击性的标准导弹是 6804 g(15 lb)木头,2 x 4,通常长 3.6 m(12 英尺)。导弹以 45 m/s (147 f/s) 的速度推进。“通过”意味着导弹没有穿透玻璃,玻璃仍然附着在其框架上,玻璃碎片留在玻璃单元内。总体而言,FEMA 测试比 ASTM E1996 中的导弹 E 级要求严格得多。

美国建筑制造商协会于 2011 年发布了其 AAMA 512 龙卷风减灾开窗产品自愿规范。该标准使窗户制造商能够评估其产品的影响、压力循环和水渗透(仅限飓风区)。

来源:ASTM E1996 图 2

来源:ASTM E1996 图 2

来源:ASTM E1996 图 3

来源:ASTM E1996 图 3

图 4:测试系列 1

图 4:测试系列 1

测试程序

2014 年,可乐丽赞助了一项测试计划,以评估安装在中空玻璃单元中的夹层玻璃的性能。目标是根据 EF-3 要求测试层压板,因为在北美发生的所有龙卷风中有 95% 属于此类或更少。第一系列测试是在重型层压结构上完成的。层压板不仅通过了第一次冲击,而且完好无损,随后在角落受到冲击时断裂。然而,当测试样品首先在角落然后在 lite 中心受到冲击时,玻璃填充物无法抵抗第二次冲击。这些第一系列测试是使用 45 米/秒的导弹速度进行的。

图 5 第一轮测试中的导弹穿透玻璃

图 5 第一轮测试中的导弹穿透玻璃。

大约一年后进行了第二次系列测试,玻璃的组成以及由此产生的性能如下所示:

图 6 测试系列 2

图 6 测试系列 2

第三轮测试是用三个开窗系统进行的,这些系统用上述玻璃成分上釉,通过了 EF3 冲击要求。第三轮测试的主要目的是分析系统设计可能对玻璃填充物的性能产生什么影响。这些系统是一个干玻璃压力板幕墙系统,一个固定窗系统,内部有一个可拆卸的玻璃挡块,湿玻璃,以及一个四边结构玻璃幕墙。玻璃构成是一个绝缘玻璃单元,外侧有 18 毫米层压(6.84 毫米离子塑料),内侧有 14 毫米层压(4.56 毫米离子塑料)。

干釉压板幕墙系统因角部冲击拉边而失效;必须指出的是,这个特殊的系统有大约 12 毫米的玻璃边缘接合到幕墙框架中。当内部玻璃停止脱离并允许破坏建筑围护结构时,窗户单元发生了灾难性的故障。然而,四边结构玻璃幕墙系统轻松通过了冲击,但玻璃会向内部剥落。其中一个测试样本的内侧层压板贴有 PET 膜,但这并不能防止出现剥落。

应该指出,在这一系列测试中,主要目标是防止导弹穿透玻璃填充物;玻璃碎片控制不是主要的测试目标。值得注意的是,带有压敏粘合剂的应用薄膜似乎无法提供足够的运动差异,以允许内部玻璃平面在撞击时发生偏转并控制剥落。所施加的 PET 膜的破裂导致在将膜安装在受保护表面上的测试样品上发生不受控制的玻璃碎裂。

未来的测试将检查使用更厚的内侧玻璃层以减少破损,以及在船上应用 PVB/PET 复合材料以帮助消除剥落。很明显,开窗系统将玻璃固定到位的能力是抵抗导弹撞击的主要因素。

离子塑料夹层

Ionoplast 夹层最初是在二十年前开发的,用于佛罗里达州使用的抗冲击玻璃。这些夹层产品的硬度是标准 PVB 的 100 倍,抗撕裂性是标准 PVB 的 5 倍。这两种特性使夹层成为保护强风暴的理想选择。

中间层的刚度增加导致整体成品层压板更硬。通过有效厚度计算,可以表明使用 ionoplast 夹层,有效厚度更接近于层压板的总厚度。这种额外的刚度增加了层压板抵抗碎片初始冲击的能力。

一旦层压板受到冲击,玻璃破裂,下一个问题就是在压力循环下中间层的撕裂。当层压板从正压循环到负压循环时,夹层中的小裂缝会扩展成更大的裂缝,从而使碎屑进入结构。由于 ionoplast 夹层的高剪切模量和抗撕裂性,在压力循环下裂纹更难生长,从而降低了在这种加载条件下的失效概率。

结论

飓风易发地区的风载碎片保护建筑规范要求开发和使用了冲击系统,以保护居住者和建筑物免受风暴相关的损坏。ASTM 测试系统标准指导制造商并作为认证系统的基础。龙卷风易发地区的项目规范通常参考这些标准,但是,FEMA 361 标准要求进行更高水平的性能测试,并会导致不同的系统设计。用更大的木材以更高的速度进行测试会导致更重的夹层玻璃结构。已证明坚硬的离子塑料夹层可有效减轻较大木材的影响。需要额外的测试来消除冲击后的剥落。

参考

[1] AAMA, AAMA 512-11, Voluntary Specification for Tornado Hazard Mitigating Fenestration Products, can be ordered at http://pubstore.aamanet.org/pubstore/ProductResults.asp?cat=0&src=512
[2] ASTM International, ASTM E1886-13a, Standard Test Method for Performance of Exterior Windows, Curtain Walls, Doors, and impact Protective Systems Impacted by Missile(s) and Exposed to Cyclic Pressure Differentials, can be ordered from http://www.astm.org/Standards/E1886.htm
[3] ASTM International, ASTM E1996-14a, Standard Specification for Performance of Exterior Windows, Curtain Walls, Doors, and Impact Protective Systems Impacted by Wind-borne Debris in Hurricanes, can be ordered from http://www.astm.org/Standards/E1996.htm
[4] Condon, Pat and Valerie Block, “Standing up to Tornadoes,” US Glass, Metal & Glazing, July 2011.
[5] FEMA, Design and Construction Guidance for Community Shelters, July 2000, http://www.rhinovault.com/fema361.htm
[6] International Code Council, IBC 2015: International Building Code, can be ordered from http://shop.iccsafe.org/2015-international-buildingcoder.html
[7] International Code Council, ICC 500-2014: ICC/NSSA Standard for the Design and Construction of Storm Shelters, can be ordered from http://shop.iccsafe.org/icc-500-2014-icc-nssa-standard-for-thedesign-and-construction-of-storm-shelters-42931.html

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