走近热弯退火玻璃



本文将概述目前行业中在缺乏标准和规范的情况下用于弯曲热弯玻璃的工程方法。

具有弯曲几何形状的透明建筑表皮的现代建筑设计挑战了这个行业。将几何合理化与平面玻璃、冷弯玻璃或钢化热弯曲面玻璃结合使用的方法与几何约束相结合,在建筑上并不总是需要的。热弯退火玻璃为设计提供了额外的自由度,尤其是建筑表皮玻璃的双轴和更多曲率。

艾琳米尔斯市中心密西沙加(加拿大)

Josef Gartner GmbH

本文将概述目前行业中在缺乏标准和规范的情况下用于弯曲热弯玻璃的工程方法。将突出显示热弯退火玻璃应用的设计细节并显示测试结果。这是一份关于如何利用当前可用的研究项目、工程工具和项目特定测试知识来实现​​创新退火曲面玻璃应用的经验报告。

热弯退火玻璃的需要

在过去的几年里,外墙行业面临着弯曲建筑围护结构的趋势。特别是几何复杂的建筑物特征元素是曲面玻璃的预定应用,旨在创造独特和透明的外壳(图 1 和 2)。

图 1(左)球形热弯退火玻璃,艾琳米尔斯市中心密西沙加(加拿大)©Tom Arban Photography 图 2(右)自由成型热弯退火玻璃,里昂汇流博物馆(法国)

图 1(左)球形热弯退火玻璃,艾琳米尔斯镇中心密西沙加(加拿大) 图 2(右)自由成型的热弯退火玻璃,汇合博物馆,里昂(法国)

即使最近的技术提供了广泛的机会来解决弯曲的外壳,使用热弯退火玻璃对于产生极端曲率是必不可少的,如以下限制和方法细节所示:

1)钢化曲面玻璃:整体玻璃尺寸和可生产半径一般受生产工艺限制。如果半径不太小(通常R>1000mm)并且弯曲角度不超过一定的限度,圆柱曲面玻璃可以生产为热强化玻璃和全钢化玻璃[1]。

同时双曲面玻璃也可以由少数供应商生产为大半径的热钢化玻璃。曲面玻璃产品的钢化过程可以通过可调辊实现。然而,与平板玻璃产品相比,淬火和温度控制给生产过程带来了更大的困难。

因此,应始终与玻璃供应商密切合作来验证几何形状和尺寸限制。通过加工产生的局部变形降低了视觉玻璃质量,与退火曲面玻璃相比,视觉质量通常较低。软涂层和玻璃料通常仅适用于弯曲钢化玻璃产品的凹面(硬涂层也在凸面上)。

由热弯退火玻璃制成的双曲面中空玻璃单元,汉堡易北爱乐音乐厅(德国)
图 3 由热弯退火玻璃制成的双曲面中空玻璃单元,汉堡易北爱乐音乐厅(德国)

2) 冷弯(包括冷翘):典型的平面钢化玻璃板会在现场被压制成所需的形状。弯曲过程会导致玻璃组合的额外限制;因此只能实现低曲率(图 4)。

弯曲程度要么受到玻璃中引入的额外长期应力、中空玻璃单元变形边缘密封的机械和密封性能的限制,要么受到玻璃层压板情况下层间连接的机械性能的限制。此外,使用冷弯方法需要考虑几何和稳定性影响。

冷弯中空玻璃单元(平面外第 4 个点),新加坡衡平法院,纽约(美国)

图 4 冷弯中空玻璃单元(平面外第 4 个点),新加坡衡平法院,纽约(美国)

层压过程中的冷弯制造是一项技术,它也只允许低曲率玻璃 [2],与现场冷弯相比,它是一种工厂制造的产品。由于技术复杂(例如冷弯和层压后的回弹效应),供应商数量有限。

现场或工厂制造的两种冷弯技术的可行曲率度在相同范围内。冷弯方法的主要优点是高光学质量和可行的玻璃配置(玻璃料、涂层等)的自由度。与平板玻璃产品相比,一般的可生产性限制是相似的。

3) 几何合理化和找形方法:通常应用这些方法来近似和简化给定的弯曲几何形状,将双曲面玻璃元件转换为单曲面或平面玻璃元件。在大型项目的背景下,这些方法因其经济影响而必不可少。然而,这些方法意味着几何和网格修改,这些修改偶尔会与预想的设计意图相冲突,并且不适合特征立面元素。

在这一点上也应该提到化学强化玻璃,尽管它目前在建筑行业中仍然是一个小众产品。化学回火工艺的渗透只影响非常薄的一层;因此,化学强化玻璃对划痕非常敏感,应采取适当措施加以保护。

在为曲线几何找到合理的项目特定方法时,需要考虑所有前面提到的边界条件。几乎无限的形状自由度(球面、抛物面、双曲面等),尤其是沿多个轴的弯曲是应用热弯退火玻璃产品的驱动力(图 3 和 5)。

然而,通过省略淬火痕迹和扭曲(称为回火过程中的缺点)也可以获得高视觉质量。此外,模具中退火玻璃的重力弯曲生产过程允许成对弯曲。结果是几个弯曲的玻璃面板完美地结合在一起(也有不同的玻璃厚度)。

双曲面热弯退火玻璃,南美洲巴哈教神庙,智利圣地亚哥(智利)

图 5 双曲面热弯退火玻璃,南美洲巴哈教神庙,智利圣地亚哥(智利)

鉴于热弯退火玻璃的脆性破坏行为,整个设计、制造和安装过程需要特别注意和整体方法。产品标准和应用标准的缺失增加了复杂性。本论文探讨了最近 Josef Gartner 项目中使用该产品的基本方面和发现。

热负荷 ∆T 下的球面弯曲夹层玻璃(热弯退火)边缘应力 [6]

图 6 热负荷 ∆T 下的球面弯曲夹层玻璃(热弯退火)边缘应力 [6]

失效起源显微图 [6]

图 7 失效起源显微图 [6]

热弯退火玻璃的处理方法

1 设计与工程

曲面玻璃元件的结构行为与平板玻璃元件有很大不同。拱形和薄膜效应在载荷作用下不会发生先前的偏转[3];创建非常坚硬和抗变形的元素。

然而,弯曲玻璃元件的边缘最容易受到主要拉伸应力的影响。负载路径与非膜元件或结构玻璃元件非常相似,例如,在球形弯曲退火玻璃面板的情况下。图 6 显示了自由玻璃边缘的主要拉伸应力,该区域由边缘缺陷和残余压应力的缺乏引起的强度有限。边缘缺陷是由边缘处理和此类玻璃元件使用寿命期间的其他机械损坏引起的。

根据应力分布,弯曲退火玻璃的边缘通常是断裂的起点 [4],如图 7 所示。关键缺陷通过在拉伸应力下的初始裂纹扩展而引发失效 [8]。处理结构玻璃元件以及退火玻璃产品的低强度的背景已经表明需要特别注意。由于当前最常用的设计方法(DELR 和 GFPM)不提供面内载荷下边缘强度的验证格式,事情变得复杂 [9]。

此外,在这些方法中不考虑实际存在的边缘缺陷群。即使使用现行标准,也缺乏材料阻力方面的信息。最近应用的标准中没有充分记录弯曲退火玻璃的表面强度和边缘强度。

然而,“热弯曲玻璃指南”(Bundesverband Flachglas)[10] 提供了在所有项目阶段使用弯曲玻璃的其他基本方向下降低特征强度值的建议。在此,特征表面强度为 fk=40N/mm²,特征边缘强度为 fk=32N/mm²,由测试系列 [10] 验证。

然而,如果使用没有国家技术认证的曲面玻璃产品,建议事先通过测试验证特征弯曲拉伸强度[10]。

但负载侧也需要特别考虑。可以观察到,特定的设计载荷,如由建筑运动或支撑条件引起的温度载荷或约束力,在设计弯曲的退火玻璃元件(除了冲击载荷和集中载荷外)起着决定性的作用。随之而来的是,这些载荷需要与一般的建筑设计载荷(静载荷、风载荷、雪载荷等)相结合,导致拉伸应力的进一步积累,主要是靠近弯曲的玻璃元件边缘。

由于这些原因,获得玻璃表面的温度数据至关重要。使用代表性天气数据(包括太阳辐射光谱数据)的动态建筑模拟可以提供必要的信息。金属涂层和烧结玻璃表面在这方面具有特别重要的意义,因为它们会引起玻璃表面之间的长波辐射交换。加热玻璃元件的热流出越多样化,玻璃表面的温差就越大 [7]。因此,弯曲退火玻璃元件内的热应力更高。图 8 显示了动态建筑模拟的表面温度结果。

在任何情况下,用作弯曲退火玻璃元件支撑的子结构都必须在可能出现的约束条件下进行设计。必须精确分析玻璃公差(曲面玻璃 [10] 会增加)、子结构公差、建筑物移动和相邻结构元件的偏转,因为它们可能会导致弯曲退火玻璃元件中的冷弯或平面内力。

通过使用适当的玻璃支撑配置,应尽可能避免这种额外的力,如图 9 所示。即使是由气候载荷引起的约束力,通常发生在弯曲的双层玻璃单元中,也可以通过使用显着减少灵活的间隔系统 [12]。

影响弯曲退火玻璃填充元件的载荷条件需要在结构玻璃分析中加以考虑,包括适当的材料理想化。弹簧刚度或材料模型应准确考虑实际支撑情况和载荷路径 [3]。

动态建筑模拟确定的玻璃表面温度 [7]

图 8 动态建筑模拟确定的玻璃表面温度 [7]

热弯退火玻璃(自由曲面)支撑情况示意图,带移动能力预防措施

图9 热弯退火玻璃(自由曲面)支撑情况示意图,带移动能力预防措施

2 测试

确定边缘强度的一般方法是四点弯曲测试设置。但是,EN ISO 1288-3 标准仅适用于平板玻璃产品。为此,研究项目 PRÜFgbGLAS 目前开发了一种用于圆柱形弯曲玻璃的测试方法 [13]。圆柱以外的几何形状可以通过简化的方法进行测试。

玻璃强度通过四点弯曲试验装置或环对环试验确定,平面试样通过弯曲玻璃弯曲过程的热循环。使用环上环测试可以将表面强度与边缘强度分开,以确定重力弯曲过程本身的影响 [4]。为了检查热弯退火玻璃弯曲后由不充分或不均匀加热引起的残余表面应力,可以应用光弹性残余应力测量 [5] 或切割试验。

然而,在某些情况下,对热弯退火玻璃元件进行实际尺寸测试(包括预想的支撑情况)是有益的,尤其是为了更好地了解断裂后的行为。伴随着上述测试,显微和断口分析提供了对材料质量和强度的进一步洞察(例如,断裂镜面、故障起源、边缘碎裂等)[6]。

3 制造后

一旦热弯退火玻璃板离开生产线,仍然需要格外小心。已经包装和运输需要考虑材料的脆性行为。超出计划条件的载荷情况,从生产到现场的最终边界条件,必须省略。尤其是热弯退火玻璃的边缘应得到充分保护。最终发生的边缘碎裂可能会极大地降低边缘强度(请参阅第 3.1 章)。然而,在退火玻璃元件的整个使用寿命期间也应避免表面划痕。

各种测试的结果

为了量化一些主要影响,热弯退火玻璃不同测试系列的项目特定参数如下所述执行。此外,目的是在部分不受监管的规范情况下建立可靠的规划基础。

1 玻璃表面强度取决于个别加工

对不同玻璃供应商和不同基础玻璃(GS-1、GS-2 和 GS-3)的样品进行了测试,以确保项目中使用的热弯退火玻璃具有适当的产品质量。进行了同心环对环试验以研究弯曲表面强度。“为了量化各个加工步骤的影响,对酸蚀刻玻璃、非蚀刻玻璃和通过热弯工艺(加热/冷却工艺)的玻璃进行了研究”[7]。

将测试值调整为对数正态分布(通常提供评估材料强度的最佳拟合),计算回归的预后和置信区间(基于 5% 分位数计算的特征强度,置信水平为 95%) [7]。

(左)表面强度平均值比较[17] (右)GS-1、GS-2、GS-3系列特征表面强度比较[17]

图10(左)表面强度平均值的比较[17] 图 11(右)GS-1、GS-2 和 GS-3 系列之间特征表面强度的比较 [17]

在 [17] 中可以观察到以下发现: 根据来源,结果在一定范围内传播。通过测试获得的平均值(图 10)和特征强度值(图 11)各不相同。可以确定 GS-2 系列的最有希望的结果,如图 11 所示。

GS-2 系列和 GS-1 系列均符合相关产品标准 EN 572-1 [14] 的要求。这里假定的浮法玻璃弯曲强度定义为45MPa。酸蚀刻或热弯曲工艺的热循环对玻璃强度造成的实质性影响无法表明。

在其他测试系列中对全尺寸热弯退火玻璃元件进行了光弹性残余应力测量和断裂模式测试,以进一步了解由退火过程引起的残余表面应力。测得的残余表面应力在常规平坦退火钠钙硅酸盐玻璃的范围内,没有显示出不规则的裂纹模式 [5]。

2 边缘强度和熔块

偶尔应用于玻璃表面的陶瓷熔块颜色对热弯退火玻璃产品提出了额外的挑战。除了烧结退火玻璃的特性弯曲强度降低(这在平面玻璃制品标准中甚至没有规定 [15])之外,深色烧结颜色可能会通过太阳辐射引发热应力。

执行了一些测试系列,包括随后的评估,以比较抛光边缘与边缘有玻璃料的边缘强度(系列 1)、没有玻璃料的抛光边缘(系列 2 和 3)、与边缘有一定距离的表面有玻璃料的研磨边缘(系列4)和表面强度(系列5)[6]。所有试样(尺寸。L= 180mm, h= 32mm, t=7,8-8mm)都经历了通常用于热弯退火玻璃的相同生产过程。

系列 1 到 4 在 4 点弯曲测试中进行了检查,系列 5 在同心环上环测试中进行了检查。在统计分析中,测试的测量值适用于威布尔分布 [6],该分布除材料强度外还考虑其他参数(例如尺寸效应)。根据 ASTM E 1300 标准 [16],设计强度的计算对应于 1/1000 的失效概率。

根据图 12 的结果,[6] 可以得出以下结论:与没有玻璃料的试样的特征边缘强度相比,有玻璃料的试样的特征边缘强度低 50%。通过测试确定的允许边缘应力约为 ASTM 1300(无玻璃料玻璃)后允许边缘应力的 40% [16]。

没有玻璃料的试样的特征边缘强度与在距边缘一定距离处具有表面玻璃料的试样处于相同的范围内。边缘强度的平均值(图 13)明显高于表面强度的平均值。然而,考虑到测试值的较大变化,特征边缘强度较低。

上述测试系列清楚地表明了对热弯退火玻璃元件的边缘进行精确调查和谨慎设计的必要性。已知以下对最终边缘强度的影响:边缘精加工(切割、研磨、抛光等)[19]、边缘长度(缺陷数量)、载荷持续时间 [20] 和残余应力分布。玻璃料似乎会干扰玻璃生产过程中的冷却过程,从而降低最终玻璃强度 [15] [21]。

Fig12-13.jpg

图 12(左)根据 ASTM 1300 [16] 设计方法的许用设计应力与弯曲试验 [6] 确定的值的比较注:(玻璃料*)= ASTM
1300 [16] 中未给出但计算得出的值假设与 ASTM 1300 [16] 值相比,烧结玻璃的强度降低了 0.6。
图13(右)不同试验系列的平均强度、特征强度和设计强度的比较

3 热负荷 ∆T

在许多情况下,玻璃内表面和外表面的不同表面温度,表示为热负荷 ∆T,是设计热弯退火玻璃元件的决定性标准。

为了预测上面显示的熔结玻璃的低边缘强度的影响,结合不均匀的热负载 ∆T,使用以下测试设置 [11] 对不同玻璃配置进行了一些元素测试: 内部玻璃表面(安装在顶部)由连接到玻璃表面的定制硅橡胶加热器加热。外玻璃表面(底部)由风扇和喷头冷却。

热应力由应变仪测量(图 15)。不同的玻璃配置比较了完全熔结玻璃、边缘删除熔结玻璃和透明玻璃(玻璃构建 3x8mm 退火双曲面热弯玻璃,具有 1.52mm SGP 中间层,熔块 #2,low-e 涂层 #6)在各种不平整情况下进行了研究热负荷条件 ∆T。

[17] [18] 可以观察到以下发现: 元件测试中几乎所有的玻璃破损都是从完全烧结玻璃的边缘开始的。测量的应力主要与计算的应力一致(通过 FEM 分析)。破损仅发生在位置#2 边缘具有完全熔块的玻璃上。

将测试结果拟合到威布尔分布以预测失效概率,如图 14 所示。外部玻璃和内部玻璃之间的温差 ∆T=10[K] 表明失效概率为 0.8% (∆T= 21[K] 显示故障概率为 3.4%)。基于先前动态建筑模拟的温度结果,可以根据玻璃的方向确定玻璃的失效概率。

因此,通过评估上述测试获得的失效概率部分超过了根据 ASTM 1300 [16] 通常应用的失效概率。此类发现需要修改玻璃配置,或针对处理材料热弯退火玻璃的项目制定共同商定的风险共享政策。

Fig14-15.jpg

图14(左)测试数据与威布尔分布的比较[11] 图 15(右)组件测试的测试设置 [18]

结论

只要没有产品代码和标准化测试代码到位,项目特定的测试对于为使用高度敏感材料热弯退火玻璃的项目设计建立可靠的基础至关重要。在热弯退火玻璃的几个测试系列中,结果显示抗应力变化很大,主要取决于玻璃配置和退火弯曲玻璃产品本身的质量。

材料质量和生产过程的持续控制是绝对必要的,尤其是边缘强度及其在玻璃断裂力学背景下的基本作用。此外,热弯退火玻璃需要非常仔细的设计和工程。

鉴于其脆性材料行为和缺乏工程标准,考虑任何边界条件的整体方法对于实现几何复杂的建筑围护结构至关重要。通常,应实施基于先前缺陷检测以及特定负载条件的考虑材料质量的用户友好设计方法。

参考文献

[1] Haldimann M., Luible A., Overend M.: Structural Use of Glass, International Association for Bridge and Structural Engineering, Zürich, Switzerland, 2008.
[2] Fildhuth T., Knippers, J.: Interior stress monitoring of laminated cold bent glass with fibre bragg sensors, Challenging Glass 4 & COST Action TU0905 Final Conference EPFL–Louter, Bos, Belis & Lebet (Eds), Lausanne, Switzerland, 2014
[3] Schuler C., Elstner M., Illguth M., Stief S., Lorenz A.: Application of curved glass in architecture; Stahlbau Volume 81; Issue 3, March 2012
[4] Hof P., Oechsner M.: General technical approval for curved annealed and curved tempered glass in Germany, Proceedings of Cost Action TU0905 Mid Term Conference on Structural Glass, Porec, Croatia, April 2013
[5] Schneider J.; Hilcken J.: Test report 1163/2017.07.01 30th January 2017, Heusenstamm, Germany
[6] Schütz Goldschmidt Schneider – Ingenieurdienstleistungen im Bauwesen GmbH
[7] Post H.: Report Dynamic Building Simulation, b+e Consulting Engineers for Building Climate and Energy Schemes, January 2016, Munich, Germany
[8] Lindqvist M.: Structural Glass Strength Prediction Based on Edge Flaw Characterization; These No 5627 EPFL Ėcole Polytechnique Federale de Lausanne, 22. February 2013, Lausanne, Switzerland
[9] Haldimann M.: Fracture Strength of Structural Glass Elements – Analytical and Numerical Modelling, Testing and Design, These No 3671, EPFL, Lausanne, Switzerland, 2006.
[10] Bundesverband Flachglas, BF Merkblatt 009/2001, Guidelines for Thermally Curved Glass
[11] Schneider J; Hilcken J. Hagen B.: Test Report 1163/2016.44.02, 16th March 2017; Heusenstamm, Germany
[12] Wellershoff F., Förch M., Minasyan, M.: Impact of Foam Spacer Systems on curved double glazed units under climatic loads; Engineered Transparency – International Conference at Glasstec, Düsseldorf, Germany, 2014
[13] Bukieda P, Engelmann M., Elstner M., Weller B.: Research and Standardisation of Four-Point Bending Test for Thermally Curved Glass, Glasbau 2017, Dresden, Germany
[14] EN 5721:2004 German version, Glass in building Basic soda lime silicate glass products Part 1: Definitions and general physical and mechanical properties
[15] Weller B., Nicklisch F., Thieme S., Weimar T.: Glasbau-Praxis Konstruktion und Bemessung, 2010
[16] ASTM E 1300 -04, Standard Practice for Determining Load Resistance of Glass in Buildings, July 2004
[17] Schneider J.; Hilcken J.: Test Report 1119/2015.14.02, 28th April 2016, Heusenstamm, Germany
[18] Schneider J.; Hilcken J., Müller Braun, S.: Test Report Nr. 102.01.16 TU Darmstadt - Institute for Structural Mechanics and Design (ISM+D), 15th April 2016; Darmstadt, Germany
[19] Kleuderlein J., Ensslen, F., Schneider J.: Investigation of edge strength dependent on different types of edge processing, Proceedings engineered transparency, International Conference at glasstec, 21 and 22 October, Düsseldorf, Germany, 2014.
[20] Vandebroek M., Lindqvist M., Belis J., Louter C.: Edge Strength of cut and polished glass beams, Glass Performance Days, 17 -20 June, Tampere, Finnland, 2011
[21] BergersM., NatividadK.; MorseS. M.,Scott NorvilleH.: Full scale tests of heat strengthenedglass with ceramicfrit, Glass Structures &Engineering, Volume 1, Issue 1, June 2016"

Tags: none