陶瓷搪瓷玻璃不需要 ASTM E1300 均匀载荷强度折减系数



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最近,关于对 ASTM E1300 的拟议更改,搪瓷涂层玻璃板的均匀负载阻力已成为一个令人感兴趣的话题。

高度公开的测试结果表明,在某些情况下,新制造的搪瓷玻璃的平均强度低于类似的未镀膜玻璃的平均强度 [1,2,3,4]。因此,一些人 [1,4] 建议将强度折减系数纳入 ASTM E1300“确定建筑物中玻璃的负载阻力的标准做法”[5] 以设计搪瓷玻璃。

此处提供的测试结果表明,虽然新制造的搪瓷玻璃的平均强度似乎降低,但变异系数也显着降低。在本文中表明,变异系数的降低与 ASTM E1300 基于使用中玻璃强度降低的事实相结合,以补偿新制造的搪瓷玻璃平均强度的明显降低。

这些结果表明,对于所检查的热强化玻璃,不需要在 ASTM E1300 中加入搪瓷玻璃强度降低系数。搪瓷玻璃的行为很复杂,需要大量的额外研究才能通过技术考虑证明对 ASTM E1300 的更改是合理的。

介绍

最近,关于对 ASTM E1300 的拟议更改,搪瓷涂层玻璃板的均匀负载阻力已成为一个令人感兴趣的话题。特别令人感兴趣的是,有报道称,与未涂层的、新制造的相同类型的玻璃相比,搪瓷涂层玻璃的断裂强度降低 [1,2,3,4]。

虽然在 ASTM E1300 的文本中明确指出,所提供的玻璃厚度选择标准是参考在用玻璃的强度而不是新制造玻璃的强度 [5],但可能会对 ASTM E1300 的使用产生影响用于设计搪瓷涂层玻璃板。这种争议主要限于搪瓷涂层热强化 (HS) 玻璃。

关于使用 ASTM E1300 来指定搪瓷涂层玻璃的均匀负载阻力而产生的大部分争议显然是由于缺乏了解 ASTM E1300 中提供的玻璃厚度选择图表是基于内部性能的结果。服务玻璃,而不是新鲜制造的玻璃。

Beason [6] 进行的在用玻璃强度测试结果表明,在用玻璃的强度明显低于新制造的玻璃。自从 Beason 进行了初步测试以来,额外的测试已经证实,在用玻璃的强度实际上明显低于新制造的玻璃的强度 [7]。据报道,与新制造的玻璃相比,在役强度降低高达 50% [7,8]。

在用玻璃的强度明显低于新制造玻璃的强度这一事实是 ASTM E1300 最初开发的主要驱动力之一。ASTM E1300 的“重要性和使用”部分明确指出,该实践的使用假定“玻璃的表面状况是使用多年的玻璃的典型情况,并且由于轻微的暴露表面的磨损”[5]。

因此,如果要挑战 ASTM E1300 对搪瓷涂层玻璃的适用性,则必须基于搪瓷涂层玻璃的强度与 ASTM E1300 中定义的未涂层玻璃的使用强度的比较,以及不是新制造的未镀膜玻璃的强度。

如上所述,目前关于陶瓷搪瓷镀膜玻璃强度的大部分争论都集中在HS搪瓷镀膜玻璃的性能上。因此,对HS玻璃的ASTM E1300处理有一个清晰的认识是很重要的。在 20 世纪的大部分时间里,美国提出的玻璃厚度选择标准将 HS 玻璃的强度系数纳入 2.0。当时的玻璃设计界已经很清楚,2.0 HS 强度系数是基于线性应力分析和保守假设,即热强化玻璃的残余表面压缩水平将满足 3,500 psi 的最低要求值。

在 ASTM E1300 纳入 HS 玻璃的玻璃厚度程序时,在 ASTM 内部进行了充分的讨论和辩论,以确定实现这一目标的最佳方法。作为这些讨论的一部分,考虑了 Beason 进行的研究结果 [9]。这些结果包括与最小残余表面压缩为 3,500 psi 的在用玻璃相对应的玻璃厚度选择图表。

结果表明,公认的 HS 强度因子 2.0 为 ASTM E1300 [9] 中提供的所有玻璃尺寸范围提供了可靠的下限。此外,研究表明,对于许多玻璃几何形状,可以证明更高的 HS 强度因子是合理的 [9]。再加上几乎所有 HS 玻璃制造时的残余表面压缩明显大于所需的最小值 3,500 psi,因此不可避免地得出结论,即 ASTM E1300 对 HS 玻璃的处理从强度角度来看是非常保守的——看法。

参与将 HS 玻璃纳入 ASTM E1300 的人员完全理解这一事实。当对玻璃的破损概率 (POB) 进行统计推断时,两个最重要的因素是集中趋势和分散。集中趋势通常用均值来量化,而离差与标准差相关。在历史悠久的玻璃设计程序中,特别重要的是标准偏差与平均值的比率。

该统计数据通常称为变异系数 (COV),并且对于特定类型的玻璃,无论测试的几何形状如何,它往往保持相对恒定。从历史上看,玻璃设计师保守地假设退火 (AN) 和 HS 玻璃的 COV 分别约为 20-25% 和 15% [10]。

与指定 POB 相关的设计强度随着强度数据平均值的降低而降低,而指定 POB 的设计强度随着 COV 的降低而增加。ASTM E1300 中提出的玻璃厚度选择标准基于 Beason [11] 开发的玻璃失效预测模型 (GFPM)。

人们常常错误地认为 GFPM 只不过是应用众所周知的双参数威布尔概率分布函数 [12] 作为正态分布函数的替代方案,该函数在美国历史悠久的玻璃设计程序中广泛使用。然而,GFPM 实际上是基于同样由 Weibull [13] 开发的脆性材料的相对模糊的统计失效理论。

GFPM 包含两个参数 m 和 k,它们表示玻璃板表面上的缺陷分布和严重程度。必须强调的是,这两个参数代表了表面缺陷的发生和严重程度 [11],并不是玻璃的固有材料特性,可以通过在受控实验室环境中测试小玻璃样品来确定。

可以看出,m 表面缺陷参数更直接对应于 COV,而 k 表面缺陷参数更直接对应于平均值 [14]。在引入 ASTM E1300 时,m 表面缺陷参数的值设置为 7 以反映对通常用于 AN 玻璃设计的 COV 的历史理解,并且调整 k 的值以反映在- 平均强度的服务减少 [14]。

如上所述,这些表面缺陷参数代表表面缺陷的严重程度和分布,而不是玻璃的类型。由于几乎没有科学理由相信 HS 玻璃会引起与 AN 玻璃不同类型的使用中表面损伤,因此假设与使用中 AN 相关的表面缺陷数量与-服务HS玻璃。

因此,只要适当处理残余表面压缩,使用为 AN 玻璃开发的在役表面缺陷参数来模拟 HS 玻璃是合理的。如果 GFPM 适当地扩展到 HS 玻璃的处理,则可以表明,随着残余表面压缩水平的增加,HS 玻璃的相关 COV 以与上述历史设计理解一致的方式降低。被纳入 ASTM E1300 的表面缺陷参数代表了表面缺陷的特征和分布,这些特征和分布在 ASTM 共识过程中被选择为典型的在役暴露 [14]。

选择的确切值不是曲线拟合特定数据集的结果。相反,ASTM E1300 表面缺陷参数反映了行业和公共利益团体开发的大量数据的集中趋势和分散情况,并结合了参与 ASTM 共识过程的人员的集体判断 [14]。

现在众所周知,在引入 ASTM E1300 时,如果对新制造的玻璃进行测试和分析以获得最佳表面缺陷参数,则这些值将与 ASTM E1300 中使用的值大不相同。尽管如此,ASTM E1300 表面缺陷参数是通过 ASTM 共识过程充分讨论和建立的,并提供了一组明显保守的玻璃厚度建议,与美国历史玻璃设计过程保持强烈的连续性 [14]。

如上所述,关于 HS 玻璃的处理,ASTM E1300 中内置了多个级别的保守性。ASTM E1300 中固有的对 HS 玻璃的保守性使得搪瓷涂层玻璃的设计强度极不可能低于 ASTM E1300 中的设计强度。

搪瓷涂层玻璃板的全尺寸测试结果

确定使用 ASTM E1300 选择搪瓷涂层 HS 玻璃的最小厚度是否存在问题的最直接程序是测试全尺寸搪瓷涂层 HS 玻璃板的代表性样品,并将由此确定的设计载荷与相应的设计进行比较ASTM E1300 中给出的载荷。ASTM E1300 要么高估了搪瓷涂层 HS 玻璃的强度,要么低估了搪瓷涂层 HS 玻璃的强度。

任何其他比较程序都涉及预测和外推。本文讨论的第一组数据是由作者收集的。这些数据是通过使两组 40 x 60 x 1/4 英寸玻璃板的四边连续支撑承受线性增加的均匀横向载荷导致失效而得出的。测试设置如图 1 所示。

一组样品涉及未涂层的 HS 玻璃,另一组样品涉及平均厚度分别为 0.224 和 0.226 的搪瓷涂层 HS 玻璃。第二组玻璃上的搪瓷涂层是整个玻璃表面的全涂层。所有测试的玻璃样品均取自同一批次的新鲜玻璃。玻璃板在涂层侧处于拉伸状态下进行测试。

均匀横向载荷试验机

图 1. 均匀横向载荷试验机。

主要感兴趣的测试统计数据是每块玻璃板的 3 秒等效持续断裂载荷。“静态疲劳”的标准理解用于将测量的失效强度数据转换为等效的 3 秒持续时间 [8]。统计分析用于确定等效平均 3 秒断裂载荷、相关标准偏差和 COV,以及等效的 3 秒持续时间失效载荷,对应于每 1,000 升 8 升的 POB。

对涂层和未涂层​​样品进行了这些分析。使用标准正态分布假设计算对应于 8 lite/1,000 的 POB 的等效 3 秒持续时间故障负载。此外,测量了每个样品的残余表面压缩。这些数据列于表 1 [12]。

40 x 60 x ¼ 英寸热强化玻璃板的等效 3 秒持续断裂载荷统计数据

表 1. 40 x 60 x ¼ 英寸热强化玻璃板的等效 3 秒持续断裂载荷统计数据。

表 1 中提供的信息非常有趣。首先,可以观察到,搪瓷涂层试样的平均 3 秒持续等效失效载荷比未涂层试样的小 43%。这种强度降低与上文所讨论的在用玻璃的强度降低相当[7,8]。

未涂层试样的 COV 确定为 8.1%,而涂层试样的 COV 确定为 2.9%。这是一个巨大的差异。如上所述,出于设计目的,HS 玻璃的 COV 历来被假设为接近 15%。这意味着搪瓷涂层 HS 玻璃的测量 COV 比历史上为未涂层 HS 玻璃设计假设的 COV 低约 5 倍。极低的 COV 往往是搪瓷涂层 HS 玻璃的一个新兴特性,得到了广泛测试的支持 [1,2,3,4]。

如上所述,假设数据呈正态分布,则使用统计技术来估计对应于每 1,000 8 lite 的 POB 的负载。结果表明,未涂层 HS 玻璃的设计载荷为 403 psf,搪瓷涂层玻璃的设计载荷为 288 psf。这意味着搪瓷涂层 HS 玻璃的设计载荷比未涂层玻璃的设计载荷低约 29%。

虽然这种比较有一定的意义,但它与使用 ASTM E1300 来指定合适的搪瓷涂层 HS 玻璃厚度无关。如果查阅 ASTM E1300 中提供的玻璃厚度选择图表,会发现对于 40 x 60 x 1/4 英寸 AN 玻璃板,对应于 8 升/1,000 的 POB 的在役设计载荷约为 55 psf [5 ]。然后,如果将系数 2.0 应用于该值,如针对 HS 玻璃的指示,则可以确定 40 x 60 x 1/4 英寸 HS 玻璃板的 ASTM E1300 设计载荷为 110 psf [5]。

如果将此信息与表 1 中提供的数据相结合,可以表明,40 x 60 x 1/4 英寸 HS 玻璃测得的设计载荷大约是 ASTM E1300 要求的 3.7 倍。这是因为上面讨论的固有保守主义。此外,可以看出,虽然搪瓷涂层 HS 玻璃比新制造的透明 HS 玻璃弱,但仍比符合 ASTM E1300 所需的强度高 2.4 倍以上。

很难想象这怎么会被认为是一个问题。此处讨论的第二组全尺寸数据涉及 38 x 76 x 1/4 英寸的玻璃板,具有四个连续侧向支撑,承受不断增加的侧向压力直至失效 [4]。这些测试涉及五组不同的样本。第一组玻璃样品是未镀膜的 HS 玻璃。

其他四组玻璃样品具有不同的搪瓷涂层图案。第二组的点阵图案覆盖了表面的 40%,第三组的线阵图案覆盖了表面的 50%,第四组的孔阵图案覆盖了表面的 60%,第五组的100% 覆盖率的均匀涂层。Berger 等人在别处介绍了样品和测试方法的完整细节。[4]。

伯格等人。提供的处理数据包括平均等效 3 秒破损载荷、相关标准偏差和 COV、与未镀膜玻璃相比强度降低的百分比,以及对应于每 1,000 8 升 POB 的等效 3 秒持续失效载荷涂层和未涂层​​试样。Berger 等人完成了对应于每 1,000 8 升 POB 的等效 3 秒持续失效载荷的计算。通过为每个数据集计算唯一的 m 和 k。这些数据见表 2。 [4]

38 x 76 x ¼ 英寸 HS 玻璃板的等效 3 秒持续断裂载荷统计数据。 [4]

表 2. 38 x 76 x ¼ 英寸 HS 玻璃板的等效 3 秒持续断裂载荷统计数据。[4]

如果查阅 ASTM E1300 中提供的玻璃厚度选择图表,会发现对于 38 x 76 x 1/4 英寸 AN 玻璃板,对应于 8 升/1,000 的 POB 的在役设计载荷约为 41.8 psf [5 ]。然后,如果将系数 2.0 应用于该值,如针对 HS 玻璃的指示,则可以确定 38 x 76 x 1/4 英寸 HS 板的 ASTM E1300 设计载荷约为 83.6 psf [5]。

这意味着 38 x 76 x 1/4 英寸无镀膜 HS 玻璃的设计载荷大约是 ASTM E1300 要求的 3.25 倍。此外,可以看出,虽然搪瓷涂层 HS 玻璃试样比新制造的未涂层玻璃更弱,但与 ASTM E1300 要求的设计载荷相比,所报告的搪瓷涂层 HS 玻璃试样的设计载荷比范围为 2.02 至 2.58 .

因此,在最坏的情况下,搪瓷涂层 HS 玻璃的强度是符合 ASTM E1300 要求的强度的 2.0 倍以上。同样,很难想象这怎么会被认为是一个问题。

结论

以上是对两组独立的搪瓷涂层 HS 玻璃板进行的全尺寸测试结果,以评估它们的抗负载能力,并将这些结果与 ASTM E1300 中提供的信息进行比较。该测试涉及作者测试的一组样本,以及 Berger 等人测试的一组样本。[4]。所有测试的玻璃都是新鲜制造的 HS 玻璃。对于测试的两组玻璃板,确定新制造的搪瓷涂层 HS 玻璃的平均强度比未涂层 HS 玻璃的类似平均强度低 29% 至 48.3%。

自上世纪中叶以来,美国普遍使用的所有玻璃设计程序都将集中趋势和分散纳入流程中,以估计设计应力或设计载荷以满足指定的 POB。通常,对应于指定 POB 的设计强度,例如每 1,000 8 lite,与平均强度成正比,与强度数据的 COV 成反比。因此,随着平均强度降低,设计强度降低,而随着 COV 降低,设计强度增加。

关于搪瓷涂层 HS 玻璃的性能需要强调的一项观察结果,无论制造商或测试组织如何,搪瓷涂层 HS 玻璃的伴随 COV 似乎明显低于未涂层 HS 玻璃的情况,并且大大低于传统上为未镀膜 HS 玻璃设计假设的 COV。这种趋势在一定程度上弥补了搪瓷涂层玻璃与未涂层玻璃相比平均强度的降低。

ASTM E1300 中包含的基本假设是,玻璃强度是指在用玻璃的强度,而不是新制造玻璃的强度 [5]。因此,必须根据 ASTM E1300 得出的使用中设计强度而不是新制造玻璃的测量强度来评估搪瓷涂层玻璃的设计强度。

此处提供的全尺寸板测试结果表明,与 8 升/1,000 的 POB 相关的搪瓷涂层 HS 玻璃的测量设计载荷范围是符合 ASTM E1300 要求的约 2.0 至 2.73 倍。因此,得出的结论是,此处介绍的两组独立研究人员研究的搪瓷涂层 HS 玻璃类型满足 ASTM E1300 的所有要求,并且不保证减少系数。

此处提供的数据中唯一未解决的问题是使用中暴露对搪瓷涂层 HS 玻璃的长期强度的影响。根据作者的集体经验,很明显 ASTM E1300 中包含的使用中强度降低主要是多年使用中机械损坏累积的结果。这种损坏包括划痕、凹坑、擦伤等,这些都是由于清洁、人体接触、风中的碎屑等原因造成的。此外,作者不知道任何可靠的证据表明其他非接触性的在役暴露,例如紫外线照射会显着降低玻璃的强度。

无论造成搪瓷涂层玻璃平均失效强度降低的原因是什么,很明显,一旦涂覆搪瓷涂层,它就会在涂层表面上提供保护屏障,这将使玻璃表面更难积累额外的机械损害。

此外,大多数搪瓷涂层 HS 玻璃用于拱肩应用,其中涂层表面免受使用中机械暴露的影响,这被认为是 ASTM E1300 中包含的使用中强度降低的原因。目前,没有可靠的证据表明搪瓷涂层玻璃表面会随着使用中的暴露而经历额外的平均强度降低。

最后,在此处讨论的这种类型的搪瓷涂层玻璃板不符合 ASTM E1300 之前,由于使用中的暴露,搪瓷涂层 HS 玻璃的强度将不得不再降低 50%。这似乎不太现实。根据此处提供的信息,在这一点上可以得出结论,在 ASTM E1300 中为承受均匀侧向压力载荷的搪瓷涂层 HS 玻璃的设计包含强度降低系数在技术上没有合理的理由。

参考

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[3] Elstner, M. and Maniatis, I. (2016), “Enameled Glass – New Research Studies GlassCon Global, pp 69-76.
[4] Bergers, M., Natividad, K., Morse, S.M. et al. (2016), “Full Scale Tests of Heat Strengthened Glass with Ceramic Frit”, Glass Struct. Eng., Springer, pp 261-276.
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[7] Norville, S.H., and Minor, J.E., (1985), “Strength of Weathered Window Glass”, American Ceramics Society Bulletin, Vol. 64, No. 11, pp 1467-1470.
[8] Beason, W.L., and Lingnell, A.W., (2000), “Emerging Uses for Window Glass”, Emerging Materials for Civil Infrastructure – State of the Art, ASCE, Reston, VA, pp 190-216.
[9] Beason, W.L., (1993), “Development of a Failure Prediction Model for Heat-Treated Glass”, Final Report submitted to Cardinal IG, W. Lynn Beason, Ph.D., P.E., Engineering Consultant, College Station, TX.
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[11] Beason, W.L. and Morgan, J.R., (1984), “Glass Failure Prediction Model”, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 110, No. 2, pp 197-212.
[12] Ostle, B. and Mensing, R.W. (1975), Statistics in Research, 3rd Edition, The Iowa State University Press, Ames, IA.
[13] Weibull, W., (1939), “A Statistical Theory of the Strength of Materials, Handlinger NR 151, Royal Technical University, Stockholm.
[14] Beason, W.L. and Norville, H.S., (1989), “Development of a New Glass Thickness Selection Procedure”, Proceedings 6th U.S. National Conference on Wind Engineering, Vol II, University of Houston, Houston, TX.

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