利用 TSSA 的点固定组件的爆破性能



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商业建筑的建筑偏好继续增加透明度,从而产生具有最小视觉障碍的大片玻璃。

满足这种建筑需求的点固定玻璃系统很受欢迎,尤其是在入口或地面公共区域。最近的技术进步允许使用超高强度的粘合剂将这些大的 lite 连接到配件上,而无需在玻璃上钻孔。

典型的底层位置增加了系统必须充当建筑物居住者的保护层的可能性,超过典型的风荷载要求。已经完成了对钻孔点固定系统的一些测试,但尚未完成对粘合剂方法的测试。

本文的目的是记录使用带有爆炸装药的冲击管模拟爆炸载荷到粘合透明组件上的模型测试。这些变量包括来自 ASTM F2912 [1] 的预先定义的爆炸载荷,该载荷是在用 SGP 离聚物夹层层压的 lites 上执行的。这项研究是同类研究中的第一项,能够量化潜在的爆破性能,以用于大规模测试和建筑设计。四个 60 毫米(2.36 英寸)直径的 TSSA 配件连接到 1524 x 1524 毫米(60 英寸 x 60 英寸)的 lites 上。

加载到 48.3 kPa (7 psi) 或更低的四个组件未显示出破损或对 TSSA 和玻璃的影响。五个组件的加载压力超过 62 kPa (9 psi),五个组件中的四个显示玻璃破损,导致玻璃从开口移位。在所有情况下,TSSA 仍然附着在金属配件上,并且没有发现任何失效、粘性或内聚性。测试表明,根据 AAMA 510-14,这种经过测试的 TSSA 设计能够在 48.3 kPa (7 psi) 或更低的负载下构成一个有效的安全系统。此处生成的数据可用于设计 TSSA 系统以满足指定负载。

曾是

Jon Kimberlain 是 Dow Performance Silicones 的道康宁高性能建筑高级应用专家。Lawrence D. Carbary 是陶氏高性能有机硅公司道康宁高性能建筑的行业科学家和 ASTM 研究员。

介绍

玻璃面板的结构硅胶附件已被使用近 50 年,以提高现代建筑的美感和性能 24。附件方法允许平滑不间断的外墙具有很大的透明度。建筑对增加透明度的渴望导致了索网墙和螺栓点支撑立面的开发和使用。具有建筑挑战性的标志性建筑将采用当今的现代技术,并且必须符合当地的建筑和安全规范和标准。

研究了透明结构有机硅粘合剂 (TSSA),并将其作为钻孔螺栓配件的替代品来支撑玻璃 [6] [4]。具有强度、附着力和耐用性的晶莹剔透的粘合剂技术具有一组物理特性,使幕墙设计师能够以独特和新颖的方式设计附着系统。

满足美学和结构性能的圆形、矩形和三角形配件很容易设计。TSSA 与正在加工的夹层玻璃一起在高压釜中固化。当材料从高压釜循环中取出时,可以完成 100% 的验证测试。这种质量保证优势是 TSSA 独有的,因为它可以对组装件的结构完整性提供即时反馈。

已经研究了传统结构有机硅材料的抗冲击性 [8] 和爆炸缓解 [9]。Wolf 等人提供的数据显示,与 ASTM C1135 [10] 中规定的准静态应变率相比,在 5m/s (197in/s) 的极端应变率下,结构有机硅材料的拉伸和伸长率增加了。表示应变依赖于物理特性的关系。

由于 TSSA 是一种高弹性材料,与结构硅胶相比具有更高的模量和强度,因此预计将遵循相同的一般行为。虽然没有在高应变率下进行实验室测试,但预计爆炸中的高应变率不会影响强度。

螺栓连接的玻璃连接已经按照爆炸缓解标准 [11] 进行了测试,并在 2013 年的玻璃性能日上展示。视觉结果清楚地显示了玻璃破碎后玻璃机械保持的优势。这对于纯粘合剂连接的系统来说将是一个挑战。

钢框架立面和尺寸

图 1 (A) (B) (C):钢框架立面和尺寸

测试样品:制造和质量保证

框架由尺寸为 151 毫米深 x 48.8 毫米宽 x 5.08 毫米腹板厚度(6” x 1.92” x 0.20”)的美国标准钢槽制成,通常称为 C 6” x 8.2# 槽。C 型槽钢在拐角处焊接在一起,在拐角处焊接了一个 9 毫米(0.375 英寸)厚的三角形截面,从框架的表面向后退。在板上钻了一个 18 毫米(0.71 英寸)的孔,以便可以轻松插入直径为 14 毫米(0.55 英寸)的螺栓。

带有 TSSA 附件的玻璃

图 2:带有 TSSA 附件的玻璃

60 毫米(2.36 英寸)直径的 TSSA 金属配件放置在距每个角 50 毫米(2 英寸)的位置。每块玻璃上都安装了四个配件,使所有东西都对称。TSSA 的一个独特功能是可以将夹具放置在靠近玻璃边缘的位置。用于机械固定的玻璃钻孔配件从边缘具有特定尺寸,必须纳入设计,并且必须在回火前钻孔。

靠近边缘的尺寸提高了成品系统的透明度,同时减少了蜘蛛附件,因为典型蜘蛛的力矩较低。为该项目选择的玻璃是两层 6 毫米(1/4 英寸)钢化透明 1524 毫米 x 1524 毫米(5' x 5'),夹层为 1.52 毫米(0.060 英寸)哨兵玻璃加 (SGP) 离聚物夹层。

将 1 毫米(0.040 英寸)厚的 TSSA 圆盘应用于直径为 60 毫米(2.36 英寸)的涂有底漆的不锈钢配件。底漆旨在提高对不锈钢的附着力耐久性,是硅烷和钛酸盐在溶剂中的组合。将金属盘以 0.7 MPa (100 psi) 的测量力压到玻璃上一分钟,以提供润湿和接触。将组件放入压力达到 11.9 Bar (175 psi) 和 133 C° (272°F) 的高压釜中,以便 TSSA 在固化和粘合所需的高压釜中浸泡 30 分钟。

Sadev 的 R1006 TSSA 配件分解细节

图 3:Sadev 的 R1006 TSSA 配件分解细节

高压釜完成并冷却后,检查每个 TSSA 接头,然后将其扭矩为 55Nm (40.6 ft-lb) 以证明 1.3 MPa (190 psi) 的保证载荷。用于 TSSA 的接头由 Sadev 提供,并标识为 R1006 TSSA 接头。

配件的主体被组装到玻璃上的固化圆盘上,然后将组件降低到钢框架中。螺栓上的螺母经过调整和固定,使外部玻璃与钢框架的外部齐平。玻璃周边的 13 毫米 x 13 毫米(½” x ½”)接头用两部分结构硅胶密封,以便在第二天开始压力加载测试。

安装在减震管中的框架和玻璃

图 4:安装在减震管中的框架和玻璃

测试是在肯塔基大学爆炸物研究实验室使用冲击管进行的。减震管由加强钢体组成,能够在工作面上安装长达 3.7m x 3.7m 的装置。

冲击管由沿管长度放置的炸药驱动,以模拟爆炸事件的正相和负相12。如图 4 所示,将整个玻璃钢框架组件放入激波管中进行测试。

四个压力传感器安装在激波管内,以便准确测量压力和脉冲。两台数码摄像机和一台数码单反相机用于记录测试。

位于激波管外窗口附近的 MREL Ranger HR 高速摄像机以每秒 500 帧的速度捕获了测试。将 20 kHz 的偏转激光记录设置在窗口附近以测量窗口中心的偏转。

冲击管内的压力传感器位置

图 5 (A) (B):冲击管内的压力传感器位置。

四个框架组件总共测试了九次。如果玻璃没有离开开口,则在更高的压力和脉冲下重新测试组件。在每种情况下,目标压力和脉冲与玻璃偏转数据一起被记录。然后,每个测试还根据《开窗系统爆炸危险缓解自愿指南规范》AAMA 510-14 [14] 进行评级。

结果和讨论

如上所述,测试了四个框架组件,直到玻璃从爆炸的开口中移除。第一个测试的目标是达到 69 kPa @ 614 kPa-ms (10 psi A 89 psi-msec) 脉冲。在施加的载荷下,玻璃破碎并从框架上脱落。Sadev 点配件有 TSSA 粘附在破碎的钢化玻璃上。玻璃在钢化玻璃破碎时发生大约 100 毫米(4 英寸)的偏转后离开了开口。

第 1 帧结果

表 1:第 1 帧结果

第 2 帧测试了 3 次,并增加了连续加载。结果显示在压力接近 69 kPa (10 psi) 之前没有出现故障。44.3 kPa (6.42 psi) 和 45.4 kPa (6.59) psi 的测量压力不会影响组件的完整性。在 62 kPa (9 psi) 的测量压力下,玻璃的挠曲导致破裂,玻璃离开开口。所有 TSSA 配件都附有破碎的钢化玻璃,与图 7 相同。

大约 4" 偏转处的玻璃破损,框架 1,测试 1 |  图 7:粘附在 TSSA 和防风雨密封条上的玻璃碎片

图 6:在约 4 英寸的偏转处玻璃破损,框架 1,测试 1 图 7:玻璃碎片粘附在 TSSA 和防风雨密封条上

第 3 帧进行了两次增加的连续加载测试。结果显示在压力接近目标 69 kPa (10 psi) 之前没有故障。48.4 kPa (7.03) psi 的测量压力不会影响组件的完整性。数据采集​​失败不允许进行偏转,但是从视频中的视觉观察表明,第 2 帧测试 #3 和第 4 帧测试 #7 的偏转相似。在 64 kPa (9.28 psi) 的测量压力下,在 190.5 mm (7.5") 处测量的玻璃挠度导致破裂,玻璃离开开口。所有 TSSA 配件都附有破碎的钢化玻璃,与图 7 相同。

第 2 帧的结果:测试 2、3 和 4

表 2:第 2 帧的结果:测试 2、3 和 4

第 4 帧测试了 3 次,并增加了连续加载。结果表明,直到压力第二次接近目标 10 psi 时才出现故障。46.8 kPa (6.79) 和 64.9 kPa (9.42 psi) 的测量压力不会影响组件的完整性。在测试#8 期间,测量玻璃偏转 100 毫米(4 英寸)。预计这种加载会导致玻璃破裂,但是能够获取额外的数据点。

在测试#9 期间,测得的 65.9 kPa (9.56 psi) 压力使玻璃偏转 190.5 毫米(7.5 英寸)并导致破裂,玻璃离开开口。所有 TSSA 配件都附有破碎的钢化玻璃,与图 7 相同。配件很容易从钢架上拆下,在所有情况下都没有任何明显的损坏。

第 3 帧的结果:测试 5 和 6

表 3:第 3 帧的结果:测试 5 和 6

TSSA 在每次测试中都保持完整。当玻璃保持完整时,测试结束后 TSSA 没有视觉变化。高速视频显示玻璃在跨度的中点破裂,然后离开开口。

第 4 帧的结果

表 4:第 4 帧的结果

从图 8 和图 9 将玻璃失效与无失效进行比较,有趣的是注意到玻璃中的断裂模式发生在远离附着点的部分,这表明玻璃的未结合部分正在迅速达到弯曲点接近玻璃中的脆化屈服点,而不是粘合在一起的部分。

测试 4、6 和 9 时的玻璃失效

图 8 (A) (B) (C):测试 4、6 和 9 时的玻璃失效

测试 8 中最大挠度的玻璃

图 9:测试 8 中最大挠度的玻璃。

这表明这些部分中的断裂板可能在测试期间主要以剪切方式移动。结合这一原理和观察到的失效模式似乎是粘合剂界面处玻璃厚度的脆化,通过增加玻璃厚度或其他方式控制挠度应该会随着规定载荷的增加而提高性能。

Frame 4 Test #8 在测试设施中令人惊喜。虽然玻璃的不破裂允许再次测试框架,但 TSSA 和周边防风雨密封件保持了这个大负荷。该 TSSA 系统的设计风荷载使用 4 个 60 毫米附件来支撑玻璃的活荷载和永久荷载为 2.5 kPa (50 psf)。这是一个适度的设计,具有理想的建筑透明度,表现出极大的负载,并且 TSSA 保持完整。

结论和建议

进行这项研究是为了确定玻璃系统的粘合剂附着是否在低水平指定的爆炸性能要求中具有某种固有的危险或缺陷。很明显,靠近玻璃边缘的 60 毫米 TSSA 配件的简单系统具有高达玻璃破碎的性能。当玻璃设计为抗破损时,TSSA 是一种可行的连接方法,可提供一定程度的保护,同时保持建筑对透明度和开放性的要求。

根据标准 ASTM F2912-17,测试的窗户组件在 C1 的规格级别符合 H1 的危险级别。研究中使用的配件 Sadev R1006 不受影响。

本研究中使用的钢化玻璃是系统中的“薄弱环节”。一旦玻璃破裂,TSSA 和周边防风雨密封条就无法保留大部分玻璃窗,因为小玻璃碎片留在硅胶材料上。

从设计和性能的角度来看,TSSA 胶粘剂系统现已被证明可以在广泛接受的行业标准指出的初始爆炸性能规范级别的爆炸额定立面组件中提供高水平的保护。经测试的立面表明,在 41.4 kPa (6 psi) 和 69 kPa (10 psi) 爆炸载荷之间的载荷危险分类性能存在明显差异。

然而,重要的是危险分类的差异并不归因于粘合剂的失效,如危险阈值之间粘合剂和玻璃碎片的内聚失效模式所表明的那样。根据观察,适当调整玻璃尺寸以最大程度地减少挠度以防止由于弯曲和增加的连接界面处的剪切响应引起的脆化似乎是性能的关键因素。

未来的设计可能能够通过增加玻璃厚度、相对于边缘的点固定位置和增加粘合剂的接触直径,在更高的负载下降低危险水平。

参考

[1] ASTM F2912-17 Standard Specification for Glazing and Glazing Systems Subject to Airblast Loadings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017, https://doi.org/10.1520/F2912-17
[2] Hilliard, J. R., Parise, C. J., and Peterson, C. O., Jr., Structural Sealant Glazing, Sealant Technology in Glazing Systems, ASTM STP 638, ASTM International, West Conshohocken, PA, 1977, pp. 67–99.
[3] Zarghamee, M. S., Schwartz, T. A., and Gladstone, M., “Seismic Behavior of Structural Silicone Glazing,” Science and Technology of Building Seals, Sealants, Glazing and Waterproofing, Vol. 6, ASTM STP 1286, J. C. Myers, Ed., ASTM International, West Conshohocken, PA, 1996, pp. 46–59.
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[7] Clift, C., Hutley, P., Carbary, L.D., Transparent Structural Silicone Adhesive, Glass Performance Days, Tampere, Finland, June 2011, conference proceedings pp. 650-653
[8] Clift, C., Carbary, L.D., Hutley, P., Kimberlain, J., “Next Generation Structural Silicone Glazing” Journal of Facade Design and Engineering 2 (2014) 137–161, DOI 10.3233/FDE-150020
[9] Kenneth Yarosh, Andreas T. Wolf, and Sigurd Sitte “Evaluation of Silicone Sealants at High Movement Rates Relevant to Bomb Mitigating Window and Curtainwall Design” Journal of ASTM International, Vol. 6, No. 2 Paper ID JAI101953
[10]ASTM C1135-15 Standard Test Method for Determining Tensile Adhesion Properties of Structural Sealants, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, https://doi.org/10.1520/C1135-15
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[13] Wedding, William Chad, and Braden T. Lusk. “Novel method to determine blast resistant glazing system response to explosive loading.” Measurement 45.6 (2012): 1471-1479.
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