使用全尺寸测试、FEM 和 ASTM E1300 公式对悬臂夹层玻璃栏杆进行比较研究



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从历史上看,整体钢化玻璃主要用于北美,但随着最近国际建筑规范 (IBC 2015) 的变化,现在需要使用热强化或钢化玻璃层压板。

玻璃已成为用于栏杆、护栏和栏杆的流行材料。从历史上看,整体钢化玻璃主要用于北美,但随着国际建筑规范 (IBC 2015) 最近的变化,现在需要使用热强化或钢化玻璃层压板。一个不断增长的应用是悬臂式栏杆,其中玻璃仅固定在底鞋的底部,而其他三个侧面没有支撑。过去使用整体钢化玻璃时,使用水泥基灌浆将玻璃固定到底鞋中。

对于夹层玻璃,已知水泥基灌浆会导致分层和破裂。随着夹层玻璃在悬臂栏杆应用中的使用不断增加,已开发出用于将玻璃固定在底鞋中的新材料,例如干釉系统和不含水泥的灌浆。有了这些新的安装技术和材料,在使用 SJ Mepla 等有限元分析软件时如何正确定义支撑条件的问题就出现了。

为了回答这些问题,我们对用标准 PVB、硬 PVB 和离子塑料夹层制成的层压板进行了测试。层压板在线性和集中载荷下进行测试,同时测量它们的挠度。层压板的挠度和应力也通过有限元分析使用夹层和有效厚度方法以及软件程序中可用的不同支撑条件通过 FEM 分析确定。此外,还使用悬臂梁和 ASTM E1300 附录 X9 中的线性载荷公式计算玻璃应力和挠度。然后将各种计算方法的结果与测试值进行比较。

一 简介

从令人叹为观止的海景,到商场商店一览无余,玻璃已成为栏杆的流行材料。无论是作为填充板还是两侧或三侧支撑、点支撑或悬臂式的玻璃系统,玻璃都能提供高视野,同时仍可作为安全屏障。过去主要使用单片钢化玻璃,但最近有关玻璃坠落的新闻头条促使建筑规范在大多数情况下要求使用夹层安全玻璃。

一旦破碎,整体钢化玻璃不会为居住者提供破碎后的强度或安全性;然而,夹层玻璃由夹在两片玻璃之间的夹层制成,可以提供破裂后的强度,即使在破裂后也能继续保护开口。除了现在要求夹层玻璃的建筑规范外,新的 2018 年国际建筑规范 (IBC) 允许从结构夹层玻璃栏杆上拆除顶部栏杆或扶手,如果根据 ASTM E2353 进行测试时层压板在破损后仍保持原位。

随着建筑规范的变化,出现了关于如何为栏杆应用特别是悬臂栏杆的夹层玻璃建模的问题。为了回答这个问题,我们建立了一个测试程序,将物理测试结果与有限元分析 (FEA) 软件和 ASTM E1300 中的公式进行比较。根据 ASTM E2353,仅在底部支撑在湿釉面和干釉底鞋中的层压板承受线性载荷、集中载荷和摆锤冲击。

二 代码更改

2012年国际商业银行

根据 2012 IBC,玻璃栏杆被允许为最小厚度为 6 毫米的整体钢化玻璃,只要它们符合安全玻璃的要求 [1]。要被视为安全玻璃,单片钢化玻璃必须符合 CPSC 16 CFR 1201 的类别 II 或 ANSI Z97.1 的 A 级要求。对于钢化玻璃,这意味着玻璃会受到从 1,219 毫米高处落下的 45 公斤皮包的撞击。

为了符合要求,玻璃不能破裂,或者如果它破裂,十个最大的碎片的重量不能超过原始样品十平方英寸的等效重量。除了分类为安全玻璃外,玻璃还必须承受所需的风载荷,以及0.89 kN的集中载荷和0.73 kN/m的线性载荷,集中载荷和线性载荷的安全系数为4 .

安全系数 4 旨在用于将材料的极限应力降低到设计计算中的允许应力,而不是增加施加的载荷。例如,钢化玻璃的极限应力为 165 N/mm²。应用安全系数 4 将导致 41.36 N/mm² 的允许应力。

尽管法规始终允许使用带有钢化或热强化玻璃的夹层玻璃,但在 2015 年法规变更之前,通常使用单片钢化玻璃。应该指出的是,2009 年 IBC 确实要求夹层玻璃用于风载碎片区域的栏杆以及在系统设计中不包含顶盖的系统。

2011 年,曾有数篇新闻报道称单片钢化玻璃从多层楼上坠落到下方的人行道上。在加拿大多伦多,2010 年至 2011 年间有 30 起玻璃从 11 座建筑物坠落的报告 [2]。

此场景未本地化到多伦多。其他城市,如奥斯汀、休斯顿、西雅图、纽约市和芝加哥,都曾出现过玻璃从阳台上掉下来的情况。经过多次调查,硫化镍夹杂物位居原因之首;然而,其他贡献者是产品设计和安装问题。面对所有负面新闻,玻璃行业着眼于未来并开始提议更改代码。

2015年国际商业银行

2015 年 IBC 在防止玻璃沉降方面向前迈出了一大步。第 2407 节经过修订,要求在所有栏杆应用中使用夹层玻璃。新规范取消了单片钢化玻璃的使用,但确实包含了一个例外。如果栏杆下方没有走道面或走道面防止玻璃掉落,则可以使用整体钢化玻璃[3]。夹层玻璃仍必须归类为安全玻璃并与皮包碰撞。

然而,对于通过冲击试验的夹层玻璃,它要么不能破裂,要么不能破裂,也不能有任何撕裂或开口,76mm 的球体可以在 18 N 的施加力下通过。 与整体钢化玻璃不同,后者允许腾出开口,夹层安全玻璃必须继续留在原位,不允许任何大于76mm的开口。其他负载要求与 2009 年版本相同,包括建筑官员批准拆除顶部栏杆。

2018 IBC 和 ASTM E2353

对于 2018 年版的 IBC [4],唯一的变化是取消了建筑官员对拆除顶部栏杆的批准。根据新规范,现在可以拆除顶部导轨,如果它是具有两块或更多块相同厚度的夹层安全玻璃,并且根据 ASTM E2353 标准测试测试玻璃在受到撞击或损坏时作为屏障保持在原位永久性栏杆系统、护栏和栏杆的玻璃性能方法 [5]。

本标准概述了如何测试栏杆的静态强度、冲击性能和破损后特性。在玻璃承受静态载荷(均匀载荷、线性载荷和集中载荷)后,使用与 ANSI Z97.1 [6] 相同的设备和冲击器冲击玻璃。然后使用配备有 ASTM E2025 中规定的金属鼻冲击器的不同摆锤再次冲击玻璃,该标准于 2015 年被撤销 [7]。

冲击后的玻璃分为四类:(1)玻璃未破碎;(2)玻璃破碎但仍保留在开口处且没有实心球体通过;(3)玻璃破碎并含有碎片球通过,并且 (4) 玻璃被打破,碎片没有被包含在内。此外,ASTM E2353 还根据玻璃支撑对栏杆、护栏和栏杆的不同类型进行了分类。有六种玻璃类型,仅在底鞋底部支撑的悬臂栏杆为 V 型。 V 型和 VI 型要求冲击距离中心 50 毫米以内,距离顶部不超过 200 毫米。

三 测试程序

为了了解 FEA 建模和 ASTM E1300 的公式与实际测试的比较情况,启动了一个测试程序,该程序将测量线性和集中载荷下的挠度,然后是冲击和断裂后集中载荷。使用两片 8 毫米钢化玻璃制备了十二个层压板。层压板长 1,067 毫米,高 1,067 毫米。选择了三种不同的夹层,聚乙烯醇缩丁醛 (PVB)、硬 PVB 和离子塑料。

所有样品都安装在 CR Laurence Co. 的铝制底靴中。每个底靴长 1,067 毫米,高 120.6 毫米,通道深度为 101.6 毫米,宽 38.1 毫米。三个层压板,每个中间层之一,使用西卡的 SikaGlaze GG-735 聚氨酯 (PU) 灌浆进行湿釉。根据制造商的说明混合两部分 PU 灌浆。将层压板固定到位后,将 PU 灌浆倒入底鞋中,并在测试前固化 36 小时。

其余九层层压板,每层三层,使用 CR Laurence 的 Taper-Loc 干釉系统安装。如图 1 所示,根据制造商的建议使用了四个锥度。 底靴安装在用螺栓固定在测试框架上并用螺栓固定在混凝土地板上的工字钢上,如图 2 所示。执行所需的负载条件。

两个金属支架,一个用于集中载荷,一个用于线性载荷,安装在玻璃顶部。线性负载支架长 1,067 毫米,宽 38.1 毫米,重 24 公斤。集中负载支架长 292 毫米,宽 38 毫米,重 10 公斤。链条将支架连接到连接在柱塞末端的称重传感器。在使用线性传感器测量挠度的同时,施加 0.73 kN/m 的线性负载 60 秒。

对于集中载荷,在测量挠度的同时,在顶部中心施加 1.33 kN 60 秒。在承受静态载荷后,使用 ASTM E2353 中描述的弹袋冲击器从 1220 毫米的高度坠落对栏杆进行冲击。如果层压板在撞击时没有破裂,则使用钢(硬体)撞击器。样品在距顶部边缘 200mm 范围内的中心受到冲击。

图 1. 锥度的位置

图 1. 锥度的位置

图 2 使用线性负载支架进行测试设置

图 2 使用线性负载支架进行测试设置

四 建模

选择了两种不同的方法来模拟负载下层压板的挠度,使用 SJ Mepla 软件的 FEA 和附录 X9 [8] 中的 ASTM E1300 悬臂栏杆方程。两种方法都使用最小玻璃厚度和夹层在 20°C 和 1 分钟时的剪切模量。根据 ASTM E1300,8 毫米玻璃的最小玻璃厚度为 7.42 毫米。20°C 和 1 分钟的剪切模量对于 PVB 为 1.2 N/mm2,对于硬 PVB 为 120 N/mm²,对于 Ionoplast 为 192 N/mm²。

要在 SJ Mepla 中模拟支撑条件,有几个不同的选项;但是,选择了类型 1 和类型 5。类型一模拟自由度 w、u、v、φ 和 θ 为零,而类型 5 只有 w、φ 和 θ 为零。除了这两种支撑条件外,还使用弹性线支撑进行建模。使用了五个线弹性支撑件,它们跨越整个层压板长度,宽度为 20 毫米。E 模量为 30 N/mm2,高度为 5mm。模拟的挠度值在表 1 和表 2 中。

表 1 集中载荷的模拟挠度值

表 1 集中载荷的模拟挠度值

表 2 线性负载的模拟挠度值

表 2 线性负载的模拟挠度值

表 3 偏转结果

表 3 偏转结果

表 4 冲击试验结果

表 4 冲击试验结果

五 结果

测试证明是相当困难的。两个样品在测试前破裂,用于湿釉样品的聚氨酯灌浆混合机破裂。因此,在出版时只有干釉样品的结果可用。除了这些挑战,基础鞋的稳定性也出现了问题。安装系统的设计允许底鞋滚动,并导致比预期更大的偏转。

为了减少滚动,一个角撑板被焊接到支撑底鞋的工字梁上。这增加了一些额外的稳定性,但仍然检测到过度偏转。添加了额外的螺栓以将组件固定到混凝土地板上,并在测试前拧紧每个螺栓。由于这些问题,挠度不一致,如表 3 所示;然而,最后几个测试的样品确实看到了减少的偏转。

表 4 显示了冲击试验的结果。第一个撞击器是软体撞击器,其次是硬体钢撞击器。如果玻璃没有从撞击器上破碎,则用锤子手动破碎。一旦破裂,PVB 层压板就会倒下,而 Stiff PVB 和 Ionoplast 层压板则保持直立。静置一分钟后,将 10 kg 集中负载支架放回现在破碎的玻璃层压板的顶部,并施加负载直到层压板翻倒。刚性 PVB 在失效前可承受 285 N 的载荷,而 Ionoplast 可承受 489 N。所有测试均在 20°C 至 21°C 之间的受控温度下进行。

六 结论

该测试程序的目的是将悬臂式玻璃栏杆的物理测试与常见的工程计算进行比较,例如有限元分析和 ASTM E1300 中附录 X9 的栏杆方程。根据 ASTM E2358 对样品进行集中和线性负载以及冲击测试。根据这些结果,只有具有 Ionoplast 和 Stiff PVB 中间膜的层压板才能满足 2018 IBC 对悬臂式玻璃栏杆的要求。

在物理测试期间,基础鞋的安装问题允许比预期更大的偏转。为了纠正这个问题,在工字梁上添加了一个角撑板,以防止底鞋滚动。这导致玻璃的偏转减少。根据这一经验,基鞋的安装对层压板的性能起着重要作用。

将底座直接安装到混凝土底座上可能会产生更好的效果。虽然最初的计划是测试 CRL 的干釉 Taper-Loc 系统和使用西卡的 SikaGlaze GG735 的湿釉,但用于湿釉的泵存在问题。因此,在发布时只有干釉系统的数据可用。未来需要对湿玻璃系统进行测试。

不同的计算方法产生了一些有趣的结果。对于线性载荷和集中载荷,线性弹性和支撑条件 1 的分层结果非常相似,而支撑条件 5 稍高。这仅适用于 Ionoplast 和 Stiff PVB。标准 PVB 的值变化很大。使用有效厚度法时,每个夹层的不同支撑条件相似,但线弹性值略低。

ASTM E1300 线性载荷的有效厚度栏杆方程也产生了与使用分层或有效厚度方法的 FEA 非常相似的挠度值,至少对于较硬的 Ionoplast 和 Stiff PVB 夹层而言。使用标准 PVB,E1300 方程类似于分层线弹性支撑和支撑 1 和 5 的有效厚度方法。

由于测试的挠度数据存在一些问题,因此需要在更好的支撑条件下进一步测试以与计算值进行比较。然而,最后测试的几个样品更接近于计算出的样品。由于所有测试和建模都在 20°C 和 1:1 的尺寸比下进行,这些发现可能不适用于更高的温度或不同的尺寸。因此,需要进一步测试以确定更高温度以及不同尺寸的影响。

参考

1. International Code Council. (2012). 2012 – International Building Code. Retrieved from https://codes.iccsafe.org/content/IBC2012?site_type=public
2. Ontario Ministry of Municipal Affairs and Housing. (2012). Expert Panel on Glass Panels in Balcony Guards Report – 2012. Retrieved from http://www.mah.gov.on.ca/Page9948.aspx
3. International Code Council. (2015). 2015 – International Building Code. Retrieved from https://codes.iccsafe.org/content/IBC2015/toc
4. International Code Council. (2018). 2018 – International Building Code. Retrieved from https://codes.iccsafe.org/content/IBC2018?site_type=public
5. ASTM E2353-16, Standard Test Methods for Performance of Glazing in Permanent Railing Systems, Guards, and Balustrades, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org
6. From ANSI Z97.1-2015, “For Safety Glazing Materials Used in Buildings – Safety Performance Specifications and Methods of Test”, copyright Accredited Standards Committee (ASC) Z97; 800 SW Jackson St Suite 1500, Topeka, KS 66612 – 1200. A copy of the complete standard may be obtained from www.ansiz97.com.
7. ASTM E2025-99(2006), Standard Test Method for Evaluating Fenestration Components and Assemblies for Resistance to Impact Energies (Withdrawn 2015), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2006, www.astm.org
8. ASTM E1300-16, Standard Practice for Determining Load Resistance of Glass in Buildings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org

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