使用全尺寸测试、有限元建模和屈曲公式对夹层玻璃翅片进行比较研究



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近 50 年来,玻璃一直被用作玻璃翅片应用中的结构元件。这些应用包括室内和室外项目、支撑立面、檐篷、店面、幕墙和天窗。

概述

机械刚性夹层扩展了夹层玻璃翅片的性能,并为玻璃幕墙提供了改进的设计解决方案。与传统 PVB 层压板相比,与刚性夹层相关的增强的弯曲行为和强度优势可实现更长、更薄和更窄的翅片轮廓,并具有扩展的结构性能。处理玻璃翅片工程的规范和标准数量有限。澳大利亚标准 AS 1288 是单片玻璃翅片设计的重要参考,并处理了几个边界条件的屈曲/坍塌条件,但并未涉及夹层玻璃。

外墙工程师经常使用已发表的屈曲公式和有限元分析来设计夹层玻璃翅片。一种设计方法是忽略层压板的剪切特性并将翅片视为完全耦合。然后将总玻璃厚度与已发布的整体玻璃屈曲公式一起使用。这项研究挑战了这种方法。在这里,我们回顾了八种不同结构的结构玻璃翅片的全尺寸机械测试、有限元技术和已发布的屈曲方程,展示了夹层玻璃翅片中不同夹层的影响。

介绍

近 50 年来,玻璃一直被用作玻璃翅片应用中的结构元件。这些应用包括室内和室外项目、支撑立面、檐篷、店面、幕墙和天窗。第一个鳍片应用主要是单片全钢化玻璃,使用厚 (19 毫米) lites。与退火或热强化玻璃相比,全钢化玻璃具有许多优点。当钢化玻璃失效时,它会破碎成更小、更安全的碎片。全钢化玻璃也存在固有缺陷,因为它容易夹杂硫化镍,从而导致自发破裂。

热浸可用于防止自发断裂。然而,单片全钢化玻璃一旦破碎,就没有残留的屏障,也没有玻璃破碎后的强度。夹层玻璃就是用来解决这个问题的。除了单片玻璃的断裂后强度问题之外,随着翅片变得更长并且设计用于更高的负载,由于厚度限制,不再可能用单片玻璃实现这些设计。夹层玻璃允许厚度大于25mm,增加了玻璃翅片的应用。

标准 PVB 最初是在 1930 年代为汽车挡风玻璃开发的。它是一种柔性夹层,可在玻璃破碎后提供一定的稳定性,并有助于在玻璃破碎后将玻璃固定在框架中。PVB 不提供所有层片断裂后的玻璃破碎后强度。标准 PVB 已用于玻璃翅片,但由于中间层的柔软性;玻璃片必须更厚才能承载与整体式翅片相同的载荷。在 1990 年代,杜邦 SentryGlas® (Ionoplast) 被开发为一种结构夹层材料,能够通过在强风区使用的飓风规范要求。

Ionoplast 比标准 PVB 硬 100 倍,抗撕裂性高 5 倍。这些特性允许夹层更有效地耦合玻璃层,提供更硬的复合层压板。这使得用 Ionoplast 制成的层压板具有出色的玻璃破碎后性能和保持力。

由于翅片的细长性质,典型的失效模式是横向扭转屈曲。本文的目的是比较几种关于横向扭转屈曲的翅片设计数学方法,包括整体结构和层压结构。此外,我们将讨论全尺寸测试,以进一步验证用于单片和层压翅片的这些方程。

理论

目前,关于玻璃翅片的规范和标准的参考文献很少。其中之一是澳大利亚标准 AS 1288 [2]。该标准解决了翅片屈曲问题,提供了计算有和没有屈曲约束以及连续约束的梁的临界弹性值的公式。例如,附录 C3 提供了“没有中间屈曲约束的梁”的公式,如下面的公式 1 所示。

方程 1:没有中间屈曲约束的梁方程

方程 1:没有中间屈曲约束的梁方程

在这个方程中,M CR代表翅片的临界屈曲力矩,g2 和 g3 是基于翅片支撑方式的常数,Lay是刚性屈曲约束之间的无支撑距离,(EI) y是抵抗弯曲的刚度短轴,GJ 是扭转刚度,y h是负载位置质心上方的距离。

从等式中可以看出,没有提及所使用的夹层类型。该方程完全基于翅片的几何形状、支撑方式、负载位置和材料(玻璃)类型。该等式以及 AS 1288 中提出的其他等式适用于单片翅片,但没有提供用于层压翅片的选项。玻璃翅片设计人员只能假设由于中间层引起的剪切耦合损失而导致的扭转刚度损失。在某些情况下,设计师错误地将层压板的层厚度加在一起并应用 AS1288 方程,而忽略了夹层的影响。

Andreas Luible 博士的工作概述了另一种方法 [1]。他提出了一个将层压翅片与临界屈曲力矩联系起来的直接方程。该方程包括玻璃的弹性模量、翅片的惯性矩、无支撑跨度、夹层剪切模量、支撑条件和加载类型。下面的公式 2 显示了详细信息。

公式 2:夹层玻璃翅片的临界屈曲载荷

公式 2:夹层玻璃翅片的临界屈曲载荷

公式 2 可用于计算具有不同夹层材料、不同负载持续时间、不同温度、不同跨度、不同几何形状等的翅片。 使用标准 PVB 和 Ionoplast 在 50C 和 3 秒负载持续时间下的材料特性,探索并展示了几种设计在下表中。下面的表 1 和表 2 显示了标准 PVB 和 Ionoplast 在各种温度和负载持续时间下的剪切模量。为给定的应用选择合适的模量值很重要。

表 1:以 MPa 为单位的离子塑料剪切模量 [4]

表 1:以 MPa 为单位的离子塑料剪切模量 [4]

表 2:以 MPa 为单位的标准 PVB 剪切模量值 [4]

表 2:以 MPa 为单位的标准 PVB 剪切模量值 [4]

在表 3 中,使用单片玻璃、60 mil 标准 PVB (PVB) 和 60 mil Ionoplast (SG) 设计了一个 6 米长的简支鳍片,深度为 600 毫米。可以看出,整体式翅片和 Ionoplast 层压翅片的屈曲力矩处于同一数量级,但标准 PVB 结构比其他结构低约 40%。这显示了夹层在设计结构玻璃元件时可以发挥的主要差异。

表 3:根据 Luible 的相同结构、临界时刻比较

表 3:根据 Luible 的相同结构、临界时刻比较

在表 4 中,所有三个玻璃翅片都使用了相同的设计力矩,并且允许翅片的深度发生变化以达到所需的临界屈曲力矩。同样,整体式鳍片和 Ionoplast 鳍片具有可比性,而标准 PVB 鳍片必须比其他鳍片宽 50%。

表 4:应用相同的临界力矩,根据 Luible 要求的翅片深度

表 4:应用相同的临界力矩,根据 Luible 要求的翅片深度

在表 5 中,所有三种结构的设计力矩再次保持不变。这一次,允许改变玻璃厚度以满足临界屈曲力矩。在这种情况下,整体式和 Ionoplast 翅片具有可比性,而 PVB 翅片必须具有 21% 厚的玻璃才能获得相同的临界横向扭转屈曲力矩。

表 5:应用相同的临界力矩,根据 Luible 要求的玻璃厚度

表 5:应用相同的临界力矩,根据 Luible 要求的玻璃厚度

在所有情况下,由 PVB 层压板组成的翅片将需要更厚的玻璃和或更深的翅片结构,以抵抗与 Ionoplast 层压板或单片玻璃相同的横向载荷。这对立面具有显着的建筑影响。在建筑中,人们强烈希望翅片尽可能窄,以保持空间的美观和效率。更软的 PVB 使这个目标更难达到。除了降低立面的美感外,支撑翅片墙的建筑结构可能需要更大,以支撑翅片的附加重量。

Luible 博士和 AS1288 中提出的屈曲方程非常适用于许多玻璃翅片设计问题。但是,有很多设计情况没有被手工公式覆盖:不规则的加载模式、连续梁、梁柱等。在这些情况下,计算机建模是必要的。Luble 博士提出的方程与有限元分析 (FEA) 进行了比较。分析是在 Abaqus 标准版 6.12 [3] 中进行的。

玻璃和夹层使用三维立体元件。玻璃元件 (C3D8I) 和夹层元件 (C3D8RH) 的尺寸约为 25mm x 25mm,厚度上有两个元件。具有不兼容模式的元件被用于玻璃,以消除弯曲时薄实体元件固有的剪切锁定。夹层是粘弹性的,因为它们在不同的温度和负载持续时间下具有不同的特性。为了简化分析,对玻璃和夹层都使用了线弹性材料属性。

玻璃翅片采用半对称建模。在玻璃正面上方 25 毫米处施加载荷,并限制翅片的末端扭曲。通过将节点转换为位移配置,将 RIKS 分析中的横向缺陷添加到几何中。下面的图 1 显示了本研究中使用的建模假设。

使用了两种分析技术:特征值和 RIKS。特征值分析输出单个屈曲因子,与 Luible 提供的手工公式进行比较。RIKS 分析是一种更先进的建模技术,通常用于不稳定结构。该分析同时求解载荷和位移,因此模型在整个屈曲事件中保持稳定 [3]。

图 1:有限元模型

图 1:有限元模型

测试

为了验证这些方程和建模方法,进行了全尺寸翅片的机械测试。过去有几篇关于这些方程的论文,但通常是在实验室规模的大约 1m 长的鳍上。为了测试可扩展性,我们设计了一个使用跨度为 5m、深度为 500mm 或 305mm 的翅片的测试。散热片的结构为 10mm x 10mm 全钢化玻璃或 8mm x 8mm 全钢化玻璃,夹层厚度为 60 mil。还测试了 19 毫米单片全钢化玻璃翅片以进行比较。我们的研究包括标准 PVB (PVB)、Trosifol ES (TRO) 和 Ionoplast (SG)。AGNORA 总共制备了 20 个翅片样品,其中包括一系列翅片深度和厚度,如下表 6 所示。

表 6:AGNORA 制备的玻璃翅片样品

表 6:AGNORA 制备的玻璃翅片样品

测试在宾夕法尼亚州约克的 Intertek-ATI 进行。测试夹具最初基于 Luible 博士的工作,适用于更大的鳍。使用钢梁和不粘插件在两端支撑翅片,以防止末端旋转。这些支持可以在图 2 中看到。

负载施加在中心,使用小车系统,允许负载与鳍横向移动,并始终垂直施加负载。手推车设计有轴承以尽可能消除摩擦,装载头中包含不粘插件。下面的图 3、4 和 5 显示了负载头和小车,以及翅片上的负载施加点(跨度中间,顶部边缘)。即使仔细注意消除测试组件中的摩擦,也无法创建无摩擦组件,因为少量摩擦会横向支撑翅片并对测试结果产生重大影响。一名实验室技术人员必须通过每 10 秒对托架施加大约 6 毫米的稳定横向平移来影响手推车。

图 2-5

以这种方式加载样品以引起横向扭转屈曲。位移传感器连接到翅片样品和手推车上,以测量已知施加载荷下翅片的位移。使用液压油缸施加负载,增量为 250 磅。一旦样品达到屈曲状态,翅片不再承受额外的载荷,而是处于稳定的偏转状态,直到玻璃层最终失效。对于表 6 中提到的每个样品,收集力挠度数据以与 Luible 博士提出的数学表达式以及本文中列出的有限元技术进行比较。

结果

测试结果列在下表 7 中。这里,将三个测试的中值载荷与 Dr. Luible 的方程和 FEA 进行了比较。为了准确模拟测试,FEA(和数学公式)中的玻璃从E1300中的最小玻璃厚度更改为用千分尺测量的实际玻璃厚度。此外,RIKS 模型已更改以反映在每个样本上测量的实际缺陷。最后,对夹层特性进行了调整,以代表玻璃样品的实验室温度和负载持续时间。

表 7:鳍测试结果与数学方程和有限元建模的比较

表 7:鳍测试结果与数学方程和有限元建模的比较

为所有测试样本创建了载荷与位移图,以将测试与 FEA 进行比较。在图 6 中,比较了 20 个测试结果中的两个。结果是 500 毫米深的鳍片,带有 10 毫米 + 10 毫米的玻璃,夹层有 PVB 和 Ionoplast (SG) 中间膜。

图 7 显示了接近失效的弯曲形状的玻璃翅片的位移等值线图。图 6 中的图表显示了鳍片底部大约 150 毫米的横向位移。翅片顶部在失效前经历了超过 200 毫米的横向变形。

图 6:带有 PVB 和 SG 中间层的翅片的负载与位移 FEA 和测试结果

图 6:带有 PVB 和 SG 中间层的翅片的负载与位移 FEA 和测试结果

图 7:鳍片失效附近横向位移的 FEA 等值线图

图 7:鳍片失效附近横向位移的 FEA 等值线图

结论

从表 7 中的结果和图 6 中的图表可以得出以下结论:

  1. 具有刚性夹层的玻璃翅片的屈曲能力高于具有软夹层的翅片。当夹层处于室温时,情况确实如此。
  2. 具有坚硬夹层的玻璃样品比几乎相同厚度的单片玻璃稍强。
  3. 鳍片测试、FEA 和 Dr. Luible 的屈曲方程产生了类似的结果。
  4. 适当钢化的玻璃翅片在失效前会经历较大的横向和旋转变形。

研究了三种验证夹层玻璃翅片横向扭转屈曲能力的方法:Luible 博士的方程、有限元分析和大规模测试。使用 Ionoplast 和 Trosifol 的玻璃翅片提供与同等尺寸的整体玻璃相当的横向扭转屈曲结果,并具有额外的玻璃破碎后稳定性和强度。此外,与标准 PVB 等较软的夹层材料相比,SentryGlas® 和 Trosifol 等更硬的夹层材料可产生更薄的玻璃、更窄的几何形状、抵抗更高的负载,并且能够跨越更长的距离。夹层玻璃可以有效地用于结构玻璃。

参考

[1] “Stability of Load Carrying Elements of Glass”, Luible, Andreas, Crisinel, Michael
[2] “AS 1288 – 2006 Australian Standard: Glass in Buildings—Selection and Installation”, by Committee BD-007, 16 January 2006.
[3] “Abaqus 6.12 – Abaqus Theory Manual, ABAQUS Documentation”, by Dassault Systemes.
[4] http://glasslaminatingsolutions.kuraray.com/architectsengineerscorner, by Kurary, 15 May 2015

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