Системы точечного крепления стекла, отвечающие этому архитектурному требованию, особенно популярны в местах входа с уровня земли и общественных зонах. Недавние технологические достижения позволили использовать сверхпрочные клеи для крепления этих крупных пемзовых элементов к аксессуарам без необходимости сверления отверстий в стекле.
Типичное расположение на земле увеличивает вероятность того, что система должна будет выполнять функцию защитного слоя для людей, находящихся в здании, и это требование превышает типичные требования к ветровой нагрузке. Были проведены некоторые испытания системы точечного крепления для сверления, но не метода клеевого соединения.
Целью данной статьи является регистрация имитационного испытания с использованием ударной трубы с зарядами взрывчатого вещества для имитации взрыва, имитирующего воздействие взрывной нагрузки на склеенный прозрачный компонент. В число этих переменных входит взрывная нагрузка, определённая ASTM F2912 [1], которая проводится на тонкой пластине с иономерным слоем SGP. Данное исследование впервые позволяет количественно оценить потенциальную взрывоопасность для крупномасштабных испытаний и архитектурного проектирования. Прикрепите четыре фитинга TSSA диаметром 60 мм (2,36 дюйма) к стеклянной пластине размером 1524 x 1524 мм (60 x 60 дюймов).
Четыре компонента, нагруженные до 48,3 кПа (7 фунтов на кв. дюйм) или ниже, не повредили и не повлияли на TSSA и стекло. Пять компонентов были нагружены под давлением свыше 62 кПа (9 фунтов на кв. дюйм), и четыре из пяти компонентов показали разрушение стекла, что привело к его смещению из проема. Во всех случаях TSSA оставался прикрепленным к металлической арматуре, и никаких неисправностей, адгезии или склеивания обнаружено не было. Испытания показали, что в соответствии с требованиями AAMA 510-14 испытанная конструкция TSSA может обеспечить эффективную систему безопасности при нагрузке 48,3 кПа (7 фунтов на кв. дюйм) или ниже. Полученные здесь данные могут быть использованы для проектирования системы TSSA, соответствующей указанной нагрузке.
Джон Кимберлейн (Jon Kimberlain) — эксперт по применению высокоэффективных силиконов Dow Corning. Лоуренс Д. Карбари (Lawrence D. Carbary) — научный сотрудник Dow Corning, специализирующийся на высокоэффективных строительных материалах, а также исследователь в области силиконов Dow Corning и ASTM.
Крепление стеклянных панелей с помощью структурного силикона используется уже почти 50 лет для улучшения эстетики и эксплуатационных характеристик современных зданий [2] [3] [4] [5]. Этот метод крепления позволяет создать гладкую, непрерывную наружную стену с высокой прозрачностью. Стремление к повышению прозрачности в архитектуре привело к разработке и использованию стен из тросовой сетки и наружных стен с болтовым креплением. Архитектурно сложные здания, являющиеся памятниками архитектуры, будут включать в себя современные технологии и должны соответствовать местным строительным нормам и стандартам безопасности.
Был изучен прозрачный структурный силиконовый клей (TSSA), и предложен метод крепления стекла с помощью болтовых креплений вместо сверления отверстий [6] [7]. Технология прозрачного клея, обладающая прочностью, адгезией и долговечностью, обладает рядом физических свойств, позволяющих проектировщикам навесных фасадов создавать уникальные и новые системы соединения.
Круглые, прямоугольные и треугольные аксессуары, отвечающие эстетическим и структурным требованиям, легко проектируются. TSSA отверждается одновременно с обработкой ламинированного стекла в автоклаве. После извлечения материала из автоклава можно провести 100% контроль. Это преимущество контроля качества уникально для TSSA, поскольку позволяет мгновенно оценить структурную целостность конструкции.
Были изучены ударопрочность [8] и амортизирующий эффект традиционных конструкционных силиконовых материалов [9]. Вольф и др. предоставили данные, полученные в Штутгартском университете. Эти данные показывают, что по сравнению со скоростью квазистатической деформации, указанной в ASTM C1135, прочность на разрыв конструкционного силиконового материала достигает предельной скорости деформации 5 м/с (197 дюймов/с). Прочность и удлинение увеличиваются. Это свидетельствует о взаимосвязи между деформацией и физическими свойствами.
Поскольку TSSA является высокоэластичным материалом с более высоким модулем упругости и прочностью, чем структурный силикон, ожидается, что он будет обладать теми же общими характеристиками. Хотя лабораторные испытания с высокими скоростями деформации не проводились, можно ожидать, что высокая скорость деформации при взрыве не повлияет на прочность.
Стеклянные конструкции с болтовым креплением прошли испытания, соответствуют стандартам взрывозащиты [11] и были представлены на выставке Glass Performance Day 2013. Визуальные результаты наглядно демонстрируют преимущества механического крепления разбитого стекла. Для систем с исключительно клеевым креплением это может оказаться сложной задачей.
Рама изготовлена ​​из стального швеллера американского стандарта размерами: глубина 151 мм, ширина 48,8 мм, толщина стенки 5,08 мм (6” x 1,92” x 0,20”), обычно называемого C-образным пазом 6” x 8,2#. Швеллеры сварены между собой по углам, а к углам приварен треугольный профиль толщиной 9 мм (0,375 дюйма), отступающий от поверхности рамы. В пластине просверлено отверстие диаметром 18 мм (0,71 дюйма), в которое легко вставляется болт диаметром 14 мм (0,55 дюйма).
Металлические крепления TSSA диаметром 60 мм (2,36 дюйма) расположены на расстоянии 50 мм (2 дюйма) от каждого угла. Для обеспечения симметрии используйте четыре крепления на каждом стекле. Уникальная особенность TSSA заключается в том, что его можно разместить близко к краю стекла. Отверстия для сверления отверстий в стекле имеют определённые размеры, начиная от края, которые должны быть учтены в проекте и просверлены до закалки.
Расположение среза близко к краю повышает прозрачность готовой системы и одновременно снижает адгезию звездообразного соединения благодаря меньшему крутящему моменту, прилагаемому к типичному звездообразному соединению. Для этого проекта было выбрано два закалённых прозрачных слоя стекла толщиной 6 мм (1/4 дюйма) и размером 1524 мм x 1524 мм (5 футов x 5 футов), ламинированных иономерной промежуточной плёнкой Sentry Glass Plus (SGP) толщиной 1,52 мм (0,060 дюйма).
Диск TSSA толщиной 1 мм (0,040 дюйма) наносится на загрунтованный фитинг из нержавеющей стали диаметром 60 мм (2,36 дюйма). Грунтовка предназначена для повышения прочности адгезии к нержавеющей стали и представляет собой смесь силана и титаната в растворителе. Металлический диск прижимается к стеклу с измеренным усилием 0,7 МПа (100 фунтов на кв. дюйм) в течение одной минуты для обеспечения смачивания и контакта. Поместите компоненты в автоклав, нагретый до давления 11,9 бар (175 фунтов на кв. дюйм) и температуры 133 °C (272 °F), чтобы TSSA мог выдержать 30 минут, необходимых для отверждения и склеивания в автоклаве.
После завершения обработки в автоклаве и охлаждения осмотрите каждый фитинг TSSA и затяните его с моментом 55 Н·м (40,6 фут-фунта), чтобы обеспечить стандартную нагрузку 1,3 МПа (190 фунтов на кв. дюйм). Аксессуары для TSSA поставляются компанией Sadev и обозначены как аксессуары R1006 TSSA.
Установите основной корпус устройства на диск для отверждения на стекле и опустите его в стальную раму. Отрегулируйте и закрепите гайки на болтах так, чтобы внешнее стекло было заподлицо с внешней поверхностью стальной рамы. Шов размером 13 x 13 мм (1/2″ x ½″) по периметру стекла герметизирован двухкомпонентным силиконовым герметиком, чтобы испытание под нагрузкой можно было начать уже на следующий день.
Испытание проводилось с использованием ударной трубы в Лаборатории исследований взрывчатых веществ Университета Кентукки. Ударопоглощающая труба состоит из армированного стального корпуса, позволяющего устанавливать на забое устройства размером до 3,7 х 3,7 м.
Ударная труба приводится в действие путём размещения взрывчатых веществ по всей длине взрывной трубы для имитации положительной и отрицательной фаз взрыва [12] [13]. Для испытания поместите всю конструкцию из стекла и стальной рамы в ударопоглощающую трубу, как показано на рисунке 4.
Внутри ударной трубы установлены четыре датчика давления, обеспечивающие точное измерение давления и пульса. Для записи испытания использовались две цифровые видеокамеры и цифровая зеркальная фотокамера.
Высокоскоростная камера MREL Ranger HR, расположенная рядом с окном снаружи ударной трубы, снимала испытание со скоростью 500 кадров в секунду. Для измерения отклонения в центре окна установите лазер с частотой 20 кГц рядом с окном.
Четыре элемента каркаса были испытаны девять раз. Если стекло не вылетело из проёма, необходимо провести повторное испытание элемента при более высоком давлении и ударе. В каждом случае регистрируются данные о целевом давлении, импульсе и деформации стекла. Затем каждое испытание также оценивается в соответствии со стандартом AAMA 510-14 [Добровольные руководящие принципы системы Festestration по снижению взрывоопасности].
Как описано выше, четыре рамные конструкции испытывались до тех пор, пока стекло не было извлечено из проёма взрывобезопасного окна. Цель первого испытания — достичь давления 69 кПа при импульсе 614 кПа·мс (10 фунтов на кв. дюйм, 89 фунтов на кв. дюйм·мс). Под действием нагрузки стекло разбилось и отделилось от рамы. Точечные фитинги Sadev обеспечивают прилипание TSSA к осколкам закалённого стекла. При разрушении закалённого стекла оно вылетело из проёма, прогнувшись примерно на 100 мм (4 дюйма).
В условиях возрастающей непрерывной нагрузки рама 2 была испытана трижды. Результаты показали, что разрушение произошло только при достижении давления 69 кПа (10 фунтов на кв. дюйм). Измеренные значения давления 44,3 кПа (6,42 фунтов на кв. дюйм) и 45,4 кПа (6,59 фунтов на кв. дюйм) не повлияли на целостность компонента. При измеренном давлении 62 кПа (9 фунтов на кв. дюйм) прогиб стекла привёл к его разрушению, и оно осталось в проёме. Все аксессуары TSSA крепятся с использованием битого закалённого стекла, как показано на рисунке 7.
В условиях возрастающей непрерывной нагрузки рама 3 была испытана дважды. Результаты показали, что разрушение не произошло, пока давление не достигло целевого значения 69 кПа (10 фунтов на кв. дюйм). Измеренное давление 48,4 кПа (7,03) фунтов на кв. дюйм не повлияет на целостность компонента. Сбор данных не позволил определить прогиб, но визуальное наблюдение по видео показало, что прогиб рамы 2 теста 3 и рамы 4 теста 7 был одинаковым. При измерительном давлении 64 кПа (9,28 фунтов на кв. дюйм) прогиб стекла, измеренный на 190,5 мм (7,5 дюйма), привел к разрушению, в результате чего стеклянное окно осталось в проеме. Все аксессуары TSSA прикреплены с разбитым закаленным стеклом, как и на рисунке 7.
Рама 4 была испытана трижды с увеличением непрерывной нагрузки. Результаты показали, что разрушение не произошло до тех пор, пока давление не достигло целевого значения 10 фунтов на квадратный дюйм во второй раз. Измеренные значения давления 46,8 кПа (6,79) и 64,9 кПа (9,42 фунта на квадратный дюйм) не повлияли на целостность компонента. В испытании № 8 стекло прогнулось на 100 мм (4 дюйма). Ожидается, что при этой нагрузке стекло разобьётся, но можно получить и другие данные.
В испытании № 9 измеренное давление 65,9 кПа (9,56 фунта на кв. дюйм) прогнуло стекло на 190,5 мм (7,5 дюйма) и разбилось, оставив стеклянное окно в проёме. Все аксессуары TSSA крепятся к тому же разбитому закалённому стеклу, что и на рисунке 7. Во всех случаях аксессуары легко снимаются со стальной рамы без видимых повреждений.
Значение TSSA для каждого испытания остаётся неизменным. После испытания, когда стекло остаётся целым, визуального изменения TSSA не наблюдается. На высокоскоростной видеозаписи видно, как стекло разбивается в середине пролёта и затем вылетает из проёма.
При сравнении разрушения стекла и отсутствия разрушения на рисунках 8 и 9 интересно отметить, что режим разрушения стекла происходит вдали от точки крепления, что указывает на то, что несвязанная часть стекла достигла точки изгиба, которая быстро приближается к пределу хрупкости стекла относительно той части, которая осталась склеенной.
Это указывает на то, что во время испытания сломанные пластины в этих деталях, вероятно, будут перемещаться под действием сдвигающих усилий. Учитывая этот принцип и наблюдение, что характер разрушения, по-видимому, заключается в охрупчивании толщины стекла в зоне адгезионного соединения по мере увеличения заданной нагрузки, характеристики следует улучшать, увеличивая толщину стекла или контролируя прогиб другими способами.
Испытание 8 для рамы 4 стало приятным сюрпризом в испытательном стенде. Хотя стекло не повреждено, что позволяет провести повторное испытание рамы, система TSSA и прилегающие уплотнительные полосы по-прежнему выдерживают такую ​​большую нагрузку. Система TSSA использует четыре 60-миллиметровых крепления для поддержки стекла. Расчётные ветровые нагрузки включают в себя переменные и постоянные нагрузки, обе по 2,5 кПа (50 фунтов на кв. фут). Это умеренная конструкция с идеальной архитектурной прозрачностью, выдерживающая чрезвычайно высокие нагрузки, и система TSSA остаётся целой.
Данное исследование было проведено с целью определить, есть ли у клеевого соединения стеклянной системы какие-либо присущие ему опасности или недостатки с точки зрения требований к пескоструйной обработке. Очевидно, что простая система крепления TSSA диаметром 60 мм устанавливается вблизи края стекла и обеспечивает его эффективность до момента его разрушения. Если стекло спроектировано таким образом, чтобы быть устойчивым к разрушению, TSSA является эффективным методом соединения, который может обеспечить определённую степень защиты, сохраняя при этом требования здания к прозрачности и открытости.
Согласно стандарту ASTM F2912-17, испытанные оконные компоненты соответствуют уровню опасности H1 по стандарту C1. Аксессуар Sadev R1006, использованный в исследовании, не подвержен воздействию.
Закалённое стекло, использованное в данном исследовании, является «слабым звеном» системы. После того, как стекло разобьётся, TSSA и прилегающая уплотнительная лента не смогут удержать большое количество стекла, поскольку небольшое количество осколков останется на силиконовом материале.
С точки зрения конструкции и эксплуатационных характеристик, клеевая система TSSA обеспечивает высокий уровень защиты взрывоопасных фасадных компонентов при начальном уровне взрывоопасности, что широко признано в отрасли. Испытания фасада показали, что при взрывоопасности от 41,4 кПа (6 фунтов на кв. дюйм) до 69 кПа (10 фунтов на кв. дюйм) показатели взрывоопасности существенно различаются.
Однако важно, чтобы разница в классификации опасности не была связана с разрушением адгезии, о чём свидетельствует когезионное разрушение адгезии и фрагментов стекла между пороговыми значениями опасности. Согласно наблюдениям, размер стекла подбирается надлежащим образом, чтобы минимизировать прогиб и предотвратить хрупкость из-за повышенной реакции на сдвиг в месте изгиба и крепления, что, по-видимому, является ключевым фактором эксплуатационных характеристик.
Будущие конструкции, возможно, смогут снизить уровень опасности при более высоких нагрузках за счет увеличения толщины стекла, фиксации положения точки относительно края и увеличения диаметра контакта клея.
[1] ASTM F2912-17 Стандартные технические условия на стекловолокно, стекло и стеклянные системы, подверженные нагрузкам на большой высоте, ASTM International, Уэст-Коншоукен, Пенсильвания, 2017 г., https://doi.org/10.1520/F2912-17 [2 ] Хиллиард Дж. Р., Пэрис К. Дж. и Петерсон К. О., младший, «Конструкционное герметизирующее стекло, технология герметиков для стеклянных систем», ASTM STP 638, ASTM International, Уэст-Коншоукен, Пенсильвания, 1977 г., стр. 67–99. [3] Заргами, М.С., Т.А., Шварц и Гладстоун, М., «Сейсмические характеристики структурного кварцевого стекла», Building Sealing, Sealant, Glass and Waterproof Technology, Том 1. 6. ASTM STP 1286, Дж. К. Майерс, редактор, ASTM International, Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 1996 г., стр. 46–59. [4] Карбари, Л.Д., «Обзор долговечности и эксплуатационных характеристик систем оконных конструкций из силиконового стекла», Glass Performance Day, Тампере, Финляндия, июнь 2007 г., Материалы конференции, стр. 190–193. [5] Шмидт, CM, Шенхерр, WJ, Карбари Л.Д. и Такиш, MS, «Характеристики силиконовых структурных клеев», Glass System Science and Technology, ASTM STP1054, CJ University of Paris, Американское общество по испытаниям и материалам, Филадельфия, 1989 год, стр. 22–45 [6] Вольф, AT, Ситте, С., Брассер, М., Дж. и Карбари Л. Д., «Прозрачный структурный силиконовый клей для фиксации остекления (TSSA). Предварительная оценка механических свойств и долговечности стали», Четвертый международный симпозиум по долговечности «Строительные герметики и клеи», журнал ASTM International, опубликовано онлайн, август 2011 г., том 8, выпуск 10 (11 ноября 2011 г.), JAI 104084, доступно по следующим ссылкам: веб-сайт: www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/JOURNALS/JAI/PAGES/JAI104084.htm. [7] Клифт, К., Хатли, П., Карбари, Л.Д., Прозрачный структурный силиконовый клей, Glass Performance Day, Тампере, Финляндия, июнь 2011 г., Материалы встречи, страницы 650–653. [8] Клифт, К., Карбари, Л. Д., Хатли, П., Кимберлен, Дж., «Новое поколение структурного кварцевого стекла», Журнал проектирования и инжиниринга фасадов 2 (2014) 137–161, DOI 10.3233 / FDE-150020 [9] Кеннет Ярош, Андреас Т. Вольф и Сигурд Ситте «Оценка герметиков из силиконового каучука при проектировании пуленепробиваемых окон и навесных стен при высоких скоростях движения», Журнал ASTM International, Выпуск 1. 6. Статья № 2, ID JAI101953 [10] ASTM C1135-15, Стандартный метод испытаний для определения прочности адгезии при растяжении структурных герметиков, ASTM International, Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2015, https:/ /doi.org/10.1520/C1135-15 [11] Морган, Т., «Прогресс в области взрывобезопасного стекла с болтовым креплением», Glass Performance Day, июнь 2103 г., протокол встречи, стр. 181–182 [12] ASTM F1642 / F1642M-17 Стандартный метод испытаний стекла и стеклянных систем, подверженных сильным ветровым нагрузкам, ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания, 2017 г., https://doi.org/10.1520/F1642_F1642M-17 [13] Веддинг, Уильям Чад и Брейден Т. Ласк. «Новый метод определения реакции противовзрывных стеклянных систем на взрывные нагрузки». Метрика 45.6 (2012): 1471–1479. [14] «Добровольные рекомендации по снижению опасности взрыва вертикальных оконных систем» AAMA 510-14.