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Nov 03, 2023

Desarrollo y comportamiento de una conexión de ajuste delgado para laminación con PVB estructural

Fecha: 1 noviembre 2022 Estructuras e ingeniería de vidrio |

Fecha: 1 de noviembre de 2022

Estructuras e ingeniería de vidrio | https://doi.org/10.1007/s40940-022-00198-6

Diseñado para la construcción de un demostrador de carcasa de vidrio modular sin marco de doble curva, se ha desarrollado una conexión de acero inoxidable con una lámina delgada trapezoidal laminada en el intersticio de vidrio de seguridad de dos capas. Para la unión dentro del laminado de vidrio, se utiliza una capa intermedia de PVB estructural. Se pueden apilar varias capas intermedias de diferentes tipos de PVB según el grosor de intersticio necesario y la apariencia estética deseada. El accesorio está diseñado para transferir principalmente fuerzas de traslación, pero también proporciona cierta rigidez a la flexión a través de una barra transversal apoyada contra el borde del vidrio.

En la Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes de Lucerna (HSLU) se han realizado varias pruebas, incluida la aplicación de cargas de tensión, corte y flexión, para explorar el comportamiento estructural y la capacidad de carga de la conexión del accesorio. Además, se realizaron estudios de parámetros utilizando modelos de elementos finitos para explorar la influencia de la geometría del ajuste, las dimensiones, las propiedades de la capa intermedia y el tipo de carga en el comportamiento estructural de este tipo de conexión. Estos estudios de parámetros y los resultados de las pruebas permiten identificar una mayor optimización de la forma y posibilidades de aplicación de estos accesorios laminados delgados para estructuras de vidrio que soportan cargas.

Fondo

El diseño y la construcción de cubiertas estructurales de solo vidrio están sujetos a dos condiciones límite principales: el uso de laminados de vidrio planos o curvos con dimensiones limitadas y la necesidad de proporcionar una junta estructural entre los módulos de vidrio adyacentes. Estas conexiones estructurales transfieren principalmente fuerzas de membrana en el plano (componente axial y cortante paralelo al borde del vidrio), pero también son necesarios el paso de fuerzas fuera del plano y, posteriormente, la provisión de una rigidez limitada a la flexión alrededor del borde del vidrio. para hacer frente a cargas asimétricas y para la estabilidad global de la carcasa.

Además, la rigidez suficiente de las conexiones es obligatoria para el montaje y la orientación geométrica correcta de los módulos de vidrio en el contexto de la geometría de la envolvente global. La posición y orientación de las juntas con respecto a la forma global de la lámina y los escenarios de carga son cruciales para que las fuerzas se transfieran en las conexiones (Fildhuth y Knippers 2012; Fildhuth y Lippert 2012, Bagger 2010). Además, las juntas constituyen una discontinuidad con distinta variación de rigidez en la superficie de la carcasa. Lo mismo se aplica a las conexiones de vidrio estructural en construcciones de vidrio tipo placa.

Además de las clásicas fijaciones puntuales o conexiones de pernos de seguridad con orificios a través del vidrio (por ejemplo, Baitinger 2009), las conexiones de vidrio estructural más extendidas, aunque complejas, son los accesorios de acero inoxidable o titanio que se laminan en reservas/bolsillos recortados de la luz central de vidrio. en laminados de vidrio multicapa con un mínimo de tres o, a menudo, cinco litros (O'Callaghan 2012, Bedon 2018). Kothe (2016) ha mostrado y examinado elementos de conexión en forma de puntos que se unen adhesivamente a la superficie del vidrio utilizando diferentes adhesivos o películas de polímero. Las conexiones lineales son juntas adhesivas directas a tope entre paneles de vidrio adyacentes (Blandini 2005), o diseños mixtos con rieles de metal conectados con pernos unidos linealmente al borde del vidrio (Veer 2003). Schulz (2021) e Ioannidou-Kati (2018) presentan las conexiones locales en el borde.

Marinitsch (2015 y 2016) desarrolló una conexión lineal fuerte y compleja que consiste en un perfil de borde metálico con partes sobresalientes que se laminan en el compuesto de vidrio. Puller (2012) entregó un trabajo completo sobre accesorios laminados en la zona de la capa intermedia con una capa intermedia de ionómero y estudios de optimización de la forma. Una publicación más reciente (Volakos 2020) presenta una conexión de lámina de metal laminada con intersticio utilizando resina colada transparente y es interesante para la comparación con el presente artículo. Carvalho (2011) propuso láminas de metal perforadas laminadas en intersticio para conexiones. Kassnel-Henneberg (2020) y (2017) han desarrollado y aplicado una variación de accesorios estructurales laminados situados en los vértices/esquinas de elementos de vidrio estáticos o puertas.

El deseo de Eastman de presentar la capacidad estructural de la capa intermedia Saflex® Structural (DG41) en una feria comercial y de exhibir la posibilidad de utilizar pilas de varios tipos de capas intermedias para lograr objetivos de diseño arquitectónico como la coloración o la translucidez llevó al desarrollo de una carcasa de vidrio modular, sin marco, de 4,20 m de altura como demostración (Fig. 1) de la empresa de ingeniería knippershelbig de Stuttgart (Schieber et al. 2021). La unión estructural de los laminados de vidrio de dos capas (vidrio termoendurecido de 8,8 mm) se logra mediante accesorios de acero inoxidable con hojas de acero delgadas de 1,5 mm en forma de cola de milano que se laminan en el intersticio de 3 mm entre las dos capas de vidrio (Fig. 2) , haciendo uso de las propiedades de rigidez al corte de la capa intermedia de PVB estructural (Stevels 2020).

El ángulo variable de las orejetas de conexión (Fig. 2c), que depende de la forma de la carcasa, se elige en la fase de diseño antes del fresado de los accesorios individuales. Además del desarrollo de la envolvente en sí, se llevó a cabo un programa de prueba de la conexión de ajuste estructural en el centro de competencia de envolventes de edificios (CC GH) de la Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes de Lucerna. Los resultados detallados se proporcionan a continuación. En un artículo de Stevels (2022), se presenta un resumen de los resultados de las pruebas globales y las propiedades subyacentes de las capas intermedias.

Desarrollo original de la conexión del accesorio.

El desarrollo del diseño y el diseño de construcción del accesorio han sido realizados por knippershelbig en base a publicaciones sobre tiras de metal laminado con PVB estructural (Louter y Santarsiero 2019) y datos del material del fabricante del material de PVB estructural (Eastman 2020, Stevels 2020, Schuster 2021). El accesorio transfiere fuerzas para los tres grados de libertad de traslación y para la rotación alrededor del borde del vidrio, donde el accesorio proporciona una rigidez limitada a la flexión (Fig. 3). Dentro del modelo numérico de la carcasa, las conexiones de los accesorios se modelaron a través de cuatro resortes por conexión (Fig. 3). La rigidez a la flexión se logra mediante el travesaño en T del accesorio, que también está unido al borde del vidrio mediante PVB estructural.

El PVB utilizado para la unión de bordes de 1,52 mm de espesor es el mismo PVB estructural que se utiliza para la laminación de las láminas de vidrio. Por lo tanto, el comportamiento de soporte de carga mixta se puede caracterizar mediante dos enfoques: la flexión es soportada por un par de fuerzas con tensión en la hoja de acero laminado y compresión entre una pestaña de la barra transversal y el borde del vidrio (Fig. 4 a) en un enfoque conservador sin unión de borde, o el par de fuerzas se desarrolla en las dos alas de la barra transversal asumiendo una unión de borde intacta (Fig. 4 b). En última instancia, se aplicó el enfoque conservador para el diseño de la carcasa. Las fuerzas de traslación en el plano son soportadas principalmente por la acción de corte en la capa intermedia entre la hoja laminada y el vidrio. En realidad, el herraje muestra un comportamiento de carga complejo y mixto que activa tanto la parte laminada como la unión del borde.

El concepto de seguridad del armazón se basa localmente en el comportamiento dúctil del accesorio, que falla sin romperse, ya sea por deslaminación (fuerzas en el plano) o plastificación del acero (flexión) y, por lo tanto, permite globalmente activar trayectorias de carga alternativas a lo largo de accesorios intactos en el armazón. . Por lo tanto, en caso de falla del accesorio por deslaminación o plastificación, la capacidad de carga posterior a la falla permanece tanto por el propio accesorio como por caminos de carga alternativos a través de accesorios intactos en las cercanías.

Para la construcción y montaje de la carcasa, es fundamental colocar correctamente los herrajes en el vidrio laminado con respecto a su ubicación y al ángulo. La tolerancia se proporciona mediante orificios de gran tamaño en uno de cada par de accesorios. Después del atornillado, estos agujeros se rellenan con mortero de inyección (Fig. 2a).

Los estudiantes de la HSLU establecieron en paralelo dos tesis de licenciatura (Yersin 2020, Joos 2021) para respaldar el proceso de diseño mediante estudios detallados y de parámetros de las conexiones de accesorios, consulte también la sección 2. Durante el proceso de desarrollo, el acero laminado originalmente rectangular La placa se optimizó hacia un diseño de cola de milano para reducir el estrés y mejorar la apariencia óptica.

Actualmente, los accesorios se fresan a partir de acero inoxidable 1.4301 como una sola pieza, incluida la hoja de 1,5 mm de espesor. Cada accesorio se puede fabricar individualmente con respecto al ángulo de la orejeta de conexión. La laminación se establece en una bolsa de vacío en el autoclave. La capa intermedia se aplica en cuatro pilas de 0,76 mm. Las capas entre la hoja del accesorio y la unión son cruciales para la unión de cizallamiento del accesorio y siempre están hechas de PVB estructural transparente (Saflex® estructural, "DG41"). Las dos capas del núcleo pueden ser de PVB convencional coloreado o translúcido ("RB41", Vanceva® Arctic Snow en el caso de la carcasa) o también de PVB estructural transparente DG41. Sin embargo, una pila completamente transparente es estéticamente beneficiosa para la apariencia ligera de la carcasa y para reducir la visibilidad de los accesorios.

Intención

Los ingenieros de knippershelbig en Stuttgart (Schieber 2021) llevaron a cabo el desarrollo de la carcasa modular del demostrador y la conexión adecuada en un período breve debido al cronograma del proyecto. El modelo de carcasa global se simuló numéricamente con elementos de carcasa y conexiones de resorte utilizando el software Sofistik 2020. Dos tesis de licenciatura en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Lucerna (Yersin 2020, Joos 2021) proporcionaron estudios adicionales para el desarrollo y la comprensión de los accesorios laminados. Los análisis numéricos detallados de Joos (2021), que se muestran en las secciones 2.2 y 2.3 a continuación, incluyen estudios de parámetros y sensibilidad y se centran en el comportamiento de carga del diseño de ajuste trapezoidal utilizado para el demostrador. En base a esto, se han estudiado varios parámetros geométricos y alternativas de forma tanto para ajustes locales como para un ajuste lineal de borde (ver sección 4). El procedimiento completo se muestra esquemáticamente en la Fig. 5.

Configuración del modelo, parámetros

El modelado numérico (Joos 2021) se realizó aplicando el software FE Ansys 2020 R2. Como aún no se realizaron pruebas directas durante el desarrollo de la carcasa y los accesorios, los modelos numéricos de los accesorios se basaron en datos de prueba de publicaciones, en particular (Louter, Santarsiero 2019) para pruebas de tracción en láminas de metal laminado y (Eastman 2020, Stevels 2020) para datos entre capas. En todos los modelos FE se aplicaron elementos de volumen de orden superior, modelos de materiales no lineales y análisis geométricamente no lineal.

El acero inoxidable se implementó utilizando la ley del material de endurecimiento isotrópico multilineal y la curva de tensión-deformación no lineal de acuerdo con el método descrito en (Informationsstelle Edelstahl Rostfrei 2017). Para todos los PVB, los datos de módulos proporcionados por el fabricante se ajustaron a la curva para obtener una descripción de la serie Prony. En base a esto, la variación de los parámetros del material para calibrar el modelo a (Louter, Santarsiero 2019) para un ensayo de trayectoria controlada con 1mm/min a 20 °C llevó a aplicar un módulo de corte inicial de 17.1MPa para el PVB y un 10 % de aumento del límite elástico del acero inoxidable. (figura 6)

Los modelos de materiales calibrados se aplicaron luego al modelo numérico de los accesorios de acero inoxidable. El modelo de ajuste de simetría biaxial incluía suficiente volumen laminado alrededor del accesorio para cubrir todas las zonas de perturbación (Fig. 7a). Las cargas de traslación se aplicaron a la placa de orejeta del accesorio en la zona del orificio del perno, ya sea como una deformación forzada de 1 mm en dirección axial o de corte (Fig. 7a, c) y la placa se apoyó en la parte trasera. Para aplicar la flexión (5°) sobre el borde del vidrio por rotación (ángulo ϕ), se utilizó la superficie frontal de la placa de orejeta del herraje (Fig. 7 a, c) y se adaptaron las condiciones de apoyo. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las condiciones de contorno (soportes) de los modelos FE se adaptan a la situación presente en la carcasa de vidrio modular y, por lo tanto, difieren parcialmente de los soportes aplicados en las pruebas (comparar la sección 3.2 a continuación, Fig. 12 ).

La malla se perfeccionó en las zonas críticas, especialmente en las zonas límite del accesorio laminado y la capa intermedia de PVB. Se utilizaron dos elementos a través del espesor de la capa intermedia entre la chapa de montaje y el vidrio.

Resumen de los resultados numéricos

La aplicación de una tensión a corto plazo al accesorio mediante un desplazamiento axial de 1 mm conduce a la transferencia de cizallamiento de la mayor parte de la carga resultante al vidrio a través de la lámina de metal laminado del accesorio (Fig. 8). El aumento del tiempo de carga provoca la disminución de la transferencia de carga (tensión axial) a través de la unión del borde de la barra transversal. Sin embargo, la forma asimétrica de la grifería por razones de construcción siempre provoca una flexión limitada que conduce a una ligera rotación de la grifería sobre el borde del vidrio.

El esfuerzo cortante en el PVB estructural entre la lámina de montaje de 1,5 mm de espesor y el vidrio es relativamente constante a lo largo del camino desde el borde hasta el final de la lámina y exhibe picos de esfuerzo cortante en el borde del vidrio (Fig. 9) y, mucho más prominente, al final de la hoja laminada (40 mm de profundidad). La primera tensión principal en el PVB muestra máximos de tracción en el borde del vidrio y en el extremo de la hoja de ajuste en el laminado junto con un cambio de tensión lineal a lo largo de la profundidad de ajuste y un mínimo de tensión a aproximadamente 30 mm de profundidad en el laminado. Análogamente, el vidrio también está sometido a una tensión máxima de tracción en la zona de discontinuidad al final de la placa de montaje laminada (Fig. 9).

La composición de la capa intermedia influye en el comportamiento de carga y falla, como también se puede ver en los resultados de la prueba (sección 3). Una acumulación de capa intermedia homogénea de PVB estructural (DG41) muestra una tensión principal de PVB más baja a lo largo del accesorio en comparación con una acumulación apilada de DG41 y PVB estándar RB41 (Fig. 10). Sin embargo, el pico de tensión en el extremo interior del accesorio es más alto y más ancho solo para la composición homogénea de la capa intermedia de DG41. Lo mismo es válido para el esfuerzo cortante e hidrostático (σhydro = (σ11 + σ22 + σ33)/3) a lo largo del laminado de ajuste y para el esfuerzo de tracción principal del vidrio. En la prueba, sin embargo, los laminados apilados (DG41 + RB41) fallaron en la rotura del vidrio para la prueba de tracción, mientras que todos los especímenes DG41 homogéneos fallaron en la delaminación de PVB (ver sección 3).

Si el herraje se carga en flexión a corto plazo (rotación de 5°) alrededor del eje paralelo al borde del vidrio, es principalmente la barra transversal unida al borde del vidrio la que transfiere la carga a través de un par de fuerza axial resultante; la lámina de metal laminado solo introduce alrededor del 10% de la carga total al vidrio a través de corte en el PVB.

En la flexión, el metal del accesorio es el que rige para la conexión, ya que está sometido a una gran tensión y, por lo tanto, tiende a plastificarse a lo largo de la primera parte de la chapa laminada (Fig. 11, diagrama 2.) y, con mayor rotación, en la parte exterior en forma de "T" (Fig. 11, foto de prueba). La tensión de PVB sigue siendo bastante baja y exhibe tensión principal y máximos de cizallamiento a lo largo de los primeros 5 mm en el laminado (Fig. 11, diagrama 1). El máximo de tensión principal del vidrio ocurre aproximadamente a 20 mm de profundidad (recorrido en la dirección x, consulte la Fig. 11, diagrama 3) y disminuye constantemente al aumentar la distancia x desde el borde del vidrio. Estos hallazgos se correlacionan con el rendimiento del metal visible y la falla del vidrio en la zona de ajuste que se produce en la prueba de flexión en un ángulo de rotación extremo (sección 3, Fig. 20).

Los análisis FE que se muestran se realizaron antes de las pruebas en el contexto del diseño de la carcasa de vidrio del demostrador. Por lo tanto, tienen condiciones de contorno que difieren de las pruebas, donde, por ejemplo, los especímenes se apoyaron en dos zonas en la parte superior en la prueba de tensión (Fig. 12). Por lo tanto, son necesarios análisis FE adicionales adaptados a las condiciones de prueba para permitir una comparación más directa de los resultados de la prueba y el modelo numérico. La configuración de la prueba y los resultados se muestran en detalle a continuación.

Poner a prueba la motivación y la intención.

Dado que el proceso de desarrollo de los accesorios se basó originalmente en su totalidad en datos de materiales publicados y modelos numéricos, se han realizado pruebas de los accesorios en HSLU para verificar y cubrir los supuestos teóricos aplicados para el diseño original de las juntas estructurales y la carcasa. Además, se pudo verificar el concepto de seguridad de la carcasa de demostración de vidrio con respecto a la resistencia, ductilidad y comportamiento posterior a la rotura de las conexiones de los accesorios. Además, las pruebas tenían como objetivo entregar datos adicionales para la calibración de los modelos de resortes utilizados en las articulaciones del demostrador.

En el documento se ha publicado una descripción general de los números y cifras clave (Stevels 2022). Los resultados de las pruebas y los análisis FE actualmente permiten solo una comparación parcial para el caso de las pruebas de tracción debido a las diferentes condiciones de contorno (Fig. 12) que dan como resultado diferentes trayectorias de carga. Sin embargo, un objetivo principal es verificar el concepto de seguridad de la conexión del accesorio apoyándose en la ductilidad y la capacidad portante de carga posterior a la rotura. También se examina la influencia potencial de varias pilas de capas intermedias que utilizan diferentes materiales de PVB.

Configuración y métodos de prueba

Se realizaron dos tipos de ensayos: En los ensayos estáticos a corto plazo se investigó el rendimiento de tracción, corte y flexión. Se llevaron a cabo pruebas a largo plazo de tracción y flexión para obtener información sobre la fluencia. Si bien el rendimiento de flexión es importante para la construcción/geometría de la junta y la estabilidad general del armazón, especialmente contra cargas asimétricas y concentradas, el comportamiento de fluencia es de interés, ya que la carga permanente de las juntas no se puede evitar por completo en el armazón.

Tabla 1 Configuración de la prueba y descripción general de la muestra:mesa de tamaño completo

Para minimizar el esfuerzo de producción, los especímenes de prueba se diseñaron para realizar las diversas pruebas con un mínimo de configuraciones de muestra. Por lo tanto, se utilizó una geometría de muestra básica uniforme de laminados rectangulares de 200 mm x 550 mm (vidrio flotado de 8,8 mm, PVB de 3 mm). Para los ensayos de tracción, el accesorio se centró en el borde largo (550 mm), para cortante y flexión en el borde corto. Se aplicó una máquina de ensayos de tracción y compresión Zwick/Roell de 150 kN con aplicación de carga de trayectoria controlada (1 mm/min de tracción y corte, 10 mm/min de flexión). Todas las pruebas se realizaron a temperatura ambiente (20–21 °C).

Para el ensayo de tracción, las muestras se sujetaron con dos abrazaderas de acero (Fig. 13 a, b)). Se utilizaron bloques de soporte de aluminio para evitar el contacto con el acero. Una plantilla basada en tornillos asegura la aplicación inmediata de la carga y evita la desalineación de las muestras. La carga de tracción se aplica tirando hacia arriba del accesorio, situado en el centro del borde largo. La prueba de corte (Fig. 13 c), d)) se realizó en una configuración similar con las dos abrazaderas y tirando hacia arriba del accesorio laminado en el borde corto de la muestra. Las pruebas de flexión en cuatro puntos en dos muestras conectadas a través de accesorios se inspiraron en la configuración EN 1288-3, pero utilizaron un tramo de apoyo reducido de 550 mm para suprimir la influencia de la carga muerta (Fig. 13 e, f)).

Para la aplicación de carga a largo plazo (ensayos de fluencia), se fabricaron bastidores transportables adecuados para soportar las muestras y aplicar la carga permanente (Fig. 14). Las pruebas se realizaron durante 80 días en una habitación acondicionada a una temperatura de 21 ± 1 °C. La deformación se midió mediante relojes comparadores analógicos con una resolución de 1/100 mm. Las cargas de 4,8 kg (deslizamiento por flexión) y 22 kg (fuerza de deslizamiento por tracción axial) aplicadas en los ensayos corresponden a cargas de montaje permanente determinadas mediante FEA de la carcasa de demostración de vidrio. Además, también se utilizaron cargas de fluencia de tracción (66 kg) y flexión (22 kg) mucho más altas a efectos de comparación.

Resultados de la prueba

Doblado

Todas las configuraciones muestran un comportamiento dúctil y la falla local del vidrio, típicamente de un solo lite, se observa solo con deflexión alta en términos de deformación rotacional muy alta en las juntas. La configuración tipo 3 delaminada como única. La flecha negra en los gráficos de la Fig. 15 indica el punto en el que la plastificación del accesorio y/o la delaminación de la unión del borde han alcanzado una deformación que provoca el contacto de partes de los accesorios atornillados entre sí y, por lo tanto, inicia un segundo aumento en carga hasta que se rompa el vidrio o se deslamine el accesorio, ambos sin perder la integridad de toda la conexión.

tensión axial

Los especímenes tipo 1 y tipo 2 actúan de manera muy similar en la trayectoria de deformación, así como en la carga máxima (Fig. 16). Los especímenes de tipo 3 son, debido a los diferentes PVB, menos rígidos y se delaminan con cargas significativamente más bajas. La rotura del vidrio solo se observa en las configuraciones Tipo 1 con capa intermedia apilada. La falla del vidrio y la deslaminación nunca causaron la desintegración o el desmoronamiento de las conexiones de los accesorios.

Una de cada configuración de laminado se probó por segunda vez para obtener información sobre el comportamiento posterior a la delaminación/posterior al fallo. Todos los especímenes muestran una considerable capacidad de carga posterior a la delaminación/fallo (Fig. 17).

Cortar

En todos los casos el fallo fue por rotura del cristal a partir del borde anterior cerca del herraje (Fig. 18). La muestra S.3.1 muestra rotura de vidrio solo en un litro. Durante la prueba, la deformación se concentró en la parte de vidrio rota.

Fluencia: carga de tracción axial en el plano

Para la carga de tracción axial a largo plazo, no se ha registrado ninguna deformación medible ni para la carga típica (0,22 kN) ni para la carga aumentada (0,65 kN) a temperatura ambiente. Debido al ajuste asimétrico, se pudo observar una ligera rotación en la prueba de 0,65 kN. (Tabla 2)

Arrastramiento - Doblado

El ensayo de flexión por fluencia se realizó durante 80 días en una cámara climatizada (temperatura ambiente). La carga de flexión de diseño máxima típica del modelo FE de carcasa global (0,0065 kNm) causó solo una rotación de fluencia muy pequeña durante 80 días a temperatura ambiente. Sin embargo, una carga de flexión enormemente aumentada de 0,03 kNm exhibió una rotación de fluencia pronunciada (Fig. 19) y comenzó a desarrollar burbujas en la unión entre capas (Fig. 19 b)) hacia el final de la prueba.

Tabla 2 Configuración de la prueba y descripción general de los resultados; resultados: fondo grisáceo. -mesa de tamaño completo

Descripción general de los resultados de la prueba

Las cargas y la descripción general de los resultados se dan en la Tabla 2 a continuación. Las pruebas de cizallamiento sufrieron fallas obvias en el vidrio que ocurrieron mucho antes que las posibles fallas entre capas debido al uso de vidrio flotado.

Prueba de carga de flexión

Como también se muestra en (Stevels 2022), la prueba de flexión muestra una capacidad de rotación muy alta. Las muestras de capas intermedias apiladas se doblaron a aproximadamente 127° y 111° (comenzando en el plano 180°), consulte la Figura 20. Se pueden distinguir tres fases de rotación: 1. rotación lineal de la conexión, 2. rotación plástica del accesorio de acero inoxidable y 3 contacto mecánico de los accesorios que provoca un mayor aumento de la carga. Dos especímenes apilados y una muestra pura de DG 41 alcanzaron incluso un ángulo de rotación máximo de 104°. Tal rotación excesiva finalmente hizo que una hoja de vidrio se rompiera directamente en el accesorio (Fig. 21). Las muestras de PVB blanco translúcido puro (solo RB41) presentan una primera fase de rotación lineal seguida de una segunda deformación también lineal hasta que falla el laminado. Se observó que la capacidad de rotación del acero inoxidable no se explotó por completo cuando comenzó la delaminación, porque la barra transversal en T se delaminó desde el borde y comenzó a sacar la lámina de ajuste laminada.

Carga de tracción axial en el plano (prueba de tracción)

La unión estructural de PVB (DG41) entre el accesorio y el vidrio domina la resistencia. Ambas configuraciones de laminado, apiladas (RB41 + DG41) y las curvas de carga-deformación puras de DG41 siguen trayectorias de carga similares y alcanzan una resistencia máxima casi igual. Solo la configuración de capa intermedia apilada falló en la rotura del vidrio, todas las configuraciones de solo DG41 fallaron en la delaminación del ajuste (Fig. 22). Los laminados de PVB blanco translúcido puro (solo RB41) muestran una resistencia máxima significativamente más baja y una rigidez más baja. Todas las pruebas se abortaron después de fallar debido a una caída de carga alta.

Para algunas muestras, se realizó un segundo ciclo de prueba de tracción para investigar el comportamiento posterior a la delaminación, donde todas las configuraciones de capa intermedia de muestra muestran una capacidad de carga considerable entre 2kN y 5kN. La muestra Z.2.3 (solo DG41) tenía vidrio intacto después de la prueba de tracción y la segunda prueba posterior a la delaminación, pero exhibió un comportamiento típico de vidrio recocido, cuando falló debido a la rotura espontánea del vidrio 1,5 horas después del segundo ciclo de prueba (Fig. 22 d) ). La tensión residual permanente incluida en el PVB y el vidrio después de los ensayos (Fig. 22 c)) hizo que el vidrio se rompiera después de un cierto tiempo. Las observaciones del filtro de polarización, aunque se hicieron para la luz reflejada en la lámina de ajuste, refuerzan esta hipótesis (Fig. 23).

Pruebas de carga de corte

En todas las pruebas de cizallamiento, el vidrio o el borde del vidrio fallaron. Esto se debe al uso de vidrio recocido en lugar de vidrio templado para las pruebas. Sin embargo, esta prueba también subraya la alta resistencia de esas conexiones como se ve en las pruebas de carga de tracción axial. (figura 24)

Fluencia: carga de tracción axial en el plano

La capacidad de carga máxima a corto plazo en carga de tracción axial (hasta 40,9 kN) es un múltiplo superior a la carga de conexión de tracción efectiva determinada para el demostrador (5,6 kN de la combinación de casos de carga ULS). En cuanto a la fluencia, la carga de tracción permanente máxima derivada del FEA es de 0,24 kN. Esta carga se ha aplicado aproximadamente en el ensayo de fluencia axial (0,22 kN) y se aumentó a 0,65 kN en dos casos, sin que se produjera deformación alguna.

Arrastramiento – Doblado

La carga de flexión permanente máxima determinada en el modelo de capa global mediante el FEA es de 0,0047 kNm. En la prueba se aplicó una carga de flexión de 0,0065 kNm, un 40 % mayor que el valor del modelo de carcasa. A modo de comparación, también se aplicó una carga de flexión enormemente aumentada de 0,03 kNm a una muestra, lo que resultó en una fuerte respuesta de fluencia. Hacia el final de este último ensayo de fluencia por flexión, se observó la formación de burbujas en el PVB estructural en el laminado entre la chapa y el vidrio (Fig. 25, punto (2)). Una prueba de flexión para un momento de 0,024 kNm realizada en 2021 a una temperatura de 35 °C mostró una emergencia similar de la cavidad cerca del extremo del accesorio interior (zona de discontinuidad, Fig. 25, punto (1)) y a 10-15 mm de profundidad x .

Estas observaciones corresponden con el análisis FE, que exhibe tensión hidrostática y máximos de ángulo hidrostático en el PVB (determinado en analogía con Santarsiero 2017) en estos puntos, también compare la Fig. 10 en la sección 3.

Impacto de la temperatura

Dado que la carcasa de vidrio modular es un objeto de demostración para uso en interiores en ferias comerciales y eventos similares, todas las pruebas actuales se han realizado a temperatura ambiente. Los datos sobre el módulo de corte de varias composiciones de capas intermedias (Fig. 26) según la temperatura y la adhesión a la superficie proporcionada por el fabricante (Stevels 2022) muestran que el aumento de la temperatura interior hasta 30 °C aún proporciona módulos de corte altos, especialmente para el puro capa intermedia de PVB estructural, que es el material decisivo en cuanto a la unión entre el accesorio y el laminado de vidrio. Sin embargo, para aplicaciones al aire libre o de alta temperatura por impacto directo de la radiación solar, aún se deben realizar los estudios y pruebas pertinentes en las conexiones de los accesorios laminados.

Dichos estudios son de particular interés para cargas a largo plazo (p. ej., peso propio) a temperatura elevada y los efectos de fluencia relacionados. Se puede esperar que las cargas a corto plazo, como el viento, tengan una baja probabilidad de ocurrencia a temperaturas máximas, un efecto que se debe considerar si se califican escenarios particulares de carga y temperatura. Si bien se ha demostrado que las fuerzas de restricción de variación de temperatura en el vidrio y los accesorios son relativamente pequeñas en el modelo de envolvente modular global debido a una cierta flexibilidad de las conexiones locales y la estructura general, el impacto de la temperatura en una junta de borde lineal laminado es más importante , consulte la sección 4 a continuación.

Impacto del resultado de la prueba en el diseño de la carcasa modular

Con respecto al diseño de carcasa modular, los resultados de las pruebas permiten las siguientes afirmaciones:

Además de los estudios de diseño de accesorios implementados con la carcasa, se han realizado estudios de parámetros de la geometría de los accesorios de cola de milano y de otras formas de accesorios. Estos parámetros y su variación se ilustran en la Fig. 28. Se han variado el ancho, la profundidad, el filete y el ángulo trapezoidal de la lámina de metal laminado del accesorio de cola de milano original. Además, se ha analizado un ajuste de hoja anular y un ajuste lineal. También se ha estudiado el espesor total de la capa intermedia (3 mm y 4,6 mm) y la pérdida de la unión del borde (el travesaño en T solo funciona en contacto de compresión).

El aumento del ancho de ajuste exhibe una relación casi lineal entre la carga de ajuste axial aplicable y el parámetro de ancho. Por tanto, se trata de una medida eficaz para aumentar la carga máxima que se puede transferir a través del herraje, pero al precio de aumentar la visibilidad del herraje. La tensión máxima en la conexión, notablemente, no se reduce aumentando el ancho y la carga máxima.

El aumento de la profundidad de laminación del accesorio (Fig. 29) solo permite un aumento reducido no lineal de la carga aplicable en el accesorio, pero la tensión máxima en el PVB estructural y en el vidrio en la vecindad del límite del borde interior de la cola de milano laminada se reduce notablemente. Sin embargo, más profundidad también significa más visibilidad óptica del accesorio, lo que puede comprometer la estética.

Debido a su visibilidad óptica reducida y al permitir una alta transparencia, los accesorios lineales con una profundidad de laminación mínima representan una alternativa interesante a los accesorios de cola de milano en forma de punto discutidos anteriormente. Para minimizar las restricciones de temperatura a lo largo del borde, dichos accesorios deben consistir en partes lineales alineadas con pequeñas juntas de expansión en el medio (aquí se han elegido 200 mm por accesorio). Se ha utilizado una profundidad de laminación de 13 mm para correlacionar con un ancho compuesto de borde típico de las unidades de vidrio aislante (Fig. 30). Si se compara con el accesorio de cola de milano, no sorprende que la unión del borde del accesorio lineal tenga una mayor transferencia de carga (alrededor del 50-70 % para cargas a corto plazo) que la parte laminada (Fig. 30). Sin embargo, la cuota de transferencia de carga de la lámina de ajuste laminada aumenta con la duración de la carga.

La aplicación de la misma deformación de tracción (1 mm) al accesorio de cola de milano y al accesorio lineal provoca una mayor tensión en el PVB del accesorio lineal en comparación con la solución de cola de milano debido a la rigidez mucho mayor del accesorio lineal (Fig. 31). Sin embargo, la normalización de los resultados de la tensión con respecto a la fuerza resultante de la deformación del accesorio revela que la primera tensión principal en el PVB del accesorio lineal es en realidad menor que la tensión en el PVB del accesorio en cola de milano (Fig. 31, abajo). La máxima tensión principal de PVB también se encuentra en el límite interior de la hoja de metal laminado.

En cuanto a las distancias entre pernos para la conexión de módulos de vidrio a través de accesorios lineales, una distancia entre pernos de alrededor de 80 mm a lo largo del accesorio proporcionó la mejor distribución homogénea de tensiones en el laminado y la unión. Sin embargo, este tema también debe evaluarse y comprende aspectos como las cargas de temperatura, las tolerancias y la eficiencia económica.

Para el accesorio de borde lineal rígido y continuo, la variación de temperatura es un caso de carga importante que se debe considerar con respecto a aspectos como la delaminación y los picos de tensión debido al diferente comportamiento de temperatura de los materiales adheridos. Aparte del aumento de la temperatura, que viene con una reducción en la rigidez de la capa intermedia y, por lo tanto, puede equilibrar el alargamiento diferencial de los componentes de metal y vidrio unidos, se debe considerar especialmente el enfriamiento (disminución de la temperatura) durante un corto período de tiempo. El último caso puede causar un aumento de la tensión de restricción debido a la alta rigidez de la capa intermedia a baja temperatura. Además, debe examinarse un aumento potencial de la fragilidad de la capa intermedia a baja temperatura.

En cualquier caso, será necesario establecer una conexión estructural lineal mediante el tendido de accesorios metálicos de longitud limitada (200 mm de longitud supuesta en los estudios de parámetros FE) a lo largo de los bordes a unir. Por lo tanto, se puede reducir el desarrollo de restricciones de temperatura a lo largo del borde. Sin embargo, desde el punto de vista de la construcción, las tolerancias de laminación y unión de una serie de piezas de ajuste lineal de este tipo es un desafío.

Los estudios de parámetros numéricos de los accesorios de cola de milano laminados desarrollados y aplicados con la carcasa de demostración de vidrio modular revelan el alto potencial de esta conexión de vidrio estructural aglomerado con PVB estructural del tipo DG41. Las pruebas muestran una alta resistencia a la carga de tracción de hasta cuatro toneladas y la realización de una rigidez de flexión de la junta razonable sobre el borde del vidrio mediante el uso de una barra transversal en forma de T unida y un par de fuerza apoyado contra el borde del vidrio. Los ensayos también muestran una buena ductilidad y comportamiento post-rotura del accesorio tanto en caso de rotura del vidrio como de delaminación. Por lo tanto, el uso en carcasas de vidrio modulares se hace posible con respecto a la seguridad/redundancia. A temperatura ambiente, la fluencia de las típicas cargas permanentes de tracción y flexión en las juntas determinadas para el caso de la carcasa de demostración de vidrio es extremadamente pequeña y no compromete la estructura. La laminación de una lámina de metal delgada en la zona de capa intermedia de un vidrio de seguridad laminado permite trabajar con acumulaciones de vidrio delgadas de solo dos litros.

El trabajo futuro que se llevará a cabo para un mayor desarrollo de conexiones estructurales laminadas comprende (a) el establecimiento de un modelo FE adaptado a las condiciones límite de prueba, (b) el examen del comportamiento de soporte de carga, fluencia y falla del accesorio en varias condiciones de temperatura, (c ) optimización del proceso de fabricación del propio accesorio y su laminación, (d) investigación de los aspectos de ductilidad, redundancia y seguridad y e() aumento de la transparencia/reducción de la perceptibilidad de la unión. Los accesorios lineales son de particular interés para las conexiones de vidrio estructural laminado.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Universidad de Artes y Ciencias Aplicadas de Lucerne. Los autores "a" y "b" no recibieron financiación para ayudar con la preparación/escritura de este manuscrito.

Información del autor

Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes de Lucerna, Lucerna, Suiza

Thiemo Fildhuth

Universidad de Artes y Ciencias Aplicadas de Lucerna, Technikumstrasse 21, 6048, Horw, Suiza

Thiemo Fildhuth, Pascal Joos y Thomas Wüest

knippershelbig GmbH, Tuebinger Str. 12-16, 70178, Stuttgart, Alemania

Thiemo Fildhuth

Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes de Lucerna, CC Building Envelopes and Civil Engineering, Lucerna, Suiza

Pascal Joos y Thomas Wüest

Solutia Deutschland GmbH, Düsseldorf, Alemania

matthew haller

Eastman Chemical bv, Watermanweg 70, Róterdam, Países Bajos

win stevels

Correspondencia a Thiemo Fildhuth.

Declaraciones de ética

En nombre de todos los autores, el autor correspondiente declara que no hay conflicto de intereses. La fabricación de la carcasa de vidrio modular mencionada anteriormente, las muestras de prueba y las pruebas fueron financiadas por Eastman Chemical bv, Países Bajos, dentro de un proyecto de I+D de la industria de terceros. Los coautores "c" y "d" están afiliados a la empresa antes mencionada como empleados.

Información adicional

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