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Nov 03, 2023

構造用 PVB と積層するための薄肉継手接続の開発と動作

Data: 1 novembre 2022 Strutture in vetro e ingegneria |

日付: 2022 年 11 月 1 日

ガラス構造とエンジニアリング | https://doi.org/10.1007/s40940-022-00198-6

二重湾曲したフレームレスのモジュラーガラスシェルデモンストレーターの構築を目的として、2層の安全ガラスの隙間にラミネートされた台形の薄いシートを備えたステンレス鋼のフィッティング接続が開発されました。 ガラスラミネート内の接着には、構造用 PVB 中間膜が使用されます。 必要な隙間の厚さと意図する美的外観に応じて、異なる PVB タイプのさまざまな中間層を積層できます。 このフィッティングは主に並進力を伝達するように設計されていますが、ガラスの端に支えられたクロスバーを介してある程度の曲げ剛性も提供します。

ルツェルン応用科学芸術大学 (HSLU) では、フィッティング接続の構造的挙動と耐荷重能力を調査するために、引張、せん断、曲げ荷重の適用を含むさまざまなテストが実施されました。 さらに、このタイプの接続の構造挙動に対するフィッティング形状、寸法、層間特性、および荷重タイプの影響を調査するために、有限要素モデルを使用したパラメータ研究が行われました。 これらのパラメーターの研究とテスト結果により、耐荷重ガラス構造用のこのような薄い積層フィッティングのさらなる形状の最適化と応用の可能性を特定することができます。

背景

構造用のガラスのみのシェルの設計と構築には、2 つの主要な境界条件が適用されます。それは、寸法が制限された平面または曲面のガラス積層板の使用と、隣接するガラス モジュール間に構造的な接合部を設ける必要性です。 これらの構造的接続は主に面内膜力（軸方向成分とガラスエッジに平行なせん断力）を伝達しますが、面外力の伝達と、その後のガラスエッジ周りの限られた曲げ剛性の提供も必要です。非対称な荷重に対処し、シェルの全体的な安定性を確保します。

さらに、接続部の十分な剛性は、グローバル シェル ジオメトリのコンテキストでのガラス モジュールの組み立てと正しい幾何学的配向にとって必須です。 シェルのグローバル形状および荷重シナリオに対するジョイントの位置と方向は、接続部で力が伝達されるために重要です (Fildhuth and Knippers 2012; Fildhuth and Lippert 2012、Bagger 2010)。 さらに、接合部は、シェル表面に明確な剛性変化を伴う不連続部を構成します。 板状ガラス構造の構造ガラス接続にも同じことが当てはまります。

古典的な点固定やガラスに穴をあけたシャーボルト接続 (例: Baitinger 2009) とは別に、最も普及している、複雑ではあるが構造的なガラス接続は、中央のガラスライトから切り出した予約/ポケットに積層されたステンレス鋼またはチタンのフィッティングです。少なくとも 3 リットル、多くの場合 5 リットルの多層ガラス積層品で使用されます (O'Callaghan 2012、Bedon 2018)。 さまざまな接着剤またはポリマーフィルムを使用してガラス表面に接着結合された点状接続要素が、例えばKothe (2016)によって示され、検討されている。 直線接続は、隣接するガラス板間の直接接着突き合わせ接合 (Blandini 2005)、またはガラスの端に直線的に接着されたボルト接続の金属レールを備えた混合設計 (Veer 2003) のいずれかです。 エッジボンディングされたローカル接続は、Schulz (2021) と Ioannidou-Kati (2018) によって提示されています。

Marinitsch (2015 & 2016) は、ガラス化合物に積層された突出部分を備えた金属エッジ プロファイルで構成される、複雑で強力な直線接続を開発しました。 アイオノマー中間層を使用して中間層ゾーンにラミネートされたフィッティングに関する包括的な研究と形状の最適化研究が、Puller (2012) によって提供されました。 より最近の出版物 (Volakos 2020) では、透明なキャスト樹脂を使用した隙間積層金属シート接続が紹介されており、本論文との比較として興味深いものです。 Carvalho (2011) は、接続用の隙間積層多孔金属シートを提案しました。 静的なガラス要素またはドアの頂点/コーナーに位置する積層構造フィッティングのバリエーションが、Kassnel-Henneberg (2020) および (2017) によって開発および適用されています。

Eastman 社は、中間層 Saflex® Structural (DG41) の構造能力を見本市で紹介し、着色や半透明などの建築設計目標を達成するためにさまざまな種類の中間層のスタックを使用できる可能性を示したいという要望から、シュトゥットガルトのエンジニアリング会社 knippershelbig による、モジュール式、フレームレス、高さ 4.20 メートルの高さ 4.20 メートルのガラスシェルをデモンストレーターとして使用 (図 1) (Schieber et al. 2021)。 2層合わせガラス（8.8mmの耐熱強化ガラス）の構造的接合は、2枚のガラス層間の3mmの隙間に積層されたダブテール状の1.5mmの薄鋼ブレードを備えたステンレス鋼のフィッティングによって実現されます（図2）。構造用 PVB 中間層のせん断剛性特性を利用しています (Stevels 2020)。

接続ラグの可変角度 (図 2c) は、シェルの形状に応じて、個々のフィッティングをフライス加工する前の設計段階で選択されます。 シェルの開発自体とは別に、構造フィッティング接続のテスト プログラムがルツェルン応用科学芸術大学の建築外壁コンピテンス センター (CC GH) で実施されました。 詳細な結果を以下に示します。 全体的なテスト結果とその基礎となる中間層特性の概要は、Stevels (2022) の論文に記載されています。

独自開発の継手接続

継手の設計開発と構造設計は、構造用 PVB を使用した積層金属ストリップに関する出版物 (Louter および Santarsiero 2019) および構造用 PVB 材料のメーカーの材料データ (Eastman 2020、Stevels 2020、Schuster 2021) に基づいて、knippershelbig によって実行されました。 フィッティングは、3 つの並進自由度すべてとガラスの端の周りの回転の力を伝達します。この場合、フィッティングによって制限された曲げ剛性が提供されます (図 3)。 シェルの数値モデル内では、接続ごとに 4 つのスプリングを介してフィッティング接続がモデル化されました (図 3)。 曲げ剛性は、構造用 PVB によってガラスの端に接着されたフィッティングの T クロスバーによって実現されます。

厚さ 1.52 mm のエッジボンドに使用される PVB は、ガラスシートの積層に使用されるものと同じ構造の PVB です。 したがって、混合耐荷重挙動は 2 つのアプローチによって特徴付けることができます。曲げは、保守的なアプローチでは、積層鋼ブレードの張力とクロスバーの 1 つのフランジとガラスエッジの間の圧縮との力の組み合わせによってサポートされます (図 4a)。エッジ結合がないか、無傷のエッジ結合を想定してクロスバーの 2 つのフランジで偶力が発生しています (図 4 b)。 最終的に、シェル設計には保守的なアプローチが適用されました。 面内の並進力は主に、積層ブレードとガラスの間の中間層のせん断作用によってサポートされます。 実際には、フィッティングは積層部品とエッジ結合の両方を活性化する複雑で混合された耐荷重挙動を示します。

シェルの安全コンセプトは、フィッティングの延性挙動に局所的に依存しており、層間剥離 (面内力) または鋼の可塑化 (曲げ) のいずれにおいても破断することなく破損するため、シェル内の無傷のフィッティングに沿って代替荷重経路をグローバルにアクティブにすることができます。 。 したがって、剥離または可塑化によるフィッティングの破損の場合、破損後の耐荷重能力は、フィッティング自体と、近くの無傷のフィッティングを介した代替荷重経路の両方によって残ります。

シェルの構造と組み立てでは、フィッティングを位置と角度に関して合わせガラスに正しく配置することが重要です。 公差は、各継手のペアの 1 つにある特大の穴によって提供されます。 ボルトで固定した後、これらの穴は射出モルタルで埋められます (図 2a)。

2 つの学士論文 (Yersin 2020、Joos 2021) は、フィッティング接続の詳細およびパラメータ研究による設計プロセスをサポートするために、HSLU の学生によって並行して作成されました。セクション 2 も参照してください。開発プロセス中、当初は長方形の積層鋼が使用されていましたが、プレートはダブテール設計に合わせて最適化され、応力を軽減し、光学的外観を改善しました。

現在、継手は 1.5 mm の薄いブレードを含め、ステンレス鋼 1.4301 から単一の部品としてフライス加工されています。 各継手は、接続ラグの角度に関して個別に製造できます。 ラミネートはオートクレーブ内の真空バッグ内で行われます。 中間層は 0.76 mm の 4 つのスタックで適用されます。 フィッティングブレードとボンドの間の層は、フィッティングのせん断接着にとって重要であり、常に透明な構造用 PVB (Saflex® 構造用、「DG41」) で作られています。 コアの 2 つの層は、着色または半透明の従来の PVB (「RB41」、シェルの場合は Vanceva® Arctic Snow)、または透明な構造用 PVB DG41 のいずれかにすることもできます。 ただし、完全に透明なスタックは、シェルの外観を明るくし、フィッティングの視認性を低減するという点で美的に有益です。

意図

デモンストレーターのモジュラー シェルとフィッティング接続の開発は、プロジェクト スケジュールの都合上、シュトゥットガルトの knippershelbig エンジニアによって短期間で行われました (Schieber 2021)。 グローバル シェル モデルは、ソフトウェア Sofistik 2020 を使用してシェル要素とスプリング接続を使用して数値シミュレーションされました。ルツェルン応用科学大学での 2 つの学士論文 (Yersin 2020、Joos 2021) は、積層継手の開発と理解のための追加の研究を提供しました。 以下のセクション 2.2 および 2.3 に示す Joos (2021) による詳細な数値解析には、パラメーターと感度の研究が含まれており、デモンストレーターに使用された台形フィッティング設計の耐荷重挙動に焦点を当てています。 これに基づいて、ローカル フィッティングと線形エッジ フィッティングの両方について、さまざまな幾何学的パラメータと形状の代替案が研究されてきました (セクション 4 を参照)。 全体の手順を図5に模式的に示します。

モデル設定、パラメータ

数値モデリング (Joos 2021) は、FE ソフトウェア Ansys 2020 R2 を適用して実行されました。 シェルと継手の開発中に直接的な試験はまだ行われていなかったため、継手の数値モデルは出版物からの試験データ、特に積層金属シートの引張試験 (Louter、Santarsiero 2019) および (Eastman、2020、 Stevels 2020) 中間層データ用。 高次の体積要素、非線形材料モデル、および幾何学的非線形解析がすべての FE モデルに適用されました。

ステンレス鋼は、(Informationsstelle Edelstahl Rostfrei 2017) に記載されている方法に従って、多重線形等方性硬化材料則と非線形応力-ひずみ曲線を使用して実装されました。 すべての PVB について、メーカーから提供された弾性率データを曲線フィッティングして、Prony シリーズの説明を取得しました。 これに基づいて、20 °C で 1 mm/min のパス制御テスト用にモデルを校正するための材料パラメーターの変化 (Louter、Santarsiero 2019) により、PVB には 17.1 MPa の初期せん断弾性率が適用され、PVB には 10 % - ステンレス鋼の降伏点の増加。 (図6)

次に、校正された材料モデルがステンレス鋼継手の数値モデルに適用されました。 2 軸対称フィッティング モデルには、すべての外乱ゾーンをカバーするためにフィッティングの周囲に十分な積層体積が含まれていました (図 7a)。 並進荷重は、軸方向またはせん断方向に 1 mm の強制変形としてボルト穴ゾーンの継手のラグ プレートに適用され (図 7a、c)、プレートは背面で支持されました。 回転（角度φ）によってガラスの端の周りに曲げ（5°）を適用するには、フィッティングのラグプレートの前面が使用され（図7a、c）、支持条件が適応されました。 ただし、FE モデルの境界条件 (サポート) はモジュール式ガラス シェル内に存在する状況に適合しているため、テストで適用されたサポートとは部分的に異なることに注意する必要があります (以下のセクション 3.2、図 12 を比較) ）。

メッシュは、重要なゾーン、特に積層フィッティングと PVB 中間層の境界ゾーンで洗練されました。 フィッティング金属シートとガラスの間の中間層の厚さを通して 2 つの要素が使用されました。

数値結果のまとめ

1 mm の軸方向変位によってフィッティングに短期間の張力を加えると、結果として生じる荷重の主要部分がフィッティングの積層金属シートを介してガラスにせん断伝達されます (図 8)。 荷重時間が増加すると、クロスバーのエッジボンドを介した荷重伝達 (軸張力) が減少します。 ただし、構造上の理由によりフィッティングの形状が非対称であるため、常に曲げが制限され、ガラスの端の周りでフィッティングがわずかに回転します。

厚さ 1.5 mm のフィッティング シートとガラスの間の構造 PVB のせん断応力は、シートの端から端までの経路に沿って比較的一定であり、ガラスの端でせん断応力のピークを示します (図 9)。ラミネートシートの端に顕著にあります（深さ40 mm）。 PVB の第一主応力は、ラミネートのガラス端とフィッティング シート端で引張最大値を示し、フィッティング深さに沿った直線的な応力変化と、ラミネートの深さ約 30 mm で応力最小値を示します。 同様に、ガラスも積層フィッティングシートの端の不連続ゾーンで最大の引張応力を受けます (図 9)。

試験結果 (セクション 3) からもわかるように、中間層の組成は耐荷重と破壊挙動に影響を与えます。 構造用 PVB (DG41) からの均質な中間層ビルドアップは、DG41 および標準 RB41 PVB からの積層ビルドアップと比較して、フィッティングに沿った主 PVB 応力が低くなります (図 10)。 ただし、フィッティングの内端における応力ピークは、DG41 のみの均質な中間層組成の場合より高く、より幅が広くなります。 同じことが、取り付けラミネートに沿ったせん断応力および静水圧応力 (σhydr = (σ11 + σ22 + σ33)/3)、および主引張ガラス応力にも当てはまります。 しかし、この試験では、積層積層体 (DG41 + RB41) は引張試験でガラスの破壊に失敗しましたが、均質な DG41 試験片はすべて PVB 剥離に失敗しました (セクション 3 を参照)。

ガラスの端に平行な軸を中心にフィッティングに短期間の曲げ (5°の回転) で荷重がかかる場合、結果として生じる軸力の偶力を介して荷重を伝達するのは主にガラスの端に接着されたクロスバーです。 ラミネートされた金属シートは、PVB のせん断によってガラスにかかる全荷重の約 10% しか加えません。

曲げの際、継手の金属は高い応力を受けるため接続を支配し、積層金属シートの最初の部分に沿って可塑化する傾向があり (図 11、図 2)、回転が増加すると、外側の「T」字型部分にあります（図11、テスト写真）。 PVB 応力はかなり低いままで、ラミネートの最初の 5 mm に沿って主応力とせん断最大値を示します (図 11、図 1)。 主なガラス応力の最大値は、深さ約 20 mm (x 方向の経路、図 11、図 3 を参照) で発生し、ガラス端からの x 距離が増加するにつれて常に減少します。 これらの所見は、目に見える金属の歩留まりと、極端な回転角度での曲げ試験で発生する嵌合ゾーンでのガラスの破損と相関しています (セクション 3、図 20)。

示されている FE 解析は、デモンストレーターのガラス シェルの設計に関連してテストの前に実行されました。 したがって、それらは試験とは異なる境界条件を持ちます。たとえば、試験片は引張試験の上部の2つのゾーンで支持されました（図12）。 したがって、テスト結果と数値モデルをより直接比較できるようにするには、テスト条件に適応した追加の FE 解析が必要です。 テストのセットアップと結果の詳細を以下に示します。

試験の動機と意図

継手の開発プロセスはもともと公開されている材料データと数値モデルに完全に基づいていたため、構造接合部とシェルの元の設計に適用された理論的仮定を検証および回避するために、継手のテストが HSLU で実行されました。 さらに、ガラスデモンストレーターシェルの安全コンセプトは、フィッティング接続の強度、延性、破損後の挙動に関して検証できました。 さらに、テストは、デモンストレーターの関節に使用されるバネモデルの校正のための追加データを提供することを目的としていました。

重要な数字と数値の概要は論文に掲載されています (Stevels 2022)。 境界条件が異なるため (図 12)、荷重経路が異なるため、試験結果と FE 解析では、現時点では引張試験の場合は部分的な比較しかできません。 ただし、主な目的は、延性と破損後の耐荷重能力に依存する継手接続の安全コンセプトを検証することです。 異なる PVB 材料を使用したさまざまな中間層スタックの潜在的な影響も調べられます。

テストのセットアップと方法

2 種類のテストが実行されました。短期静的テストでは、引張、せん断、曲げの性能が調査されました。 クリープに関する情報を得るために、引張および曲げに関する長期試験が実施されました。 曲げ性能はジョイントの構造/形状、特に非対称で集中した荷重に対するシェルの全体的な安定性にとって重要ですが、シェルではジョイントへの永久荷重を完全に回避することはできないため、クリープ挙動も重要です。

表 1 試験セットアップと試験片の概要 -フルサイズのテーブル

製造労力を最小限に抑えるために、試験片は最小限のサンプル構成でさまざまな試験を実施できるように設計されました。 したがって、200mm x 550mm の長方形積層板 (8.8mm フロートガラス、3mm PVB) の均一な基本試験片形状が使用されました。 引張試験の場合、フィッティングは長辺 (550 mm) の中心に配置され、せん断および曲げは短辺で行われました。 経路制御された荷重を適用する Zwick/Roell 150kN 引張圧縮試験機を適用しました (引張およびせん断は 1 mm/分、曲げは 10 mm/分)。 すべてのテストは室温 (20 ～ 21 °C) で実行されました。

引張試験では、試験片を 2 つの鋼製ブレースで押さえました (図 13 a、b))。 鋼との接触を避けるためにアルミニウム製のサポートブロックが使用されました。 ネジベースの治具により、荷重が即座に適用され、試験片の位置ずれが防止されます。 引張荷重は、長辺の中央にあるフィッティングを上方に引っ張ることによって適用されます。 せん断試験（図 13 c）、d））は、2 つのブレースを使用し、試験片の短辺に積層されたフィッティングを上方に引っ張り、同様の設定で実施されました。 継手を介して接続された 2 つの試験片の 4 点曲げ試験は EN 1288-3 設定に触発されましたが、死荷重の影響を抑制するためにサポート スパンを 550 mm に短縮しました (図 13 e、f))。

長期間の荷重適用（クリープ試験）の場合、試験片を支持し永久荷重を加えるために、適切な可搬式ラックが製造されました（図 14）。 試験は、温度 21 ± 1 °C の空調された部屋で 80 日間実施されました。 変形は、分解能 1/100 mm のアナログ ダイヤル ゲージによって測定されました。 テストで適用された 4.8 kg (曲げクリープ) と 22 kg (軸方向の引張クリープ力) の荷重は、ガラス デモンストレーター シェルの FEA によって決定された永久嵌合荷重に相当します。 さらに、はるかに高い引張 (66 kg) および曲げ (22 kg) のクリープ荷重も比較のために使用しました。

試験結果

曲げ

すべての構成は延性挙動を示し、通常は 1 ライトのみの局所的なガラス破損は、接合部の非常に大きな回転変形という観点から、大きなたわみの場合にのみ観察されます。 タイプ 3 構成は唯一の構成として剥離しました。 図 15 のグラフの黒い矢印は、継手の可塑化および/またはエッジボンドの層間剥離が、ボルトで締められた継手の部分が互いに接触する変形に達し、したがって 2 回目の増加が始まる点を示しています。接続全体の完全性を失うことなく、ガラスが破損するかフィッティングが剥離するまで荷重を加えます。

軸張力

タイプ 1 とタイプ 2 の試験片は、変形​​経路と最大荷重において非常に類似した動作をします (図 16)。 タイプ 3 の試験片は、PVB が異なるため、剛性が低く、大幅に低い荷重で剥離します。 ガラスの破損は、積層中間層を備えたタイプ 1 構成でのみ観察されます。 ガラスの破損や層間剥離により、フィッティング接続部の崩壊や脱落が発生することはありませんでした。

各ラミネート構成の 1 つが 2 度目にテストされ、層間剥離後/破損後の挙動に関する情報が得られました。 すべての試験片は、層間剥離/破損後のかなりの耐荷重を示しています (図 17)。

剪断

すべてのケースにおいて、破損は取り付け部付近の前端から始まるガラスの破損でした (図 18)。 試験片 S.3.1 では 1 リットルのみガラスの破損が見られます。 試験中、変形は割れたガラス部分に集中しました。

クリープ - 面内アキシアル引張荷重

長期の軸方向引張荷重については、室温での典型的な荷重 (0.22kN) および増加した荷重 (0.65kN) のいずれでも、測定可能な変形は記録されていません。 非対称の取り付けにより、0.65kN のテストでわずかな回転が観察される可能性があります。 (表2)

クリープ - 曲げ

クリープ曲げ試験は、空調された室内（室温）で 80 日間実施されました。 グローバル シェル FE モデルからの典型的な最大設計曲げ荷重 (0.0065kNm) は、室温で 80 日間、非常に小さなクリープ回転のみを引き起こしました。 しかし、曲げ荷重を 0.03kNm に大幅に増加させると、顕著なクリープ回転が発生し (図 19)、試験の終わりに向けて層間結合に気泡が発生し始めました (図 19 b))。

表 2 テストのセットアップと結果の概要。 結果: 灰色がかった背景。 -フルサイズのテーブル

テスト結果の概要

荷重と結果の概要を以下の表 2 に示します。 せん断試験では、フロートガラスの使用による潜在的な層間破損よりもはるかに早く、明らかなガラス破損が発生しました。

曲げ荷重試験

(Stevels 2022) にも示されているように、曲げテストでは非常に高い回転能力が示されています。 積み重ねた中間層サンプルを約 127° と 111° に曲げました (平面 180° から開始)。図 20 を参照してください。 3 つの回転段階を区別できます: 1. 接続部の直線回転、2. ステンレス鋼フィッティングの塑性回転、および 3. . 継手の機械的接触により、さらなる負荷の増加が発生します。 2 つの積み重ねられた試験片と 1 つの純粋な DG 41 サンプルでは、​​最大回転角度 104° に達しました。 このような過剰な回転により、最終的に 1 つのガラス ライトが取り付け部分で直接破損しました (図 21)。 純粋な半透明の白色 PVB (RB41 のみ) サンプルは、最初の直線回転フェーズに続いて、ラミネートが破損するまで 2 番目の直線変形を示します。 T クロスバーが端から剥離し、積層フィッティング シートを引き抜き始めたため、剥離が始まったときにステンレス鋼の回転能力が十分に活用されていないことが観察されました。

面内アキシアル引張荷重（引張試験）

フィッティングとガラスの間の構造 PVB (DG41) 結合が抵抗を支配します。 積層構成 (RB41 + DG41) と純粋な DG41 の両方の積層構成の荷重変形曲線は、同様の荷重経路に従い、ほ​​ぼ同じ最大強度に達します。 積層中間層構成のみがガラスの破損に失敗し、DG41 のみの構成はすべてフィッティング剥離に失敗しました (図 22)。 純粋な半透明の白色 PVB ラミネート (RB41 のみ) は、最大抵抗が大幅に低くなり、剛性が低くなります。 大きな負荷低下による失敗の後、すべてのテストが中止されました。

一部のサンプルでは、​​剥離後の挙動を調査するために 2 回目の引張試験サイクルが実行されました。すべてのサンプルの中間層構成は、2kN ～ 5kN の範囲でかなりの耐荷重を示しました。 試験片 Z.2.3 (DG41 のみ) は、引張り試験と 2 回目の層間剥離後試験の後は無傷のガラスを持っていましたが、2 回目の試験サイクルの 1.5 時間後に自然発生的なガラス破損により破損した場合、典型的なアニールされたガラスの挙動を示しました (図 22 d)。 ）。 試験後の PVB とガラスに含まれる永久残留応力 (図 22 c)) により、一定時間後にガラスが破損しました。 偏光フィルターの観察は、フィッティングシートからの反射光に対して行われたものであっても、この仮説を裏付けています (図 23)。

せん断荷重試験

すべてのせん断試験で、ガラスまたはガラスの端が破損しました。 これは、テストで強化ガラスの代わりに焼き鈍しガラスを使用したためです。 それにもかかわらず、このテストは、軸方向の引張荷重テストで見られたように、これらの接続の強度が高いことも強調しています。 (図24)

クリープ - 面内アキシアル引張荷重

軸方向引張荷重における最大短期耐荷重 (最大 40.9kN) は、デモンストレーター用に決定された有効引張接続荷重 (ULS 荷重ケースの組み合わせから 5.6kN) の倍数です。 クリープに関しては、FEA から導出される最大永久引張荷重は 0.24kN です。 この荷重は軸方向クリープ試験でほぼ適用され (0.22kN)、2 つのケースでは 0.65kN まで増加しましたが、変形は発生しませんでした。

クリープ – 曲げ

FEA を介してグローバル シェル モデルで決定される最大永久曲げ荷重は 0.0047kNm です。 試験ではシェルモデル値より40%大きい0.0065kNmの曲げ荷重を加えました。 比較のために、0.03kNm という大幅に増加した曲げ荷重も 1 つの試験片に適用され、その結果、強力なクリープ応答が発生しました。 後者の曲げクリープ試験の終わりに向けて、金属シートとガラスの間の積層板の構造用 PVB に気泡の形成が観察されました (図 25、点 (2))。 2021 年に 35 °C の温度で実施された 0.024kNm のモーメントの曲げ試験では、内部取り付け端 (不連続ゾーン、図 25、点 (1)) 付近および 10 ～ 15 mm の x 深さで同様の空洞の出現が見られました。 。

これらの観察は、これらの点での PVB の静水圧応力と静水圧角度の最大値 (Santarsiero 2017 と同様に決定) を示す FE 解析と一致します。セクション 3 の図 10 も比較してください。

温度の影響

モジュール式ガラスシェルは見本市や同様のイベントで屋内で使用するデモンストレーターオブジェクトであるため、現在のテストはすべて室温で行われています。 メーカーが提供する、温度と表面接着力に応じたさまざまな中間層組成物のせん断弾性率に関するデータ (図 26) (Stevels 2022) は、室内温度が 30 °C まで上昇しても、特に純粋な層に対して高いせん断弾性率が得られることを示しています。構造用 PVB 中間層。フィッティングとガラス ラミネートの間の結合に関する決定的な材料です。 ただし、屋外用途や直射日光の影響による高温の場合は、積層継手の接続に関する関連する研究とテストを行う必要があります。

このような研究は、温度上昇時の長期負荷 (自重など) および関連するクリープ効果に関して特に興味深いものです。 風などの短期的な負荷は、ピーク温度で発生する確率が低いと予想されます。特定の負荷と温度のシナリオを適格にする場合には、その影響を考慮する必要があります。 グローバル モジュラー シェル モデルでは、ローカル接続と全体の構造にある程度の柔軟性があるため、ガラスとフィッティングの温度変化による拘束力は比較的小さいことが示されていますが、積層された直線エッジ ジョイントに対する温度の影響はより重要です。 、以下のセクション 4 を参照してください。

テスト結果がモジュラーシェル設計に与える影響

モジュラー シェル設計に関して、テスト結果から次のことがわかります。

シェルに実装された継手設計の研究に加えて、ダブテール継手幾何学形状および他の継手形状のパラメータ研究も行われました。 これらのパラメータとその変化を図 28 に示します。元のダブテール継手の積層金属シートの幅、深さ、フィレット、台形角度が変化しています。 さらに、リング状フィッティング シートと直線フィッティングが解析されました。 中間層の合計厚さ (3mm と 4.6mm) およびエッジボンドの損失 (T クロスバーは圧縮接触でのみ機能します) も研究されました。

継手幅を増やすと、適用可能な軸方向継手荷重と幅パラメータの間にほぼ線形の関係が示されます。 したがって、これは継手を通じて伝達できる最大荷重を増やすための効果的な手段ですが、代償として継手の視認性が向上します。 接続部のピーク応力は、幅と最大荷重を増やしても顕著には減少しません。

継手の積層深さを増やすと（図 29）、継手にかかる負荷の増加は非線形で減少するだけですが、構造用 PVB およびガラスの内側端の境界付近のピーク応力は増加します。積層ダブテールは著しく減少します。 ただし、奥行きが深くなるとフィッティングの光学的視認性が高くなるため、美観が損なわれる可能性があります。

光学的可視性が低下し、高い透明性が得られるため、積層深さが最小限の線形継手は、上で説明した点状のダブテール継手の興味深い代替品となります。 エッジに沿った温度制約を最小限に抑えるために、このような継手は、間に小さな伸縮継手を備えた整列した直線部品で構成される必要があります (ここでは継手ごとに 200 mm が選択されています)。 断熱ガラスユニットの典型的なエッジ複合幅と相関付けるために、13 mm の積層深さが使用されています (図 30)。 ダブテールフィッティングと比較すると、当然のことですが、リニアフィッティングのエッジボンドは、積層部品よりも高い荷重伝達シェア（短期荷重の場合約 50 ～ 70%）を持っています（図 30）。 ただし、積層フィッティングシートの荷重伝達シェアは、荷重の継続時間とともに増加します。

ダブテール フィッティングとリニア フィッティングに同じ引張変形 (1 mm) を適用すると、リニア フィッティングの剛性がはるかに高いため、ダブテール ソリューションと比較してリニア フィッティングの PVB に高い応力が発生します (図 31)。 ただし、継手の変形から生じる力に関して応力結果を正規化すると、直線継手の PVB の第一主応力が実際にはダブテール継手の PVB の応力よりも低いことがわかります (図 31、下)。 最大主 PVB 応力も、積層金属シートの内部境界に位置します。

直線フィッティングを介してガラスモジュールを接続するためのボルト距離に関しては、フィッティングに沿った約 80 mm のボルト距離が、ラミネートと接合に最適な均一な応力分布を提供しました。 ただし、このトピックは、温度負荷、許容差、経済効率などの側面も含めて評価する必要があります。

剛性の連続した直線エッジ フィッティングの場合、温度変化は、接合材料のさまざまな温度挙動による層間剥離や応力ピークなどの側面に関して考慮すべき重要な荷重ケースです。 温度上昇とは別に、層間剛性の低下を伴うため、接合された金属とガラスのコンポーネントの伸び差のバランスをとることができ、特に短期間の冷却 (温度低下) を考慮する必要があります。 後者の場合、低温での中間層の剛性が高いため、拘束応力が増加する可能性があります。 さらに、低温での層間脆性の潜在的な増加を調べる必要があります。

いずれの場合も、限られた長さ（FE パラメータ研究では 200 mm の長さを想定）の金属製フィッティングを接合するエッジに沿って張ることによって、直線的な構造接続を確立する必要があります。 したがって、エッジに沿った温度制約の発生を軽減できます。 しかしながら、構造上、このような一連の直線状の取り付け部品の積層および接合の公差は困難である。

開発され、モジュラーガラスデモンストレーターシェルに適用された積層ダブテールフィッティングの数値パラメータ研究により、DG41 タイプの構造用 PVB で接合されたこの構造用ガラス接続の高い可能性が明らかになりました。 テストでは、最大 4 トンの高い引張荷重強度と、T 字型のクロスバーを接着し、ガラス エッジに対して支持されたフォース カップルを使用することにより、ガラス エッジの周囲で適度な接合曲げ剛性が実現されたことが示されました。 このテストでは、ガラスの破損と層間剥離の両方の場合において、フィッティングの良好な延性と破損後の挙動も示しています。 したがって、安全性/冗長性の観点からモジュール式ガラスシェルでの使用が可能になります。 室温では、ガラスデモンストレーターシェルの場合に決定された典型的な永久引張および曲げ接合荷重によるクリープは非常に小さく、構造を損なうことはありません。 薄い金属シートを合わせ安全ガラスの中間層ゾーンに積層することにより、わずか 2 ライトからの薄いガラスの積層を処理することができます。

さらなる積層構造接続の開発のために行われる将来の作業には、(a) 試験境界条件に適合した FE モデルの確立、(b) さまざまな温度条件における取り付け耐荷重、クリープ、破損挙動の検査、(c) が含まれます。 ) 継手自体とその積層の製造プロセスの最適化、(d) 延性、冗長性、安全性に関する研究、および e() 接合部の透明性の向上/知覚の減少。 線形フィッティングは、合わせ構造ガラス接続に特に興味深いものです。

ルツェルン応用科学芸術大学が提供するオープンアクセス資金。 著者「a」と「b」は、この原稿の準備/執筆を支援するための資金提供を受けていません。

著者情報

ルツェルン応用科学芸術大学、ルツェルン、スイス

ティエモ・フィルドゥス

ルツェルン応用科学芸術大学、Technikumstrasse 21、6048、ホル、スイス

ティエモ・フィルドゥス、パスカル・ヨース、トーマス・ヴュエスト

knippershelbig GmbH、Tubebinger Str. 12-16、70178、シュトゥットガルト、ドイツ

ティエモ・フィルドゥス

ルツェルン応用科学芸術大学、CC Building Envelopes and Civil Engineering、ルツェルン、スイス

パスカル・ヨース & トーマス・ヴュエスト

Solutia Deutschland GmbH、デュッセルドルフ、ドイツ

マシュー・ハラー

Eastman Chemical bv、Watermanweg 70、ロッテルダム、オランダ

ウィム・スティーブルズ

ティエモ・フィルドゥスへの通信。

倫理宣言

すべての著者を代表して、責任著者は利益相反がないことを表明します。 上述のモジュール式ガラスシェルの製造、試験片および試験は、第三者産業の研究開発プロジェクトの一環として、オランダの Eastman Chemical bv によって資金提供されました。 共著者「c」と「d」は上記会社に社員として所属しています。

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