Источник: Glass Structures & Engineering, том 6, https://doi.org/10.1007/s40940-020-00142-6.

Новая композитная панель позволяет использовать флоат-стекло.Помимо экономии затрат, флоат-стекло предлагает возможность гидроабразивной резки после производства композита стекло-FRP.Это упрощает производство.На рис. 2б показан образец такого составного элемента.FRP окрашен в серый цвет, а края здесь, как описано, впоследствии обработаны гидроабразивной резкой.Использование FRP в строительстве фасадов уже изучалось в других проектах, например (Tomasi et al. 2014). Большой ламинатор

На первом этапе (см. раздел 2.2) шесть матричных материалов были подвергнуты термическому анализу с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и динамического механического анализа (ДМА).Механические свойства были получены в результате испытаний на одноосное растяжение.По окончании испытаний смолы выбор был сокращен до трех материалов.На втором этапе (см. раздел 2.3) оставшиеся три матричных материала были армированы волокнами, встроенными в различные конфигурации.Одноосное испытание было проведено в соответствии с (EN ISO 527-1) для сравнения характеристик FRP с чистым полимером без какого-либо армирования.

Свойства материала FRP можно регулировать выбором полимерной матрицы, а также типом, количеством и ориентацией волокон.С увеличением содержания клетчатки матрица берет на себя чисто защитную и закладывающую функцию.По сравнению с FRP пластиковая матрица имеет меньшую плотность, а также меньшую жесткость и прочность (Bank 2006).FRP почти исключительно изготавливаются из термореактивных полимеров.Имеют низкую вязкость, благодаря чему поверхность волокна легко смачивается.В случае полностью смоченных волокон они защищены от воздействия окружающей среды и обеспечивают постоянную передачу нагрузки (Pritchard 1999).Из-за устойчивости термопластов к низким температурам они менее пригодны для использования в качестве смолы.При высокой температуре окружающей среды возрастает риск разрушения волокна из-за сдвига.

Кроме того, термопласты имеют повышенную склонность к ползучести.Существует широкий ассортимент термореактивных смол.В качестве смолы предпочтительно использовать эпоксидные смолы (EP), ненасыщенные полиэфиры (UP) или сложные виниловые эфиры (VE).Все три из них предлагают различные преимущества.Ненасыщенные полиэфиры имеют очень хорошее соотношение цены и качества и универсальны.Виниловые эфиры подходят для вибрирующих и ударно-нагруженных компонентов.Эпоксидные смолы обладают выдающейся долговечностью, хорошими адгезионными свойствами и низкой усадкой.Из-за их высокой цены они используются почти исключительно для компонентов, подвергающихся высоким нагрузкам.

В соответствии с (EN ISO 6721-1) для тестирования частотного диапазона должно быть доступно не менее трех образцов.Чтобы получить общую ориентацию характеристик материала, один испытуемый образец сначала подвергали измерению с частотой 1 Гц при растягивающей нагрузке.Для этого образец нагревали от -60 до +120 °С со скоростью 2 град/мин.Оценку проводили в диапазоне от - 25 °С до + 110 °С.Кроме того, три образца для испытаний были затем подвергнуты многочастотным измерениям при растягивающем напряжении.Измерения использовались для характеристики поведения при отверждении и для оценки смещения температуры стеклования в зависимости от частоты.Частоты 0,01 Гц, 0,1 Гц, 1 Гц, 10 Гц и 100 Гц были испытаны при повышении температуры от -33 до +100 °С со скоростью 1 К/мин.

Для определения интервала температур стеклования были определены его начальное (нижнее) и конечное (верхнее) значения температуры.Температуру начала температурного интервала стеклования определяли, применяя две касательные к кривой модуля упругости.Одна касательная идеально лежит на линейной кривой ниже точки стеклования, а другая — в точке поворота крутого склона.Точка пересечения определялась как начальная температура стеклования Tg0.Конечная температура Tge характеризовалась максимумом кривой коэффициента потерь.Процедура, описанная в (ISO 6721-11), показана на рис. 3b.Модуль накопления также указывает модуль Юнга материала.При этом модуль упругости обычно несколько выше, чем модуль Юнга из квазистатических испытаний из-за его осциллирующего напряжения.

Если учитывать только термомеханические свойства, полученные от ДМА, EP₁ и VE₁ показали наилучшие результаты.Они достигли самых высоких температур стеклования Tg₀ = 61 ° C (EP1) и Tg₀ = 85 ° C (VE₂).Таким образом, VE₁ был единственным из шести исследованных матричных материалов, температура стеклования которого была выше максимальной рабочей температуры.В то время как диапазон стеклования VE₁ простирался за ΔT = 18 K, EP₁ показал стеклование, простирающееся за ΔT = 33 K. Оба материала, EP₁ и VE₁, также показали низкую частотную зависимость (рис. 4a).

Испытание на растяжение в соответствии с (EN ISO 527-1) считается одним из основных испытаний механических испытаний полимеров.Универсальная испытательная машина может быть использована в качестве испытательного устройства для квазистатического испытания.Для исследования смол использовали образец типа 1А (EN ISO 527-2) (рис. 4b).Испытуемый образец нагружается на растяжение до тех пор, пока не произойдет разрыв или не будет достигнут любой другой критерий разрыва.Во время испытания измеряют приложенные нагрузки и удлинение.Деформация измеряется оптически с помощью видеоэкстензометра.В соответствии с (EN ISO 527-1) в каждом случае испытывали по пять образцов.В рамках работы для определения модуля Юнга была выбрана скорость деформации 1 мм/мин.Все испытания проводились при комнатной температуре.

Поскольку пластмассы имеют лишь небольшой диапазон упругих деформаций, модуль упругости определяют с помощью секущей в пределах 0,05 % и 0,25 % от нормативной деформации.В этом диапазоне материал деформируется линейно-вязкоупругим образом (Греллманн и Зайдлер, 2015).По закону Гука модуль Юнга рассчитывали по отношению изменения напряжения ∆σ к изменению удлинения ∆ε.Напряжение σ формируется из отношения измеренной растягивающей силы и начальной площади поперечного сечения.Кроме того, напряжение разрушения σB с соответствующим удлинением при разрыве εB было получено в качестве важных сравнительных значений при испытании на растяжение.Разрушение образца сопровождалось падением усилия до 10 % от значения усилия.Для возможности прямого сравнения с данными производителя из таблицы 1 также оценивали удлинение при разрыве (EN ISO 527-1).Результаты можно найти в Таблице 2, при этом представление Таблицы 1 использовалось в качестве ориентира.

Сравнивая модули Юнга друг с другом, UP1 достиг самых высоких значений.Однако в UP1 модуль Юнга, определенный по результатам испытания на растяжение, значительно отличается от модуля Юнга, определенного по результатам анализа ДМА.UP2, EP1, EP3 и VE1 также достигли высокого модуля Юнга.EP1 показал самую высокую прочность на растяжение.EP2 достиг самого высокого удлинения при разрыве (εB = 7,1%) и был единственным материалом, который разрушался пластичным образом, в то время как все другие материалы разрушались хрупко.UP2 достиг наименьшего удлинения при разрыве.

EP1 и VE1 показали самую высокую температуру стеклования.Поскольку оба материала показали хорошие результаты при испытаниях на растяжение, они были выбраны для дальнейшего использования.Оба ненасыщенных полиэфира имели температуру стеклования, которая была слишком низкой для предполагаемого применения в фасадах.Кроме того, они достигли только низких значений удлинения при разрыве и напряжения растяжения.Тем не менее, по запросу партнера по проекту UP2 также был исследован в сочетании с волокнистым материалом, поскольку это был единственный из всех исследованных матричных материалов, на который была нанесена огнезащитная добавка.Таким образом, были выбраны EP1, UP2 и VE1.

Как и ожидалось, наилучшие результаты относятся к испытаниям, в которых нагрузка прикладывается параллельно основному направлению волокна.Самый высокий модуль Юнга был достигнут при испытании одноосной ленты (US) параллельно направлению основного волокна.Тем не менее, одноосная лента из стекловолокна также продемонстрировала наиболее значительное снижение разрушающей нагрузки при испытаниях в любом другом направлении.Результаты других конфигураций волокон — холст-мат (CM), брезентовая ткань (C) и саржевая ткань (TT) — отличаются друг от друга лишь незначительно.За исключением ненасыщенного полиэфира, одноосная лента из стекловолокна показала примерно такие же результаты при испытании перпендикулярно направлению волокна.

На практике фасадные панели в основном нагружаются при изгибе.Стандартный четырехточечный тест на изгиб стекла используется для оценки несущей способности композитных элементов.Испытание на изгиб стеклопластика обычно проводится в соответствии с (EN ISO 14125).Однако для получения сравнимых результатов все испытания проводятся в соответствии с (EN 1288-1), который обычно используется для определения прочности стекла на изгиб.Однако там, где это возможно, соблюдаются требования (EN ISO 14125) для испытания на изгиб стеклопластика, за исключением значительно больших размеров испытательного образца.В испытании на четырехточечный изгиб, схематично показанном на рис. 10, панель длиной 1100 мм и шириной 360 мм была поддержана на расстоянии 1000 мм.Сила прикладывалась к центру и равномерно распределялась по двум точкам на расстоянии 200 мм друг от друга и непрерывно возрастала (EN 1288-1).

Даже при использовании обычного многослойного стекла с полимерными прослойками, например, из поливинилбутираля (ПВБ) или этиленвинилацетата (ЭВА), это означает, что элементы достигают сравнительно высокой остаточной несущей способности (Overend et al. 2014).При использовании стандартного многослойного стекла адгезия битого стекла к промежуточному слою обеспечивает повышенную остаточную несущую способность.При использовании закаленного стекла или термоупрочненного стекла осколки стекла сцепляются друг с другом, вновь обеспечивая достаточную остаточную несущую способность.Многослойные листы FRP и стекла также имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что в дополнение к адгезии стекла к смоле, несущая способность самого FRP приводит к более высокой остаточной несущей способности по сравнению со стандартным многослойным безопасным стеклом.

Чтобы иметь возможность классифицировать составное действие новой фасадной панели, результаты испытания на четырехточечный изгиб сравнивались с использованием аналитического расчета, предполагающего полное составное действие и отсутствие составного действия в качестве многослойного предела.На рис. 14 показаны результирующие профили напряжений в середине пролета композитных панелей из FRP и стекла.Синяя область показывает стекло, а серая область FRP.Таким образом, в выбранном здесь представлении стекло находится в зоне действия изгибающего растягивающего напряжения.Поверхностное натяжение можно рассчитать с использованием деформации, измеренной в четырехточечном испытании на изгиб, и модуля Юнга, определенного в испытаниях на растяжение.Подход новой аналитической модели, хотя и не применимый здесь, представлен в Pascual et al.(2017).

В этой статье авторы рассматривают осевые и касательные напряжения, вызванные локальным откликом, по сравнению с глобальным откликом.Однако используемый сэндвич-элемент сильно отличается от панели, выбранной для исследования.Тем более, что стеклопластик приклеивается к стеклу с помощью клея, а не матричный материал, одновременно выполняющий роль клея, как в приведенном здесь примере.Тем не менее, аналогичный подход к профилю напряжения был рассмотрен и здесь.В своем вкладе Overend et al.(2014) также изображают профили напряжения сэндвич-элемента, состоящего из двух стеклянных поверхностей и прочного на сдвиг стеклянного сердечника, заключенного в полимерные промежуточные слои.Они демонстрируют профили деформации и напряжения композитного элемента при напряжении изгиба с неповрежденным и сломанным сердечником.

Деформация со слоистым пределом, рассчитанная по балочной теории, была принята в соответствии с гипотезой Бернулли.Рисунок 14а) показывает результирующий профиль напряжения.На рис. 14б, в показана кривая напряжения для полного композиционного действия.Для этого использовалась теория сэндвича, предполагающая полную связь между элементами.На следующем рис. 15 показана структура сэндвич-элемента согласно Штамму и Витте (1974).Верхняя часть сэндвич-компонента с индексом «О» представляет диапазон FRP.Нижняя часть сэндвича, индекс «U», представляет собой стекло.Для расчета делается предположение G → ∞ и dQ → 0.Разрыв напряжений между двумя материалами на рис. 14 происходит из-за разных модулей Юнга.

За исключением незначительных отклонений со стороны FRP, результаты испытания на четырехточечный изгиб согласуются с аналитическим расчетом, предполагающим полный композит.Эксперименты показали, что комбинация FRP и стекла образует гибридный элемент (Weller and Pfalz 2018).Этот результат согласуется с другими исследованиями, такими как Achintha and Balan (2017, 2019).Вплоть до нагрузки 2 кН нет разницы в кривой деформация-сила между двумя выбранными укладками FRP, поэтому панель, состоящая из квадракса и волокнистого мата, здесь не показана.

Исследовательский проект «FKV-Glas-VH Fassade» финансируется исследовательской программой «Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand» (BMWi/AiF).Авторы благодарят за финансовую поддержку исследовательского проекта.Кроме того, мы хотели бы поблагодарить FIBER-TECH Products GmbH за сотрудничество и предоставление материалов, а также образцов для испытаний.

1616 W. Williams Dr. Phoenix, AZ 85027 США

El Bayo Industrial Estate, участок I, 19 24492 Кубильос-дель-Силь-Леон Испания

Jeziorzany, Aleja Krakowska 3 05-555 Tarczyn Польша

Via Del Lavoro Snc 64023 Mosciano Sant'Angelo TE Италия