SKLENĚNÉ KONSTRUKCE TEORIE, PRAXE A EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM ÚKDK

Transkript

1 SKLENĚNÉ KONSTRUKCE TEORIE, PRAXE A EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM ÚKDK Ondřej Pešek LS 017 CO05 Vybrané problémy navrhování a realizace kovových a dřevěných konsrukcí a mosů

2 OBSAH Hisorie výroby skla Plavené sklo výroba, vlasnosi Úpravy skla emperování, vrsvení Navrhování podle norem Soudobé konsrukce Poruchy Výzkum ÚKDK Prakický příklad

3 Ruční výroba HISTORIE VÝROBY SKLA 3 ze skleněných foukaných válců 14. soleí Čechy => procédé de Boheme válec 1100/400 mm rozáčení 9. soleí Sýrie 14. soleí Francie lií a válcování na sole 17. soleí Francie Ilusrace Š. POPOVIČ: Výroba a zpracování plochého skla. Grada Publishing a.s. Praha, 009. ISBN

4 Srojní výroba HISTORIE VÝROBY SKLA 4 Lubbersova meoda ze Sieverova meoda skleněných válců 0. soleí USA 0. soleí Francie ze skleněných válců Ilusrace Š. POPOVIČ: Výroba a zpracování plochého skla. Grada Publishing a.s. Praha, 009. ISBN válce 10-1 m dlouhé

5 Srojní výroba HISTORIE VÝROBY SKLA 5 koninuální lií 195 Ford + Sain Gobain koninuální ažení koninuální plavení 1959 Anglie 1919 Hosomice Ilusrace Š. POPOVIČ: Výroba a zpracování plochého skla. Grada Publishing a.s. Praha, 009. ISBN

6 PLAVENÉ SKLO (FLOAT) 6 Rovnovážná loušťka: T Sg S Sg g g g E = 70 GPa ν = 0,3 G 30 GPa Česká erminologie Anglická erminologie Německá erminologie Sodnovápenaokřemičié sklo Soda lime silicae glass Kalk-Naron-silicaglas Borosilikáové sklo Borosilicae glass Borosilikaglas Složka Sodnovápenaokřemičié sklo Borosilikáové sklo Oxid křemičiý SiO % % Oxid vápenaý CaO 5-14 % - Oxid sodný Na O % 0-8 % Oxid boriý B O % Oxid draselný K O % Oxid hořečnaý MgO 0-6 % - Oxid hliniý Al O % 0-8 % Osaní 0-5 % 0-8 %

7 PLAVENÉ SKLO 7 Veličina Symbol Jednoka Sodnovápenaokřemičié sklo Borosilikáové sklo Husoa (při 18 C) ρ kg.m Tvrdos (Knoop) HK 0,1/0 GPa 6 4,5-6 Youngův modul (modul pružnosi) E MPa Poissonovo číslo υ - 0,3 0, Sřední součiniel délkové epelné rozažnosi α 10-6 K -1 9 Třída 1: 3,1 4,0 Třída : 4,1 5,0 Třída 3: 5,1 6,0 Měrná epelná kapacia c p J.kg -1 K Odolnos proi rozdílům eploy a náhlé změně eploy - K Souč. epelné vodivosi λ W.m -1 K Sřední index lomu vidielného záření n - 1,5 1,50 Emisivia (opravená) ε - 0,837 0,837

8 ÚPRAVY SKLA 8 Řezání - získání požadovaného varu a velikosi Ohýbání plochého skla kolem jedné nebo dvou os Úprava hran zkosení hran, broušení, lešění Vrání ovorů Aplikace povrchových úprav Tepelné úpravy Vrsvení skla

9 ÚPRAVY SKLA Temperování skla 9 Výsledek emperování Výsledek chemického emperování

10 ÚPRAVY SKLA Temperování skla 10 Reziduální napěí Česká erminologie Anglická erminologie Německá erminologie Žádné Plavené sklo, chlazené sklo Floa glass, Annealed glass [ANG] Floa glas Sřední Tepelně zpevněné sklo Hea srenghened glass [HSG] Teilvorgespannes Glas [TVG] Vysoké Tepelně vrzené bezpečnosní sklo Fully empered glass [FTG], Safey glass Einscheiben-Sicherheisglas [ESG]

11 ÚPRAVY SKLA Vrsvení skla 11 Popis Česká erminologie Anglická erminologie Německá erminologie Vrsvené sklo z abulí plaveného nebo epelně zpevněného skla Vrsvené sklo Laminaed glass Verbundglas [VG] Vrsvené sklo z abulí epelně vrzeného bezpečnosního skla Vrsvené bezpečnosní sklo Laminaed safey glass Verbund-Sicherheisglas [VSG] Pos breakage behaviour

12 ÚPRAVY SKLA Vrsvení skla 1

13 PLAVENÉ SKLO Pevnos skla 13 σ 3 max, f 1, 3 σ 1 σ Druh skla způsob výroby f b,k [MPa] Tepelně vrzené bezpečnosní sklo, prohřívané epelně vrzené bezpečnosní sklo Tepelně zpevněné sklo Chemicky zpevněné sklo Tepelně vrzené borokřemičié bezpečnosní sklo plavené sklo nebo ploché ažené sklo 10 vzorované sklo 90 smalované plavené nebo smalované vzorované sklo 75 plavené sklo nebo ploché ažené sklo 70 vzorované sklo 55 smalované plavené nebo smalované vzorované sklo 45 plavené sklo nebo ploché ažené sklo 150 vzorované sklo 150 borokřemičié sklo 10 Chlazené plavené sklo => bez epelné úpravy 45

14 NAVRHOVÁNÍ PODLE NOREM 14 ČSN EN Sklo ve savebnicví Zvlášní základní výrobky Borosilikáová skla Čás 1-1: Definice a obecné fyzikální a mechanické vlasnosi. ČSN EN 57-1 Sklo ve savebnicví Základní výrobky ze sodnovápenaokřemičiého skla Čás 1: Definice a obecné fyzikální a mechanické vlasnosi. ČSN EN Sklo ve savebnicví Tepelně zpevněné sodnovápenaokřemičié sklo Čás 1: Definice a popis. ČSN EN Sklo ve savebnicví Tepelně vrzené sodnovápenaokřemičié bezpečnosní sklo Čás 1: Definice a popis. ČSN EN Sklo ve savebnicví Chemicky zpevněné sodnovápenaokřemičié sklo Čás 1: Definice a popis. ČSN EN Sklo ve savebnicví Prohřívané (HST) epelně vrzené sodnovápenaokřemičié bezpečnosní sklo Čás 1: Definice a popis. ČSN EN ISO Sklo ve savebnicví Vrsvené sklo a vrsvené bezpečnosní sklo Čás 1: Definice a popis součásí. ČSN EN 57- Sklo ve savebnicví Základní výrobky ze sodnovápenaokřemičiého skla - Čás : Sklo floa. pren Glass in building Design of glass panes Par 1: General basis of design. pren 1661 Glass in building Deerminaion of he load resisance of glass panes by calculaion and esing. pren Glass in building Laminaed glass and safey laminaed glass - Deerminaion of inerlayer mechanical properies.

15 Relaivní pevnos [-] f = 6 ýdnů f = 50 le f = 10 min NAVRHOVÁNÍ PODLE NOREM 15 Návrhová pevnos skla vliv okolního prosředí (vlhkos) + hisorie zaížení,00 1,75 1,50 1,5 1,00 0,75 0,50 k mod = 0,74 k mod = 0,43 0,5 k mod = 0,9 0,00 1,E-0 1,E+00 1,E+0 1,E+04 1,E+06 1,E+08 1,E+10 1,E+1 f - Doba rvání zaížení [s]

16 Relaivní pevnos Relaivní pevnos NAVRHOVÁNÍ PODLE NOREM 16 vliv způsobu namáhání vliv velikosi (size effec) 4,0 3,5 3,0,5,0 1,5 1,0 0,005 m 0,01 m m = 7; ASTM (004) m = 7,3; Brown (1974) m = 9; Beason & Morgan (1984) m = 5; pren (007) 0,05 m 0,5 m 1,00 m 4,00 m 0,5 0,0 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 Plocha povrchu skla [mm ] 1,3 1, 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 m = 5 m = 15 m = 10 m = Plocha povrchu skla [m ]

17 NAVRHOVÁNÍ PODLE NOREM 17 Princip pevnosního posouzení pren 1661 pren max f g,d eff, d f g,d f g,d k mod k sp M,A f g,k k v f b,k M,v f g,k f f g,k b,k g,k g, d kmod n m k A v f f eff, d 1 1x, y dx dy A A 1 k mod vliv prosředí a rvání zaížení k sp úprava povrchu (surface profile) k v poloha skla při emperování k mod vliv prosředí a rvání zaížení k A vliv plochy skla A (size effec) γ n národní součiniel

18 ÚČINNÁ TLOUŠŤKA SKLA 18 pořebné pro ruční výpoče vliv spolupůsobení jednolivých skleněných abulí spojených mezivrsvou => přenos smykem v mezivrsvě zajišťuje smyková uhos maeriálu mezivrsvy => modul pružnosi ve smyku G in vliv eploy a rvání zaížení (visko-elasický maeriál) různé modely a počení posupy průkopník Wölfel (sendvičové konsrukce)

19 ÚČINNÁ TLOUŠŤKA SKLA 19 Model Wölfel Bennison Calderone 1 1 in in 1 1 A A A A L b G E Γ 0 in in s 9,6 1 1 L G E Γ s,1 s, s 1 A A A A b s,1 1 0 s, 3 s w eff, 1 Γ s, 1 3 eff,w 1,eff, Γ σ s,1 3 eff,w,eff, Γ

20 SOUDOBÉ KONSTRUKCE 0 Schodišě

21 SOUDOBÉ KONSTRUKCE 1 Fasády

22 SOUDOBÉ KONSTRUKCE Přísřešky

23 SOUDOBÉ KONSTRUKCE 3 Zasřešení

24 SOUDOBÉ KONSTRUKCE 4 Pochůzné plochy

25 SOUDOBÉ KONSTRUKCE 5 Prosorové konsrukce

26 SOUDOBÉ KONSTRUKCE 6 Lávky

27 PORUCHY Náhlá exploze epelně vrzeného skla 7 HST inkluze NiS hea soak es

28 PORUCHY Delaminace vrsveného skla 8

29 PORUCHY Tepelný šok 9

30 VÝZKUM KDK 30 Od r Plošné dílce příčně zaížené desky Bodově uložené Liniově uložené Pruové prvky sabiliní problémy Osový lak => rovinný vzpěr Ohyb na uhou osu => klopení Inerakce vzpěru a klopení

31 VÝZKUM KDK Desky bodově podepřené 31 Těleso T1 T T3 T4 T5 T6 l. [mm] 1 x 10 x 8 Skladebné uspořádání ESG 1 Bezpečnosní sklo VSG Vrsvené sklo VSG 8.8. ESG Vrsvené bezpečnosní sklo

32 VÝZKUM KDK Desky bodově podepřené 3

33 Desky bodově podepřené Výsledky zaěžovacích zkoušek 33 Skuečná hmonos jednolivých skleněných deskových zkušebních ěles zjišěná vážením dosahuje následujících hodno: ělesa T1, T.. 163,00 kg, j. 9,50 kg.m - ělesa T3, T4.. 80,00 kg, j. 50,7 kg.m - ělesa T5, T6.. 14,40 kg, j. 38,84 kg.m - Experimenálně sanovená návrhová únosnos (zaížení) nosného dílce odpovídající konvenčnímu meznímu průhybu, kerý se u konsrukčního skla volí v rozmezí 1/100 až 1/ 00 rozpěí: x ) Pozn.: Zkušební ěleso Mezní únosnos p max [kpa] T 1 3,3 T 5,46 T 3 1,50 T 4,44 T 5 - x ) T 6 3,51 ěleso bylo cíleně porušeno mechanicky při zaížení p = 3 kpa

34 q [kpa] q [kpa] Desky bodově podepřené Výsledky zaěžovacích zkoušek 34 Výsledné závislosi q-w pro všechna zkušební ělesa sejné konsrukční a maeriálové skladby zpracované meodou nejmenších čverců. BOD 1 esy T1, T, esy T3, T4, esy T5, T6 BODY 1, 13 esy T1, T, esy T3, T4, esy T5, T w q [mm] w q [mm] esy T1, T esy T3, T4 esy T5, T6 esy T1, T esy T3, T4 esy T5, T6

35 Desky bodově podepřené Mechanismus porušení 35 Kromě problému závislosi převoření (průhybu) v procesu nárůsu zaížení až do dosažení objekivní mezní únosnosi zkušebního ělesa je zvlášě v případě nosných sysémů z konsrukčního skla nezbyné analyzova důsledky mechanismu porušení skleněného dílce z hlediska bezpečnosi osob v překryém prosoru. V uvedeném smyslu se proo zaměříme dále podrobněji na dokumenaci způsobu a průběhu porušení jednolivých zkušebních ěles T1 až T6 na mezi objekivní únosnosi při působení plného rovnoměrného zaížení.

36 Desky bodově podepřené Mechanismus porušení zkušební ělesa T1 a T 36 Jednovrsvé kalené sklo vykazuje příznivé pevnosní a deformační charakerisiky i hladinu mezní únosnosi. K porušení na mezi objekivní únosnosi dochází náhle, a o při iniciaci lomu skla v oblasi uchycení kovovými kruhovými deskami. Z hlediska bezpečnosi je příznivé, že se abule skla rozpadne na malé čási, nicméně všechny úlomky skla propadnou do překryého prosoru.

37 Desky bodově podepřené Mechanismus porušení zkušební ělesa T3 a T4 37 Dvouvrsvé nekalené sklo s mezilehlou fólií má z analyzovaných ypů zkušebních ěles relaivně nejmenší únosnos a uhos, a o zejména éž z hlediska podílu mezního zaížení a vlasní íhy skleněného dílce. Na hladině objekivní mezní únosnosi dochází k posupnému rozvíjení lomových linií, proces porušování dílce není jednorázový. Z hlediska bezpečnosi v překryém prosoru je příznivé, že skleněný dílec zůsává i po porušení v zásadě celisvý a zužující fólie umožňuje i manipulaci s celým zkušebním ělesem

38 Desky bodově podepřené Mechanismus porušení zkušební ěleso T5 38 Dvouvrsvé kalené sklo s mezilehlou fólií vykazuje příznivé převárné i pevnosní paramery. Úder kladivem uprosřed sřešního dílce inicioval prudký a náhlý rozvoj dělení vrsvené skleněné abule lomovými liniemi na drobné dílčí čási, avšak vlivem vazby vyvořené mezilehlou fólií nedošlo k rozpadu deskového ělesa na dílčí úlomky. Nicméně po obvodu závěsných kovových svěrných desek došlo k vyvoření ovorů porušením mezilehlé fólie a celý skleněný zkušební dílec se po době rámcově 10 sekund propadl na dno zkušebního zařízení

39 Desky bodově podepřené Mechanizmus porušení zkušební ěleso T6 39 S ohledem na jinak příznivé deformační i pevnosní charakerisiky navrženého skladebného řešení dílce zasřešení lze považova za účelné eliminova naznačený problém doplňkovou echnickou úpravou vylučující pád porušeného ělesa. Navržená úprava spočívá ve vložení ochranného lanka pod skleněnou sřešní desku. Lanko je uchyceno na závěsná oka v ose šroubů kruhových svěrných desek a je vedeno v diagonálách a dále po linii spojující čyři podpůrné uzly skleněné desky. Použié ocelové lanko mělo průměr Ø 5 mm, obecně posačí dimenze odpovídající hmonosi skleněného dílce a poču závěsů.

40 Desky bodově podepřené Numerická analýza 40 Pro zkoušená ělesa z konsrukčního skla byl vyvořen výpočový saický model s využiím programového sysému ANSYS. V první fázi byl model sesaven pro dílec z jednovrsvého kaleného skla s rozměry odpovídajícími zkušebním ělesům T1, T (loušťka 1 mm a další rozměry podle obr. ) a okrajovými podmínkami simulujícími podepření při zaěžovacích zkouškách, keré bylo navrženo ak, aby odpovídalo uložení dílce ve skuečné konsrukci.

41 VÝZKUM KDK Desky liniově podepřené 41 Vzorek T1 T T3 Popis Vrsvené sklo: 4 mm floa + 0,78 mm PVB + 4 mm floa Laminaed glass: 4 mm FTG + 0,78 mm PVB + 4 mm FTG Laminaed glass: 4 mm floa (spodní) + 0,78 mm PVB + 4 mm FTG (horní)

42 Posun [mm] Posun [mm] Desky liniově podepřené Výsledky experimenu Tes 1; *FLOAT Tes.1; *FTG Tes 3; FLOAT+FTG Zaížení [kn.m - ] Snímač Tes 1; *FLOAT Tes.1; *FTG Tes.3; *FTG Tes 3; FLOAT+FTG Zaížení [kn.m - ]

43 Desky liniově podepřené Mechanismus porušení zkušební ěleso T1 43 Vzorek T1: *4 mm plavené sklo Mezní únosnos 13,6 kn/m

44 Desky liniově podepřené Mechanismus porušení zkušební ěleso T 44 Vzorek T: *4 mm kalené sklo Tes.1: Zaíženo na 50 kn/m, es přerušen z důvodu limiů měřícího zařízení Tes.: PVC kry porušen při zaížení 54 kn/m Tes.3: Porušení při už zaížení 51,5 kn/m

45 Desky liniově podepřené Mechanismus porušení zkušební ěleso T3 45 Vzorek T3: 4 mm floa + 4 mm FTG Floa sklo porušeno při zaížení 6 kn/m (průběh hlavních napěí) Další nárůs zaížení až na hodnou 37, kn/m

46 Posun [mm] Posun [mm] Desky liniově podepřené Numerická analýza Průhyb uprosřed desky 50 Vliv viskoelasického chování PVB folie 45 G in = 1.0 MPa 45 Numerický model Významný vliv G in Zanedbaelný vliv G in 0 Model Model 15 Gin = 4,0 MPa Model 3 Model 4 Model Gin = 1,0 MPa Gin = 0,05 MPa Gin = 0,01 MPa Zaížení [kn.m - ] Zaížení [kn.m - ]

47 Desky liniově podepřené Srovnání analýz 47 Koncenrace napěí SJ MEPLA: Hlavní napěí při zaížení 6 kn/m ANSYS: Hlavní napěí při zaížení 50 kn/m

48 48 Desky liniově podepřené Záznam esu zkušebního ělesa T

49 VÝZKUM KDK Pruy lačené vzpěrná odolnos 49 Označení Popis Sklo Folie Délka [mm] Šířka [mm] Tloušťka skla [mm] Tloušťka folie [mm] ESG 1 Bezpečnosní sklo Tepelně vrzené VG 66. Vrsvené dvojsklo Plavené chlazené PVB ,76 VSG 66.3 Vrsvené bezpečnosní dvojsklo Tepelně vrzené EVASAFE ,14 VSG Vrsvené bezpečnosní rojsklo Tepelně vrzené EVASAFE ,14

50 VÝZKUM KDK Pruy lačené vzpěrná odolnos 50 Ocelový rám Kloubové uložení Lankový úchylkoměr Skleněný sloup Kloubové uložení Hydraulický válec Ruční pumpa

51 VÝZKUM KDK Pruy lačené vzpěrná odolnos 51 Umísění zkušebního ělesa v rámu

52 Pruy lačené vzpěrná odolnos Mechanismus porušení ělesa FB4 - FB15 5 FB7-FB10 FB11 FB1 FB13 FB4 FB14 FB5 FB15 FB6

53 Pruy lačené vzpěrná odolnos Výsledky experimenu 53 PVB folie EVASAFE folie

54 54 Saisické vyhodnocení výsledků experimenu Pruy lačené vzpěrná odolnos Normální rozdělení Lognormální rozdělení Průměr Směrodaná odchylka Variační koeficien Charakerisická hodnoa Návrhová hodnoa i x x n m 1 i x x n m ln x i x m x n s ln 1 1 x i x m x n s x x x m s V x n x V k m X 1 k x n x s k m X exp k x n x V k m X 1 m d x n x V k m X d, d 1 x n x s k m X exp 1 m d n s x k X d, d 1 exp

55 Pruy lačené vzpěrná odolnos Teoreická analýza eorie II. řádu 55 f w 0 L / w 0 N cr N N N cr π E I L z,eff cr max N A M W N A 1 N w 0 1 N N cr / W cr N b,\rk e 0 = L/000 e 0 = L/00 N b,\rk σ Rk σ Rk

56 56 Pruy lačené vzpěrná odolnos Numerická analýza eorie velkých deformací

57 Pruy lačené vzpěrná odolnos Srovnání analýz 57

58 58 Pruy lačené vzpěrná odolnos Prakický návrh křivky vzpěrné pevnosi Rk A N cr eff Φ 0,5 1 imp 0 Φ 1 Φ N b, Rk Rk Aeff N b, Rd Rd Aeff

59 59 Pruy lačené vzpěrná odolnos Záznam esu zkušebních ěles FB14 a FB15

60 VÝZKUM KDK Pruy ohýbané odolnos v klopení 60 Označení Popis Sklo Folie Délka [mm] Šířka [mm] Tloušťka skla [mm] Tloušťka folie [mm] VG 66. Vrsvené dvojsklo Plavené chlazené EVASAFE ,76 VG 88. Vrsvené dvojsklo Plavené chlazené EVASAFE ,76 VG Vrsvené rojsklo Plavené chlazené EVASAFE ,76 Ocelový rám Hydraulický lis Vahadlo Zaěžovací rámek Koncové boky Lankové úchylkoměry Skleněný nosník Podpory (schemaicky zakresleny)

61 VÝZKUM KDK Pruy ohýbané odolnos v klopení 61 Vahadlo Zaěžovací rámek Koncová boka

62 VÝZKUM KDK Pruy ohýbané odolnos v klopení 6

63 Pruy ohýbané odolnos v klopení Mechanismus porušení 63 LTB1 LTB4 LTB7

64 Pruy ohýbané odolnos v klopení Výsledky experimenu 64 Úhel naočení Příčný posun Normálové napěí Svislý posun

65 Pruy ohýbané odolnos v klopení Saisické vyhodnocení 65

66 66 Teoreická analýza eorie II. řádu Pruy ohýbané odolnos v klopení x L z M L c I E M c L I G v M L c z M L c I E M c x π cos π π π π g y z y 1 0 y 1 g y z y 1 0 x L z M L c I E M c L I G v I E M c M I E I G c x v π cos π π g y z y 1 0 z y 1 0 y z 1 eff,z z eff,y y max W M W M Rk Rk M max, max, σ Rk M max,σ,rk

67 67 Pruy ohýbané odolnos v klopení Numerická analýza eorie velkých deformací

68 Pruy ohýbané odolnos v klopení Prakický návrh křivky klopení 68 M cr C 1 π E I L z,eff LT C z g G I,eff L π E I LT z,eff C z g LT Rk cr Rk M W cr y Φ LT 0,5 1imp LT 0 LT LT LT 1 LT LT 1,0 M b, Rk LT Wy fg,k M b, Rd LT Wy fg,d

69 PRAKTICKÝ PŘÍKLAD 69 Schodišťový supeň hp:// Tlačený pru hp://

70 MOUDRÝ MUŽ NEVYSTAVUJE ZKOUŠCE SKLO A ŽENU LOPE DE VEGA LS 017 CO05 Vybrané problémy navrhování a realizace kovových a dřevěných konsrukcí a mosů