Pevnost skla v kontaktu

STRENGTH OF GLASS IN CONTACT
The needs of contemporary architecture change the glass from a bedding material to a material for load-bearing elements. Exemplary is the usage of glass for large-scale facades, atrium roofing, monkey bridges, stair-rails and others. There is a European project focused on designing glass structures called Cost C13 the part of which is this report dealing with experimental research of glass under pressure and its behaviour in contact with other materials under pressure. The results of the research will be used for European glass structure standards which are being prepared at present.

Sklo, na rozdíl od materiálů běžně používaných, které mohou dosáhnout plastické deformace, se chová pružně až do porušení, které je určeno kvalitou povrchů, respektive jejich porušením. Nelze tedy počítat se zmírněním vlivu lokálních špiček napětí zplastizováním a následnou redistribucí namáhání jako u oceli nebo hliníku. Z tohoto důvodu je při navrhování nosných prvků ze skla důležité věnovat náležitou pozornost detailům včetně spojů a přípojů i jejich provedení.
Pevnost skla v kontaktu je ovlivněna opracováním hran, tloušťkou, materiálem podložky a délkou podložky vzhledem k rozměrům skleněného prvku. Experimenty byly připraveny tak, aby popsaly chování skleněných prvků v tlaku při kontaktu s různými materiály. Celkem byly provedeny čtyři sady experimentů pro podložky z hliníku, polyamidu, oceli a epoxidové pryskyřice. Zkušební tělesa o rozměrech 120 × 120 mm, 150 × 150 mm, 180 × 180 mm a tloušťce 10 mm, 12 mm a 15 mm měla hrany v celé ploše broušené nebo leštěné. Na výrobu zkušebních těles bylo použito plavené, tepelně neupravované sklo. Vliv koncentrace napětí na únosnost skla byl sledován pomocí různé délky podložek (60 mm, 90 mm, 180 mm). Před provedením experimentů byly stanoveny materiálové vlastnosti použitého skla a podložek [1], [2], [3].

USPOŘÁDÁNÍ EXPERIMENTŮ
Zkušební tělesa byla umístěna mezi podložky a zatěžována silou až do porušení (obr. 1). Pro zatěžování byly použity zkušební stroje o kapacitě 400 kN a 1 000 kN. K ochraně před nebezpečnými úlomky skla byla zkušební tělesa během zatěžování umístěna do průhledného krytu (obr. 2).
Před provedením experimentů byly zkušební tělesa i podložky proměřeny. U skleněných prvků bylo uvažováno pro vyhodnocení i se zkosením hran. Během zatěžování byla pozornost věnována zaznamenání vzniku první trhliny ve skle a určení tvaru porušení zkušebního tělesa. Po ukončení zkoušky byla změřena plastická deformace horní i dolní podložky.

TVARY PORUŠENÍ
Při experimentu lze rozlišit počáteční porušení, tedy tvar a umístění prvních trhlin, a porušení při kolapsu. Ochranný kryt umožnil sledování rozvoje trhlin, které narůstaly se zvyšujícím se zatížením až do kolapsu skleněného prvku. V průběhu experimentů byly rozlišeny celkem čtyři různé typy počátečního porušení skleněných prvků. Nejčastěji vznikla první trhlina v rohu, kdy došlo k jeho odlomení. Druhým tvarem počátečního porušení bylo odloupnutí celé strany zkušebního tělesa (obr. 3a). Při třetím tvaru porušení nastalo odlupování skleněných střepin a trhliny vznikaly ve svislém směru (obr. 3b). V některých případech nebyla počáteční trhlina pozorována.
Porušení při kolapsu lze rozdělit na roztříštění zkušebního tělesa na velké střepiny (trhliny ve svislém směru), náhlé roztříštění skleněného prvku na mnoho malých střípků (často bez počáteční trhliny), postupné odlupování povrchových vrstev skla se vznikem vnitřních trhlin. V případě podložek s nižším modulem pružnosti než má sklo, např. polyamidu, může dojít k proříznutí samotné podložky (ukončení experimentu) nebo ke vzniku nerovnoměrné plastické deformace podložky a tím k nestabilitě zkušebního tělesa.

VYHODNOCENÍ EXPERIMENTŮ
Ve čtyřech sadách byly provedeny experimenty s podložkami z oceli, hliníku, polyamidu a epoxidové pryskyřice. Experimenty s podložkami z polyamidu a epoxidu vykazují shodu, protože hodnota jejich modulu pružnosti je přibližně stejná. Výsledky experimentů lze porovnat redukcí pevnosti skla v kontaktu s jinými materiály pomocí součinitele kontaktu β_j. Pevnost skla v tlaku lze vyjádřit jako:

F_red = β_j f_c,u A_i, (1)

kde A_i je kontaktní plocha skla, f_c,u charakteristická pevnost skla v tlaku (f_c,u = 500 MPa).
Navržené hodnoty redukčního součinitele β_j pro různé materiály podložek se pohybují v intervalu od 0,25 pro podložky z polyamidu do 0,55 pro podložky z oceli (obr. 4).
Pevnost skla v tlaku se během experimentů pohybovala v oblasti 400 MPa až 500 MPa. Rozdílná tloušťka ani velikost zkušebních těles neměla na pevnost skla v tlaku vliv. V podložkách pod zatížením docházelo k plastické deformaci (obr. 5), jejíž velikost závisela na modulu pružnosti kontaktního
materiálu.
Pro pochopení chování skla při různé délce podložek (zkušební tělesa o rozměrech 120 × 120 × 15 mm) byly maximální dosažené síly přepočítány na napětí podle odpovídající kontaktní plochy (obr. 6). Nejmenší plastická deformace podle očekávání nastala v případě použití nejdelší podložky. Ze srovnání výsledků pro podložky o délce 90 mm a 60 mm vyplývá stejná úroveň kontaktního napětí pod podložkou.
V průběhu experimentů byla zkoušena tělesa o rozměrech 120 × 120 × 15 mm s hranou upravenou broušením a leštěním při stejné délce podložky 90 mm. Vliv úpravy hran na největší dosaženou sílu byl zkoumán pro podložky z hliníku a polyamidu (obr. 7).

Celý nezkrácený článek včetně všech obrázků a grafů si můžete přečíst v čísle 1/2005.

Autoři

• Ing. Eliášová Martina CSc.
• Prof. Ing. Wald František CSc.