Клеевые и предварительно напряженные болтовые соединения для триплекса

Дитер Каллеверт (Dieter Callewaert), инженер-архитектор Йан Белис (Jan Belis), доктор инженер-архитектор Руди Ван Импе (Rudy Van Impe), профессор, доктор-инженер Ги Лагэ (Guy Lagae), профессор, доктор-инженер Матье Де Беле (Matthieu De Beule), инженер Университет Гента, лаборатория исследований структурных моделей, отделение структурного проектирования Аннотация Болтовое соединение - это, вероятно, наиболее часто применяемый в конструкциях из стекла способ крепления. Распространена практика применения болтовых соединений только в конструкциях из закаленного стекла, которое демонстрирует относительно высокую степень сопротивления концентрации напряжения. Рост стоимости производства и удлинение его сроков – вот главные недостатки, обусловленные применением закаленного стекла. Отожженное флоат-стекло обычно не используется из-за сильных напряжений, вызываемых стандартными болтовыми соединенями. Стремясь восполнить данный пробел и избежать этих недостатков, авторы данной статьи разработали и испытали новый вид болтового соединения для флоат-стекла – предварительно напряженного. В используемых для испытаний образцах триплекса пленку в местах крепления заменили на алюминиевые вкладыши, причем приклеили их к стеклу, чтобы увеличить критическую нагрузку. В процессе создания нового болтового соединения экспериментальным путем было исследовано влияние различных параметров (например площади поперечного сечения алюминиевых вкладышей и диаметра просверленного отверстия и самого болта). Программа испытаний показала, что в зависимости от параметров критическая нагрузка может быть увеличена втрое по сравнению с той, которую выдерживает затянутое болтовое соединение. Введение Благодаря своей простоте болтовое соединение широко распространено во всех областях строительства. Преимущество его заключается в том, что элементы могут быть соединены на строительной площадке с использованием всего лишь нескольких вспомогательных средств. Дополнительным преимуществом является небольшой размер креплений; на стеклянных панелях они практически незаметны и не нарушают визуальную целостность фасада. И все же существующие в настоящее время болтовые соединения не обеспечивают безопасности применения флоат-стекла, и поэтому в современном строительстве используется только предварительно напряженное стекло. Так как эта предварительная обработка стекла значительно повышает как стоимость материала, так и всего проекта, лаборатория исследований структурных моделей поставила своей задачей разработать такую конструкцию, которая сделала бы возможным применение отожженного стекла. Болтовое соединение: затянутое или предварительно напряженное? В стальных конструкциях применяют затянутые или предварительно напряженные болты. Разница между ними заключается в типе передачи сил от болта на элемент, подлежащий закреплению. В первом случае силы передаются на поверхность болта непосредственно от кромки отверстия. Для оптимизации области контакта диаметр отверстия должен быть равен диаметру болта. Если это невозможно, расстояние между кромкой отверстия и поверхностью болта заполняется неэластичным материалом. Здание Hanz Schmitz Haus служит примером стеклянной конструкции, в которой применен подобный способ соединения. [1] Во втором случае силы передаются на поверхность вокруг отверстия посредством трения. Коэффициент трения и величина предварительного напряжения определяют силу, которая может быть передана. Чтобы избежать концентрации нагрузки, возникающей на поверхности стекла в результате непосредственного контакта с болтом, диаметр отверстия должен быть больше, чем диаметр болта. Метод Для исследования возможностей двух данных способов соединения для отожженного стекла (триплекса) были проведены испытания с малой нагрузкой. Для испытаний были взяты разбитые панели из триплекса с двумя полированными кромками и двумя отрезанными. Впрочем, данное обстоятельство не оказало серьезного влияния на результаты испытаний, т. к. все трещины появились вокруг отверстия, а не по краям. Влияние параметров соединения на величину критической нагрузки подтвердило данное предположение, как будет показано далее. Растягивающая нагрузка на образец (Рис. 1) была произведена с помощью растягивающего устройства для испытаний Amsler, а предварительное напряжение – с помощью торцового гаечного ключа. Соединение было затянуто вручную. Кроме того, была использована алюминиевая трубочка для того, чтобы избежать непосредственного контакта стали со стеклом. С этой же целью между стеклянной панелью и стальной пластиной был помещен алюминиевый вкладыш. В результате первой серии испытаний затянутое соединение продемонстрировало более высокие характеристики, чем предварительно напряженное (Рис. 2). Это можно объяснить недостаточной силой трения между алюминием и стеклом. Поэтому при повторном проведении испытания алюминий решили приклеить к стеклу, больше ничего не меняя. В результате критическая нагрузка значительно увеличилась. К сожалению, нагрузка, давшая начальную трещину, не была пропорциональна моменту предварительного напряжения. При моменте предварительного напряжения в 15 Нм она даже снизилась. Тот факт, что момент предварительного напряжения большей величины быстрее вызвал повреждение стекла, может быть объяснен свойствами ПВБ-пленки. Благодаря своей малой жесткости пленка была локально сжата из-за предварительного напряжения болта. Следствием этого стало локальное изгибание триплекса и возникновение дополнительных напряжений. Решить данную проблему помогла бы пленка с намного более высокой степенью жесткости. Поэтому для следующих испытаний были взяты образцы (Рис. 3), в которых вместо пленки между листами стекла были только два алюминиевых вкладыша толщиной 1 мм. Результаты испытаний оправдали предположения, как это видно на Рис. 4 (кроме того, из-за некоторых незначительных изменений были повторно произведены испытания с триплексом). Нагрузка, давшая начальную трещину, увеличилась для стекла без пленки более чем на 50 % по сравнению с триплексом. Критическая нагрузка выросла на 68 %. Параметры Предыдущие испытания показали, что при болтовом соединении на отожженное стекло можно передать значительную нагрузку. Однако требовалось внимательно исследовать каждый элемент и его влияние на способность нового соединения переносить нагрузку. С этой целью были проведены новые испытания. В каждом из них изменяли только один параметр соединения по сравнению с эталонным (одинаковым для всех). Первым исследованным параметром была толщина стекла. Помимо испытания эталона – двух стеклянных панелей толщиной 8 мм - были проведены испытания с двумя панелями толщиной 6 мм, и затем – 4 мм. Как и предполагалось, при большей толщине нагрузки увеличились. Однако было замечено, что нагрузка, давшая начальную трещину, возрастала быстрее, чем критическая, которая менялась линейно. Затем было исследовано расстояние между просверленным отверстием и краем стеклянной панели. Величина была уменьшена с 50 до 30 мм, а затем увеличена до 70 мм. Поэтому предварительные напряжения распределились неравномерно. При расстоянии в 30 мм болтовое соединение располагалось слишком близко к краю стекла. При расстоянии в 70 мм два соединения находились слишком близко друг к другу при выбранном для проведения испытания размере стеклянной панели (150 x 230 мм). Это со вcей очевидностью проявилось при нагрузке начальной трещины в 0,0 кН для образца «стекло + стекло» (6 + 6 мм). Толщина алюминиевых пластин-вкладышей между стеклом и стальными пластинами была выбрана произвольно. Для того чтобы удостовериться в том, что 3 мм достаточно, понадобились испытания с другими поперечными сечениями. Результаты показали, что толщины в 1 мм не хватает для того, чтобы передать напряжение от стали на стекло. Между толщиной в 2 мм и в 3 мм не было существенной разницы. Параметром, существенно влияющим на способность предварительного напряженного соединения переносить нагрузку, оказался размер алюминиевых пластин. Увеличение стороны квадратной пластины с 50 до 60 мм дало увеличение нагрузки почти на 50 % (при клеевом соединении). Это справедливо как для нагрузки, давшей начальную трещину, так и для критической нагрузки. При уменьшении стороны пластины до 40 мм ожидалось существенное уменьшение нагрузки. Объяснить полученные довольно высокие результаты можно тем, что предварительное напряжение повлекло за собой большие напряжения, т. к. сила нагрузки была направлена на небольшой участок поверхности. Кроме того, было исследовано влияние формы соединения на его способность переносить нагрузку. С этой целью были проведены испытания с круглыми алюминиевыми пластинами. Диаметр пластин равнялся 56,4 мм, так что по площади они не отличались от квадратных. Максимальная нагрузка для квадратных пластин была выше, однако остаточная – несколько ниже. Далее был исследован диаметр отверстия. Подвергая его изменениям, необходимо было также адаптировать к ним диаметр болта. Последний всегда оставался на 2 мм меньше. Первые результаты оказались (неожиданно) значительно выше для образца «стекло + стекло» (8 + 8 мм) при диаметре отверстия 12 мм. Объяснение этому можно найти в выбранном для испытания значении постоянного момента предварительного напряжения. Сила предварительного напряжения была обратно пропорциональна диаметру болта и, следовательно, увеличивалась при уменьшении диаметра отверстия. В ходе дополнительных испытаний сила предварительного напряжения была одинаковой при двух различных значениях диаметра отверстия: 10 мм с моментом предварительного напряжения 15 Нм и 14 мм с моментом предварительного напряжения 20 Нм. Значение диаметра отверстия – 16 мм - не менялось (клеевая поверхность). В результатах испытаний не было отмечено значительной разницы. Слишком низкой оказалась только нагрузка начальной трещины в 6,1 кН для панели «стекло + стекло». Это заметно и по предыдущим графикам. Объяснить это можно тем, что среднее значение было получено исходя из результатов всего двух испытаний. Испытания с болтом диаметром 10 мм в отверстии диаметром 16 мм и моментом предварительного напряжения 20 Нм, тем не менее, показали, что увеличение силы предварительного напряжения может привести к уменьшению способности соединения переносить нагрузку. Последним исследованным параметром стала толщина стальных пластин. Она была уменьшена на 3 мм, чтобы соединение было как можно более незаметным на поверхности стекла. При уменьшении толщины нагрузка начальной трещины и максимальная нагрузка несколько уменьшились. Очевидно, что значение 6,1 кН было слишком низким. Заключение и выводы Лабораторией Гентского университета были проведены экспериментальные исследования с целью разработки нового болтового соединения для отожженного флоат-стекла. В результате проведенных испытаний выяснилось следующее: во-первых, четко определилось различие между затянутым и предварительно напряженным соединением. После усиления трения между стеклом и алюминием посредством склеивания были выяснены конструкционные возможности предварительно напряженного соединения. Были проведены многочисленные испытания в целях исследования вариантов такого соединения. Они показали, что даже незначительные модификации элементов соединения имеют большое влияние на способность соединения переносить нагрузку. Например, алюминиевая пластина-вкладыш между стальными пластинами и листами стекла с недостаточной толщиной может наполовину уменьшить нагрузку начальной трещины, в то время как увеличение стороны квадратной алюминиевой пластины может, наоборот, увеличить ее на 50 %. Необходимо также заметить, что изменение нескольких параметров сразу, скорее всего, даст неожиданный эффект. Далее, следует отметить, что все полученные результаты испытаний - это средние значения всего лишь пары идентичных испытаний. Делать выводы на основании этих результатов следует с осторожностью. Тем не менее, они дают возможность утверждать, что болтовые соединения могут использоваться при применении отожженного стекла. Клеевые и предварительно напряженные соединения могут передавать двойную нагрузку по сравнению с той, которую передают затянутые соединения, испытания с которыми были проведены вначале. Подробная информация и результаты испытаний для каждого образца содержатся в работе [2]. Литература [1] Wellershof F., Sedlacek G. “Glass Pavilion Rheinbach – Stability of Glass Columns”. Proceedings of Glass Processing Days 2003. Tampere. 2003. Pp. 316–318. [2] Callewaert D. “Bout- en lasverbindingen in floatglas: experimentele studie”. Master Thesis, Ghent University. 2006, unpublished. Laminated Glass Design. Материал опубликован в последнем номере журнала "Стекло и Бизнес" за 2008 год 309 kb PDF-версия статьи Клеевые и предварительно напряженные болтовые соединения для триплекса по материалам конференции GPD