Project

Evaluatie en optimalisatie van Adhesive Point bevestigingen in Structural Glass

Code
178EA0313
Looptijd
01-01-2013 → 31-12-2016
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: IWT/VLAIO
Promotor
Mandaathouder
Onderzoeksdisciplines
  • Engineering and technology
    • Structural design
    • Structural optimisation
    • Building technology
    • Construction materials
    • Construction materials technology
    • Construction mechanics
    • Structural engineering
    • Polymers and plastics
Trefwoorden
glas adhesieven glasconstructies verlijmde puntverbindingen
 
Projectomschrijving

De belangrijkste eigenschap van structureel glas, transparantie, heeft ervoor gezorgd dat het op grote schaal over de hele wereld wordt gebruikt en een integraal onderdeel is van de skyline van grote steden. Een traditioneel systeem om glas te verbinden met de onderliggende dragende constructie en om de globale transparantie te vergroten, zijn zogenaamde puntverbindingen. Met de huidige stand van techniek is het gebruikelijk om geboute puntverbindingen te gebruiken. Verlijmde puntverbindingen hebben echter verschillende voordelen ten opzichte van deze geboute puntverbindingen, zoals de mogelijkheid van spanningsherverdeling in het adhesief, geen verzwakking in het glas door de doorboring, het voorkomen van een koudebrug, etc. Deze voordelen, samen met de veelbelovende sterktewaarden, zijn belangrijke redenen waarom verlijmde puntverbindingen momenteel als een veelbelovend alternatief worden beschouwd. In deze verhandeling is een ontwerpmethode voorgesteld voor glaspanelen ondersteund door verlijmde puntverbindingen middels een flowchart. De ontwerpmethode is gebaseerd op de tijd-efficiënte SLG-methode (Superpositie van Lokale en Globale componenten), ontwikkeld door Beyer voor het ontwerp van geboute puntverbindingen. Het ontwerp wordt verdeeld in twee onderdelen, namelijk het glasontwerp en het lijmontwerp. In het glasontwerp wordt de glasplaat gemodelleerd als de superpositie van een globale en een lokale component. Het numerieke globale model wordt opgebouwd met een minder dicht maaspatroon, terwijl het numerieke lokale model in detail wordt opgebouwd met een complexer en dichter maaspatroon. Door deze onderverdeling kan de spanningsverdeling op een zeer efficiënte en tijdbesparende wijze bekomen worden. De spanning in het glas en de vervorming van het glas centraal wordt onderzocht met het globale model. De spanning in de nabijheid van de connectie wordt onderzocht door de superpositie van de globale spanning en de maximale hoofdspanning in de lokale modellen. De lijmverbinding kan met behulp van één lokaal model onderzocht worden, namelijk het multi-axiale model. De optredende spanningen in het glaspaneel en de lijmverbinding kunnen worden aangepast door verandering van geometrische parameters en materiaalparameters. Wanneer aan beide ontwerpen is voldaan, zal de beschouwde configuratie de optredende belastingen op kunnen nemen zonder falen. De geschiktheid van de SLG-methode voor verlijmde puntverbindingen is onderzocht door een numerieke vergelijking tussen de spanningsverdelingen te bekomen enerzijds door de SLG-methode en anderzijds door een numeriek totaal model waarbij het totale glaspaneel met de verlijmde verbindingen in detail is gemodelleerd. Ondanks kleine afwijkingen, voorspelt de SLG-methode de optredende spanningen conservatief en nauwkeurig. De spanningsverdeling in de lijmlaag kan tevens ook worden bepaald middels de SLG-methode. Aangezien deze spanningsverdeling slechts bestaat uit de sommatie van de lokale spanningen, kan deze verdeling rechtstreeks bepaald worden door middel van het multi-axiale model. De lokale modellen zijn numeriek gevalideerd voor verschillende geometrische eigenschappen (drie glasdiktes en drie connectordiameters), verschillende materiaaleigenschappen (twee lijmtypes) en drie verschillende belastingen (trek, afschuiving en multi-axiale belasting). Door de ondersteuning van het glaspaneel langsheen een omtrek met een diameter gelijk aan zes maal de connector diameter, wordt de vervorming van het glaspaneel ook in rekening gebracht. Deze vervorming brengt namelijk grote spanningsconcentraties aan in de lijmlaag. Het lokale multi-axiale model kan tevens worden gebruikt om de som van de lokale spanningen direct te bepalen. De materiaalmodellen in de lokale modellen zijn bepaald voor een rubberachtig adhesief (MS-polymeer Soudaseal 270 HS) en een glasachtige adhesief (tweecomponenten epoxy 3M™ Scotch-Weld™ 9323 B/A). Tweecomponenten epoxy en acrylaten zijn thermohardende adhesieven. Het gedrag is meestal elastisch tot falen en het adhesief zal bezwijken bij relatief kleine rekken door voortplanting van een scheur. Veel lijmen zijn echter rubberachtig, zoals siliconen en MS-polymeren. Lokale vervormingen van kleinschalige proefstukken werden gemeten door middel van 3D-Digital Image Correlation (DIC). De vergelijking tussen de gegevens van de testmachine en de DIC toonde grote verschillen tussen de gemeten vervormingen. Dit bevestigt dat het gebruik van DIC nodig is om nauwkeurig de optredende spanningen op te meten in de proefstukken. Het globale en totale model voor de verificatie van de SLG-methode zijn tevens experimenteel gevalideerd. De experimentele resultaten tonen aan dat de hoogste spanningen optreden voor de kleinste randafstanden. En zoals verwacht zijn de vervormingen aanzienlijk groter met kleine randafstanden. De numerieke analyses tonen spanningspieken die niet zichtbaar zijn in de experimenten. Dit benadrukt de voordelen en de noodzaak van numeriek onderzoek. Om de spanning in het glaspaneel of de lijmlaag te verminderen kunnen volgende handelingen ondernomen worden, in volgorde van afnemende invloed:

- Het aantal puntverbindingen verhogen;

- De afmetingen van het glaspanel verkleinen;

- De randafstand vergroten;

- De excentriciteit verkleinen;

- De connectordiameter vergroten;

- De glasdikte vergroten;

- De elasticiteitsmodulus van het adhesief verlagen;

- De randvoorwaarde veranderen naar scharnierend;

- De lijmdikte vergroten;

- De Poisson-factor van het adhesief verlagen.

Tevens zijn de faalcriteria voor de twee geselecteerde adhesieven door middel van experimenten bepaald. De faalbelasting verkregen met het faalcriterium maximale glijding voorspelt de experimentele faalbelasting zeer accuraat voor de MSpolymeer Soudaseal 270 HS. Door spanningssingulariteiten in de lijmlaag met de 2c-epoxy 3M™ Scotch-Weld™ 9323 B/A dient de "spanning op een afstand" methode toegepast te worden voor dit adhesief. Alleen het faalcriterium maximale schuifspanning met de schuifspanning bepaald op een afstand gelijk aan de totale lijmdikte van de spanningssingulariteit voorspelt de experimentele faalbelasting. Deze faalcriteria zijn ook toegepast op de lokale modellen en voorspellen de  experimentele faalbelastingen conservatief en accuraat. Voor adhesieven tussen flexibele en stijf adhesieven, dienen beide faalcriteria te worden toegepast, de laagste faalbelasting zal de feitelijke faalbelasting zijn.