Influencia de las capas intermedias de EVA, PVB e ionoplasto en el comportamiento estructural y el patrón de fractura del vidrio laminado

Fecha: 28 de agosto de 2023

Autores: Liene Sable, David Kinsella y Marcin Kozłowski

Fuente:Revista internacional de investigación de vidrio estructural y materiales avanzados,Volumen 3 No. 1, 2019, Publicaciones científicas

DOI:https://doi.org/10.3844/sgamrsp.2019.62.78

Las tendencias arquitectónicas desafían cada vez más a los productores de materiales e ingenieros a crear productos de vidrio laminado sostenibles, renovables e innovadores que combinen múltiples funciones como, por ejemplo, barandillas de vidrio con células solares, vidrio laminado curvado, pisos con diodos emisores de luz que sirven como pantallas multimedia. Todas las nuevas tendencias requieren el desarrollo de capas intermedias para vidrio laminado, que permitan laminar piezas eléctricas, células solares u otros objetos entre dos láminas de vidrio. Para este complejo proceso de laminación, la capa intermedia más adecuada es el Acetato de Etileno Vinilo (EVA), porque sus propiedades permiten trabajar a bajas temperaturas sin necesidad de autoclave. Por otro lado, el material EVA no se ha definido ni discutido completamente en la norma prEN16613 como un material de capa intermedia adecuado, por ejemplo, para aplicaciones de estructuras como la capa intermedia de polivinilbutiral (PVB). Por esta razón, los laminados entre capas de EVA deben investigarse y compararse con PVB o laminados entre capas similares para evaluar su comportamiento mecánico.

El trabajo de investigación da una idea y compara el comportamiento estructural y el patrón de fractura y evalúa muestras de vidrio laminado con capas intermedias de PVB, Ionoplast y EVA. En circunstancias prácticas, las estructuras de vidrio deben diseñarse para resistir las tensiones de flexión que pueden producirse, por ejemplo, debido a cargas laterales, lo que significa que los ensayos de flexión en cuatro puntos son un método apropiado para evaluar el comportamiento estructural. También se modelaron ensayos en el software de Elementos Finitos (FE) ABAQUS/CAE para calcular desplazamientos y evaluar tensiones de flexión. Según la investigación actual, se puede llegar a la conclusión de que para muestras con capa intermedia de EVA, la rigidez es equivalente a los resultados de las muestras de capa intermedia de PVB y la capa intermedia de EVA se puede utilizar en los mismos casos que el material de PVB. Además, el uso del método FE permite simular con precisión el comportamiento mecánico del vidrio laminado probado en flexión de 4 puntos con una alta correlación de resultados con un error inferior al 5%, mientras que los cálculos analíticos muestran un error del 10-58%.

Durante las últimas décadas se ha observado un desarrollo significativo del vidrio estructural. El material de vidrio no sólo se utiliza como unidades de relleno de vidrio aislante, sino que es un material estructural totalmente responsable. (Eekhout y Sluis, 2014; Grohmann, 2014; Raynaud, 2014) En comparación con la lámina de vidrio monolítica, el vidrio laminado después del colapso mantiene su integridad y la estructura puede realizar su función hasta que sea reemplazada. El vidrio laminado es un material compuesto que consta de al menos dos capas de vidrio unidas con una capa intermedia de polímero. La selección del tipo de capa intermedia depende con mayor frecuencia de la aplicación del elemento estructural, por ejemplo, resistente a impactos, aislante acústico, a prueba de robos o resistente al fuego (Sandén, 2015).

Desde el punto de vista estructural, el vidrio es un material frágil y falla sin previo aviso. Es sensible a las concentraciones de tensión y su resistencia depende del grado de daño a la superficie del vidrio (Pfaender, 1996). La resistencia a la tracción se rige por la presencia de defectos del material, que magnifican las tensiones localmente y actúan como sitios potenciales de falla. La propiedad de aumento de tensión de un defecto depende de su forma y tamaño, que, sin embargo, no se pueden determinar adecuadamente utilizando la tecnología de medición disponible en la actualidad (Lamon, 2016).

La integración de capas intermedias entre capas de vidrio es una de las posibilidades para mantener la capacidad de carga y la integridad estructural después de la rotura del vidrio. La ventaja de la capa intermedia de polímero es su capacidad para absorber grandes deformaciones, retener astillas de vidrio y limitar el tamaño del espacio entre los fragmentos de vidrio después de una falla.

En este artículo, se investiga el comportamiento estructural y los patrones de fractura de muestras con diferentes tipos de capas intermedias: polivinilbutiral (PVB), etilenvinilacetato (EVA) e ionoplasto. Se trata de polímeros alternativos para aplicaciones de vidrio laminado. El material de capa intermedia más antiguo y más utilizado en estructuras y en la industria automotriz es el PVB, mientras que el EVA se usa principalmente para módulos fotovoltaicos como material encapsulante (El Amrani et al., 2007). Esto se debe a su temperatura de producción relativamente baja y a la posibilidad de laminar elementos decorativos o eléctricos (por ejemplo, diodos de luz). Cada tipo de capa intermedia tiene un propósito de aplicación específico (Sandén, 2015) y estos factores determinan qué tipo de propiedades mecánicas y características del material se requieren.

Para la determinación analítica de tensiones de flexión y deflexión del vidrio laminado, se ha desarrollado un método de "espesor efectivo". En la práctica se utilizan principalmente tres versiones: las normas ASTM 1300, prEN 16612 y el enfoque de espesor efectivo mejorado (EET) de Galuppi y Royer-Carfagni (2012).

El principio básico del enfoque ASTME1300 es determinar dos valores diferentes de espesor efectivo del laminado, uno se utiliza para el cálculo de la deflexión y el otro para la tensión del vidrio. Este método incluye fórmulas para la determinación precisa del coeficiente de transferencia de corte entre capas, Γ. El enfoque del espesor efectivo del laminado proporciona el espesor monolítico equivalente para capas intermedias rígidas (Γ→1) y el límite por capas para capas intermedias flexibles (Γ→0). (ASTM 1300, 2010) El método se aplica principalmente a laminados de 2 capas fabricados con capas de vidrio de espesor igual y desigual.

El concepto de “familias de rigidez” se presenta en el borrador de norma europea para vidrio (prEN 16612, 2017; prEN16613, 2017). La idea principal de este enfoque es la clasificación en "familias de rigidez", además, la familia de capas intermedias determina el coeficiente de transferencia de corte ω. Básicamente, este es el mismo enfoque incluido en ASTM 1300-16 como valor de Γ. En este caso, el productor de la capa intermedia define el módulo de Young y la relación de Poisson, que es función de la temperatura y la duración característica de la carga. Las regulaciones establecen tres “familias de rigidez” principales para las capas intermedias: “no descritas” y “acústicas” (Familia 0), “PVB de grado estándar” (Familia 1) y capas intermedias “estructurales” (Familia 2). (prEN 16612, 2017) Sin embargo, esta norma no define la familia de la capa intermedia de EVA, pero se puede evaluar de acuerdo con (prEN16613, 2017) y las propiedades del material de la capa intermedia.

El tercer método es el enfoque de espesor efectivo mejorado (EET), adecuado para la evaluación del espesor efectivo tanto para geometrías de “viga” como de “placa”. Al elegir funciones de forma apropiadas para la deformación de la viga laminada, la minimización de la energía de deformación funcional proporciona nuevas expresiones para el espesor efectivo bajo cualquier condición de restricción y carga, adoptando las formulaciones clásicas como casos particulares (Galuppi y Royer-Carfagni, 2013).

Para la evaluación del vidrio en términos de resistencia y comportamiento ante fallas, la configuración de flexión de cuatro puntos proporciona un medio preciso para realizar pruebas. Además, permite obtener la tensión crítica de flexión y tracción y el patrón de fractura, especialmente para muestras de vidrio laminado. En este caso, las observaciones fractográficas de las muestras rotas indican si la falla ocurrió en la superficie o en el borde de la capa de vidrio.

El presente artículo tiene como objetivo la evaluación de muestras de vidrio laminado con capas intermedias de EVA, PVB e Ionoplast en términos de comportamiento mecánico en flexión de cuatro puntos y la validación del modelo de elementos finitos mediante datos de prueba.

El vidrio laminado se puede considerar como una estructura tipo sándwich que consta de láminas de vidrio linealmente elásticas y una capa termoplástica viscoelástica, que proporciona transferencia de corte entre las láminas de vidrio. Para determinar la tensión de flexión en vidrio laminado, las técnicas de análisis bien establecidas no garantizan resultados de tensión reales o, en algunos casos, dan resultados con gran dispersión. Para lograr la mayor confiabilidad del diseño, se ha aplicado el Método del Elemento (FEM). La principal ventaja de utilizar FEA es la capacidad de obtener la tensión de flexión en cada capa de un laminado multicapa. El objetivo del cálculo de FE fue verificar los resultados numéricos con los datos de las pruebas experimentales y calcular las tensiones de flexión en laminados de cuatro y seis capas de vidrio con capas intermedias de EVA y PVB.

ABAQUS modelo 3d

La configuración de flexión en cuatro puntos de muestras de vidrio laminado se modeló en el software comercial ABAQUS/CAE. Como resultado de las pruebas realizadas en la campaña experimental, se crearon dos modelos FE.

Primero, se creó un modelo para laminados de dos capas (Fig. 1) donde los soportes y los rodillos de carga se definieron como piezas rígidas analíticas en 3D con dimensiones de acuerdo con la configuración de prueba. Para el vidrio laminado, se utilizó el elemento de carcasa continua SC8R de 8 nodos. Los elementos parecen un elemento sólido continuo tridimensional; sin embargo, su comportamiento cinemático y constitutivo es similar al elemento de capa convencional (Hibbit et al., 2001). Además, los elementos de la capa continua sólo tienen grados de libertad de desplazamiento. Se ensamblaron las piezas de vidrio y las capas intermedias y se crearon restricciones de unión entre ellas. Las restricciones de unión se basan en la superficie y se utilizaron para unir dos superficies durante toda la simulación. Cada nodo en la superficie esclava está obligado a tener el mismo movimiento que el punto en la superficie maestra al que está más cercano (Hibbit et al., 2001).

Se creó un segundo modelo para laminados de cuatro y seis capas (Fig. 2). En comparación con el primer modelo, se han aplicado detalles adicionales de introducción de carga. En este modelo, los soportes y la carga se crearon como piezas rígidas analíticas en 3D. Debido al movimiento durante la prueba, se aplicó un elemento sólido 3D para los rodillos de carga y los detalles de carga de metal y un elemento SC8R de carcasa continua para la muestra de vidrio laminado. Las piezas se ensamblaron y se aplicó contacto de interacción superficie a superficie. Como en el primer modelo, se utilizó una restricción de unión para modelar la unión entre las capas intermedias de vidrio y polímero. Entre superficies de metal y vidrio se aplicaron contactos de comportamiento tangencial con un coeficiente de fricción de 0,5.

Dado que se desconoce el valor real de la tensión de flexión, se realizó un estudio de convergencia de malla que se presenta en la Fig. 3.

Se han realizado dos estudios diferentes para la densidad de la malla. El principio básico de los estudios de malla es encontrar el tamaño de elemento óptimo que proporcione resultados precisos; además, cuantos más grados de libertad haya en el modelo, mejor podrá capturar el comportamiento estructural. Como se muestra en la Fig. 3, la densidad de la malla influye más en los resultados de la tensión que en los resultados del desplazamiento. Dado que los DOF ​​adicionales aumentan el tiempo de cálculo, también se ha realizado un estudio de convergencia de tiempo. Según el estudio de convergencia, se han elegido y aplicado elementos con un tamaño de 15 mm a los modelos finales (Fig. 1 y 2).

Influencia de los materiales y las capas intermedias en el análisis FE

Todos los materiales (vidrio y capas intermedias) se modelaron utilizando parámetros del modelo de material elástico. Para evaluar los valores de tensión de flexión, se recopilaron de la literatura las propiedades mecánicas de los materiales; de lo contrario, las evidencias de las pruebas deben respaldar las propiedades de cada material. Las propiedades del material del vidrio sodocálcico se definen de la siguiente manera: módulo de Young, Eglass = 70 GPa y relación de Poisson, υglass = 0,23 (EN 572-1, 2017)

Los resultados de las simulaciones FEA deben correlacionarse con los datos experimentales; sin embargo, una de las razones de la contradicción de los resultados puede ser el comportamiento variable entre capas, que depende de la temperatura y la duración de la carga. Tres propiedades mecánicas que caracterizan la zona elástica lineal entre capas son el módulo de Young, el módulo de corte y la relación de Poisson. Además, de acuerdo con la ley de Hooke, al aumentar el módulo elástico también aumenta el módulo de corte, lo que significa que aumenta la transferencia de corte entre la placa de vidrio y la capa intermedia. Hay que tener en cuenta que el comportamiento entre capas depende de la temperatura y las propiedades mecánicas deben definirse según la temperatura del laboratorio.

En la literatura, los estudios sobre el material PVB se han centrado principalmente en la investigación de las propiedades elásticas a diferentes temperaturas y en el cálculo de la curva tensión-deformación real (Santarsiero et al., 2016). Además, los productores de capas intermedias de PVB ofrecen tablas de datos con propiedades mecánicas de las capas intermedias que dependen de la temperatura y la duración de la carga (Eastman Chemical Company, nd; Kuraray GmbH., nd). Las siguientes propiedades según las hojas de datos públicas del productor son valores recomendados para el análisis FE, sin embargo, en la práctica son más bajos y deben verificarse mediante pruebas de evidencia. En todas las simulaciones realizadas para esta investigación, la relación de Poisson para el material PVB tenía un valor fijo de 0,498, pero el módulo de Young se personalizó para cada tipo de capa intermedia y oscila entre 2 y 90 MPa.

Se ha informado de un número limitado de estudios sobre el comportamiento mecánico del material de capa intermedia de EVA a diferentes temperaturas y tasas de deformación. Las investigaciones experimentales de varios autores (Serafinavičius et al., 2013; Weller et al., 2005) revelaron que también la capa intermedia de EVA depende del tiempo y la temperatura. Las limitaciones de los estudios (Castori y Speranzini, 2017; Serafinavičius et al., 2013) son el tipo de capa intermedia de EVA; los autores se centran principalmente en la evaluación del tipo estándar de material de EVA. Sin embargo, la gama de productos EVA es amplia y cada tipo tiene una diferencia considerable en las propiedades mecánicas. Actualmente, los productores no ofrecen hojas de datos públicas sobre las propiedades físicas del material EVA. Por esta razón, se tomaron propiedades de la literatura como EEVA = 10-20 MPa y υEVA = 0,32 (Castori y Speranzini, 2017; Czanderna y Pern, 1996; Pankhardt, 2008).

En este artículo se ha aplicado un método para determinar el espesor efectivo de vidrio laminado para el análisis de tensiones y deflexiones (prEN 16612, 2017). De acuerdo con las siguientes fórmulas (Ecuación 1, 2), los espesores efectivos se calcularon y sustituyeron en las fórmulas de ingeniería estándar para el enfoque de tensión máxima y deflexión del ensayo de flexión de cuatro puntos:

Dónde:

ω = Coeficiente entre 0 y 1 que representa ninguna transferencia de corte (0) y transferencia de corte total (1)hk, hj = Los espesores de las capas de vidriohm,k, hm,j = Las distancias del plano medio de las capas de vidrio k , j, respectivamente, desde el plano medio del vidrio laminadohef,σ,j = El espesor efectivo para calcular la tensión del número de capas de vidrio jhef,w = El espesor efectivo para calcular la deflexión por flexión

Según prEN 16612 (2017), el coeficiente de corte ω se define para la capa intermedia. Como se mencionó anteriormente, la capa intermedia de EVA no se ha analizado en la norma, por esta razón se puede definir como "Familia 1", donde ω toma valores de 0 a 0,3. El cálculo se realizó con el valor 0,3 según sugerencias de Hána et al. (2018). Se supone que las capas intermedias SaflexDG41 y SentryGlas® ionoplast están en la "Familia 2" y ω - 0,7, la capa intermedia PVB Sound 0,76 es la "Familia 0" y ω - 0. Se supone que todas las demás capas intermedias de PVB están en la "Familia 1" (PVB estándar ) y ω - 0,3.

Se probaron muestras de vidrio laminado en flexión de 4 puntos donde la tensión de falla se calculó con la Ecuación 3:

donde, a - distancia entre la carga y el punto de apoyo, F-fuerza máxima, b-ancho de la muestra, hef,σ,j - el espesor efectivo del laminado para los cálculos de la tensión de flexión.

La deflexión máxima se calcula según la Ecuación 4:

donde, E-Módulo elástico del vidrio (70 GPa), I- momento de inercia (calculado según la Ecuación 5), l1 – distancia entre apoyos:

Configuración de prueba

Se han probado muestras de vidrio laminado en flexión de 4 puntos en el laboratorio de la Facultad de Ingeniería LTH de la Universidad de Lund en Suecia. En los ensayos se utilizó una máquina de tracción uniaxial con capacidad de 100 kN. La distancia entre los soportes y los puntos de carga se asumió constante para todas las muestras (Fig. 4). Las muestras se cargaron con una velocidad de desplazamiento constante de 6 mm/min hasta que fallaron todas las capas de vidrio. Esta tasa de desplazamiento se eligió para lograr una tasa de tensión constante dentro del tramo de carga de aproximadamente 2 MPa/s. Al examinar la literatura en busca de otros experimentos sobre vidrio utilizando la configuración de flexión de cuatro puntos, se descubrió que la tasa de tensión de aproximadamente 2 MPa/s fue la más comúnmente elegida (Kinsella, 2018); además, una tasa de tensión de 2 +/- Se recomienda 0,4 MPa/s en la configuración estandarizada según EN 1288-3:2000. A lo largo de las pruebas se han registrado la carga y el desplazamiento de la cruceta.

Como las muestras se fabricaron utilizando capas intermedias termoplásticas, se prestó especial atención al control del clima en la sala de pruebas. Las pruebas se llevaron a cabo a 25 ± 1°C con una humedad relativa de 44 ± 1%. Las mediciones se recogieron durante las pruebas y se calcularon como un valor medio.

Para una medición precisa de la deformación longitudinal en vidrio en una región de alta tensión, se adhirieron galgas extensométricas LY 11-10/120 (Fig. 5) al vidrio en el lado de tensión y compresión en el centro de la muestra.

Especimenes de prueba

Las dimensiones de la muestra de vidrio laminado fueron 500 mm x 100 mm, los valores del espesor promedio de la muestra y el número de pruebas se muestran en la Tabla 1.

Todas las muestras de vidrio laminado fueron fabricadas a partir de vidrio sodocálcico recocido y cortadas industrialmente en máquinas cortadoras y con bordes pulidos. Las muestras de vidrio laminado se prepararon según el proceso de producción de capas intermedias.

Tabla 1: Descripción general de las muestras de prueba

Esta sección resume los resultados experimentales y numéricos. En los párrafos siguientes, los resultados de las pruebas de muestras, el FEA y los resultados analíticos se analizan por separado, incluidas las mediciones obtenidas con galgas extensométricas. Para una mejor comprensión, las muestras con marcas adicionales 4G y 6G se refieren al número de láminas de vidrio de la muestra.

Observación de la fase “post-rotura”

Durante los experimentos, se observaron dos tipos de fallas en las muestras de vidrio laminado (Fig. 6).

Con el primer tipo, ambos vidrios colapsan simultáneamente bajo la carga como un vidrio monolítico y la curva es lineal con un pico de carga máximo (Fig. 6 curva A). Con el segundo tipo, primero se colapsa el lado de tracción del vidrio, pero el panel del lado de compresión aún puede soportar la carga y en el gráfico se pueden ver dos picos de carga máxima o más (Fig. 6 curva B). En este caso se puede observar un estado denominado “post-rotura” que también se describe en Delincé et al. (2008). El estado posterior a la rotura del vidrio laminado se define como el estado en el que una o más láminas de vidrio están agrietadas y los trozos de vidrio rotos todavía están adheridos a la capa intermedia. Delincé et al. (2008) Los fenómenos posteriores a la rotura deben analizarse especialmente para estructuras que soportan carga, debido a la capacidad del laminado para mantener la integridad y soportar las cargas después del colapso. Hay varios factores que afectan el comportamiento posterior a la rotura del laminado, por ejemplo, el tamaño de los fragmentos de vidrio después de la rotura, las propiedades de las capas intermedias, la duración de la carga, la adhesión entre las capas intermedias y la superficie del vidrio, etc.

En este trabajo de investigación, los resultados de la fase de “post-rotura” del vidrio laminado no se discuten; sin embargo, la Tabla 4 muestra que para el 55% de todas las muestras se observa esta fase. Para cálculos analíticos adicionales, se utilizan los valores de fuerza máxima (Fmax) y el desplazamiento correspondiente (Dmax) (Fig. 6).

Mediciones de galgas extensométricas

Se pegaron galgas extensométricas en las superficies de vidrio superior e inferior de la muestra para determinar la deformación longitudinal máxima en el vidrio en el momento de la falla. En general, el módulo de Young del vidrio se asumió como Eglass = 70 GPa (EN 572-1, 2017; Pfaender, 1996) lo que permite, según la Ley de Hooke, calcular la tensión máxima de flexión en láminas de vidrio. Los resultados de tensión normal máxima obtenidos de las mediciones de galgas extensométricas, el análisis FE y los resultados calculados analíticamente se presentan en la Tabla 3.

Tabla 2: Comparación de mediciones de galgas extensométricas y resultados de FEA

Tabla 3: Valor promedio de fuerza de falla, desplazamiento, tensión de falla, resultados de FEA, resultados analíticos y desviaciones estándar para todas las muestras de la serie

Las mediciones de deformación se instrumentan para proporcionar datos que se puedan comparar con los resultados del análisis de elementos finitos (FEA) y para validar el modelo FE. La diferencia porcentual entre las mediciones de galgas extensométricas en la placa inferior y los análisis de EF es del 0 al 4 %. Una excepción son las muestras con capa intermedia Trosifol BG15 y Saflex RB47, en las que la tensión en la capa de vidrio inferior es un 9% y un 25% mayor, respectivamente, que en la capa superior. Sin embargo, el enfoque analítico da resultados con una dispersión mayor, para laminados de dos capas entre 5-54% y para laminados de vidrio de seis entre 66% y 81%. Esta disparidad se explica por el coeficiente de transferencia de corte ω implementado, que es demasiado general y conservador; por otro lado, también sirve como factor de seguridad en los cálculos de ingeniería.

De los resultados de las pruebas se puede concluir que cuanto más rígida es la capa intermedia, más se comporta la placa como una estructura monolítica y la diferencia entre las mediciones de deformación superior e inferior es menor.

Muestras de capas intermedias de PVB

La Tabla 3 presenta una variedad de estadísticas que incluyen la fuerza de falla promedio para todas las muestras analizadas con capa intermedia de PVB e Ionoplast. La Figura 7 compara las curvas de fuerza-desplazamiento medidas experimentalmente para dos laminados de vidrio donde el espesor del vidrio es de 6 mm y el espesor de la capa intermedia de PVB es de 0,76 mm y el espesor de Ionoplast es de 0,89 mm.

Se observa una estrecha concordancia en los resultados de la Figura 7 entre las muestras con PVB Saflex DG41 y la capa intermedia SentryGlas® Ionoplast. La fuerza de falla promedio más alta (Tabla 3) se registró para SentryGlas Ionoplast: 1929,6 N (SD 568,2) y Saflex DG41: 1851,6 N (SD 61,3), donde el desplazamiento promedio correspondiente fue de 3,0 mm (SD 0,85) y 3,2 mm (SD 0,05). . En comparación con las muestras con Saflex DG41 y SentryGlas®, los desplazamientos promedio son un 50 % más bajos para las capas intermedias Trosifol BG15, Saflex RB47 y Vanceva 9, Saflex RB71 y Saflex QS41. La disparidad entre los resultados puede explicarse por las propiedades de las capas intermedias; por ejemplo, la capa intermedia de PVB Saflex DG41 (ECC, 2015) y SentryGlas® Ionoplast (Kuraray GmbH, sin fecha) es 100 veces más rígida que los materiales laminados convencionales a la misma temperatura y duración de carga.

La carga más baja en el momento de la falla se encontró en muestras con capa intermedia Saflex QS41: 997 N con SD 214,4. Las muestras con BG15, RB47Vanceva9 y RB71 tienen resultados iguales (Tabla 3).

La Figura 8 y la Tabla 3 representan resultados experimentales de dos laminados de vidrio, donde se utilizó vidrio de 5 mm. Las muestras con capa intermedia de PVB Clear y PVB - DG41 sostuvieron una fuerza promedio más alta, respectivamente, 978,4 N (SD 23,9) y 938,6 N. Debe mencionarse que en este caso solo hay dos observaciones por muestra de datos disponibles, lo que limita la significación estadística. sin embargo, se proporciona una estimación aproximada del comportamiento mecánico bajo carga de flexión.

La Figura 9 ilustra los resultados de laminados de vidrio de 6 capas con capa intermedia transparente de PVB. La fuerza de falla promedio se determinó como 4079,7 N (SD 786,5) y el desplazamiento correspondiente fue de 6,7 mm (SD 0,9). La figura también muestra que la pendiente de la curva de desplazamiento forzado no es lineal, lo que significa que las propiedades viscoelásticas de la capa intermedia afectan los resultados.

Muestras de capas intermedias de EVA

La Figura 10 presenta los resultados de las pruebas para dos muestras de laminados de vidrio con capa intermedia de EVA. El espesor de la capa intermedia es de 0,38 mm, excepto para muestras con película EVA Visual de 0,76 mm donde el espesor nominal es de 0,76 mm.

La Figura 10 y la Tabla 3 muestran que existe una diferencia significativa entre los resultados de las pruebas y el tipo de capa intermedia afecta los resultados de fuerza y ​​desplazamiento. Esto puede explicarse por el pequeño número de ejemplares que no permiten un análisis estadístico completo. Sin embargo, una disparidad entre los resultados también confirma la hipótesis de que cada tipo de capa intermedia de EVA tiene propiedades únicas y debe evaluarse para futuras investigaciones.

La fuerza de falla más baja se observa para muestras con capa intermedia de EVA - 80/120 - 767 N y 609 N. Una diferencia significativa se muestra en dos series de muestras EVA - Crystal y EVA - Green donde los resultados son 746 N, 1098 N y 1375 N, 854 N, respectivamente.

Los resultados de las pruebas (Fig. 11) de 4 y 6 laminados de vidrio ilustran un comportamiento más complejo bajo carga de flexión. Las curvas con líneas discontinuas representan 4 placas de vidrio con capa intermedia de EVA - Azul, pero las líneas continuas representan 6 laminados de vidrio con capa intermedia de EVA-Visual y EVA-Crystal.

De los resultados presentados en la Fig. 11 y la Tabla 3 se puede concluir que las curvas, en comparación con las muestras con dos capas de vidrio (Fig. 10), no muestran una linealidad perfecta. Esta curvatura puede explicarse por el efecto de la capa intermedia y su comportamiento mecánico durante el proceso de carga. La fuerza máxima es al menos 3 veces mayor, pero el desplazamiento conserva los mismos valores.

Una de las principales preguntas de la ingeniería del vidrio es "¿cuál es la mejor capa intermedia para una aplicación específica?" Para describir y evaluar la capacidad del vidrio laminado con diferentes capas intermedias de resistencia a la deformación en la zona elástica, todos los resultados de las pruebas de las muestras se presentaron en un gráfico. En la Fig. 12, la fuerza de falla se representa gráficamente frente al desplazamiento correspondiente medido para todas las muestras.

Se deben tener en cuenta algunas limitaciones de esta investigación. En primer lugar, las pruebas se realizaron en condiciones de laboratorio. Como se mencionó anteriormente, el comportamiento mecánico de las capas intermedias afecta la temperatura, por esta razón, para estructuras que se enfrentan a condiciones exteriores; Los cálculos estáticos deben realizarse con propiedades para esas condiciones. En segundo lugar, es difícil explicar tales resultados basándose en la información completa de las propiedades de las capas intermedias de EVA. Una investigación más profunda requiere un ciclo de prueba completo para determinar el valor ω exacto para todos los tipos de EVA.

Sin embargo, los resultados en la Fig. 12 resaltan que las muestras con capa intermedia de EVA son competitivas y dan resultados de desplazamiento dos veces menores que las muestras con capas intermedias de PVB estándar, excepto para las "capas intermedias rígidas" (Saflex DG41 y SentryGlas®). Además, los datos muestran una dispersión entre los resultados de una capa intermedia. Aunque la diferencia es pequeña, puede tener un impacto significativo en los cálculos estructurales.

La resistencia del material de vidrio es de naturaleza estocástica y depende de la existencia de microfisuras en la superficie. La resistencia se rige por los defectos que aumentan la tensión y limitan la resistencia práctica a unos 20-140 MPa para el vidrio recocido (Regan, 2014). La fractura del material de vidrio, la ramificación de grietas, la extensión de la fractura y el origen de la falla son fenómenos que no se explican ni se pueden predecir de manera inequívoca. Una de las ventajas del vidrio laminado es la posibilidad de evaluar el patrón de fractura del material después de una falla. Varios autores intentaron predecir y analizar el proceso de fractura del vidrio. Veer y Rodichev (2012), se analiza el patrón de fractura en vidrio cortado con chorro de agua. Los patrones de fractura se dividen en cuatro categorías; sin embargo, cabe señalar que, según las investigaciones realizadas en vidrio con borde pulido, generalmente sólo se observan dos tipos de patrones de fractura: fracturas centrales y fracturas en V.

La Tabla 4 presenta imágenes con el patrón de falla del material de vidrio y la ubicación de la fractura determinada y la relación entre el área dañada y el área total de la placa de muestra. Para la comprensión de la Tabla 4 se han introducido abreviaturas. El título “ubicación de la fractura” describe tres tipos de ubicación donde se han observado grietas: en la mitad de la muestra (M) y en alguna parte del claro (1/3L, 2/3L), donde L es la longitud total de la viga. Las mediciones se realizaron desde el borde exterior de la muestra. “Área de fractura” describe la posición del área de fractura, ubicada entre puntos de carga (BLP) o directamente debajo del rodillo de carga (LP). En el caso del ensayo de flexión de 4 puntos, el momento de flexión máximo se alcanza entre los puntos de carga. Se evaluó el “Área de grietas” para determinar el área de material dañado por la carga. Se calcula un parámetro correspondiente a la relación entre la grieta y la superficie total. Después de la prueba, todas las muestras fueron examinadas visualmente y se midieron las dimensiones máximas del área de la grieta; además, los resultados se expresaron como porcentaje. En el apartado “tipo de fractura” se enumera el tipo de origen de la falla, ya sea fractura de borde o de superficie.

Como se mencionó anteriormente, (Veer y Rodichev, 2012) describieron dos tipos de fractura. En este trabajo de investigación, la grieta central está definida por una grieta superficial (Fig. 13 a) y la grieta en V por una falla en el borde (Fig. 13 b).

En el caso de una falla en el borde, se produce una grieta tipo “V” después de la rotura del vidrio y se extiende desde un punto del borde de la hoja. El segundo tipo es la falla superficial con la grieta que comienza en la superficie del vidrio cuando el vidrio se rompe.

La Tabla 5 brinda información sobre las proporciones de fallas de todas las muestras analizadas. El primer paso en el análisis de rotura es determinar el origen o ubicación donde ocurrió la rotura. En este caso, la proporción de ubicación de la fractura muestra que en las capas inferiores el 42% de las grietas comenzaron en el medio de la muestra, pero en las capas superiores el 66% comenzaron debajo de los puntos de carga. Este gran porcentaje puede explicarse por la interacción de los rodillos de vidrio y metal. Según (EN 1288-3, 2016), se deben insertar láminas de goma entre la muestra de vidrio y el metal; sin embargo, para muestras a escala real (360×1100 mm), la goma no afecta el resultado, pero para muestras más pequeñas y delgadas sí. puede cambiar la curva fuerza-desplazamiento.

Tabla 4: Modo de falla de muestras y patrones de fractura

Tabla 5: Estadísticas de ubicación de fracturas

La proporción de fallas en los bordes muestra que el 59% de las roturas laterales por tracción se debieron a fallas en los bordes, pero para las capas superiores fue del 80%. Estudios previos confirman que el material de vidrio se rompe de manera impredecible; además, este resultado coincide con Veer y Rodichev (2012; 2011).

La relación del área de la grieta muestra que bajo carga de flexión se daña entre el 10 y el 30% de toda la muestra. Este número es importante para la evaluación de la propagación de grietas y para determinar qué tan grande es la influencia que tiene la capa intermedia en este proceso. De la Tabla 4 se puede concluir que el "área de grieta" no depende del tipo de capa intermedia. Todas las series de muestras presentan una alta dispersión de resultados y una repetibilidad mínima.

Una de las observaciones más interesantes es la falla del vidrio por corte (muestras con capa intermedia Saflex_1.52_RB71) o separación de láminas. Los trozos de vidrio se separaron capa por capa, lo que no es un tipo de falla típico. Este tipo de falla se puede explicar asumiendo que la superficie del vidrio tenía una excelente adhesión con la capa intermedia y bajo la carga, el material de vidrio no podía soportar la alta resistencia de la unión adhesiva.

El presente trabajo de investigación muestra estudios experimentales, analíticos y numéricos sobre dos, cuatro y seis laminados de vidrio con intercapas de EVA y PVB; Se analizaron un total de 66 muestras.

Para una medición precisa de la deformación longitudinal en vidrio a altos niveles de tensión, las galgas extensométricas se pegaron al vidrio en el lado de tensión y compresión en el centro de la muestra. Se modelaron ensayos de flexión en cuatro puntos de vidrio laminado en el software ABAQUS/CAE. Con los modelos fue posible predecir la fuerza y ​​los desplazamientos máximos en los ensayos y evaluar los esfuerzos de flexión. Todos los modelos FE fueron validados mediante datos de prueba.

Los resultados de desplazamiento calculado analítico son al menos entre un 10% y un 58% más altos en comparación con los resultados de las pruebas y análisis FE. Según las investigaciones actuales, se puede llegar a la conclusión de que utilizando el método de elementos finitos es posible simular con precisión el comportamiento mecánico en flexión de 4 puntos con una correlación de resultados muy alta con diferencias inferiores al 5%. Estos errores del 5% pueden explicarse por el comportamiento variable entre capas, que depende de la temperatura y la duración de la carga.

Los resultados obtenidos en los experimentos confirman que el EVA se puede tratar en el modelado aproximadamente de la misma manera que el PVB. Debe mencionarse que las conclusiones se mantienen en condiciones de laboratorio y es necesario realizar más investigaciones para verificar la afirmación para rangos de temperatura y ambientes fuera de las condiciones de laboratorio.

Los resultados de las pruebas de laminados multicapa y el 55% de dos laminados de vidrio permiten evaluar los fenómenos llamados de “post-rotura”. Las muestras mostraron el mismo comportamiento: primero se colapsó el vidrio inferior (lado de tensión) y luego otras capas de vidrio.

Una investigación del patrón de fractura del vidrio confirma que no parece haber preferencia por que las fallas en los bordes ocurran en el lado izquierdo o derecho de las vigas. Esto indica que la configuración de la prueba fue adecuada y que la carga de las muestras se produjo sin una inclinación significativa que, de otro modo, probablemente promovería roturas ya sea del lado izquierdo o derecho. Más de la mitad de los fallos se originaron en el filo. Además, más de la mitad de las fallas ocurrieron fuera del tramo de carga, lo que enfatiza el hecho de que la fractura del vidrio es de naturaleza estocástica y difícil de predecir. La relación entre el área agrietada y la superficie de la muestra no depende del tipo de capa intermedia.

Esta investigación fue apoyada por el programa Erasmus+. Los autores expresan su agradecimiento a la empresa PRESS GLASS SA y a RI.SE por proporcionar los ejemplares.

Liene Sable:Realicé pruebas, evalué los resultados, analicé e interpreté los resultados, contribuí en la redacción del artículo.

David Kinsella:Contribuyó en el análisis e interpretación de los resultados, contribuyó en la redacción del artículo.

Marcin Kozłowski:Realicé pruebas y contribuí en la redacción del artículo, revisé el artículo.

Todos los autores han participado personal y activamente en el trabajo sustancial que condujo al manuscrito. Los autores declaran que no existen conflictos de intereses.

ASTM 1300, 2010. Práctica estándar para determinar la resistencia a la carga del vidrio en edificios. Norma Internacional ASTM. Castori, G. y E. Speranzini, 2017. Análisis estructural del comportamiento de falla del vidrio laminado. Compuestos Parte B: Eng., 125: 89-99. DOI: 10.1016/J.COMPOSITESB.2017.05.062Czanderna, AW y FJ Pern, 1996. Encapsulación de módulos fotovoltaicos utilizando copolímero de etileno y acetato de vinilo como potenciador: una revisión crítica. Materia de Energía Solar. Células solares, 43: 101-181. DOI: 0.1016/0927-0248(95)00150-6Delincé, D., D. Callewaert, J. Belis y R. Van Impe, 2008. Comportamiento post-rotura del vidrio laminado en aplicaciones estructurales. Vidrio desafiante, 3: 459-467. Eastman Chemical Company. (Dakota del Norte). Datos técnicos del producto Vanceva ® Polyvinyl Butyral Interlayer.ECC, 2015. Condiciones de almacenamiento del centro de aplicaciones técnicas arquitectónicas: Saflex ® DG Propiedades mecánicas y físicas. 1–5. Compañía química Eastman. Eekhout, M. y W. Sluis, 2014. Hueco de ascensor de vidrio para Mauritshuis-La Haya. En: Challenging Glass 4 y COST Action TU0905 Final Conference, Louter, BB y Lebet (Eds.), CRC Press, ISBN-10: 1138001643, págs: 123-588. El Amrani, A., A. Mahrane, FY Moussa y Y. Boukennous, 2007. Fabricación de módulos solares. En t. J. Fotoenergía, 2007: 1-5. DOI: 10.1155/2007/27610EN 1288-3, 2016. Vidrio en la construcción. Determinación de la resistencia a la flexión del vidrio. Parte 3. Ensayo con probeta apoyada en dos puntos (flexión en cuatro puntos). EN 572-1, 2017. Vidrio en la construcción. - Productos básicos de vidrio de silicato sodocálcico - Parte 1. Definiciones Propiedades físico-mecánicas generales. Galuppi, L. y G. Royer-Carfagni, 2012. El espesor efectivo de las placas de vidrio laminado. J. Mater de Mecánica. Estructuras, 7: 375-400. DOI: 10.2140/JOMMS.2012.7.375Galuppi, L. y G. Royer-Carfagni, 2013. El espesor efectivo del vidrio laminado: inconsistencia de la formulación en una propuesta de normas EN. Compuestos Parte B: Eng., 55: 109-118. DOI: 10.1016/J.COMPOSITESB.2013.05.025Grohmann, M., 2014. Transparencia. Actas de la conferencia final Challenging Glass 4 y COST Action TU0905, (TFC' 14). Hána, T., M. Eliášová y Z. Sokol, 2018. Rendimiento estructural de paneles de vidrio laminado doble con capa intermedia de EVA y PVB en cuatro puntos ensayos de flexión. En t. J. Vidrio estructural Adv. Madre. Res., 2: 164-177.DOI: 10.3844/SGAMRSP.2018.164.177Hibbit, D., B. Karlsson y P. Sorensen, 2001. Manual del usuario de ABAQUS/CAE. Ver. 6.10.1. ABAQUS Inc. Kinsella, D., 2018. Estudio de datos experimentales sobre la resistencia de paneles de vidrio flotado recocido en el estado de recepción probados en una atmósfera ambiental. Informe técnico TVSM-7166. División de Mecánica Estructural, Universidad de Lund. Kuraray GmbH, (nd) 2019. Propiedades físicas de sentryglas ® y butacite®. Kuraray GmbH. (Dakota del Norte). Trosifol® TROSIFOLTM – Mundo de las capas intermedias. Lamon, J., 2016. Fractura frágil y daño de materiales y compuestos frágiles. 1.ª ed., Elsevier Science, ISBN-10: 008101161X, págs: 296. Pankhardt, K., 2008. Investigación sobre la capacidad de carga de los paneles de vidrio. Periodica Polytechnica Civil Eng., 52: 73-82. DOI: 10.3311/PP.CI.2008-2.03Pfaender, HG, 1996. Guía Schott del vidrio. 2.ª ed., Springer Science and Business Media, ISBN-10: 9401105170, págs: 224.prEN 16612, 2017. Vidrio en la construcción: determinación de la resistencia a la carga lateral de los paneles de vidrio mediante cálculo.prEN16613, 2017. Vidrio en la construcción: laminado Vidrio y vidrio de seguridad laminado: Determinación de las propiedades mecánicas de las capas intermedias. Raynaud, J., 2014. Pieles de vidrio lisas y de forma libre. En: Challenging Glass 4 y COST Action TU0905 Final Conference, Belis, LB y Lebet (Eds.), ISBN-10: 978-1-138-00164-0, págs: 57-65.Regan, CO, 2014. Uso estructural de Vidrio en Edificios. 1.ª Edn., Institution of Structural Engineers, ISBN10: 1874266514, pp: 168.Sandén, B., 2015. ¿Qué capa intermedia para qué aplicación de acristalamiento? Glass Performance Days, 5: 153-155. Santarsiero, M., C. Louter y A. Nussbaumer, 2016. El comportamiento mecánico de los materiales a granel de ionómero SentryGlas® y silicio TSSA a diferentes temperaturas y velocidades de deformación bajo un estado de tensión de tracción uniaxial. Ingeniería de estructuras de vidrio, 1: 395-415. DOI: 10.1007/S40940-016-0018-1Serafinavičius, T., JP Lebet, C. Louter, T. Lenkimas y A. Kuranovas, 2013. Prueba de flexión de cuatro puntos de vidrio laminado a largo plazo con capas intermedias de PVB, EVA y SG en diferentes temperaturas. Procedia Eng., 57: 996-1004. DOI: 10.1016/J.PROENG.2013.04.126Veer, FA y YM Rodichev, 2012. La resistencia del vidrio cortado con chorro de agua. Performa de vidrio. Days, 20: 434-438.Veer, FA y YM Rodichev, 2011. La resistencia estructural del vidrio: daños ocultos. Fuerza Mater., 43: 302-315. DOI: 10.1007/S11223-011-9298-5Weller, B., J. Wünsch y K. Härth, 2005. Estudio experimental sobre diferentes materiales entre capas para vidrio laminado. Proceso de vidrio. Días, 5: 120-123.