Warunki pękania i zniszczenia szkła.pdf

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Wydział Budownictwa,

Architektury i Inżynierii

Środowiska

Zakład Komputerowego Wspomagania

Projektowania

Dobrosława Jaśkowska

Warunki pękania

i zniszczenia szkła

Praca magisterska napisana pod kierunkiem

prof. dr. hab. inż. Tomasza Łodygowskiego

i dr. inż. Witolda Kąkola

POZNAŃ 2006

SPIS TREŚCI

WSTĘP.......................................................................................1

OZNACZENIA...............................................................................3

PODSTAWA, CEL I ZAKRES PRACY........................................................5

1.WIADOMOŚCI OGÓLNE..................................................................7

1.1.Definicja szkła.............................................................................7

1.2.Od biżuterii do materiału konstrukcyjnego – historia szkła (na podstawie: [7,

11, 12])..........................................................................................7

1.3.Rodzaje szkła stosowane w budownictwie ..........................................11

2.TECHNOLOGIA SZKŁA.................................................................13

2.1.Podstawowe składniki używane w produkcji szkła i ich wpływ na właściwości

szkła (na podstawie:[7]).....................................................................13

2.2.Współczesne metody wytwarzania szkła stosowanego w budownictwie .......14

2.2.1. Wytwarzanie szkła float (na podstawie: [20, 22])...........................14

2.2.2. Wytwarzanie szkła laminowanego (na podstawie: [18])....................17

2.3.Procesy obróbki elementów szklanych stosowanych w budownictwie...........18

2.3.1. Obróbka krawędzi (na podstawie: [10, 14, 15])..............................18

2.3.1.1. Stępianie krawędzi..........................................................18

2.3.1.2. Szlifowanie...................................................................18

2.3.2. Hartowanie szkła (na podstawie: [6, 7, 9])...................................20

2.3.2.1. Hartowanie termiczne......................................................20

2.3.2.2. Hartowanie chemiczne.....................................................22

2.3.2.3. Pośredni sposób hartowania...............................................23

3.BUDOWA SZKŁA (na podstawie: [6, 9]).............................................24

3.1.Budowa szkła w skali atomowej.......................................................24

3.2.Budowa szkła w skali mikroskopowej.................................................27

3.3.Budowa szkła w skali makroskopowej................................................28

4.WŁASNOŚCI SZKŁA.....................................................................29

4.1.Własności fizyczne (na podstawie: [7, 12])..........................................29

4.2.Właściwości chemiczne.................................................................31

4.2.1.Korozja spowodowana działaniem kwasów....................................31

4.2.2.Korozja spowodowana działaniem zasad.......................................31

4.2.3.Korozja spowodowana działaniem wody (na podstawie: [8])...............31

4.3.Mechaniczne właściwości szkła........................................................32

Warunki pękania i zniszczenia szkła

Dobrosława Jaśkowska

SPIS TREŚCI

5.KRYTERIA ZNISZCZENIA SZKŁA ......................................................35

5.1.Warunki zniszczenia szkła w świetle hipotez wytrzymałościowych

sformułowanych dla materiałów kruchych................................................35

5.1.1.Kryterium największego naprężenia rozciągającego ........................35

5.1.2.Kryterium największego odkształcenia.........................................35

5.1.3.Hipoteza Coulomba-Mohra.......................................................36

5.1.4.Zawodność konwencjonalnych metod projektowania........................37

5.2.Warunki pękania materiałów kruchych w ujęciu mechaniki pękania............38

5.2.1.Pionierskie badania z zakresu mechaniki pękania............................38

5.2.1.1.Wzór Inglisa na koncentrację naprężeń w ciele z otworem...........38

5.2.1.2.Badania Griffith'a............................................................39

5.2.2.Kryteria zniszczenia materiałów kruchych ....................................39

5.2.2.1.Kryterium Griffith'a..........................................................39

5.2.2.2.Siłowe kryterium pękania...................................................43

5.2.2.3.Całka Rice'a...................................................................50

6.BADANIA SZKŁA........................................................................53

6.1.Badanie wytrzymałości długotrwałej szkła (na podstawie: [2, 10])..............53

6.2.Badania wpływu wielkości i położenia próbek na wytrzymałość na zginanie

elementów szklanych (na podstawie: [17])...............................................54

6.3.Badania wpływu stanu wykończenia krawędzi na wytrzymałość w próbach

zginania elementów szklanych (na podstawie: [16])....................................57

7.ANALIZA NUMERYCZNA ...............................................................59

7.1.Modelowanie procesów pękania i zniszczenia w ABAQUSIE (na podstawie: [1])

..................................................................................................59

7.1.1.Modelowanie uszkodzenia elementu w postaci rysy..........................59

7.1.2.Tworzenie modelu obliczeniowego .............................................60

7.1.3.Definiowanie pęknięcia...........................................................60

7.1.4.Uzyskanie wartości współczynnika intensywności naprężeń KI i całki J...63

7.1.5.Podział próbki na elementy skończone.........................................63

7.2.Analiza numeryczna próby trójpunktowego zginania szklanego elementu

przeprowadzona w programie ABAQUS....................................................65

7.2.1.Przypadki obliczeniowe...........................................................65

7.2.2.Model szklanego elementu belkowego..........................................66

7.2.3.Właściwości materiału............................................................67

7.2.4.Typ analizy numerycznej.........................................................68

7.2.5.Warunki brzegowe.................................................................68

7.2.6.Obciążenie zewnętrzne...........................................................68

7.2.7.Definiowanie pęknięcia - CRACK................................................69

7.2.8.Podział modelu numerycznego na elementy skończone.....................70

7.2.9.Wyniki analizy......................................................................76

7.2.9.1.Rozkłady naprężeń dla rysy o długości 250 μm..........................76

7.2.9.2.Wartości KI i całki J uzyskane w analizie numerycznej dla rysy o

Warunki pękania i zniszczenia szkła

Dobrosława Jaśkowska

SPIS TREŚCI

długości 250 μm........................................................................78

7.2.9.3.Wartości KI i całki J uzyskane w analizie numerycznej dla rysy o

długości 20 μm.........................................................................83

8.Badania wytrzymałości na zginanie szklanych próbek...........................85

8.1.Opis eksperymentu......................................................................85

8.2.Wyniki badań.............................................................................87

8.3.Wnioski....................................................................................99

PODSUMOWANIE........................................................................100

LITERATURA.............................................................................102

Warunki pękania i zniszczenia szkła

Dobrosława Jaśkowska

WSTĘP

Architekci stawiają przed konstruktorami coraz trudniejsze zadania, projektując

ciekawe, ale zarazem trudne do wykonania budowle o złożonej konstrukcji.

W ostatnich dziesięcioleciach konstruktorzy napotkali kolejne wyzwanie. Jest ono

związane z zastosowaniem szkła jako materiału budującego elementy nośne. Szkło

znane ludziom od wielu stuleci przez długi okres stanowiło jedynie element okien. Od

lat 60-tych ubiegłego wieku tafle szklane są pokryciem całych fasad wieżowców,

a w ostatnich latach szklane belki i słupy zostały włączone w proces przenoszenia nie

tylko ciężaru własnego, ale i obciążeń od innych elementów konstrukcji budynku.

Szklane żebra stanowiące element konstrukcji fasady budynku

(źródło: [13])

Szkalna kolumna podpierająca konstrukcję

dachu biur w Saint-Germain-en-Laye

(źródło: [11])

Szklany łącznik między budynkami

w Rotterdamie

(źródło: [11])

Warunki pękania i zniszczenia szkła

Dobrosława Jaśkowska

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: