Зависимое от скорости разрушения монолитного и многослойного стекла: эксперименты и моделирование

Дата: 23 ноября 2022 г.

Авторы: Каролин Оснес, Одд Стуре Хопперстад и Торе Бёрвик

Источник: Инженерные конструкции, Том 212, 1 июня 2020 г. | https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110516

Стекло — хрупкий материал, который, как известно, обладает большим разбросом прочности на излом, что обусловлено наличием микроскопических поверхностных дефектов. Разрушение стекла обычно возникает из-за концентрации напряжений вокруг этих дефектов, из-за чего прочность на излом зависит от свойств дефектов и напряженного состояния на поверхности стекла. Сообщается также, что прочность на излом увеличивается с увеличением скорости нагрузки. Настоящее исследование направлено на определение вероятностной прочности на излом стеклянных пластин, подвергающихся произвольным нагрузкам и скоростям нагрузки, с помощью предложенной модели прогнозирования прочности, зависящей от скорости (SPM).

СЗМ основан на существовании микроскопических поверхностных дефектов и проводит виртуальные эксперименты на стеклянных пластинах посредством моделирования Монте-Карло. Чтобы в какой-то мере проверить СЗМ, мы провели квазистатические испытания на удар и испытания на удар с низкой скоростью монолитного и многослойного стекла. Экспериментальная работа ясно продемонстрировала стохастическую прочность стекла на разрушение в дополнение к зависимости от скорости нагрузки. СЗМ удалось уловить многие тенденции, наблюдаемые в экспериментах, такие как увеличение прочности на разрушение в зависимости от скорости нагрузки и положения начала разрушения в стекле.

За последние несколько десятилетий использование стекла в зданиях значительно возросло. Традиционно стекло использовалось только в качестве оконного компонента внутри несущей рамы, но в современных проектах стекло часто используется для несущих элементов, таких как крыши, балки, колонны и полы [1], [2] . Это развитие поставило новые задачи в процесс проектирования конструкций и требует лучшего понимания несущей способности стекла. Кроме того, если конструкция должна выдерживать экстремальные нагрузки, такие как взрывная волна или удар, характер разрушения стекла, зависящий от скорости, еще больше усложнит процесс проектирования. Ламинированное стекло часто используется вместо монолитного стекла, когда требуется дополнительная мощность и безопасность. Многослойное стекло состоит из двух или более стеклянных пластин, соединенных между собой полимерным промежуточным слоем, и способно сохранять некоторую структурную целостность даже после разрушения стекла [3], [4], [5].

Стекло является хрупким материалом, который, как известно, обладает весьма стохастическим характером разрушения, вызванным наличием микроскопических поверхностных дефектов [6]. Разрушение обычно начинается в этих дефектах под действием растягивающей нагрузки, поэтому прочность стекла на разрушение зависит от свойств дефектов и приложенных напряжений. В результате вероятность разрушения стекла зависит от геометрии, граничных условий и истории нагружения. Разрушение стекла возникает в результате усиления напряжений вокруг поверхностных дефектов, что приводит к нестабильному росту дефектов [7].

Однако исследования также показали, что поверхностные дефекты могут медленно и устойчиво расти под действием растягивающих нагрузок, прежде чем произойдет внезапный разрушение. Это явление известно как коррозионное растрескивание под напряжением или статическая усталость и вызвано химической реакцией между стеклом (на вершине дефекта) и водяным паром в окружающей среде [8]. Также известно, что коррозионное растрескивание под напряжением вызывает зависимость прочности стекла на излом от скорости нагрузки и может значительно снизить прочность на излом при длительной нагрузке.

Чарльз [9] предложил феноменологическую модель, которая связывает напряжение разрушения и время разрушения стержней из натриево-кальциево-силикатного стекла под действием квазистатической растягивающей нагрузки, а позже показал, что эта модель может также применяться для динамических нагрузок [10]. В этих испытаниях Чарльз использовал скорость нагрузки до 13 мм/мин. Позже Риттер [11] показал, что модель Чарльза правильно предсказала зависимость прочности на разрушение от скорости для аналогичных испытаний, выполненных со скоростями нагружения до 50 мм/мин. Чандан и др. [12] обнаружили, что соотношение, полученное Чарльзом, может описывать скорость увеличения напряжения разрушения при испытаниях на изгиб со скоростями напряжения в диапазоне от 10⁻¹ МПа/с до 10⁷ МПа/с. Более поздние исследования также продемонстрировали зависимость прочности стекла на излом от скорости нагрузки.