ガラスと繊維からなる複合パネルの材料選択と試験

日付: 2022 年 12 月 22 日

著者: アリーナ・ヨアヒム、ヤン・ヴンシュ、ベルンハルト・ウェラー

ソース：ガラス構造とエンジニアリング6巻、https://doi.org/10.1007/s40940-020-00142-6

現代建築における高品質の建築外皮への傾向は続いています。 エナメルガラスは、その高い表面品質と幅広い色のスペクトルにより、耐候性とデザイン要素として使用されます。 この論文で説明する新しい要素は、繊維強化プラスチック (FRP) 層が背面ガラス表面に直接塗布されているため、シーラントや接着剤を必要としません。 塗布されたポリマーは、一方では繊維を埋め込むためのマトリックスを提供し、他方では、ガラスへの接着結合を提供します。 したがって、追加の接着プロセスは必要ありません。 両方の素材を組み合わせることで、完全な複合アクションが可能になります。 斬新な素材の組み合わせにより、それぞれの素材の良い特性が活かされています。 ガラスの高い耐久性は環境への影響から保護し、FRP は耐荷重性能を強化します。 この論文では、FRP に適した材料の選択について説明し、新しい材料の組み合わせの実験的テストについての洞察を提供します。 これは、ガラスが重大な結合効果によりシステム内の荷重伝達に寄与していることを示しています。

現代建築では、建物の外壁を着実に最適化する傾向が続いています。 ファサードは、デザイン要素としての機能に加えて、建物のエネルギーバランスにも貢献します。 通気性のあるレインスクリーンファサードはその両方を兼ね備えています。断熱材と耐候性を分離しているため、高いエネルギー効率を維持しながら、多彩なデザインオプションが可能です。 ファサードのクラッディングは、木材、天然石または人造石、セラミックまたは金属シート、あるいは不透明なガラスで作ることができます (Reichel and Schultz 2015)。 ガラスが使用される場合、着色エナメルガラスパネルは耐荷重キャリアプレートに取り付けられた非耐荷重カバープレートとして機能し、厚さ数ミリメートルの弾性シーラントで接着されます。

この構造には、ガラスが雨や湿気から最適に保護されるという利点がありますが、弾性シーラントの硬化には数時間かかるため、ガラスパネルと耐荷重キャリアプレートの間の接着プロセスには時間がかかります (Knaack and Koenders 2018) 。 図 1 は、キャリア プレート上にガラス板が接着された、換気されたファサードの典型的な構造を示しています。 キャリアプレートは、局所固定具を使用して金属基礎構造に接続されます。 断熱材は金属基礎構造内に配置されます。 キャリアプレートと断熱材の間には隙間があり、これが垂直方向の空気の流れを可能にし、このシステムの名前の由来となっています。

製造に時間がかかることと、ガラスが耐荷重性のないカバー プレートとしてのみ機能するという事実が、FRP とガラスで作られたハイブリッド ファサード要素のアイデアの理由です。 両方の材料の有益な組み合わせにより、機能的特性と光学的特性が向上します。 FRPは強化繊維とポリマーマトリックスで構成されています。 ポリマーマトリックスは繊維を取り囲み、繊維は接着相互作用によってマトリックスに結合します。 さらに、ポリマーマトリックスはガラス表面への接着剤としても機能します。 ガラスの耐候性によりFRPの耐久性が大幅に向上します。 ファサード要素はガラス板への直接ラミネート加工によって製造されます。 これにより、ガラスとキャリアプレートを接着する時間のかかるプロセスステップが不要になります。 そのため、ガラスは FRP に永久的な型枠を提供します。 マトリックス材料を着色することにより、幅広い色のスペクトルを実現できます。 これにより、色ガラスの使用が不要となり、手間のかかるホーロー加工の工程も省略できます。 デュッセルドルフで開催された GLASSTEC 2018 のビジュアル モックアップでは、多彩なカラー デザインが示されました (図 2a)。

新しい複合パネルによりフロートガラスの使用が可能になりました。 コスト削減に加えて、フロートガラスはガラスと FRP 複合材料の製造後にウォーター ジェット切断の可能性を提供します。 これにより、生産が簡素化されます。 図 2b は、そのような複合要素のサンプルを示しています。 FRP はグレーに着色されており、ここでのエッジは説明したように、その後ウォーター ジェット切断で処理されます。 ファサード建設における FRP の使用は、他のプロジェクトですでに研究されています (Tomasi et al. 2014)。

しかしながら、換気システム用の従来のキャリアプレートの代わりにFRPを使用することは知られていない。 この記事では、これまでに実施されたプロジェクト作業についての洞察を提供し、ガラスと FRP という材料の組み合わせの可能性を示します。 FRP のコンポーネントの選択については、セクション 2 で説明します。 2、セクションにいる間。 3 ガラスとFRPの組み合わせを検討します。 この結果は、セクション 2 でハイブリッド コンポーネントの耐荷重作用を議論するための基礎として使用されます。 3.2.

調査プログラム

材料の選択プロセスでは、ガラスと FRP の適切な価格性能比に焦点を当てました。 したがって、意図した用途に適したものとして、焼きなましたフロート ガラスとガラス繊維が選択されました。 続いて、材料試験によって、適切なポリマーマトリックスと適切な繊維分布が検索されました。

包括的な材料テストは、純粋なマトリックス樹脂、FRP、そして最後に FRP とガラスの組み合わせの 3 段階に分けられました。 マトリックス材料の最終候補リストは、各候補の熱的および機械的挙動を評価する最初の 2 つの段階で有望な組み合わせに絞り込まれました。

最初の段階 (セクション 2.2 を参照) では、6 つのマトリックス材料について、示差走査熱量測定 (DSC) および動的機械分析 (DMA) による熱分析が行われました。 機械的特性は一軸引張試験から得られました。 樹脂テストの終了時点で、選択は 3 つの材料に減りました。 第 2 段階 (セクション 2.3 を参照) では、残りの 3 つのマトリックス材料が、異なる構成で埋め込まれた繊維で強化されました。 一軸試験は (EN ISO 527-1) に従って実施され、FRP の性能を補強材なしの純粋なポリマーと比較しました。

圧縮時の挙動を評価し、熱膨張係数を決定するために、FRP 材料に対してさらなるテストが行​​われました。 最初に、4 つの異なる構成のガラスファイバーがテストされましたが、2 つの追加のファイバー構成が追加されました。 第 2 フェーズの終わりに、1 つの樹脂と 2 つの繊維構成がお気に入りとして決定されました。 第 3 段階 (セクション 3 を参照) では、ガラスと推奨 FRP の組み合わせが 4 点曲げ試験で検査され、残留耐荷重能力が定義されました。

樹脂

FRP の材料特性は、ポリマーマトリックスの選択だけでなく、繊維の種類、量、配向によっても調整できます。 繊維含有量が増加すると、マトリックスは純粋に保護機能と埋め込み機能を担うようになります。 FRP と比較すると、プラスチック マトリックスは密度が低く、剛性と強度も低くなります (Bank 2006)。 FRP はほぼ熱硬化性ポリマーのみで作られています。 粘度が低いため、繊維表面は容易に濡れます。 完全に濡れた繊維の場合、繊維は環境の影響から保護され、一貫した荷重伝達が可能になります (Pritchard 1999)。 熱可塑性プラスチックは低温耐性があるため、樹脂としての使用にはあまり適していません。 周囲温度が高い場合、せん断によるファイバー破損のリスクが増加します。

さらに、熱可塑性プラスチックはクリープする傾向が増加します。 熱硬化性樹脂も豊富に取り揃えております。 樹脂としては、エポキシ樹脂（ＥＰ）、不飽和ポリエステル（ＵＰ）、ビニルエステル（ＶＥ）を使用することが好ましい。 3 つはいずれも異なる利点を提供します。 不飽和ポリエステルは価格性能比が非常に優れており、多用途に使用できます。 ビニルエステルは、振動や衝撃応力を受ける部品に適しています。 エポキシ樹脂は耐久性に優れ、接着性が良く、収縮率が低いのが特徴です。 価格が高いため、ほとんど高応力コンポーネントのみに使用されています。

3 種類の異なるエポキシ樹脂、2 種類の不飽和ポリエステル、および 1 種類のビニルエステルを試験しました。 マトリックス材料の商品名は、機密保持契約のため、この出版物には記載されていません。 一般的な概要として、表 1 にメーカーの仕様に従ってマトリックス材料の基本特性を示します。 メーカーによっては、技術データシートに記載されている情報の品質が大きく異なったり、情報が欠落している場合もあります ([-] でマークされています)。

表 1 メーカー別の材料特性 -フルサイズのテーブル

硬化状態はDSC分析により評価した。 試験は (DIN EN 11357) に従って実施されました。 テストでは、マトリックス材料を 80 °C まで 2 時間加熱すると完全な硬化が達成されることがわかりました。 将来のすべての試験片はこれに基づいて製造されました。 DSC 分析の結果は材料の選択には寄与しないため、この文書ではこれ以上詳しく説明しません。

DMA テスト

樹脂を選択できるようにするために、広範な実験テストが実施されました。 熱機械的挙動は、DMA を使用して調べることができます。 試験装置を図 3a に示します。 試験片には、さまざまな周波数の交流荷重が加えられました。 ガラス転移温度の定義に加えて、材料挙動の時間依存性を周波数変化によって特徴付けることができ、粘弾性特性値を広い周波数範囲で決定することができます。 ガラス転移温度は、有機プラスチックがガラス状態から柔軟なゴム状状態に移行する温度です。 この目的のために、硬化した樹脂の小片を引張モードでテストしました。

(EN ISO 6721-1) によれば、周波数範囲をテストするには少なくとも 3 つの試験片が必要です。 材料特性の一般的な配向を達成するために、最初に 1 つの試験片に引張荷重下で 1 Hz の測定を行いました。 この目的のために、試験片は 2 K/min の速度で -60 °C から +120 °C まで加熱されました。 評価は−25℃〜＋110℃の範囲で実施しました。 さらに、3 つの試験片を引張応力下で多周波測定しました。 測定値は、硬化挙動を特徴づけ、周波数の関数としてのガラス転移温度の変位を推定するために使用されました。 0.01 Hz、0.1 Hz、1 Hz、10 Hz、および 100 Hz の周波数を、1 K/min で -33 °C から +100 °C まで上昇する温度でテストしました。

ガラス転移温度範囲を定義するために、その初期 (下限) および最終 (上限) の温度値が決定されました。 ガラス転移温度範囲の開始点の温度は、貯蔵弾性率の曲線に 2 つの接線を適用することによって決定されました。 理想的には、1 つの接線はガラス転移の下の直線曲線にあり、もう 1 つは急な斜面の転換点にあります。 この交点をガラス転移の初期温度Ｔｇ０として定義した。 最終温度 Tge は、損失係数の曲線最大値によって特徴付けられました。 (ISO 6721-11) に記載されている手順を図 3b に示します。 貯蔵弾性率は材料のヤング率も示します。 通常、貯蔵弾性率は、振動応力のため、準静的試験からのヤング率よりも若干高くなります。

図 4a は、多周波測定によるガラス転移温度の平均値の比較を示しています。 バーのサイズは、マトリックス システムの周波数依存性を表します。 1 Hz 測定の平均初期ガラス転移温度を表 2 に示します。

表 2 試験から得られた材料特性 -フルサイズのテーブル

材料を選択するためにガラス転移温度を評価するときは、次の側面を考慮する必要があります。

DMA に由来する熱機械特性のみを考慮すると、EP1 と VE1 が最良の結果を示しました。 これらは、Tg0 = 61 °C (EP1) および Tg0 = 85 °C (VE2) という最高のガラス転移温度を達成しました。 したがって、ＶＥ1 は、試験した６つのマトリックス材料のうち、そのガラス転移温度が最大動作温度を超えた唯一の材料であった。 VE1 のガラス転移範囲は ΔT = 18 K に及びましたが、EP1 は ΔT = 33 K に及ぶガラス転移を示しました。EP1 と VE1 の両方の材料は、低い周波数依存性も示しました (図 4a)。

一軸引張試験

(EN ISO 527-1) に基づく引張試験は、ポリマーの機械的材料試験の基本的な試験の 1 つとみなされます。 万能試験機は準静的試験の試験装置として使用できます。 樹脂の検査には、試験片タイプ 1A (EN ISO 527-2) が使用されました (図 4b)。 試験片は、破断が発生するか、その他の終了基準に達するまで、張力が加えられます。 試験中に、加えられた荷重と伸びが測定されます。 ひずみはビデオ伸び計を使用して光学的に測定されます。 (EN ISO 527-1) に従って、それぞれのケースで 5 つの試験片がテストされました。 研究の枠組み内で、ヤング率を決定するために 1 mm/min のひずみ速度が選択されました。 すべてのテストは室温で実施されました。

プラスチックの弾性変形範囲は狭いため、弾性率は標準ひずみの 0.05% ～ 0.25% の範囲の割線を使用して決定されます。 この範囲では、材料は粘弾性的に線形に変形します (Grellmann and Seidler 2015)。 フックの法則に従って、ヤング率は、応力の変化 Δσ と伸びの変化 Δε の比から計算されました。 応力 σ は、測定された引張力と初期断面積の商から求められます。 さらに、引張試験から重要な比較値として、破断点伸び εB を伴う破壊応力 σB が得られました。 試験片の破壊には、力値の 10% への力の低下が伴いました。 表 1 のメーカーのデータと直接比較できるようにするために、破断点伸びも評価しました (EN ISO 527-1)。 結果は表 2 に示されており、表 1 の表示はガイドとして使用されました。

ヤング率を相互に比較すると、UP1 が最も高い値に達しました。 しかしながら、UP1では引張試験から求めたヤング率とDMA解析結果から求めたヤング率が大きく異なります。 UP2、EP1、EP3、VE1も高いヤング率を実現しました。 EP1 が最も高い引張強度を示しました。 EP2 は最高の破断点伸び (εB = 7.1%) を達成し、他のすべての材料が脆性で破損したのに対し、EP2 は延性で破損した唯一の材料でした。 UP2 は最小の破断伸びを達成しました。

EP1 と VE1 が最も高いガラス転移温度を示しました。 両方の材料は引張試験でも一貫して良好な結果を達成したため、今後の使用のために選択されました。 不飽和ポリエステルはどちらもガラス転移温度が低く、意図したファサード用途には低すぎました。 さらに、低い破断点伸びと引張応力値しか達成できませんでした。 それでも、プロジェクトパートナーの要請に応じて、UP2 は繊維材料と組み合わせて検査されました。これは、検査されたすべてのマトリックス材料の中で難燃性添加剤が適用されている唯一の材料であったためです。 したがって、EP1、UP2、VE1 が選択されました。

FRP

繊維自体の材質、長さ、配置が異なる、多数の異なる繊維材料が存在します。 繊維は FRP の補強コンポーネントです。 したがって、マトリックスと繊維の間には強力な原子結合が必要です (Campbell 2010)。 研究プロジェクトでは、さまざまな生地形状のガラス繊維のみが調査されました。 平面コンポーネントでの使用には、マット、布地、布などの平らな繊維半製品が適しています。 最初に、ガラス繊維織物の 4 つの異なる構成がテストされました (図 5 を参照): (a) 一軸ストラップ (US)、(b1) 追加の繊維マットを備えたキャンバス織物 (d) 片面 (CM)、( ｂ２）純粋なキャンバス生地（Ｃ）および（ｃ）ツイル組織（ＴＴ）。 単軸ストラップでは、繊維は一方向であり (図 5a)、主な繊維方向は 1 つだけになります。

しかし、布地は、少なくとも 2 方向に配向された長く絡み合った連続繊維です。 ツイル組織とキャンバス組織の違いは、縦糸と横糸の順番です。 キャンバス生地では、これらが交互になります (図 5b)。 これにより、高い交差密度と高い滑り耐性が得られます。 ただし、繊維の曲率が高いため、これらも弱くなります。 一方、ツイル組織では、よこ糸が 2 本または 3 本のたて糸の上を通過します (図 5c)。 交差密度が低いためせん断変形は軽減されますが、その代わりに繊維の圧力や疲労に対する耐性も向上します。 マットには、マトリックス材料内にランダムに分散された短い繊維があります (図 5d)。 それらは、比較的等方性であると同時にストレスの少ない物質の挙動に寄与します。

提案されたすべての繊維構成が、選択された樹脂に埋め込まれました。 一軸引張試験は、マトリックス材料に繊維を追加する効果と、さまざまな繊維構成の効果を調査するために実行されました。 二軸生地は 2 つの主な繊維方向で同じ材料特性を有するため、これらの主な方向の 1 つに対してのみ平行に、および主な方向に対して斜めにテストされます。 一軸ガラス繊維ストラップには主な繊維方向が 1 つだけあり、繊維方向に対して平行、垂直、斜めの両方でテストされています。 図 4c) には、(EN ISO 527-4) に準拠した試験片タイプ 3 が示されています。 その他の点では、テスト手順はセクションで説明した手順と同じです。 2.2. ヤング率と最大引張応力の結果を次の図に示します（図6、7）。

予想通り、最良の結果は、荷重が繊維の主方向と平行に適用されるテストに関連しています。 最も高いヤング率は、主繊維方向に平行な一軸ストラップ (US) をテストすることによって達成されました。 ただし、一軸ガラス繊維テープは、他の方向でテストした場合、破壊荷重が最も大幅に低下することも示しました。 他の繊維構成 (キャンバスマット (CM)、キャンバス生地 (C)、およびツイル組織 (TT)) の結果は、相互にわずかにしか異なりません。 不飽和ポリエステルを除いて、一軸ガラス繊維テープは、繊維方向に垂直に試験した場合、ほぼ同じ結果を示しました。

一軸ガラス繊維リボンの強い異方性は、意図した用途にとって問題となります。 一方、一軸リボンはヤング率が大幅に高いため説得力がありました。 これらの発見に基づいて、quadrax メッシュが製品範囲に追加されました。 Quadrax スクリムは、配向の異なる 4 つの層からなる層構造を持っています。 各層は前の層に対して 45° オフセットされています。これは、ファブリックの 1 つの層が主方向と 2 つの対角線の両方に繊維配向を提供することを意味します (図 8)。 クアドラックス スクリムも最も高価な繊維形態の 1 つであるため、純粋なガラス繊維マットもテストされました。 これは、応力があまりかからない断面部分で四角形スクリムの代わりに使用できます。

これらの結果に基づいて、プロジェクトをさらに進めるためにエポキシ EP1 が選択されました。 一貫して高い値を達成し、テスト結果の変動が最小限でした。 材料の選択に続いて、一軸引張試験がもう一度実行されました。 繊維マットはほぼ等方性の材料挙動を示し、quadrax ファブリックは 4 方向すべてに繊維が揃っているため、複数の方向で引張試験を行う必要はありません。 2 つの好ましい材料の組み合わせの引張試験の結果を図 9 および表 3 に示します。非強化エポキシ樹脂のヤング率は 1937 N/mm2 です。 ファイバーマットを備えた FRP は 8516 N/mm² のヤング率を達成し、四角形スクリムを備えた FRP は 13632 N/mm² のヤング率を達成します。 剛性値はツイル生地やキャンバス生地に比べて低くなりますが、荷重の方向には依存しません。

表 3 選択した材料について実験的に決定された横ひずみ係数 -フルサイズのテーブル

さらに、両方の FRP 構成のポアソン比が決定されました。 この目的には、引張試験で縦方向と横方向の両方のひずみを測定する二軸ひずみゲージが使用されました。 結果を以下の表 3 に示します。表 4 は材料選択プロセスをまとめたものです。

表 4 回路図の材料選択 -フルサイズのテーブル

2 つの異なる層構造を検討しました。 1 つは純粋なquadrax スクリムで構成されています。 したがって、繊維含有量が非常に高く、可能な限り最高の機械的特性を実現できます。 代替構造は繊維マットのコアを備えています。 コストのかかるquadrax層を応力の少ないコアに置き換えることにより、コストを削減できます。 FRPは基本的に左右対称に積み上げる必要があります。 ガラスと FRP の間のせん断応力を可能な限り低く保つために、中立軸は両方の材料間の接触領域にある必要があります。 完全な複合材料の動作を仮定すると、これはガラスと FRP の厚さの比率が約 1:2 の場合に当てはまります (Joachim 2017)。

理論的には、さまざまな繊維強化材には異なる利点があります。 quadrax スクリムは常に最高の結果をもたらしました。 しかし、ファイバーマットの価格性能比には納得のいくものがありました。 4 点曲げ試験では、厚さ 5 mm のガラスパネルを使用したため、FRP の厚さは 10 mm になりました。 次の 2 つの異なるラミネート ビルドアップが開発されました。

最初のラミネート構造は、高い繊維配向性と、四重構造スクリムの繊維が波打つのではなく平らな面にあるという事実により、最高の繊維濃度を保証し、その結果、最高の機械的特性を保証します。織物の構成。 2 番目のラミネートは、低価格の繊維マットのおかげで生産コストを削減でき、FRP のコアの材料特性がほぼ均一になります。 カバー層は、最大応力がかかる領域で耐荷重層として機能します。

4点曲げ試験

実際には、ファサードパネルには主に曲げの負荷がかかります。 ガラスの標準的な 4 点曲げ試験を使用して、複合要素の耐荷重能力を評価します。 FRPの曲げ試験は通常(EN ISO 14125)に従って行われます。 ただし、同等の結果を得るために、すべての試験はガラスの曲げ強度を測定するために通常使用される (EN 1288-1) に従って実行されます。 ただし、大幅に大きな試験片の寸法を除いて、FRP の曲げ試験に関する (EN ISO 14125) の仕様が可能な限り遵守されます。 図 10 に模式的に示す 4 点曲げ試験では、長さ 1100 mm、幅 360 mm のパネルを 1000 mm の距離で支持しました。 力は中心に加えられ、互いに 200 mm 離れた 2 点に均等に分割され、連続的に増加しました (EN 1288-1)。

「ポアソン効果」により、スパン方向に垂直な追加の応力場が生成されます。 これは横方向の逆曲げに影響を及ぼし、縦方向の応力が均一でなくなることを意味します。 その結果、長手方向の端に沿った曲げ応力が増加し、パネルの中央の曲げ応力が減少します。 この効果のため、図 11 に示すように、すべての試験片の両側にパネルのスパン中央にひずみゲージが取り付けられました。1 つは中心軸に、もう 1 つは端近くにあります。

最終的に選択したパネルのビルドアップは両方とも 4 点曲げでテストされました。 荷重は各パネル構成の両側から加えられました。 したがって、曲げ試験では、ガラス表面に張力がかかっている状態と FRP 側に張力がかかっている状態の両方のパネルの性能を評価しました。 パネル構成ごとに 3 つのサンプルを同じテスト条件で評価しました。 したがって、１２個の試験片が試験された。 この研究でテストされた試験片は、形状に関する (EN ISO 14125) のすべての要件を満たしていました。

サンプルには、最大荷重 2000 N まで、200 N で 1 分間の保持時間で段階的に荷重がかけられます。試験は室温で実行されます。 図 12 は、試験セットアップとガラス面を下に向けた試験片を示しています。

4 点曲げ試験のひずみは、ガラスの上面の負のひずみと下面の正のひずみの間で厚さ方向に線形です。 ひずみと伸びは材料の剛性に依存します。 繊維配向が変化すると、FRP ラミネートの剛性が層ごとに変化します。 その結果、応力プロファイルに不連続性が生じます。 4 点曲げ試験の結果をセクション 6 の解析計算と比較しました。 3.2 と について説明します。

試験中に不合格になった試験片はありませんでした。 それにもかかわらず、複合パネルの残留耐荷重能力はさらなる試験で評価されました。 ガラスを使用する場合、十分な残留耐荷重能力と落下する破片から人を保護することが不可欠な要素です。 残留耐荷重は水平位置で検証されました。 試験体には土嚢を用いて 30kg の重りを載せた（図 13）。 底のガラスが数カ所割れていました。 残留耐荷重能力は、48 時間の放置期間にわたって保証されました。 試験は、フロートガラスを使用した試験片と、さらに完全に強化されたガラスで作られた試験片の両方で実行されました。 実施したテストでは、フロートガラスと完全強化ガラスの両方のガラスが FRP に非常によく接着しました。

ポリビニルブチラール (PVB) やエチレン酢酸ビニル (EVA) などのポリマー中間層を備えた従来の合わせガラスであっても、これは、要素が比較的高い残留耐荷重能力を達成することを意味します (Overend et al. 2014)。 標準的な合わせガラスでは、割れたガラスが中間層に接着することで残留耐荷重能力が向上します。 焼き鈍しガラスや熱強化ガラスを使用すると、割れたガラス片が互いに噛み合い、再び十分な残留耐荷重能力が得られます。 FRPとガラスの積層シートには、ガラスと樹脂の接着に加え、FRP自体の耐荷重能力により、標準的な合わせ安全ガラスと比較して残留耐荷重能力が高くなるというさらなる利点もあります。

解析計算との比較

新しいファサードパネルの複合作用を分類できるようにするために、層状限界として完全な複合作用と複合作用なしを想定した解析計算を使用して、4点曲げ試験の結果を比較しました。 図 14 は、FRP とガラスで作られた複合パネルの中央部に生じる応力プロファイルを示しています。 青い部分がガラス、灰色の部分がFRPです。 したがって、ここで選択した表現では、ガラスは曲げ引張応力を受けるゾーンにあります。 表面張力は、4点曲げ試験で測定したひずみと引張試験で求めたヤング率を用いて計算できます。 新しい分析モデルのアプローチは、ここでは適用できませんが、Pascual et al. で紹介されています。 （2017年）。

この論文では、著者らは局所的な応答と全体的な応答によって生成される軸応力とせん断応力を検討します。 ただし、使用されたサンドイッチ要素は、研究のために選択されたパネル構成とは大きく異なります。 特に、ここで挙げた例のように、FRP はマトリックス材料が同時に接着剤として機能するのではなく、接着剤によってガラスに接着されているためです。 それにもかかわらず、ここでも応力プロファイルに対する同様のアプローチが検討されました。 Overend らは寄稿の中で、 (2014) は、2 つのガラス面とポリマー中間層に囲まれた耐剪断性ガラスコアで作られたサンドイッチ要素の応力プロファイルも示しています。 これらは、無傷のコアと破損したコアを備えた、曲げ応力下での複合要素のひずみと応力のプロファイルを示しています。

表 5 に示すヤング率を使用しました。 繊維マットと四角形スクリムの組み合わせは、量の比率に従って実験的に決定された 2 つのヤング率から計算されます。

表 5 応力計算に使用されるヤング率 -フルサイズのテーブル

梁理論に従って計算された層状の制限による変形は、ベルヌーイの仮説に従って取得されました。 図 14a) は、結果として生じる応力プロファイルを示しています。 図 14b、c は、完全な複合動作の応力曲線を示しています。 そのために、要素間の完全な結合を想定したサンドイッチ理論が使用されました。 次の図 15 は、Stamm と Witte (1974) によるサンドイッチ要素の構造を示しています。 インデックス「O」が付いたサンドイッチ コンポーネントの上部は FRP 範囲を表します。 サンドイッチの下部、インデックス「U」はガラスを表します。 計算では、G → ∞、dQ → 0 と仮定します。 図 14 の 2 つの材料間の応力の不連続は、ヤング率の違いに起因しています。

純粋なガラスの 4 点曲げ試験では、ガラスの上側の負のひずみと下側の正のひずみの間には厚さ方向の直線曲線が存在します。 応力とひずみは両方とも材料の剛性に依存するため、繊維配向の変化の結果として FRP ラミネート層の荷重方向に交互の剛性が発生し、その結果、厚さ方向の応力曲線がジャンプします。 その結果、4 点曲げ試験の結果は、通常の応力-ひずみ図ではなく、力-ひずみ図として表示されます。

図 16 は、Quadrax スクリムとガラスで作られたプレートの図の例を示しており、ガラス側に曲げ引張応力がかかっています。 破線は、完全な複合および層状の制限下で解析的に計算されたひずみ力の挙動を示しています。 各側面の 2 本の線 (FRP およびガラス) は、各側面の 2 つのひずみゲージによる前述のサンプルの準備を表します。 試験片の中心には、試験片の端と比較して同等以上の応力がかかります。

FRP 側のわずかな偏差を除いて、4 点曲げ試験の結果は完全複合材を仮定した解析計算と一致しています。 実験では、FRP とガラスの組み合わせがハイブリッド要素を形成することが示されました (Weller and Pfalz 2018)。 この結果は、Achintha と Balan (2017、2019) などの他の研究と一致しています。 荷重 2 kN までは、選択した 2 つの FRP レイアップ間でひずみ力曲線に違いはありません。そのため、Quadrax とファイバー マットで構成されるパネルはここでは示されていません。

小さな部品の実験テストでは、マトリックス材料の選択と繊維材料の種類と量に起因するさまざまな材料特性が示されました。 だからこそ、素材選びには細心の注意が払われます。 しかし、この研究プロジェクトの実際の焦点は、複合作用の観点からガラスと FRP の組み合わせを調査することでした。 実験テストでは、ガラスと FRP の間に顕著な結合が見られました。 さらに、分析ソリューションとの比較により、ガラスと FRP の相互作用が完全な複合作用に近いことがわかります。 初めてガラス板が荷重伝達の一部となり、以前の機能を超えることができます。

そのため、従来に比べて大幅なスリム化が可能となり、材料も節約できます。 さらなる美的利点は、FRP を着色できることです。 FRPはお好みの色に仕上げることができます。 これとファサード要素の高い残留耐荷重のおかげで、フロートガラスを使用できます。 フロートガラスは、ウォータージェット切断によりFRPと接着した後に切断できるため、非常に加工が容易で、きれいなエッジを作ることができます。

また、試験片の製造中に、最上層にガラスを備えた従来のキャリアプレートに比べて大きな利点が明らかになりました。ガラスは FRP の一種の型枠のように機能するため、製造に設備は必要なく、何もせずに開始できます。たくさんの準備。 従来のキャリア プレート システムとの比較では、第 2 章で説明したように、耐候性および光学素子としてガラスがキャリア プレートに接着されています。 図１に示すように、樹脂はマトリックス材料としてだけでなく、ガラスへの接着剤としても機能します。 これは、別個の製造ステップとしての接着が必要ないことを意味します。

重量と材料の節約、コスト削減、生産の簡素化などの多くの利点に加えて、FRP とガラスの材料の組み合わせは、さらに大きな可能性をもたらします。これまでのガラス製の換気レインスクリーン ファサードと従来のキャリア プレートは、フラット タイプのみで入手可能でした。デザイン。 新しく開発されたガラスと FRP の複合材料は、FRP 材料が幾何学的に制限されていないため、曲面要素を構築する可能性を提供します。 図 17 は、そのような湾曲した要素の例を示しています。

ガラスと FRP の組み合わせから生じる高い可能性を考慮して、著者らは複合作用のさらなる研究を推奨しています。 これには、生成された結果をサポートし、熱サイクル下でのパネルの性能などの他の側面を考慮する、さらに広範囲にわたる一連の実験テストが含まれます。 異なる材料を組み合わせる場合は、異なる熱膨張係数の影響を常に検討する必要があります。 熱サイクルの結果、コンポーネントに強制的な負荷がかかり、最悪の場合、故障する可能性があります。 プロジェクトの一環としてこの分野ではすでに初期テストが実施されていますが、より徹底的な調査が必要です。 ファサードの建設に影響を与える他の種類の応力も調査する必要があります。 計画された適用領域に応じて、これには、衝撃荷重や高サイクル機械疲労などが含まれます。

研究プロジェクト「FKV-Glas-VH Fassade」は、研究プログラム「Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand」(BMWi/AiF) によって資金提供されています。 著者らは、研究プロジェクトに対する財政的支援に感謝します。 さらに、材料および試験片の提供とご協力をいただきました FIBER-TECH Products GmbH に感謝いたします。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセスの資金調達。 資金は連邦経済技術省から提供されました (助成金番号 ZF4123705HF5)。

著者と所属

ドイツ、ドレスデン工科大学建築建設研究所 - アリーナ・ヨアヒム、ヤン・ヴンシュ、ベルンハルト・ヴェラー

対応する著者

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