Фото: VAS. Влияние размера оконного стекла на характеристики взрывозащиты

Масштабный рост террористических атак и боевых действий в разных регионах мира становится всё более острой проблемой безопасности гражданских объектов. В определенных условиях, несмотря на применение самого высокого класса защиты стекла, светопрозрачные оболочки зданий и самые обычные окна, по-прежнему, остаются наиболее уязвимыми элементами. Даже если взрывная волна не приводит к полному разрушению объекта, осколочное действие стекла все равно несет в себе риск ущерба и угрозу безопасности жизни.

Сегодня в мире по теме взрывоустойчивости оконных и фасадных конструкций проведено большое количество исследований и полевых испытаний. В 2023 году была опубликована новая научная статья, описывающая влияние габаритов оконного стекла на степень его взрывозащиты. Исследование подготовлено специалистами Сычуаньского научно-исследовательского института пожарной безопасности Министерства по чрезвычайным ситуациям, Сучжоуского университета науки и технологий, Тяньцзиньского университета и Школы гражданского строительства в г.Чунцин. К каким выводам пришли китайские учёные – рассказываем в материале tybet.ru.

Методология исследования

В работе китайских учёных исследуется влияние геометрических факторов стекла на его свойства разрушения и кривые P–I (pressure–impulse, давление–импульс). В данном исследовании предложен упрощенный метод, основанный на численном моделировании в различных условиях взрыва, чтобы количественно оценить влияние соотношения сторон и площади остекления.

Фото: mdpi.com. Сравнение режимов разрушения стекла при тестировании и численном моделировании (t – период свободных электромагнитных колебаний):

(а) Численное моделирование при t = 10 мс.

(b) Численное моделирование при t = 20 мс.

(c) Тестирование при t = 10 мс.

(d) Испытание при t = 20 мс.

Для анализа влияния площади оконного стекла на взрывостойкость соотношение сторон было установлено равным 1 и сохранялось постоянным при регулировке площади остекления. В численном моделировании толщина стекла составляла 8 мм. Ширина и толщина структурного силиконового герметика составляли 15 и 5 мм соответственно. В зоне соединения стекло и структурный герметик делили узел. Все степени свободы структурного герметика были ограничены. Размер сетки в плоскости составлял 2,5×2,5 мм, толщина – 2 мм. Сетка силиконового герметика была разделена на два слоя в направлении толщины.

В рамках данной фазы исследования были проанализированы динамические реакции оконного стекла на расстоянии взрыва R = 100 м и трех эквивалентных тротиловому заряду гирь W = 1000, W = 300 и W = 125 кг. Для моделирования повреждения и распространения трещин стекла был принят метод эрозии элементов.

Рекомендуем прочесть: Самый тонкий пулестойкий стеклопакет в мире

Влияние соотношения сторон на взрывостойкость оконного стекла

Как показано в верхней части графического изображения, в случае R = 100 м, W = 1000 кг все оконные стекла с тремя различными соотношениями сторон были разрушены и трещины сначала появились в средней части стеклянной панели, а затем постепенно распространились наружу, что в конечном итоге привело к полному разрушению стекла. У стекол с соотношением сторон 1 и 1,56 на поверхности появлялись горизонтальные и вертикальные трещины, а пересекающиеся трещины образовывали более мелкие фрагменты. Для стеклянной панели с соотношением сторон 2,56 большая часть трещин развивалась вертикально вдоль длинной стороны.

Фото: mdpi.com. Режимы разрушения стекла:

● (W = 1000 кг, R = 100 м): (а) i = 1. (b) i = 1,56. (c) i = 2,56.

● (W = 300 кг, R = 100 м): (а) i = 1. (b) i = 1,56. (c) i = 2,56.

● (W = 125 кг, R = 100 м): (а) i = 1. (b) i = 1,56. (c) i = 2,56.

В свою очередь, при тротиловом эквиваленте 300 кг стекло с соотношением сторон 1 и 1,56 не разбилось при этом взрыве, тогда как стекло с показателем 2,56 разбилось, причем трещины в основном возникли вдоль длинной стороны.

Когда тротиловый эквивалент составлял 125 кг, все три стекла не разбились. Однако максимальные главные напряжения стекол с удлинением 1, 1,56 и 2,56 достигли 57,05; 58,81 и 67,98 МПа соответственно. По мере увеличения соотношения сторон максимальное главное напряжение стекла постепенно увеличивалось, что указывает на то, что изделие с большим соотношением сторон, то есть узкая и удлиненная светопрозрачная конструкция, с большей вероятностью разобьется.

Исходя из порога разрушения и распределения главных напряжений, учёные пришли к выводу, что непропорциональное увеличение горизонтального размера стекла отрицательно влияет на его взрывостойкость. Таким образом, во взрывостойкой светопрозрачной конструкции соотношение сторон лучше сделать близким к 1,0, т. е. чтобы длина и ширина были одинаковыми.

Влияние площади конструкции на взрывостойкость оконного стекла

В этой части исследования изучались варианты разрушения и распространение трещин в стекле различной площади под воздействием взрывной нагрузки.

Фото: mdpi.com. Режимы разрушения стекла:

● (W = 1000 кг, R = 100 м): (а) S = 1 м², (b) S = 0,64 м², (c) S = 0,36 м².

● (W=300 кг, R=100 м): (а) S = 1 м², (b) S = 0,64 м², (c) S = 0,36 м².

Изучая изображение повреждения остекления при взрыве W = 1000 кг, R = 100 м; можно заметить, что при большой площади конструкции стекло сначала разбивается в средней части, а затем трещины постепенно расходятся во все стороны, пока не разрушится полностью. Напротив, когда площадь остекления мала, оно остается неповрежденным во время взрыва. В свою очередь, для всех трех стекол разной площади при W = 300 кг не произошло разрушения. Аналогично, при взрыве W = 125 кг стекло не было повреждено, что соответствует данным для опыта при W = 300 кг.

Фото: mdpi.com. Распределение главного напряжения:

● (W = 300 кг, R = 100 м, ед. Па). (а) S = 1 м². (b) S = 0,64 м². (c) S = 0,36 м².

● (W = 125 кг, R = 100 м, ед. Па). (а) S = 1м². (b) S = 0,64 м². (c) S = 0,36 м².

Также учёными сравнивались максимальные главные напряжения в стекле при двух условиях взрыва. Из рисунков видно, что при W = 300 кг максимальные главные напряжения стекол площадью 1, 0,64 и 0,36 м² составляют 73,18; 65,34 и 48,68 МПа, а при W = 125 кг – 57,05; 49,79 и 32,89 Мпа соответственно. Хотя ни при каких из заданных условий для различных участков не произошло разрушения остекления, максимальные главные напряжения в стекле постепенно снижались по мере уменьшения площади. Это указывает на то, что меньшая площадь стекла также имеет тенденцию делать остекление более безопасным при взрывных нагрузках. По мнению китайских учёных, во взрывостойкой светопрозрачной конструкции лучше уменьшить площадь стекла.

Рекомендуем прочесть: Технические вызовы при остеклении небоскрёбов

Время воздействия ударной волны и реакция остекления

Взаимодействие времени воздействия ударной волны на разрушение стекла очерчивает кривая P–t0. Чтобы обеспечить более интуитивное описание характеристик взрывостойкости остекления, в этом испытании выбрано 10 вариантов продолжительности положительного давления: 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 70, 100 и 200 мс для каждой модели с заданным соотношением сторон. Затем использовалось численное моделирование, чтобы найти максимальное давление, которое оконное стекло могло выдержать в течение каждого периода положительного давления. По-прежнему использовался критерий разрушения по максимальному главному напряжению, то есть стекло считалось разрушенным, когда максимальное главное напряжение превышало порог разрушения (Tb) более 80 МПа.

Фото: mdpi.com. Кривые P–t0 для остекления: (слева) с различным соотношением сторон; (справа) разной площади

На рисунке слева показано, что разрушение стекла с соотношением сторон 2,56 при избыточном давлении значительно ниже, чем у стекла с соотношением сторон 1 и 1,56 при всех заданных продолжительностях воздействия взрывной волны. При этом избыточное давление разрушения для стекла с соотношением 1,56 также было ниже, чем с 1. При удлинении стекла с 1 до 2,56 избыточное давление разрушения уменьшалось с 17 до 10 кПа, с редукцией примерно на 41%.

Причина снижения взрывостойкости стекла с увеличением длины заключалась в том, что при удлинении, близком к 1, оно представляло собой двунаправленный несущий элемент и обе его стороны могли выдержать нагрузки от ударной волны. С увеличением длины стеклянная панель постепенно превращалась в однонаправленный несущий элемент, и только короткая сторона могла выдерживать взрывные нагрузки.

Также для количественной оценки влияния этого параметра на взрывостойкость были изучены кривые P–t0 стекол различной площади. В правой части изображения видно, что по мере уменьшения площади стеклянной панели избыточное давление разрушения постепенно увеличивается. При уменьшении площади стекла с 1 до 0,36 м² избыточное давление разрушения увеличивается с 17 до 33 кПа, достигая приращения 94%. Как поясняют учёные, это связано с тем, что с уменьшением площади общая жесткость стеклянной панели увеличивается, а результирующая сила уменьшается; следовательно, остекление меньшего размера может выдерживать более интенсивные взрывные нагрузки.

Рекомендуем прочесть: Треснуло оконное стекло – кто виноват? История одной рекламации

Параметрический анализ кривой P–I для оценки повреждений оконного стекла разных размеров и толщины

Кривая P–I (pressure–impulse, давление–импульс) представляет собой критический порог разрушения конструкции при различных взрывных нагрузках. Типичная кривая P–I состоит из трех областей, включая области импульсной, динамической и квазистатической нагрузки.

Фото: mdpi.com. Сравнение P–I-кривых для стёкол: (слева) с разными соотношениями сторон; (справа) различной площади

Соотношение сторон. На рисунке слева представлены P–I кривые с разными аспектными соотношениями (в данном случае площадь стекла составляла 1 м², а толщина – 8 мм). Видно, что асимптоты импульса и избыточного давления кривой P–I уменьшались с увеличением удлинения. Кривая P–I показывает, что увеличение длины снижает взрывостойкость оконного стекла, что согласуется с выводами, представленными выше.

Площадь. На рисунке справа видно, что с уменьшением площади асимптота избыточного давления P–I-кривой увеличивается. Однако для асимптоты импульса разница не так велика, как величина избыточного давления; для площадей 0,64 и 1 м² они были практически одинаковыми. Как утверждают исследователи, это произошло главным образом из-за очень короткой продолжительности приложенной взрывной нагрузки и хрупкости стекла в зоне импульсной нагрузки. В этом случае стекло не успело деформироваться до разрушения (деформироваться как вся конструкция) и взрывной нагрузке на этом этапе противодействовало в основном инерционное сопротивление стеклянной массы.

Фото: mdpi.com. Сравнение P–I-кривых для стекла различной толщины

Толщина. Аналогичным образом, чтобы исследовать влияние толщины стекол, было проведено численное моделирование для получения их кривых P-I при том же соотношении сторон и площади (в этой части эксперимента площадь стекла составляла 1 м², а соотношение сторон 1,0). Как видно из рисунка, асимптоты избыточного давления и импульса P–I-кривой увеличиваются с увеличением толщины. Это произошло главным образом потому, что увеличение толщины стекла эффективно повышало грузоподъемность стеклянной панели при изгибе. По словам учёных, этот результат может быть дополнительно проверен экспериментальным исследованием Монка и Клубли. В их исследовании порог для стекла толщиной 4 мм и площадью 0,89 м² был близок к значению избыточного давления 12 кПа и значению импульса 70 кПа•мс, что видно в нижней левой части диаграммы P–I кривой стекла толщиной 4 мм и хорошо согласуется с параметрами настоящего исследования.

Рекомендуем прочесть: Деламинация триплекса – что кроется за этим дефектом остекления?

Выводы

На основании изучения влияния размера стекла на характеристики взрывостойкости учёными предложены эмпирические формулы P–I-кривых для прогнозирования разрушения стекол с различными соотношениями сторон, площади и толщины. Основные выводы исследования выглядят следующим образом:

• ● Квадратное оконное стекло имеет наилучшие показатели взрывостойкости. С увеличением соотношения длины к ширине взрывостойкость стекла снижается.

• ● Уменьшение площади остекления может эффективно улучшить его взрывостойкость. По мере уменьшения площади стекла асимптотика избыточного давления P–I-кривой явно возрастает. Однако для асимптоты импульса разница не так велика, как величина избыточного давления.

• ● Увеличение толщины стекла позволяет существенно увеличить значения асимптот импульса и избыточного давления P–I-кривой, что приводит к повышению взрывостойкости стекла.

• ● Увеличивая толщину стеклянной панели и количество слоев стекла, можно эффективно улучшить устойчивость триплекса к взрыву.

Таким образом, меньшее соотношение длины и ширины, меньшая площадь и более толстое стекло могут повысить взрывостойкость оконных стеклопакетов.

Рекомендуем прочесть: Влияние стеклянной подложки на эффективность низкоэмиссионного покрытия в навесных фасадах

Подготовлено редакцией tybet.ru по материалам mdpi.com.

Размещение и использование (полностью или частично) данного материала допускается только при наличии активной гиперссылки на tybet.ru