Diseño, Ingeniería y Ensayos Experimentales de Columnas Tubulares de Vidrio

Fecha: 7 de julio de 2022

Esta investigación gira en torno al diseño, fabricación y ensayo de columnas de vidrio tubular, con especial atención a sus mecanismos de redundancia y seguridad contra incendios; además, abordando aspectos como: la forma de la columna; limpieza y mantenimiento; conexiones finales; Tolerancias geométricas en el vidrio y desmontabilidad. Inicialmente, se desarrollan y diseñan dos diseños alternativos de columnas circulares huecas (tubo) para abordar estos aspectos, a saber: MLA (multicapa con aire) y SLW (capa única con agua). En ambos conceptos la estructura portante principal consta de dos tubos de vidrio laminado concéntricos.

Por lo tanto, para explorar los desafíos de fabricación y el potencial estructural de estos conceptos, el trabajo experimental y de creación de prototipos se centra en seis muestras de 300 mm de largo con un diámetro exterior de 115 mm que se laminan y se ajustan a conexiones finales de acero de ingeniería personalizadas. En términos de fabricación, se presta especial atención al proceso de laminación y la formación de burbujas asociada, la posible fractura del vidrio debido a las tensiones internas de curado de la resina y la interfaz entre el tubo de vidrio y las conexiones finales de acero. Todas las muestras están laminadas con el componente Ködistruct LG 2-PU.

Tres muestras se ensamblan con vidrio DURAN® (recocido) y las otras tres con vidrio DURATAN® (reforzado con calor). Posteriormente, las seis muestras se prueban en compresión hasta falla para investigar el comportamiento del material de la capa intermedia, el comportamiento post-fractura de los diseños, las diferencias entre muestras recocidas y termoendurecidas, la capacidad de los tubos de vidrio y el desempeño de las conexiones finales. Las grietas iniciales aparecieron entre 95-160 kN (resistencia a la compresión de 30-50 MPa) en las muestras de DURAN® y entre 120-160 kN (resistencia a la compresión de 37-50 MPa) en las muestras de DURATAN®.

Estas cargas son inferiores a las estimadas por los cálculos; en concreto, las primeras fisuras se produjeron al 34-64% de la carga calculada. No obstante, las muestras resultan robustas, con una capacidad portante considerable más allá de las primeras grietas, lo que lleva a una capacidad nominal máxima de resistencia a la compresión de hasta 152 MPa para las muestras de DURATAN® y de hasta 233 MPa para las muestras de DURAN®. .

1.1. Introducción al problema

La alta resistencia a la compresión del vidrio lo hace ideal para elementos de compresión como columnas. Las columnas de vidrio son una aplicación particularmente prometedora, porque su transparencia también permite la continuidad del espacio y una mejor penetración de la luz del día en los espacios interiores. Sin embargo, rara vez se han aplicado en la práctica, debido a múltiples razones, a saber: falta de suficientes datos de resistencia y pautas de construcción, variables inciertas, costos, complicaciones con la fabricación, mala resistencia al fuego, baja resistencia a la tracción y la naturaleza frágil y espontánea del vidrio. fracaso (Kalamar et al. 2016) (Oikonomopoulou et al. 2017).

Según Nijsse y Ten Brincke (2014), hay cinco tipos de columnas de vidrio: perfiladas, tubulares en capas, agrupadas, fundidas y apiladas. Oikonomopoulou et al. (2017) presenta un amplio panorama del trabajo experimental realizado hasta el momento sobre los diferentes tipos de columnas totalmente de vidrio y afirma que, en la actualidad, la única columna de vidrio estructural autoportante aplicada en edificios es la columna de vidrio perfilado con cruz cruciforme. -sección. Sin embargo, una columna perfilada tubular cerrada presenta una resistencia al pandeo (torsional) considerablemente mejor; además, debido a la falta de ángulos y bordes, es menos susceptible a impactos accidentales (Eekhout 2019) y puede percibirse visualmente como menos intrusivo.

Aunque Achenbach y Jung (2003) han realizado algunas investigaciones experimentales sobre tubos de vidrio, Doenitz et al. (2003) y Overend et al. (2005), aún no existen métodos de fabricación bien establecidos con métodos de verificación y cálculo relacionados para este tipo de columna de vidrio de forma eficiente. A pesar de la falta de ejemplos existentes de columnas de tubos de vidrio, los tubos de vidrio se han aplicado estructuralmente en estructuras de tensegridad (Achenbach y Jung 2003), en la fachada del atrio de Tower Place en Londres (Doenitz et al. 2003) y en una viga de armazón zip que demuestra la tensión y la compresión mediante colores que se iluminan en los tubos de vidrio (Glass & Swinging Structures bv. 2021).

Van Nieuwenhuijzen et al. (2005) y Veer y Pastunink (1991) desarrollaron previamente una columna de vidrio laminado hecha de dos tubos de vidrio concéntricos. Según Van Nieuwenhuijzen et al. (2005), los principales desafíos giraron en torno a la laminación debido a la contracción del adhesivo y las intolerancias dimensionales de los tubos de vidrio. Por lo tanto, se necesita más conocimiento para realizar este tipo de columna de vidrio, particularmente en sus procesos de fabricación, mecanismos de seguridad contra incendios y robustez. Por lo tanto, el objetivo principal de esta investigación es diseñar e ingeniar una columna de vidrio tubular transparente que sea resistente, redundante, robusta e ignífuga.

1.2. Metodología

Este artículo presenta el diseño, la ingeniería y las pruebas experimentales de columnas tubulares de vidrio. En primer lugar, se establecen criterios de diseño sobre seguridad contra incendios, redundancia, fabricación y reemplazabilidad. En segundo lugar, se desarrollan dos conceptos de diseño alternativos con diferentes estrategias de seguridad contra incendios; también se da énfasis en el diseño de las conexiones finales. En ambos conceptos el elemento portante de la columna consta de dos tubos concéntricos que se unen entre sí con un material intermedio. A continuación, el trabajo experimental se centra en la producción y ensayo bajo compresión de seis prototipos a pequeña escala formados por dos tubos concéntricos laminados. Las muestras ensayadas están hechas de tubos de vidrio recocido (DURAN® - 3 muestras) o termoendurecido (DURATAN® - 3 muestras), principalmente para observar la posible fractura del vidrio por tensiones internas de curado de la resina y para observar las diferencias en falla. Se exploran la capacidad de fabricación, la capacidad de carga, la robustez y el rendimiento posterior a la rotura.

1.3. Redundancia y comportamiento frente al fuego: criterios y estrategias de diseño

Según Honfi y Overend (2013), existen tres niveles de redundancia en las estructuras de vidrio: material, componente y sistema estructural. Para mejorar la redundancia de los componentes, se prefiere el vidrio reforzado con calor al vidrio recocido (Oikonomopoulou 2019), debido a su mayor resistencia a la tracción y capacidad residual después de la rotura cuando se lamina. Esto también mejora la resistencia al fuego.

Los criterios de rendimiento relevantes del vidrio resistente al fuego son: integridad, aislamiento y radiación (Gravit et al. 2019). Para mejorar la resistencia térmica de la columna de vidrio, se prefiere el vidrio de borosilicato. Esto se debe a su coeficiente de expansión térmica considerablemente más bajo en comparación con el vidrio de sosa y cal, lo que da como resultado una mayor resistencia al choque térmico (p. ej., el vidrio de borosilicato se usa típicamente en el material de laboratorio por este motivo). Una solución interesante en términos de aislamiento es llenar los tubos de vidrio con agua para mantener el vidrio fresco. Este concepto se introdujo para las columnas del Museo Samsung en Seúl en Corea; desafortunadamente, debido al colapso de la economía coreana, el proyecto no se realizó (Nijsse 2003).

1.4. Conexiones finales: criterios de diseño y principales preocupaciones

Para el diseño de las conexiones finales se tienen en cuenta los siguientes aspectos:

1.5. Consideraciones de fabricación

Dado que la columna debe sellarse para evitar que entre suciedad en la columna, el tubo de vidrio se convierte en una cavidad cerrada. Las presiones isocóricas ocurren debido a las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior de la columna. Eventualmente, estas presiones podrían resultar en condensación. Durante el calentamiento del proceso de laminación, se producirán tensiones térmicas debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica del vidrio y el material de la capa intermedia. Además, debido a las tolerancias geométricas del vidrio, se producen diferencias de espesor en el material de la capa intermedia. Cuanto más gruesa sea la capa intermedia, mayor será la tensión resultante sobre el vidrio durante y/o después del curado. Si la capa intermedia se vuelve demasiado delgada, no se garantiza la integridad estructural.

Todos los criterios y preocupaciones mencionados anteriormente se consideran cuidadosamente y conducen a los dos diseños conceptuales de la siguiente manera:

2.1. columna MLA

La columna MLA (figura 1, izquierda) consta de un tubo exterior que no soporta carga y dos tubos de vidrio de borosilicato interiores que soportan carga. El tubo de vidrio exterior tiene un recubrimiento de polímero en su superficie interior y su propósito principal es proteger las capas de vidrio internas. Los dos tubos internos que soportan carga están unidos entre sí por un material de capa intermedia transparente. En este proyecto se utiliza Ködistruct LG, material LOCA de HBFuller Kӧmmerling. Esta es una resina líquida termoestable, formada con polímeros reticulados. El primer componente es poliol y el segundo es isocianato.

Este material de capa intermedia cura a temperatura ambiente. Debido a esto, no se produce un enfriamiento repentino, por lo que no se producen tensiones extremas. Además, este material de capa intermedia tiene un valor de contracción bajo (3,5 %), lo que da como resultado cantidades más pequeñas de aire atrapado (por ejemplo, burbujas) y tensiones residuales bajas dentro de la capa adhesiva. La superficie exterior de la capa intermedia se recubrirá con un revestimiento resistente al fuego transparente (por ejemplo, HCA-TR)1 . Este revestimiento está protegido de arañazos por el tubo de vidrio exterior. Además, es aconsejable utilizar rociadores en el edificio para reducir la temperatura del vidrio durante un tiempo prescrito en caso de incendio.

1Cabe señalar que este recubrimiento solo se ha probado en paneles de vidrio plano y se necesita más investigación para la aplicación de tubos de vidrio.

Como se mencionó anteriormente, las diferencias de temperatura entre la cavidad del tubo de vidrio cerrado y el exterior pueden generar presión de aire que, a su vez, puede generar condensación y tensiones. Si la columna de vidrio no puede resistir estas tensiones, la presión del aire puede regularse mediante un sistema de ventilación. Sin embargo, aún podría producirse condensación. Por lo tanto, los granos desecantes de sílice se incluyen en el diseño, de manera similar al desecante comúnmente utilizado en las unidades de acristalamiento aislante. La figura 2 (izquierda y centro) muestra el MLA con y sin sistema de ventilación.

2.2. Columna SLW

La columna de vidrio SLW (figura 1, derecha) consta de dos tubos de vidrio unidos entre sí por un material de capa intermedia (la misma resina líquida que se usa para el MLA). En este concepto, el tubo se llena de agua para mantener el vaso fresco en caso de incendio. El agua será bombeada a través de la columna. Al igual que en la variante MLA, es recomendable utilizar también rociadores en el edificio para reducir aún más la temperatura del vidrio si es necesario. La vista 3D de SLW se muestra en la figura 2 (derecha).

Para resistir las tensiones térmicas resultantes y reducir el riesgo de condensación, se suministra aire filtrado a través de un sistema de ventilación, se regula el agua o se incluyen granos de sílice en el diseño. Las tensiones que se producen debido al proceso de laminación deben comprobarse en las investigaciones experimentales.

2.3. Diseño de conexiones finales

En ambos diseños, se utilizan conexiones articuladas para garantizar que solo las fuerzas de compresión axiales se transmitan a la columna de vidrio. Se coloca un bloque de POM entre la zapata de acero y los tubos de vidrio, porque tiene un módulo de Young más bajo que el vidrio. Se inyectará mortero Hilti debajo de los tubos de vidrio en la ranura del bloque POM para distribuir las cargas de compresión de la conexión a los tubos de vidrio. El bloque POM puede acomodar varias variantes de las columnas de vidrio, por ejemplo, la aplicación: agua, aire o granos de sílice. La figura 3 muestra dos secciones transversales en 3D diferentes de la conexión final del MLA.

En la figura 5 se muestran algunos pasos de la secuencia de ensamblaje. La sustentabilidad ambiental se considera al diseñar para la desmontabilidad. La columna de vidrio se puede quitar del edificio en una sola pieza. Para lograr esto, se utilizan conexiones secas, por lo que todos los componentes también se pueden reutilizar.2 . De esta manera, también es posible reemplazar la columna cuando se rompe (figura 4). Se deben colocar puntales temporales a cada lado de la columna rota, y la columna se puede quitar y reemplazar.

2 Excepto el mortero Hilti que no es reutilizable; tampoco se considera posible la delaminación de los tubos de vidrio.

En ambos conceptos de diseño, la estructura de vidrio portante consta de dos tubos de vidrio que se unen mediante un material de capa intermedia. Esta parte se considera la más crucial en términos de fabricación, ya que implica la unión de los dos tubos de vidrio. Para investigar tanto el potencial estructural como los desafíos de fabricación de los conceptos desarrollados, el trabajo experimental se centra en la fabricación y prueba de 6 prototipos de vidrio a pequeña escala de 300 mm de longitud y 115 mm de diámetro exterior. Estas muestras están hechas de dos tubos de vidrio que están unidos con un material de capa intermedia.

El proceso de laminación es sensible porque afecta la formación de burbujas y la posible rotura del vidrio provocada por las tensiones de contracción. Los prototipos son laminados por HBFuller Kӧmmerling y probados en compresión en el laboratorio Stevin II de la Universidad Técnica de Delft, para investigar el comportamiento del material de la capa intermedia, la respuesta posterior a la falla de los diseños, las diferencias entre el vidrio recocido y reforzado con calor. muestras, el comportamiento de las conexiones bajo presión, y la capacidad de los tubos de vidrio y las conexiones.

3.1. Diseño de prototipos a pequeña escala.

Cada muestra consta de dos tubos de vidrio. El diámetro del tubo exterior es de 115 mm, el espesor de la pared es de 5 mm y la longitud es de 300 mm. El diámetro del tubo interior es de 100 mm, el espesor de la pared es de 5 mm y la longitud es de 300 mm. Esto da una cavidad de alrededor de 2,5 mm entre los dos tubos de vidrio. La Figura 6 muestra una ilustración de las muestras. De las 6 muestras, las tres primeras muestras están fabricadas con tubos de vidrio DURAN® (recocido), y las otras tres muestras con tubos de vidrio DURATAN® (recocido).

En todas las muestras, las conexiones finales están hechas de3:

3Dado que la placa principal de la máquina de prueba tenía orificios para los cables, las placas de acero, que se muestran en la figura 6, se dejan fuera durante la prueba.

3.2. Fabricación de prototipos

Los tubos de vidrio extruido son fabricados por SCHOTT en Alemania. SCHOTT cortó las probetas a medida, pulió al fuego los bordes y realizó una primera y principal comprobación del correcto encaje de los tubos (unos dentro de otros), ya en fábrica. Después de eso, los tubos de vidrio se transportaron a HBFuller Kӧmmerling en Alemania, para la laminación (es decir, la unión de los tubos). Se eligió un material de capa intermedia de resina líquida de dos componentes, Ködistruct LG; su naturaleza hidroelástica permite un curado lento. Después de verterlo, el material de la capa intermedia se calentó a 40 °C para garantizar que el curado fuera completo. Los tubos se laminan en posición vertical. Las conexiones finales, los componentes de acero y POM están diseñados y desarrollados con la ayuda de Octatube.

Las zapatas de acero están hechas de varillas de acero fresadas con CNC para crear las cámaras diseñadas. En estas cámaras se colocan el bloque de POM y las bisagras de acero (Techniparts). Los bloques de POM se fresan a partir de varillas de POM sólidas para obtener las ranuras deseadas. Durante el montaje, las galgas extensiométricas se pegan a los tubos de vidrio interior y exterior. Por último, se inyecta el mortero HILTI HIT-HY 270 en las ranuras de los bloques de POM y se colocan encima los tubos de vidrio laminado. El mortero se distribuyó bien en las ranuras y fue posible inyectarlo correctamente, por lo que el vidrio se mantuvo limpio. En la figura 7 se muestran los componentes de acero y POM, así como el proceso de laminación.

Previamente a la prueba, las galgas extensométricas antes mencionadas, pegadas a los tubos de vidrio, se sueldan a los conectores. Se pegan doce galgas extensiométricas a cada muestra, 6 en el exterior y 6 en el interior. El vidrio se desgasta ligeramente, en los lugares donde se pegan las galgas extensométricas, para asegurarse de que las galgas extensométricas no se caigan. Después de eso, los cables también podrían soldarse a los conectores. Las piezas de madera se pegan dentro de las ranuras de los bloques de POM para sujetar el vidrio a la altura correcta. Luego se podría inyectar el mortero HILTI HIT-HY 270, el cual requiere aproximadamente 5 minutos para endurecerse. En estos 5 minutos, se tuvo que inyectar el mortero, alisarlo y colocar el vidrio encima del mortero y las piezas de madera a la altura adecuada. Posteriormente, los cables debían configurarse a cero y luego las muestras estaban listas para la prueba. La Figura 8 muestra las muestras listas para la prueba.

4.1. Configuración de prueba

Se utiliza una máquina de ensayo universal controlada por desplazamiento hidráulico para el ensayo de las muestras en compresión con una velocidad de desplazamiento de la cruceta de 1 mm/min. Las muestras se sujetan entre un cabezal y una placa base (figura 8, derecha).

4.2. Diferencias entre muestras recocidas y termoendurecidas

En la figura 10 (izquierda), se muestra una muestra recocida agrietada después de la prueba. Las muestras recocidas (AN1-3) presentaban algunas grietas verticales rectas paralelas a la longitud del tubo. Las grietas tuvieron una lenta propagación. Las primeras grietas aparecieron entre 95-160 kN de carga de compresión, pero la falla completa solo ocurrió entre 700-750 kN. Tras la liberación final de la fuerza, aparecieron pequeñas grietas perpendiculares adicionales. Aparecieron grietas en ambos tubos, lo que indica un buen grado de cooperación entre ellos.

En la figura 10 (derecha), se muestra una muestra endurecida con calor agrietada después de la prueba. Las muestras de vidrio termoendurecido (HS3-4) presentaron considerablemente más fisuras, de nuevo verticales y paralelas a la longitud del tubo. Las primeras grietas aparecieron a 120-160 kN. A diferencia de las muestras de vidrio recocido, las grietas aparecieron primero en el tubo exterior. Las grietas se propagaron rápidamente con mucha velocidad. Cuando terminaron las pruebas, debido a la rotura del vidrio (alrededor de 390-490 kN), el tubo interior explotó en pequeños pedazos a la vez. Esto significa que la cooperación de las muestras termoendurecidas es menor que la de las muestras recocidas. La descripción general de las diferencias entre muestras recocidas y termoendurecidas se proporciona en la tabla 1.

Tabla 1: diferencias entre muestras recocidas y termoendurecidas.

Entonces, las grietas iniciales aparecieron entre una resistencia a la compresión de 30-50 MPa en las muestras de DURAN® y entre 37-50 MPa en las muestras de DURATAN®, que son valores casi iguales. Dado que el vidrio termoendurecido tiene una mayor resistencia a la tracción que el vidrio recocido, se esperaría que los tubos termoendurecidos funcionaran mejor y presentaran fallas a valores más altos en comparación con los tubos recocidos. Además, los experimentos indicaron que los tubos de vidrio termoendurecido presentaban menor capacidad de carga post-fisuración (después de la fisuración inicial) que los tubos de vidrio recocido.

Una posible razón podría ser que el tubo exterior de las muestras termoendurecidas se agrietó primero mientras que en las muestras recocidas ambos tubos presentaron fisuras. Podría ser que hubiera menos acción compuesta entre los tubos concéntricos termoendurecidos y la capa intermedia, por lo que toda la tensión la absorbiera únicamente el tubo exterior. Sin embargo, el patrón de grietas (grado de fragmentación) es esencialmente un fenómeno de liberación de energía. Es una función del estado de tensión, incluyendo tanto el pretensado como las tensiones inducidas por la carga.

En el vidrio recocido, el pretensado es casi cero, lo que significa que la fragmentación es principalmente una función de los esfuerzos aplicados. En el vidrio reforzado con calor, la fragmentación se ve afectada tanto por el pretensado como por los esfuerzos aplicados. Esto significa que podría ser posible tener valores iniciales de agrietamiento similares para el vidrio recocido y termoendurecido. Otra explicación podría ser que las cargas se introducen a través de los bordes de los tubos, por lo que no se producen picos de tensión en la superficie.

4.3. Cálculos manuales

Previamente, se realizan algunos cálculos manuales. No se tienen en cuenta grietas en los cálculos manuales, lo que significa que los resultados de los cálculos y las pruebas pueden variar. Se utilizan las siguientes ecuaciones:

Dónde:

En la tabla 2, las deformaciones y los desplazamientos se calculan utilizando las ecuaciones 1, 2 y 3.

Tabla 2: Las deformaciones y desplazamientos calculados.

4.4. Resultados

Los valores obtenidos a partir de los cálculos manuales (tabla 2) se pueden comparar con las deformaciones y desplazamientos promedio de las pruebas, que figuran en la tabla 3. Casi todas las deformaciones y desplazamientos de las pruebas están dentro del rango de los valores calculados, solo la galga extensiométrica 12 se estaba desviando en la muestra 3, por lo que los valores medios son inferiores a los calculados.

Los resultados de las pruebas se resumen en la tabla 4. Aquí se muestra la carga de falla inicial (cuando apareció la primera grieta) y la carga máxima (cuando las muestras de vidrio comenzaron a romperse) con las tensiones correspondientes. El área de la sección transversal de los dos tubos de vidrio es de aproximadamente 3220 mm2. Cuando la muestra se comprimió con una fuerza de 750 kN, los esfuerzos de compresión rondan los 233 MPa. Esto está cerca de la resistencia a la compresión máxima teórica para el vidrio de borosilicato de 260-350 MPa (Oikonomopoulou 2019).

Los esfuerzos de tracción ocurren debido a las deformaciones laterales causadas por la relación de Poisson. Dado que la resistencia a la compresión es mayor que la resistencia a la tracción, la resistencia a la tracción se alcanzará antes que la resistencia a la compresión (Haldimann et al. 2008). Debido a los efectos de la relación de Poisson, se producirá un alargamiento transversal que dará como resultado tensiones de tracción. La resistencia a la tracción de la tabla 3 se calcula a partir de la ecuación 4. Según SCHOTT, la relación de Poisson para el vidrio de borosilicato es 0,2 (SCHOTT nd).

Donde υ es la relación de Poisson.

Tabla 3: Los valores de deformación promedio y los desplazamientos correspondientes de las pruebas: muestras 1, 2, 3, 4, 6.

Tabla 4: Resultados de las pruebas de falla y carga máxima con las tensiones correspondientes: todas las muestras

Las galgas extensométricas comprueban la distribución uniforme de la fuerza. Si las fuerzas son iguales en los tubos de vidrio, entonces las deformaciones son iguales. La Figura 9 (izquierda) muestra una curva típica de deformación versus carga de una de las muestras. R001-R012 son las doce galgas extensométricas. R001-R006 son las galgas extensométricas colocadas en el exterior de los tubos de vidrio y R007-R012 son las galgas extensométricas en el interior de los tubos de vidrio. Como se muestra en la figura 9, al principio las tensiones son casi iguales. Después de eso, el campo de tensión cambia, por lo que algunas galgas extensométricas se desvían. Hay algunas razones posibles con respecto a esto último:

Las conexiones y el mortero HILTI HIT-HY 270 permanecieron intactos. Sólo se rompió el cristal. La prueba finalizó cuando la columna de vidrio experimentó una combinación de múltiples fracturas y una caída significativa en la curva de carga versus desplazamiento. Por lo tanto, esta puede considerarse la capacidad última de compresión de las columnas de vidrio. La figura 9 (derecha) muestra las curvas de carga versus desplazamiento para todas las muestras, excepto la muestra 5. La curva de la muestra 5 no es confiable porque la máquina no registró algunos de los datos durante la prueba.

Las viñetas en el gráfico representan la carga a la que apareció la primera grieta en las muestras (la carga de falla). Las grietas aparecieron entre 95-160 kN. Esto corresponde a una tensión de compresión de 29,5-49,5 MPa, con tensiones de tracción correspondientes de 5,9-9,9 MPa. Con base en las ecuaciones 6 y 7 de la NEN 2608 (2014), la tensión de tracción admisible para el vidrio recocido es de 15,5 MPa y para el vidrio termoendurecido es de 36,3 MPa; lo que a su vez implicaría que, en teoría, las primeras grietas deberían ocurrir alrededor de 250 kN de carga de compresión con una resistencia a la compresión nominal correspondiente de 78 MPa con la configuración dada.

Las posibles razones que pueden explicar el agrietamiento temprano del vidrio son:

En todos los especímenes, las grietas comenzaron desde el borde superior o inferior de los tubos de vidrio. Estas grietas podrían ser causadas por elongación transversal, lo que resultó en esfuerzos de tracción. Después de que aparecieron las grietas, se alivian las tensiones locales. Los tubos de vidrio agrietados se mantienen unidos por el material de la capa intermedia, manteniendo así una capacidad de carga posterior a la rotura. La curva de las curvas de carga versus desplazamiento continuó, lo que significa que no se pierde rigidez después de la fractura.

Este estudio exploró el potencial y las limitaciones en el diseño y la ingeniería de una columna de vidrio tubular robusta, redundante, a prueba de fuego, transparente. Se han diseñado y fabricado dos variantes: el MLA y el SLW. Las tolerancias de fabricación de los tubos de vidrio y su laminación pueden ser un desafío. Los tubos deben unirse mediante laminación para volverse robustos, y la columna se puede reemplazar cuando se rompe. Otro aspecto que necesita atención es el montaje de la columna. Con la regulación del aire y el agua, se pueden evitar las presiones isocóricas y las tensiones térmicas. De lo contrario, los granos de sílice se pueden utilizar para absorber agua cuando se produce la condensación. El diseño de las conexiones finales es particularmente crítico para el comportamiento de las columnas. Las conexiones son articuladas y se utiliza mortero HILTI HIT-HY 270 para distribuir las fuerzas en el vidrio. Además, los bloques de POM están diseñados entre el vidrio y los componentes de acero.

Para la prueba, se fabrican seis muestras de 300 mm de largo y con un diámetro exterior de 115 mm de dos tubos de vidrio de borosilicato que soportan carga fabricados por SCHOTT. Los tubos están unidos entre sí por HBFuller Kӧmmerling. Las conexiones están hechas de: un bloque POM y un soporte de acero (Octatube), bisagras de acero GX50T (technipartz) y mortero HILTI HIT-HY 270.

Las grietas iniciales aparecieron entre una resistencia a la compresión de 30-50 MPa en las muestras de DURAN® y entre 37-50 MPa en las muestras de DURATAN®; en todos los casos las grietas se iniciaron desde el borde superior o inferior de los tubos de vidrio. Solo se fracturó el vidrio y las conexiones quedaron intactas. La tensión en el agrietamiento inicial es inferior a la prevista por los cálculos manuales; las primeras grietas ocurrieron al 34-64% de la carga calculada. Esto se puede atribuir a varios factores, incluidas las tensiones máximas que se producen debido a las tolerancias de fabricación o la carga excéntrica.

Aún así, hay un buen grado de acción compuesta entre los tubos debido al material de la capa intermedia. Incluso después de la fractura, las muestras permanecieron rígidas y fuertes. La capacidad nominal de resistencia a la compresión para las muestras de DURATAN® es de alrededor de 150 MPa y para las muestras de DURAN® de alrededor de 233 MPa. Las muestras recocidas tenían una propagación lenta de grietas y pueden soportar alrededor de 4 a 5 veces más carga después del agrietamiento inicial. Las muestras termoendurecidas tuvieron una rápida propagación y pueden soportar 3 veces más carga después del agrietamiento inicial.

No obstante, es necesario realizar más pruebas para establecer los valores de diseño, ya que las pruebas actuales son bastante limitadas. Para poder evaluar el efecto del pandeo en este tipo de columnas de vidrio tubular, es necesario realizar ensayos de compresión en probetas más largas. También se recomienda probar muestras bajo impacto, fuego, carga a corto y largo plazo. Además, para mejorar aún más la transparencia y reducir la contracción dentro del material de la capa intermedia, es necesario realizar más investigaciones sobre el proceso de laminación de un tubo dentro de un tubo. Durante las pruebas, se utilizan galgas extensiométricas que se pegan al vidrio. Los valores de las galgas extensométricas se están desviando, por lo que tal vez sea posible usar otros métodos más confiables para verificar si las deformaciones son iguales en el vidrio.

Además, en este proyecto se ensayan muestras utilizando únicamente tubos de vidrio recocidos o únicamente termoendurecidos. Quizás una combinación de tubos recocidos y termoendurecidos demuestre ser más eficiente. Los experimentos indicaron que los tubos de vidrio termoendurecido presentaban una menor capacidad de carga posterior al agrietamiento (después del agrietamiento inicial) que los tubos de vidrio recocido. Esto se puede tener en cuenta durante la etapa de diseño; Se pueden integrar diferentes distribuciones de las cargas en el diseño de las conexiones finales mediante el uso de caucho duro y blando.

Los autores desean agradecer a Fred Schilperoort y Louis den Breejen por operar la máquina hidráulica durante los experimentos. Los autores agradecen a SCHOTT, HBFuller Kӧmmerling, Octatube, Hilti y Techniparts por su material de patrocinio. Nos gustaría agradecer especialmente a Klaas Roelfsma, dr. Folker Steden, Kerstin Kohl y Katrin Djuric de SCHOTT, Chris Davis, dr. Wolfgang Wittwer, Dr. Christian Scherer y Jens Wolthaus de HBFuller Kӧmmerling, Peter van de Rotten y Willem Poot de Octatube, Thomas Goedegebuure de Hilti, Frank Muntz de Techniparts. Además, los autores también expresan su agradecimiento al Dr. Fred Veer y Telesilla Bristogianni por sus valiosos comentarios.

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