Selección de materiales y ensayo de paneles compuestos de vidrio y fibra.

Fecha: 22 de diciembre de 2022

Autores: Alina Joachim, Jan Wünsch y Bernhard Weller

Fuente:Ingeniería y estructuras de vidriovolumen 6, https://doi.org/10.1007/s40940-020-00142-6

Continúa la tendencia en la arquitectura moderna hacia envolventes de edificios de alta calidad. Debido a su alta calidad superficial y su amplia gama de colores, el vidrio esmaltado se utiliza como protección contra la intemperie y como elemento de diseño. Los elementos novedosos analizados en este artículo no requieren ningún sellador ni adhesivo, ya que la capa de plástico reforzado con fibra (FRP) se aplica directamente sobre la superficie del vidrio trasero. Por un lado, el polímero aplicado proporciona una matriz para incrustar las fibras y, por otro lado, proporciona una unión adhesiva al vidrio. Por lo tanto, no se requiere ningún proceso de unión adicional. La combinación de ambos materiales permite una acción compuesta completa. La novedosa combinación de materiales aprovecha las características positivas de cada material. La alta durabilidad del vidrio proporciona protección contra los impactos ambientales y el FRP proporciona un comportamiento de carga mejorado. Este artículo presenta la elección de materiales adecuados para FRP y brinda información sobre las pruebas experimentales de la nueva combinación de materiales. Esto muestra que el vidrio contribuye a la transferencia de carga en el sistema debido a los importantes efectos de acoplamiento.

Continúa la tendencia en la arquitectura moderna hacia una optimización constante de la envolvente de los edificios. Además de su función como elemento de diseño, la fachada también contribuye al equilibrio energético del edificio. La fachada ventilada con protección contra la lluvia combina ambos: gracias a la separación del aislamiento y la protección contra la intemperie, son posibles opciones de diseño versátiles manteniendo una alta eficiencia energética. El revestimiento de la fachada podría ser de madera, piedra natural o artificial, láminas de cerámica o metal o vidrio opaco (Reichel y Schultz 2015). Cuando se utiliza vidrio, la placa de vidrio esmaltado de color actúa como una placa de cubierta no portante, que se fija a la placa portante portante y se pega con una masilla elástica de varios milímetros de espesor.

Si bien la construcción tiene la ventaja de que el vidrio actúa como protección óptima contra la lluvia y la humedad, el proceso de unión entre el panel de vidrio y la placa portadora requiere mucho tiempo porque el sellador elástico necesita varias horas para curarse (Knaack y Koenders 2018). . La figura 1 muestra una construcción típica de una fachada ventilada con paneles de vidrio pegados sobre placas de soporte. La placa de soporte se une a la subestructura metálica mediante fijaciones locales. El aislamiento térmico se coloca en la subestructura metálica. Hay un espacio entre la placa de soporte y el aislamiento térmico, lo que permite un flujo de aire vertical y da nombre al sistema.

La costosa producción y el hecho de que el vidrio solo actúa como una placa de cubierta no portante son el motivo de la idea de elementos de fachada híbridos de FRP y vidrio. Mediante la beneficiosa combinación de ambos materiales, se mejoran las propiedades funcionales y ópticas. El FRP consta de fibras de refuerzo y una matriz polimérica. La matriz polimérica rodea las fibras, que están unidas a la matriz mediante interacciones adhesivas. Además, la matriz polimérica también actúa como adhesivo a la superficie del vidrio. La resistencia a la intemperie del vidrio mejora significativamente la durabilidad del FRP. Los elementos de fachada se fabrican mediante laminación directa sobre el cristal. Esto elimina el lento paso del proceso de unir el vidrio y la placa portadora. Como tal, el vidrio proporciona el encofrado permanente para el FRP. Se puede conseguir un amplio espectro de colores pigmentando el material de la matriz. De este modo ya no es necesario el uso de vidrio coloreado y se puede prescindir del laborioso proceso de esmaltado. Una maqueta visual en GLASSTEC 2018 en Düsseldorf mostró diseños de colores versátiles (Fig. 2a).

El novedoso panel compuesto permite el uso de vidrio flotado. Además del ahorro de costes, el vidrio flotado ofrece la posibilidad de corte con chorro de agua después de la producción del compuesto de vidrio y FRP. Esto simplifica la producción. La Figura 2b muestra una muestra de dicho elemento compuesto. El FRP está coloreado en gris y los bordes aquí, como se describe, se procesan posteriormente con corte por chorro de agua. El uso de FRP en la construcción de fachadas ya se ha estudiado en otros proyectos, por ejemplo (Tomasi et al. 2014).

Sin embargo, se desconoce el uso de FRP en lugar de una placa de soporte convencional para un sistema ventilado. Este artículo proporciona una visión del trabajo de proyecto que se ha llevado a cabo y muestra el potencial de la combinación de materiales de vidrio y FRP. La elección de los componentes del FRP se describe en la Sección. 2, mientras que en la Sección. 3 se examina la combinación de vidrio y FRP. Los resultados se utilizan como base para discutir la acción de carga del componente híbrido en la Sección. 3.2.

Programa de investigación

El proceso de selección de materiales se centró en una adecuada relación precio-rendimiento de vidrio y FRP. Por lo tanto, se seleccionaron vidrio flotado recocido y fibras de vidrio como adecuados para la aplicación prevista. A continuación se buscó mediante ensayos de materiales una matriz polimérica adecuada, así como una distribución adecuada de las fibras.

La prueba exhaustiva del material se dividió en tres fases: la resina de matriz pura, el FRP y finalmente la combinación de FRP y vidrio. La lista corta de materiales de matriz se redujo a una combinación prometedora en las dos primeras etapas, en las que se evaluó el comportamiento térmico y mecánico de cada candidato.

En la primera fase (ver Sección 2.2), seis materiales de matriz fueron sometidos a análisis térmico mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) y análisis mecánico dinámico (DMA). Las propiedades mecánicas se derivaron de ensayos de tracción uniaxial. La selección se redujo a tres materiales al final de las pruebas de resina. En la segunda fase (ver Sección 2.3), los tres materiales de matriz restantes se reforzaron con fibras incrustadas en diferentes configuraciones. Se realizaron pruebas uniaxiales de acuerdo con (EN ISO 527-1) para comparar el rendimiento del FRP con el polímero puro sin ningún refuerzo.

Se realizaron más pruebas con los materiales FRP para evaluar su comportamiento en compresión y determinar su coeficiente de expansión térmica. Inicialmente, se probaron cuatro configuraciones diferentes de fibras de vidrio, pero se agregaron dos configuraciones de fibra adicionales. Al final de la segunda fase se determinaron como favoritas una resina y dos configuraciones de fibra. En la tercera fase (ver apartado 3) se examinó la combinación de vidrio y el FRP preferido en una prueba de flexión en cuatro puntos y se definió la capacidad de carga residual.

Resina

Las propiedades del material del FRP se pueden ajustar mediante la elección de la matriz polimérica, así como por el tipo, cantidad y orientación de las fibras. A medida que aumenta el contenido de fibra, la matriz asume una función puramente protectora e incrustadora. En comparación con el FRP, la matriz plástica tiene una menor densidad junto con una menor rigidez y resistencia (Bank 2006). Los FRP están hechos casi exclusivamente de polímeros termoendurecibles. Tienen una baja viscosidad, por lo que la superficie de la fibra se humedece fácilmente. En el caso de fibras completamente humedecidas, están protegidas contra las influencias ambientales y permiten una transmisión de carga constante (Pritchard 1999). Debido a la resistencia a las bajas temperaturas de los termoplásticos, son menos adecuados para usarse como resina. A una temperatura ambiente alta, aumenta el riesgo de falla de la fibra debido al corte.

Más allá de eso, los termoplásticos tienen una mayor tendencia a deformarse. Existe una amplia gama de resinas termoestables disponibles. Para la resina se prefiere el uso de resinas epoxi (EP), poliésteres insaturados (UP) o ésteres vinílicos (VE). Los tres ofrecen diferentes ventajas. Los poliésteres insaturados tienen una muy buena relación precio-rendimiento y son versátiles. Los ésteres vinílicos son adecuados para componentes oscilantes y sometidos a esfuerzos por impacto. Las resinas epoxi tienen una durabilidad excepcional, buenas propiedades adhesivas y baja contracción. Debido a su elevado precio, se utilizan casi exclusivamente para componentes sometidos a altas tensiones.

Se examinaron tres resinas epoxi diferentes, dos poliésteres insaturados y un éster vinílico. Los nombres comerciales de los materiales de la matriz no se dan en esta publicación debido a acuerdos de confidencialidad. Para obtener una descripción general, la Tabla 1 enumera las propiedades básicas de los materiales de la matriz según las especificaciones del fabricante. Dependiendo del fabricante, la información contenida en las fichas técnicas difiere mucho en términos de calidad o incluso hasta el punto de faltar información (marcada con [–]).

Tabla 1 Propiedades del material según los fabricantes -mesa de tamaño completo

Las condiciones de curado se evaluaron mediante análisis DSC. Las pruebas se realizaron según (DIN EN 11357). Las pruebas demostraron que se logra un curado completo cuando los materiales de la matriz se calientan hasta 80 °C durante 2 h. Todas las futuras probetas se fabricaron sobre esta base. Dado que los resultados del análisis DSC no contribuyeron a la selección de materiales, no se discutirán con más detalle en este documento.

Pruebas de DMA

Para poder elegir una resina, se llevaron a cabo extensas pruebas experimentales. El comportamiento termomecánico se puede examinar mediante DMA. El dispositivo de prueba se muestra en la Fig. 3a. La probeta se sometió a una carga alternante a diferentes frecuencias. Además de la definición de la temperatura de transición vítrea, la dependencia del tiempo del comportamiento del material se puede caracterizar mediante la variación de frecuencia y los valores característicos viscoelásticos se pueden determinar en un amplio rango de frecuencia. La temperatura de transición vítrea es la temperatura a la que los plásticos orgánicos pasan del estado vítreo al estado gomoso flexible. Para ello, se probó un pequeño trozo de resina curada en modo de tensión.

Según (EN ISO 6721-1), para probar un rango de frecuencia deben estar disponibles al menos tres probetas. Para obtener una orientación general de las características del material, primero se sometió una pieza de prueba a una medición de 1 Hz bajo carga de tracción. Para ello, la muestra se calentó de -60 a +120 °C a una velocidad de 2 K/min. La evaluación se llevó a cabo en el rango de -25 °C y +110 °C. Además, se sometieron tres probetas a mediciones multifrecuencia bajo tensión de tracción. Las mediciones se utilizaron para caracterizar el comportamiento de curado y estimar el desplazamiento de la temperatura de transición vítrea en función de la frecuencia. Se probaron frecuencias de 0,01 Hz, 0,1 Hz, 1 Hz, 10 Hz y 100 Hz a una temperatura que aumentaba de -33 a +100 °C a 1 K/min.

Para la definición del rango de temperatura de transición vítrea se determinaron sus valores de temperatura inicial (inferior) y final (superior). La temperatura al comienzo del rango de temperatura de transición vítrea se determinó aplicando dos tangentes a la curva del módulo de almacenamiento. Idealmente, una tangente se encuentra en la curva lineal debajo de la transición vítrea y la otra en el punto de inflexión de la pendiente pronunciada. El punto de intersección se definió como la temperatura inicial de la transición vítrea Tg0. La temperatura final Tge se caracterizó por la curva máxima del factor de pérdida. El procedimiento descrito en (ISO 6721-11) se muestra en la Fig. 3b. El módulo de almacenamiento también indica el módulo de Young del material. Por lo que el módulo de almacenamiento suele ser algo mayor que el módulo de Young de las pruebas cuasiestáticas debido a su tensión oscilante.

La Figura 4a muestra la comparación del valor medio de las temperaturas de transición vítrea de las mediciones multifrecuencia. El tamaño de las barras representa la dependencia de la frecuencia del sistema matricial. La temperatura de transición vítrea inicial promediada a partir de la medición de 1 Hz se muestra en la Tabla 2.

Tabla 2 Propiedades de los materiales obtenidas de los ensayos -mesa de tamaño completo

Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos al evaluar la temperatura de transición vítrea para la selección del material:

Si sólo se consideraran las propiedades termomecánicas derivadas de DMA, EP₁ y VE₁ mostraron los mejores resultados. Alcanzaron las temperaturas de transición vítrea más altas de Tg₀ = 61 °C (EP1) y Tg₀ = 85 °C (VE₂). Por lo tanto, VE₁ fue el único de los seis materiales de matriz examinados cuya temperatura de transición vítrea estaba por encima de la temperatura máxima de funcionamiento. Mientras que el rango de transición vítrea del VE₁ se extendía sobre ΔT = 18 K, el EP₁ reveló una transición vítrea que se extendía sobre ΔT = 33 K. Ambos materiales, EP₁ y VE₁, también mostraron una baja dependencia de la frecuencia (Fig. 4a).

Ensayo de tracción uniaxial

El ensayo de tracción según (EN ISO 527-1) se considera uno de los ensayos fundamentales del ensayo mecánico de materiales poliméricos. La máquina de prueba universal se puede utilizar como dispositivo de prueba para la prueba cuasiestática. Para el examen de las resinas se utilizó la muestra tipo 1A (EN ISO 527-2) (Fig. 4b). La probeta se carga en tensión hasta que se produce la rotura o se alcanza cualquier otro criterio de terminación. Durante la prueba, se miden las cargas aplicadas y el alargamiento. La deformación se mide ópticamente utilizando un videoextensómetro. A continuación (EN ISO 527-1) se ensayaron cinco probetas en cada caso. En el marco del trabajo se seleccionó una velocidad de deformación de 1 mm/min para determinar el módulo de Young. Todas las pruebas se llevaron a cabo a temperatura ambiente.

Dado que los plásticos tienen sólo un pequeño rango de deformación elástica, el módulo de elasticidad se determina mediante una secante en el rango del 0,05% al ​​0,25% de la deformación normativa. En este rango el material viscoelástico se deforma linealmente (Grellmann y Seidler 2015). Según la ley de Hook, el módulo de Young se calculó a partir de la relación entre el cambio de tensión ∆σ y el cambio de alargamiento ∆ε. La tensión σ se forma a partir del cociente de la fuerza de tracción medida y el área de la sección transversal inicial. Además, la tensión de rotura σB con el alargamiento de rotura asociado εB se obtuvieron como valores comparativos importantes del ensayo de tracción. La falla de la muestra estuvo acompañada por una caída de fuerza al 10% del valor de la fuerza. Para permitir una comparación directa con los datos del fabricante de la Tabla 1, también se evaluó el alargamiento de rotura (EN ISO 527-1). Los resultados se pueden encontrar en la Tabla 2, donde se utilizó como guía la presentación de la Tabla 1.

Comparando los módulos de Young entre sí, el UP1 alcanzó los valores más altos. Sin embargo, en el UP1, el módulo de Young determinado a partir del ensayo de tracción difiere considerablemente del módulo de Young determinado a partir de los resultados del análisis DMA. El UP2, EP1, EP3 y VE1 también alcanzaron un módulo de Young alto. El EP1 mostró la mayor resistencia a la tracción. El EP2 logró el mayor alargamiento de rotura (εB = 7,1%) y fue el único material que falló de manera dúctil, mientras que todos los demás materiales fallaron frágiles. El UP2 logró el menor alargamiento en el momento de la rotura.

EP1 y VE1 mostraron la temperatura de transición vítrea más alta. Dado que ambos materiales también obtuvieron resultados consistentemente buenos en los ensayos de tracción, fueron seleccionados para su uso posterior. Ambos poliésteres insaturados tenían una temperatura de transición vítrea demasiado baja para la aplicación de fachada prevista. Además, sólo alcanzaron valores bajos de alargamiento de rotura y tensión de tracción. A petición del socio del proyecto, también se examinó el UP2 en combinación con el material de fibra, ya que era el único de todos los materiales de matriz examinados al que se le había aplicado un aditivo ignífugo. Así se seleccionaron EP1, UP2 y VE1.

FRP

Existe una gran cantidad de materiales fibrosos diferentes, que se diferencian en el material, la longitud y la disposición de las propias fibras. Las fibras son el componente rígido del FRP. Por tanto, es necesario un enlace atómico fuerte entre la matriz y las fibras (Campbell 2010). En el proyecto de investigación sólo se investigaron fibras de vidrio en diferentes formas textiles. Para el uso en componentes planos son adecuados productos semiacabados textiles planos, como esteras, tejidos o trapos. Inicialmente, se probaron cuatro configuraciones diferentes de telas de fibra de vidrio (ver Fig. 5): (a) una correa uniaxial (US), (b1) una tela de lona con una estera de fibra adicional (d) en un lado (CM), ( b2) un tejido de lona pura (C) y (c) un tejido de sarga (TT). En la correa uniaxial, las fibras son unidireccionales (Fig. 5a), lo que da como resultado una sola dirección de fibra principal.

Los tejidos, sin embargo, son fibras continuas largas, entretejidas y orientadas en al menos dos direcciones. La diferencia entre el tejido de sarga y el tejido de lona es el orden de los hilos de urdimbre y de trama entre sí. Con la tela de lona estos se alternan (Fig. 5b). Esto da como resultado una alta densidad de cruce y un alto grado de resistencia al deslizamiento. Sin embargo, debido a la alta curvatura de las fibras, éstas también se debilitan. En el tejido de sarga, por el contrario, el hilo de la trama pasa por dos o tres hilos de urdimbre (Fig. 5c). Aunque la deformación por cizallamiento se reduce debido a la menor densidad de cruce, las fibras también tienen a cambio una mayor resistencia a la presión y a la fatiga. En las esteras, hay fibras cortas que se distribuyen aleatoriamente dentro del material de la matriz (Fig. 5d). Contribuyen a un comportamiento del material relativamente isotrópico, pero al mismo tiempo menos estresante.

Todas las configuraciones de fibras propuestas fueron embebidas en las resinas seleccionadas. Se llevaron a cabo pruebas de tracción uniaxiales para investigar los efectos de la adición de fibras en los materiales de la matriz y los efectos de diferentes configuraciones de fibras. Los tejidos biaxiales tienen las mismas propiedades materiales en las dos direcciones principales de las fibras y, por lo tanto, se prueban en paralelo a una sola de estas direcciones principales y en diagonal a las direcciones principales. La correa de fibra de vidrio uniaxial tiene una sola dirección principal de la fibra y ha sido probada tanto paralela como perpendicular y diagonal a la dirección de la fibra. En la Fig. 4 c) se muestra la probeta tipo 3 según (EN ISO 527-4). Por lo demás, el procedimiento de prueba es idéntico al descrito en la Sección. 2.2. Los resultados del módulo de Young y la tensión máxima de tracción se muestran en los siguientes diagramas (Figs. 6, 7).

Como era de esperar, los mejores resultados se relacionan con las pruebas en las que la carga se aplica paralela a la dirección principal de la fibra. El módulo de Young más alto se logró probando la correa uniaxial (US) paralela a la dirección principal de la fibra. Sin embargo, la cinta de fibra de vidrio uniaxial también mostró la caída más significativa en la carga de falla si se probó en cualquier otra dirección. Los resultados de otras configuraciones de fibras (lona-mat (CM), tela de lona (C) y tejido de sarga (TT)) difieren sólo marginalmente entre sí. Excepto el poliéster insaturado, la cinta de fibra de vidrio uniaxial mostró aproximadamente los mismos resultados cuando se probó perpendicular a la dirección de la fibra.

La fuerte anisotropía de la cinta de fibra de vidrio uniaxial es problemática para la aplicación prevista. Por otro lado, la cinta uniaxial convenció debido a su módulo de Young significativamente mayor. A partir de estos hallazgos, se añadió una malla quadrax a la gama de productos. El tejido quadrax tiene una estructura de capas que consta de cuatro capas orientadas de manera diferente. Cada capa está desplazada 45° con respecto a la capa anterior, lo que significa que una capa del tejido ofrece una orientación de la fibra en ambas direcciones principales y dos diagonales (Fig. 8). Dado que el tejido quadrax es también una de las variantes de formas de fibra más caras, también se probó una estera de fibra de vidrio pura. Esto podría usarse en lugar de la malla cuadrada en la parte de la sección transversal que estuvo expuesta a menos tensión.

En base a estos resultados, se eligió el epoxi EP1 para seguir avanzando en el proyecto. Alcanzó valores consistentemente altos y mostró las variaciones más pequeñas en los resultados de las pruebas. Tras la elección de los materiales, se realizaron nuevamente ensayos de tracción uniaxial. Como la estera de fibra muestra un comportamiento de material casi isotrópico y el tejido quadrax tiene una fibra alineada en las cuatro direcciones, no es necesario realizar la prueba de tracción en varias direcciones. Los resultados del ensayo de tracción para las dos combinaciones de materiales preferidas se muestran en la Fig. 9 y la Tabla 3. La resina epoxi no reforzada tiene un módulo de Young de 1937 N/mm2. El FRP con la estera de fibra alcanza un módulo de Young de 8516 N/mm² y el FRP con la malla quadrax un módulo de Young de 13632 N/mm². Aunque los valores de rigidez son inferiores a los del tejido de sarga y lona, ​​no dependen de la dirección de carga.

Tabla 3 Coeficientes de deformación transversal determinados experimentalmente para los materiales seleccionados -mesa de tamaño completo

Además, se determinaron los índices de Poisson de ambas configuraciones de FRP. Para ello se utilizaron galgas extensométricas biaxiales, que miden tanto la deformación longitudinal como la transversal en el ensayo de tracción. Los resultados se presentan en la siguiente Tabla 3. La Tabla 4 resume el proceso de selección de materiales.

Tabla 4 Selección esquemática de materiales -mesa de tamaño completo

Se consideraron dos estructuras de capas diferentes. Uno consiste en mallas puras de quadrax. Por tanto, se puede conseguir un contenido de fibra muy alto y las mejores propiedades mecánicas posibles. La construcción alternativa tiene un núcleo de estera de fibra. Mediante la sustitución de las costosas capas quadrax en el núcleo menos solicitado se pueden reducir los costes. Básicamente, el FRP siempre debe acumularse de forma simétrica. Para mantener el esfuerzo cortante entre el vidrio y el FRP lo más bajo posible, el eje neutro debe estar en el área de contacto entre ambos materiales. Suponiendo un comportamiento totalmente compuesto, este es el caso con una relación de espesor entre vidrio y FRP de aproximadamente 1:2 (Joachim 2017).

En teoría, los distintos refuerzos de fibras tienen diferentes ventajas. La malla quadrax siempre produjo los mejores resultados. Sin embargo, la relación calidad-precio de la estera de fibra convenció. Para la prueba de flexión en cuatro puntos, se utilizaron paneles de vidrio de 5 mm de espesor, lo que dio como resultado un espesor de FRP de 10 mm. Se desarrollaron las siguientes dos construcciones de laminado diferentes:

La primera estructura laminada garantiza la mayor concentración de fibras y, como resultado, las mejores propiedades mecánicas debido a su alta orientación de las fibras y al hecho de que las fibras en el tejido quadrax están en un plano en lugar de onduladas como es el caso de las fibras en una configuración de tela tejida. El segundo laminado, a su vez, puede reducir los costes de producción gracias a las esteras de fibra económicas y también dar lugar a propiedades del material casi homogéneas en el núcleo del FRP. Las capas de cubierta actúan como capas portantes en la zona de máxima tensión.

Prueba de flexión de cuatro puntos

En la práctica, los paneles de fachada se cargan principalmente durante la flexión. Para evaluar la capacidad de carga de los elementos compuestos se utiliza una prueba de flexión estándar de cuatro puntos para vidrio. La prueba de flexión del FRP se suele realizar según (EN ISO 14125). Sin embargo, para obtener resultados comparables, todas las pruebas se realizan de acuerdo con (EN 1288-1), que se utiliza normalmente para determinar la resistencia a la flexión del vidrio. Sin embargo, siempre que sea posible, se siguen las especificaciones de (EN ISO 14125) para el ensayo de flexión de FRP, aparte de las dimensiones significativamente mayores de la probeta. En la prueba de flexión en cuatro puntos, que se muestra esquemáticamente en la Fig. 10, un panel de 1100 mm de longitud y 360 mm de ancho se apoyó a una distancia de 1000 mm. La fuerza se aplicó en el centro y se dividió uniformemente en dos puntos separados 200 mm entre sí y aumentó continuamente (EN 1288-1).

Debido al “efecto Poisson” se genera un campo de tensiones adicional perpendicular a la dirección del tramo. Esto provoca una contraflexión en dirección transversal, por lo que las tensiones longitudinales ya no son uniformes. El resultado es una tensión de flexión aumentada a lo largo de los bordes longitudinales y una tensión de flexión reducida en el centro del panel. Debido a este efecto, todas las muestras fueron equipadas en ambos lados con galgas extensométricas en la mitad del panel, una en el eje central y otra cerca del borde, como se muestra en la Fig. 11.

Ambas construcciones de paneles de la selección final se probaron con flexión en cuatro puntos. La carga se aplicó desde cualquier lado de cada configuración de panel. Por lo tanto, las pruebas de flexión evaluaron tanto el rendimiento del panel con la superficie de vidrio en tensión como con el lado de FRP en tensión. Se evaluaron tres muestras por configuración de panel en las mismas condiciones de prueba. Así, se ensayaron 12 probetas. Las muestras ensayadas en este estudio cumplieron todos los requisitos de (EN ISO 14125) con respecto a la geometría.

Las muestras se cargan paso a paso con 200 N y un tiempo de mantenimiento de 1 min, hasta una carga máxima de 2000 N. Las pruebas se realizan a temperatura ambiente. La Figura 12 muestra la configuración de la prueba y una muestra con el lado de vidrio hacia abajo.

La deformación en la prueba de flexión de cuatro puntos es lineal en la dirección del espesor entre la deformación negativa en el lado superior y la deformación positiva en el lado inferior del vidrio. Tanto la deformación como el alargamiento dependen de la rigidez del material. Como resultado de la orientación cambiante de las fibras, la rigidez del laminado de FRP cambia en capas. Y, como consecuencia, existen discontinuidades en el perfil de estrés. Los resultados de la prueba de flexión de cuatro puntos se compararon con el cálculo analítico de la Sección. 3.2 y se discuten.

Ninguna de las muestras falló durante las pruebas. Sin embargo, en pruebas posteriores se evaluó la capacidad de carga residual de los paneles compuestos. Una capacidad de carga residual suficiente y la protección de las personas contra la caída de fragmentos son aspectos esenciales cuando se utiliza vidrio. La capacidad de carga residual se verificó en posición horizontal. Las probetas se cargaron con un peso de 30 kg utilizando sacos de arena (Fig. 13). El cristal de la parte inferior estaba roto en varios lugares. La capacidad de carga residual quedó garantizada durante un periodo de reposo de 48 h. El ensayo se llevó a cabo tanto en probetas con vidrio flotado como también en probetas de vidrio totalmente templado. En las pruebas realizadas el vidrio, tanto flotado como totalmente templado, se adhirió muy bien al FRP.

Incluso en el caso del vidrio laminado convencional con capas intermedias poliméricas de, por ejemplo, polivinilbutiral (PVB) o etilenvinilacetato (EVA), esto significa que los elementos alcanzan una capacidad de carga residual comparativamente alta (Overend et al. 2014). En el caso del vidrio laminado estándar, la adherencia del vidrio roto a la capa intermedia es responsable de la mayor capacidad de carga residual. Cuando se utiliza vidrio recocido o vidrio termoendurecido, los trozos de vidrio rotos se entrelazan entre sí, proporcionando de nuevo una capacidad de carga residual suficiente. Las láminas laminadas de PRFV y vidrio tienen además la ventaja adicional de que, además de la adherencia del vidrio a la resina, la capacidad de carga del propio PRFV conduce a una mayor capacidad de carga residual en comparación con el vidrio de seguridad laminado estándar.

Comparación con un cálculo analítico.

Para poder clasificar la acción compuesta del nuevo panel de fachada, se compararon los resultados del ensayo de flexión en cuatro puntos mediante un cálculo analítico asumiendo una acción compuesta completa y ninguna acción compuesta como límite por capas. La Figura 14 muestra los perfiles de tensión resultantes en el centro del tramo de los paneles compuestos de FRP y vidrio. El área azul muestra el vidrio y el área gris el FRP. Así, en la representación aquí elegida, el vidrio se encuentra en la zona sometida a la tensión de flexión y tracción. La tensión superficial se puede calcular utilizando la deformación medida en el ensayo de flexión de cuatro puntos y el módulo de Young determinado a partir de los ensayos de tracción. En Pascual et al. se presenta una aproximación a un nuevo modelo analítico, aunque no aplicable aquí. (2017).

En este artículo, los autores consideran las tensiones axiales y cortantes producidas por la respuesta local versus la respuesta global. Sin embargo, el elemento sándwich utilizado difiere mucho del conjunto de paneles elegido para el estudio. Especialmente porque el FRP se une al vidrio mediante un adhesivo en lugar de que el material de la matriz sirva al mismo tiempo como adhesivo, como en el ejemplo dado aquí. Sin embargo, aquí también se examinó un enfoque similar del perfil de estrés. En su contribución, Overend et al. (2014) también representan los perfiles de tensión de un elemento sándwich hecho de dos caras de vidrio y un núcleo de vidrio resistente al corte encerrado en capas intermedias poliméricas. Demuestran los perfiles de deformación y tensión del elemento compuesto bajo tensión de flexión con núcleo intacto y roto.

Se utilizaron los módulos de Young enumerados en la Tabla 5. La combinación de una estera de fibra y una malla cuadrada se calcula a partir de los dos módulos de Young determinados experimentalmente según las proporciones cuantitativas.

Tabla 5 Módulos de Young utilizados para el cálculo de tensiones -mesa de tamaño completo

La deformación con límite estratificado, calculada según la teoría de vigas, se tomó según la hipótesis de Bernoulli. La Figura 14a) muestra el perfil de tensiones resultante. La Figura 14b, c muestra la curva de tensión para una acción compuesta completa. Para ello se utilizó la teoría del sándwich, asumiendo un acoplamiento total entre los elementos. La siguiente Fig. 15 muestra la estructura del elemento sándwich según Stamm y Witte (1974). La parte superior del componente sándwich, con el índice “O”, representa el rango de FRP. La parte inferior del sándwich, índice “U”, representa el vaso. Para el cálculo se asume el supuesto G → ∞ y dQ → 0. La discontinuidad de tensión entre los dos materiales en la Fig. 14 se origina en los diferentes módulos de Young.

En la prueba de flexión en cuatro puntos para vidrio puro, hay una curva lineal en la dirección del espesor entre la deformación negativa en el lado superior y la deformación positiva en el lado inferior del vidrio. Dado que tanto las tensiones como las deformaciones dependen de la rigidez del material, se producen rigideces alternas en la dirección de la carga en las capas de laminado de FRP como resultado de la orientación cambiante de las fibras y, en consecuencia, saltos en la curva de tensiones en la dirección del espesor. Como resultado, los resultados del ensayo de flexión en cuatro puntos no se presentan en la forma habitual de diagramas tensión-deformación, sino como diagramas fuerza-deformación.

La Figura 16 muestra un ejemplo del diagrama de una placa hecha de malla cuadrada y vidrio con el vidrio del lado sometido a tensión de flexión y tracción. Las líneas discontinuas muestran el comportamiento de deformación-fuerza calculado analíticamente bajo el límite total compuesto y en capas. Las dos líneas a cada lado (FRP y vidrio) representan la preparación de la muestra descrita anteriormente mediante dos galgas extensométricas a cada lado. El centro de la muestra sufre una tensión igual o mayor en comparación con el borde de la muestra.

Excepto por desviaciones menores en el lado del FRP, los resultados de la prueba de flexión en cuatro puntos son consistentes con el cálculo analítico suponiendo un compuesto completo. Los experimentos demostraron que la combinación de FRP y vidrio forma un elemento híbrido (Weller y Pfalz 2018). Este resultado es consistente con otras investigaciones como Achintha y Balan (2017, 2019). Hasta una carga de 2 kN, no hay diferencia en la curva deformación-fuerza entre las dos capas de FRP seleccionadas, razón por la cual no se muestra aquí un panel compuesto por quadrax y estera de fibra.

Las pruebas experimentales en piezas pequeñas mostraron las diferentes propiedades del material resultantes de la elección del material de matriz y del tipo y cantidad de materiales fibrosos. Ésta es la razón por la que la elección del material se realiza con gran esfuerzo. Sin embargo, el objetivo real de este proyecto de investigación fue investigar la combinación de vidrio y FRP en términos de su acción compuesta. Las pruebas experimentales mostraron un acoplamiento significativo entre el vidrio y el FRP. Además, la comparación con la solución analítica muestra que la interacción vidrio-FRP está cerca de la acción compuesta total. Por primera vez, el cristal forma parte de la transferencia de carga y puede ir más allá de su función anterior.

Por lo tanto, la estructura puede ser considerablemente más delgada que antes y se puede ahorrar material. Otra ventaja estética es la posibilidad de colorear el FRP. El FRP puede adoptar cualquier color deseado. Gracias a esto y a la alta capacidad de carga residual de los elementos de fachada, se puede utilizar vidrio flotado. Es mucho más fácil trabajar con vidrio flotado, ya que se puede cortar después de unirlo con el FRP mediante corte con chorro de agua y permite crear un borde limpio.

También durante la producción de las probetas se hizo evidente una ventaja significativa frente a las placas de soporte convencionales con vidrio como capa superior: como el vidrio actúa como una especie de encofrado para el PRF, no se necesita ningún equipo para la fabricación, que puede iniciarse sin Mucha preparación. En comparación con un sistema de placa portadora convencional, en el que el vidrio está adherido a la placa portadora como protección contra la intemperie y como elemento óptico, como se describe en el apdo. 1, la resina funciona no sólo como material de matriz sino también como unión adhesiva al vidrio. Esto significa que no es necesario el pegado como un paso de producción separado.

Además de las numerosas ventajas, como el ahorro de peso y material, la reducción de costes y la simplificación de la producción, la combinación de materiales PRFV y vidrio ofrece un gran potencial: Hasta ahora, las fachadas ventiladas contra la lluvia hechas de vidrio y una placa de soporte convencional estaban disponibles exclusivamente en versión plana. diseño. El nuevo compuesto de vidrio y FRP ofrece la posibilidad de construir elementos curvos, ya que el material FRP no tiene restricciones geométricas. La Figura 17 muestra un ejemplo de dicho elemento curvo.

Teniendo en cuenta el alto potencial que resulta de la combinación de vidrio y FRP, los autores recomiendan investigar más a fondo la acción compuesta. Esto incluye series de pruebas experimentales más extensas que respaldan los resultados generados y tienen en cuenta otros aspectos, como el rendimiento del panel bajo ciclos térmicos. Al combinar diferentes materiales, siempre se debe examinar el efecto de los diferentes coeficientes de expansión térmica. Como resultado de los ciclos térmicos, el componente puede verse sometido a cargas forzadas y, en el peor de los casos, fallar. Ya se han realizado pruebas iniciales en esta zona como parte del proyecto, pero se necesita una investigación más exhaustiva. También deberían examinarse otros tipos de tensiones que influyen en la construcción de fachadas. Dependiendo del área de aplicación planificada, estos incluyen, por ejemplo, cargas de impacto o fatiga mecánica de alto ciclo.

El proyecto de investigación “FKV-Glas-VH Fassade” está financiado por el programa de investigación “Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand” (BMWi/AiF). Los autores agradecen el apoyo financiero para el proyecto de investigación. Además, nos gustaría agradecer a FIBER-TECH Products GmbH por la cooperación y el suministro de materiales y muestras de prueba.

Financiamiento de Acceso Abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL. La financiación fue proporcionada por el Ministerio Federal de Economía y Tecnología (Subvención No. ZF4123705HF5).

Autores y afiliaciones

Instituto de Construcción, Universidad Técnica, Dresde, Alemania - Alina Joachim, Jan Wünsch & Bernhard Weller

Autor correspondiente

Correspondencia a Alina Joachim.