Untersuchung der Rissbildung und des Ausdehnungsverhaltens von Rahmen

Datum: 2. August 2023

Autoren: Yanni Zhang, Luoxin Huang, Jun Deng, Zhichao Feng, Dan Yang, Xuemeng Liu und Shuai Zhang

Quelle:Feuer2023 , 6(7), 281; MDPI

DOI:https://doi.org/10.3390/fire6070281

(Dieser Artikel gehört zur Sonderausgabe Glas bei erhöhten Temperaturen und im Feuer)

Mit Rahmenträgern montiertes Floatglas findet im Hochbau breite Anwendung. Im Brandfall beeinflusst der Bruch von Floatglas maßgeblich die dynamische Entwicklung des Brandes im Gebäuderaum. Das thermische Bruchverhalten des rahmengestützten Floatglases bei thermischer Belastung wird anhand einer selbstgebauten Versuchsanlage sorgfältig untersucht. Das entworfene System zielt darauf ab, entscheidende Verhaltensparameter zu erfassen. Die experimentelle Untersuchung zeigt, dass der Hauptgrund für den Bruch des rahmengestützten Floatglases der Temperaturunterschied an der Glasoberfläche ist, wobei der kritische Temperaturunterschied bei etwa 65 °C liegt.

Der Riss beginnt am Rand der Glasoberfläche, wo der Temperaturunterschied am größten ist, und dehnt sich dann schnell aus. Durch die Überschneidung der Risse entsteht eine Rissinsel, die sich unter der Belastung des Tragrahmens und des umgebenden Glases nicht verschiebt. Basierend auf dem PFC2D-Programm wird ein thermomechanisches und mikrogeometrisches Modell des rahmengestützten Floatglases entwickelt, um das Mikrorissausdehnungsmuster des rahmengestützten Floatglases unter thermischer Belastung weiter zu zeigen. Diese Prüfung bietet theoretische Leitlinien für die Installation und Verwendung von rahmengestütztem Floatglas in Bauprojekten und die Identifizierung von Brandspuren.

Als eine der wichtigsten Komponenten, die üblicherweise in städtischen Hochhäusern verwendet werden, wird Floatglas in großem Umfang in Türen, Fenstern, Decken, Wänden und anderen Gebäudeteilen eingesetzt [1]. Da es sich um ein sprödes Material mit relativ schwachen mechanischen Eigenschaften handelt, ist Floatglas anfällig für Brüche und Verschiebungen unter der Einwirkung von Brandhitzebelastungen, was wiederum zur Entstehung neuer Brandausbreitungskanäle führen kann, was die Brandausbreitung beschleunigt und die Sicherheit des Gebäudes gefährdet Struktur und Bewohner. Der rahmengestützte Montageansatz ist die gebräuchlichste Art der Glasmontage bei Bauprojekten [2,3].

Die Analyse der dynamischen Leistung von rahmengestütztem Floatglas unter thermischer Belastung und die Untersuchung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Glases können dazu beitragen, den Bruchmechanismus von rahmengestütztem Floatglas aufzudecken und den Zusammenhang zwischen Glasbruchzeit und Temperaturunterschied zwischen den geschützten Glasscheiben weiter aufzuklären und nicht geschützte Glasbereiche bei Gebäudebränden und untersuchen den Zusammenhang zwischen Glasrissen und dem Grad der Beschädigung und dem Einsturzverhalten [4,5,6]. Daher ist das Verständnis der Sicherheitseigenschaften von Glaskomponenten im Bauwesen von entscheidender Bedeutung für den Brandschutz von Gebäuden und die Untersuchung von Brandunfällen.

Emmons [7] schlug erstmals 1986 vor, dass der Glasbruch bei einem Brand einen erheblichen Forschungswert darstellt. Seitdem haben Wissenschaftler den Mechanismus des Glasbruchs durch zahlreiche Experimente und numerische Simulationen untersucht. Skelly et al. [6] entwarf eine Simulationskammer, um den Glasbruchprozess bei einem tatsächlichen Gebäudebrand zu untersuchen. Schließlich fanden sie den theoretischen, kritischen Temperaturunterschied, der zum Bruch von kantengeschütztem Glas führt. Pagni et al. [8,9] entwickelten das Glasbruchprogramm BREAK1, das die Kopplung zwischen dem Wärmeübertragungsmodell und dem Glasbruchkriterium berücksichtigt. Ihr etabliertes numerisches Modell konnte das erste Auftreten von Glasbruch vorhersagen und das Temperaturfeld auf der Glasoberfläche berechnen. Harada et al. [10] sagten die erste Bruchzeit von Glas basierend auf den Heizbedingungen im Kastenfeuer voraus und zeigten sie anhand einer einfachen Formel an.

Basierend auf vielen Studien und Experimenten haben Pope et al. [11] schlugen ein Gaußsches Glasbruchmodell vor und wandten dieses Modell auf Software zur Simulation der Branddynamik an. Hietaniemi J [12] analysierte die Wahrscheinlichkeit von Glasabwurf und -bruch in einer Brandumgebung mithilfe der Monte-Carlo-Simulation und BREAK1. Ni et al. [13] untersuchten das Brandverhalten von Doppelfassaden mit Doppelverglasung in drei Brandszenarien mit unterschiedlichen Wärmefreisetzungsraten. Wang et al. [14,15,16,17,18] nutzten ein Finite-Elemente-Programm, um den Prozess der Glasrissausdehnung im Zusammenhang mit Unterschieden in Randbeschränkungsmethoden und thermischen Auswirkungen zu bewerten, indem sie eine große Menge grundlegender Theorien anwendeten. Wong et al. [19] untersuchten das Fallout-Verhalten von Glasproben unter Wärmestrahlung und erstellten ein probabilistisches Vorhersagemodell für Glas-Fallout.

Debuyser et al. [20] untersuchten weiter die thermischen Eigenschaften und das mechanische Verhalten von Verbundglas im Brandfall und schlugen auf der Grundlage des Experiments ein numerisches Wärmeübertragungsmodell vor. Unter unterschiedlichen Arbeitsbedingungen haben Wang et al. [21,22,23,24] untersuchten den Bruchmechanismus von Glasfassaden in einer Brandumgebung durch groß angelegte Experimente und numerische Simulationen. Sie ermittelten die Bruchregel von Glasfassaden bei verschiedenen Installationsmethoden in einer Brandumgebung. Zusätzlich zur Rissbeobachtung und zum Experimentieren mit Glas haben Mauro et al. [4] untersuchten auch den geschmolzenen Zustand von Glas bei hohen Temperaturen, schlugen das Visko-Temperatur-Beziehungsmodell von Glas vor und diskutierten eingehend den Glasübergang, der auch bei der Beschreibung des Rissmechanismus von Glas hilfreich ist.

Im Jahr 2017 führte Chiara [25] eine systematische Übersicht über die Forschung zu Glasstrukturen im Brandfall durch, stellte umfassend die Forschungsergebnisse der letzten Jahrzehnte auf diesem Gebiet vor, diskutierte eingehend die bestehenden Entwurfsmethoden und bestehenden Probleme und wies darauf hin, dass die Zukunft Die Forschung sollte auf die Anwendung multidisziplinärer Methoden achten. Seitdem haben Wissenschaftler weitere detaillierte und tiefgreifende Studien auf diesem Gebiet durchgeführt. Lu et al. [26] führten thermische Belastungstests an fünf verschiedenen Arten von punktgestützten Glasfassaden durch, erstellten thermodynamische Modelle und führten Optimierungssimulationen unter Verwendung der eingeschränkten Optimierung der quadratischen Näherungsmethode durch, um eine bessere Wärmewiderstandsleistung der Glasfassaden zu erzielen.

Chen et al. [27,28] untersuchten die Simulation und Gestaltung verschiedener Brandszenarien auf der Grundlage der entwickelten Programme zur Lösung des Glastemperaturfelds und der quasidynamischen Rissausdehnung. Anschließend wurden die erste Bruchzeit und der quasistatische dynamische Rissausdehnungsprozess von Glas unter verschiedenen Bedingungen vorhergesagt. Wang et al. [29,30] führten eine eingehende Untersuchung der relevanten Studien aus den beiden Perspektiven Experiment und Simulation durch, um eine weitere theoretische Grundlage für den Brandschutz von Glasfassaden in Gebäuden zu schaffen. Zunächst werden drei unterschiedliche Wichtigkeitsanalysemethoden verwendet, um herauszufinden, dass die Art des Glases, der Brandort und die Installationsmethode entscheidende Faktoren für den Brandschutz von Gebäudeglasfassaden sind.

Zweitens wurde durch die Validierung des Finite-Elemente-Methodenmodells festgestellt, dass der Unterschied in der Spannungsverteilung aufgrund von Größen- und Formeffekten der Hauptgrund für die unterschiedliche Feuerbeständigkeit von Glasoberflächen ist. In Bezug auf das thermische Verhalten der Glasschmelze haben Cassetta et al. [5] untersuchten weiter den Zusammenhang zwischen schwingungselastischen Eigenschaften und Viskosität. Es wird eine Schwingungseigenschaft von Elterngläsern vorgeschlagen, und das Glasverhalten kann auf der Grundlage der Elastizität vorhergesagt werden. Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler die thermische Leistung von Leichtbetonwänden mit Glas aus architektonischer Sicht untersucht und den Einfluss unterschiedlicher Glasanteile auf den Feuerwiderstand von Wänden abgeleitet, was auch einige Referenzschlussfolgerungen für das thermische Bruchverhalten von Glas liefern kann [ 31,32].

Im Allgemeinen wurde von inländischen und internationalen Wissenschaftlern viel über Glasinstallationsmethoden, Glasmaterialien, Temperaturbereiche und Risslösungsberechnungen geforscht. Es gibt jedoch noch äußerst wenige konkrete Studien zu den Eigenschaften von rahmengestützten Gläsern im Hinblick auf das thermische Durchschlagsverhalten, und es ist aufgrund der bestehenden Testbedingungen und schwierig, den tatsächlichen dynamischen Prozess von der mikroskopischen Schadensakkumulation bis zur makroskopischen Beschädigung von Gläsern zu überwachen Prüfkosten. Ziel dieses Artikels ist es, eine theoretische Referenz für die wissenschaftliche Installation und Branduntersuchung von gerahmtem Glas in Gebäuden bereitzustellen, indem die Theorie des thermischen Bruchs und der mikroskopische Schadensprozess von gerahmtem Glas unter Belastungsbedingungen mit erhöhter Temperatur untersucht werden.

Daher wurde Glas als Untersuchungsgegenstand ausgewählt und mit einer selbstgebauten Versuchsbank und einer Partikelflusssoftware wurden großmaßstäbliche Experimente und numerische Brandsimulationen an rahmengestütztem Glas durchgeführt. Wir haben die charakteristischen Verhaltensparameter wie Oberflächentemperatur, Ort der Rissbildung und Ausdehnungsmuster analysiert, um das makroskopische thermische Aufbruchverhalten von rahmengestütztem Floatglas zu bestimmen. Darüber hinaus wurde der Mikrobruchprozess von Glas unter thermischer Belastung mit dem PFC2D-Code simuliert, um den Mechanismus der Mikrorissausdehnung unter thermischer Belastung aufzudecken und so das Bruchverhalten und den Bruchmechanismus von rahmengestütztem Glas zu verstehen.

2.1. Experimentelle Beschreibung

Der technische Standard für Glasfassaden wird verwendet, um eine Glasfeuer-Experimentierplattform zu entwerfen, die den experimentellen Anforderungen gerecht wird. Das in diesem Experiment verwendete Glas ist Floatglas, das aufgrund seiner hervorragenden Leistung und stabilen physikalischen und chemischen Eigenschaften häufig in rahmengestützten Glasvorhangsystemen verwendet wird. Daher wird in dieser Arbeit Floatglas als Forschungsobjekt ausgewählt, um die praktische technische Bedeutung zu erhöhen. Das in diesem Experiment verwendete Floatglas wird von der China Pingxiang Float Glass Factory hergestellt. Tabelle 1 zeigt die Entsprechung zwischen der Oberflächenviskosität und der Volumenviskosität des Glases, Tabelle 2 zeigt die chemische Zusammensetzung des Glases und der Anteil jeder chemischen Zusammensetzung wird als Gewichtsprozent angegeben.

Darüber hinaus beträgt die Durchlässigkeit für sichtbares Licht 84 Prozent. Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird im Brandsimulationssystem eine Ölwanne mit den Abmessungen 500 mm × 500 mm als Brennstoffbehälter genutzt und unterhalb des Ölbeckens eine Massenverlustbilanz angeordnet. Der Glasträgerrahmen besteht aus vier hochtemperaturbeständigen Edelstahlkanten, wobei die Kanten das Floatglas auf einer Breite von 20 mm beschatten, und der Glasträgerrahmen wird 350 mm von der Mitte des Brandherdes entfernt platziert. Um die physikalischen Parameter des Floatglases im Experiment gleich zu machen, wird das gesamte Floatglas in einem Stück mit einer Größe von 1000 mm × 1000 mm × 6 mm geschnitten und die Kanten geschliffen.

Tabelle 1. Die entsprechende Beziehung zwischen Oberflächenviskosität und Volumenviskosität von Floatglas.

Tabelle 2. Chemische Zusammensetzung von Floatglas.

Zur Erfassung der charakteristischen Glasbruchparameter wird eine Hochgeschwindigkeitskamera Memrecam HX-1E ausgewählt. Die Glasoberflächentemperatur wird mit einem K-Typ-Patch-Thermoelement von 0 °C bis 800 °C gemessen. Darüber hinaus wird die Lufttemperatur von 0 °C bis 1300 °C mit einem gepanzerten NiCr-NiSi-Thermoelement J gemessen, das 5 mm von der Mitte des Floatglases in Richtung der Feuerfläche angebracht ist. Die Verteilung der Thermoelemente auf der Glasoberfläche ist in Abbildung 2 dargestellt, wobei die Kleinbuchstaben Thermoelemente an der Position des Floatglases zur Feueroberfläche bezeichnen, während die Großbuchstaben Thermoelemente an der Floatglas-Rückfeueroberfläche darstellen. Um experimentelle Fehler wirksam zu vermeiden, werden vier Sätze sich wiederholender Experimente durchgeführt und die endgültigen experimentellen Ergebnisse gemittelt.

2.2. Numerische Simulationen

2.2.1. Thermodynamische Gleichungen in diskreten Körpern

Das PFC2D-Programm verwendet normalerweise ein Mikrostrukturmodell, das ein thermisches Gedächtnis und ein Wärmerohr enthält, um das Temperaturfeld vorherzusagen. Abbildung 3 zeigt eine schematische Darstellung der Wärmeübertragung innerhalb der aktivierten Wärmerohre zwischen den Wärmespeichern. Es besteht ein koinzidenter Kontakt zwischen den Wärmerohren und den Partikeln, und die Wärmerohre werden aktiviert, wenn zwischen den beiden Partikeln ein Überlappungsbereich oder eine Verbindungsverbindung besteht. Während der Belastung ändert sich die Anzahl der aktivierten Wärmerohre und die Wärmeleitfähigkeit des Materials variiert, wenn im mikroskopischen Modell des Materials neue Verbindungsverbindungen entstehen oder gelöst werden.

Die Umwandlung der Wärmeübertragungsgleichung für ein Kontinuum in die Wärmeübertragungsgleichung für einen diskreten Körper ist möglich:

wobei 𝑄𝑣=𝑉⋅𝑞𝑣 die Wärmequellenintensität des Diskreten bezeichnet, 𝑚 die Masse des Diskreten darstellt und 𝐶𝑣 die spezifische Wärmekapazität ist.

Bei der diskreten Elementmodellierung des Problems beschreibt die thermische Ausdehnung der Partikel und der verbindenden Bindungen zwischen ihnen die thermische Belastung des Materials. Die Änderung der thermischen Spannung kann durch eine Änderung des Partikelradius erreicht werden. Dieses Problem kann wie folgt formuliert werden:

wobei 𝛼 den linearen Koeffizienten der Wärmeausdehnung bezeichnet, ∆𝑇 eine bekannte Temperaturdifferenz darstellt und ∆𝑅 die Variation des Partikelradius ist.

Wenn zwischen jedem Partikelpaar eine Bindung besteht und die Wärmerohre aktiv wären, führt eine Temperaturänderung zu einer Änderung der Bindungslänge und der auf die Bindung ausgeübten Kraft. Die Änderung von 𝐿¯ aufgrund einer Temperaturänderung wirkt sich nur wie folgt auf die Änderung der Normalkraft aus:

wobei 𝑘¯ⁿ und 𝐴 die normale Steifigkeit und Querschnittsfläche der Bindung darstellen, 𝛼¯ der für die Bindung relevante lineare Wärmeausdehnungskoeffizient ist und Δ𝑈 das Ausmaß der Überlappung zwischen den beiden sich berührenden Partikeln bezeichnet.

2.2.2. Die diskrete Elementmodellierung des Floatglases

Die Hauptidee des Teilchen-Diskrete-Elemente-Modells besteht darin, das Rechenmodell in mehrere unabhängige Teilchenkörper zu unterteilen und die Berechnung entsprechend der Kraftbeziehung zwischen den Teilchen unter Verwendung des zweiten Newtonschen Bewegungsgesetzes und des Kraft-Weg-Gesetzes zu iterieren, bis die vorgegebenen Bedingungen erfüllt sind und dann wird die Berechnung gestoppt. Die Bewegung eines kreisförmigen Partikelmediums und seine Wechselwirkungen werden mithilfe der Methode der diskreten Einheiten simuliert und die makroskopischen Bewegungsgesetze des gesamten Systems werden entsprechend extrahiert. Abbildung 4 zeigt ein vereinfachtes diskretes Elementmodell des Floatglases mit 24.157 Partikeln, einer Glasgröße von 1000 × 1000 mm, einer vierseitigen Rahmenbeschränkung und einer beheizten Oberfläche sowie eine transiente Analyse unter Verwendung einer gekoppelten Temperatur-Spannungs-Sequenzmethode mit ein eingestellter Temperatur- und Spannungsiterationsschritt von 1 × 10⁻³ s.

Das PFC2D-Programm erstellt ein zweidimensionales Parallelbindungsmodell mit eng beieinander liegenden und zufällig verteilten Partikeln. Die Körner werden beschrieben, indem die Partikelgröße angepasst und die Modellporosität so eingestellt wird, dass sie mit der Materialporosität übereinstimmt, um eine mikroskopische Ähnlichkeit zwischen dem diskreten Elementmodell und der realen Struktur zu erreichen. Die mikroskopischen Parameter, wie etwa die Steifigkeitsverhältnisse der parallelen Bindung sowie normale und tangentiale Bindungsstärken, werden im Wesentlichen durch „Versuch-und-Irrtum“-Anpassungen bestimmt, und die Kontrollparameter sind in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3. Die Steuerparameter für numerische Beispiele der thermodynamisch gekoppelten Granulatströmung im Floatglas.

Die Temperaturbelastung nach einem Gebäudebrand berücksichtigt hauptsächlich die feste Brandlast, die bewegliche Brandlast, die Wärmefreisetzungsrate und die Branddauer. In der vorliegenden Arbeit wird das ISO834-Standardbrandmodell verwendet, um Hochtemperaturbelastungen gemäß der folgenden Beziehung zu simulieren:

3.1. Die Temperaturfelder der Glasoberfläche und der Luft

Basierend auf den Untersuchungen von Wang Yu und anderen Forschern [27,28] lässt sich erkennen, dass sich der maximale Temperaturgradient auf der Glasoberfläche hauptsächlich zwischen der freiliegenden Glasoberfläche und der geschützten Oberfläche des Rahmens konzentriert. Daher wird das vorliegende Experiment durchgeführt, indem Thermoelemente auf der Oberfläche des Floatglases platziert werden. Diese werden etwa 5 mm von der Mitte der feuerzugewandten Oberfläche des Floatglases entfernt positioniert, um die Temperaturänderung der Glasoberfläche und der Luft zu überwachen. Die experimentell erzielten Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt.

Insgesamt ist ein Temperaturanstieg des rahmengestützten Floatglases bei thermischer Hochtemperaturbelastung zu beobachten. Da der nicht beschattete Bereich des Floatglases direkt der Wärmestrahlung der Luft ausgesetzt ist, steigt die mit den Thermoelementen e, f, b, d und h gemessene Temperatur im nicht beschatteten Bereich relativ schnell an und folgt dem Der gleiche Trend deutet auf eine gleichmäßige Verteilung der Wärmelast auf der Oberfläche des nicht beschatteten Bereichs des Floatglases hin. Während die Temperatur im schattierten Bereich, gemessen mit den Thermoelementen a, g, c und i, relativ langsam ansteigt, sind die vier Seiten des Floatglases der Schattierungswirkung des Metallrahmens ausgesetzt.

Der Temperaturanstieg ist im Vergleich zum Glas im nicht beschatteten Bereich relativ gering, wobei der Messpunkt a im beschatteten Bereich liegt; Dennoch steigt der heiße Rauch des Brandherdes unter der Wirkung der Rauchfahne auf, was dazu führt, dass sich der Messpunkt in der Heißluftschicht befindet und der Temperaturanstieg im Vergleich zu den anderen schattierten Bereichen schneller ist. Der unterschiedliche Temperaturanstieg zwischen den beschatteten und nicht beschatteten Bereichen der Glasoberfläche führt zu einem Temperaturgradienten auf der Glasoberfläche.

Da Glas außerdem ein schlechter Wärmeleiter ist, dauert es länger, bis die Wärme vom Glas auf die Rückseite des Feuers übertragen wird. Die von den Thermoelementen b, d, h und e am Glas zum Kamin gemessenen Temperaturen sind höher als die von den Thermoelementen B, D, H und E auf der Rückseite des Feuers gemessenen Temperaturen. Dies impliziert einen bemerkenswerten Temperaturgradienten in Richtung der Glasdicke.

Steigt der Temperaturgradient und ist die resultierende thermische Spannung höher als die lokale Belastung der Glasoberfläche, kommt es zum Bruch des Glases. Die Temperaturen der beschatteten und nicht beschatteten Bereiche zum Zeitpunkt des Glasbruchs in jeder Versuchsgruppe werden verglichen. Anschließend wird die maximale Temperaturdifferenz des Glases ausgewertet. Es ist erkennbar, dass der experimentell kritische Temperaturunterschied für den Bruch des rahmengestützten Floatglases etwa 65 °C beträgt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Temperaturunterschied zwischen den beschatteten und nicht beschatteten Bereichen des rahmengestützten Floatglases die Hauptursache für das Bruchphänomen unter thermischer Belastung ist.

3.2. Zeit bis zum ersten Bruch und Rissentwicklung des Glases

Der Zeitpunkt des ersten Glasbruchs liegt zwischen dem Beginn der Zündung und dem ersten Bruch des Glases. Als wesentlicher charakteristischer Parameter des thermischen Bruchverhaltens des Glases hat der Zeitpunkt des ersten Glasbruchs entscheidenden Einfluss auf die dynamische Entwicklung von Gebäudebränden. Aus den Bildaufnahmen der Hochgeschwindigkeitskamera wird die Erstbruchzeit des Floatglases im Test ermittelt. Der Bruch des Floatglases kommt in allen vier Versuchsgruppen vor. Die Temperatur, die dem ersten Bruch des Floatglases entspricht, ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Zeit des ersten Bruchs des Floatglases und der Ort der Rissentstehung sind in Tabelle 4 dargestellt. Die Rissausdehnung und die endgültige Form des Rahmens -gestütztes Floatglas sind in Abbildung 6 dargestellt, und das Glas im Bild ist eine Aufnahme in Originalgröße.

Tabelle 4. Zeitpunkt des ersten Bruchs und Ort der Rissbildung im Floatglas.

Die durchschnittliche Zeit bis zur ersten Rissbildung des rahmengestützten Floatglases beträgt im Versuch 140 s. Die Hochgeschwindigkeitskameraaufnahme zeigt, dass die Risse aufgrund des großen Temperaturunterschieds auf Glasebene am linken und rechten Rand des Glases entstehen; Daher treten die Risse häufiger auf der linken und rechten Seite des Glases auf. Durch den Vergleich des Ortes der Rissentstehung und des Bereichs mit dem größten Temperaturunterschied wird festgestellt, dass die Risse alle am Rand der Glasoberfläche beginnen, wo der Temperaturunterschied am größten ist. Die Risse entstehen am Rand und dehnen sich dann schnell auf den zentralen Bereich des Glases oder andere Kanten aus, bevor sie sich nicht mehr ausdehnen. Schließlich werden an jedem Hauptriss zwei bis drei gegabelte Risse beobachtet, wobei sich nach der Kreuzung der Risse Rissinseln bilden. Aufgrund der Beschränkung des Glasstützrahmens und der Spannungswirkung des umgebenden Glases bleiben die Rissinseln in ihren ursprünglichen Positionen (dh in keinem der vier Versuchsreihen wird eine Rissinsel verschoben).

3.3. Die Morphologie des Mikrorissbruchs

Unter Verwendung von PFC2D in Kombination mit der Fish-Sprache zur Vorbereitung des Ladebefehlsflusses und zur Anpassung der Messkugelfunktion werden die Mikrorisseigenschaften des berechneten Modells während der Hochtemperaturbelastung durch iterative Berechnung ermittelt, wie in Abbildung 7 dargestellt, wobei die roten Bereiche die zeigen Bruchregionen. Bei Belastungsschritten unter 5270 entstehen Mikrorisse auf der Glasoberfläche und der Bruchbereich ist gering. Mit steigender Temperatur nimmt die thermische Belastung der Glasoberfläche allmählich zu, die Anzahl der Mikrorisse nimmt weiter zu, das Glas erzeugt Mikrorisse und die Bruchstelle weist eine unregelmäßige Ausdehnung auf.

Bei hohen Temperaturen keimen und entwickeln sich weiterhin Mikrorisse, die sich hauptsächlich dadurch bemerkbar machen, dass Risse entlang des Kristalls, innerhalb des Kristalls und durch den Kristall in großer Zahl vorhanden sind. Es entsteht eine rissvernetzte Netzwerkstruktur, die die Wärmeleitung zwischen den Partikeln zerstört. Wenn sich die Anzahl der Belastungsschritte 25.301 nähert, versagt die Glasstruktur, die Anzahl der Risse nimmt nicht mehr zu und der Mikrorissbereich tendiert dazu, sich zu stabilisieren. Während der Belastungsphase wird die Anzahl der Risse im Modell von Längs- und kleinen Tangentialrissen dominiert, was darauf hindeutet, dass das Modell im Wesentlichen durch Spannungsrissschäden mit einem geringen Anteil an Scherschäden gesteuert wird.

Unter thermischer Belastung verhält sich Glas wie ein sprödes Material, so dass sich bei Änderung der Spannungs- und Verschiebungsfelder leicht Mikrorisse bilden können. Abbildung 8 zeigt ein Wolkendiagramm der Spannungsfeldverteilung des Floatglases unter Hochtemperaturbelastung. Bei einer Anzahl von Belastungsschritten unter 5270 ist die Kontaktkraftverteilung relativ gleichmäßig und es tritt keine konzentrierte Verteilung auf. Bei der Anzahl der Belastungsschritte im Bereich von 5270–25.301 wird das Glas schnell erhitzt, da die Temperaturbelastung in Normalrichtung große thermische Spannungen erzeugt. In einem solchen Fall bewegen sich die aus dem Modell bestehenden Partikel aufgrund der Extrusion, und dadurch nehmen die Kontaktkräfte zwischen den Partikeln zu, und der Spitzenwert der Kontaktkraft im Partikelmodell erhöht sich durch die Zunahme der thermischen Belastung.

Wenn die Anzahl der Belastungsschritte 25.301 übersteigt, nimmt die Kontaktkraft am Ende des Risses allmählich zu, sodass durch die Konzentration der Kontaktkraft Mikrorisse entstehen. In dem Moment, in dem die normale Temperaturbelastung ihren Höhepunkt erreicht, nimmt die Kontaktkraft am Ende des Risses ab, was zu einer allmählichen Verringerung der Kontaktkraft im gesamten Modell führt. Anschließend bilden sich Risse und die Quetschwirkung zwischen den einzelnen Partikeln nimmt ab, so dass die Kontaktkraft im mittleren Bereich des Risses verschwindet. Daher nimmt die Spitzenkontaktkraft allmählich ab. Im späteren Belastungsstadium verschwindet die Kontaktspannungskonzentrationszone an der Innengrenze des Glases, die Kontaktkraft wird vollständig aufgehoben und es bilden sich keine neuen Risse auf der Innenseite des Glases. An diesem Punkt erfolgt die Rissausweitung durch die kontinuierliche Entspannung der Zugspannung.

3.4. Merkmale der Microcrack Evolution

Die Anzahl der Mikrorisse im Glas nimmt mit zunehmender Temperatur zu und ihre Verteilung ist unregelmäßig. Bei 5270 Belastungsstufen entstehen nach und nach große Rissbänder und große Risse zwischen den Glaspartikeln. Bei 7231 Belastungsstufen verbinden sich nach und nach zahlreiche kleine Risse und vernetzen sich zu Mikrorissen, begleitet von deutlich beschädigten Stellen. Bei 25.301 Beladungsschritten erreicht die Anzahl der Mikrorisse ihren Höhepunkt und danach tendieren Anzahl und Länge der Mikrorisse dazu, sich bei einer Temperatur von etwa 650 °C zu stabilisieren. Man geht daher davon aus, dass die Mikrorisse im Floatglas unter hoher Temperatureinwirkung zunächst kontinuierlich sprießen und sich dann rasch in Längs- und Querrichtung ausdehnen und Makrorisse bilden.

Um die Temperaturempfindlichkeit von Mikrorissen während der Belastung widerzuspiegeln, ist 𝑀𝑛 definiert als die Änderungsrate der Anzahl von Rissen in einem bestimmten Temperaturbereich, berechnet durch:

wobei 𝑁𝑛+1 und 𝑁𝑛 die Anzahl der Mikrorisse im Glas in der (𝑛+1)-ten und 𝑛-ten Belastungsstufe darstellen, während 𝑇𝑛+1 und 𝑇𝑛 die entsprechenden auf die Glasoberfläche ausgeübten Temperaturen bezeichnen.

Den numerischen Simulationsergebnissen zufolge ist die Variation von 𝑀𝑛 und die Gesamtzahl der Mikrorisse mit der Belastungstemperatur während des Erwärmungsprozesses in Abbildung 9 dargestellt. Während des Belastungsprozesses zeigt das Diagramm von 𝑀𝑛 in Bezug auf die Belastung und Temperatur eine Oszillationstrend. Dies liegt daran, dass die erzeugte thermische Spannung das Entstehen von Mikrorissen sowie deren Ausdehnung sowohl in Längs- als auch in Querrichtung fördert. Zu Beginn der Belastung schwankt der 𝑀𝑛-Wert über und unter 𝑀𝑛 = 3. Wenn die Temperatur 600 °C erreicht, steigt der 𝑀𝑛 plötzlich an und erreicht einen Spitzenwert; Anschließend zeigen die Diagramme von Mn eine große „oszillierende“ Verringerung, wenn die Temperatur 940 °C erreicht, der 𝑀𝑛-Wert auf 0 fällt und unverändert bleibt. Während des gesamten Belastungsprozesses steigt der Trend der Gesamtzahl der Mikrorisse in Abhängigkeit von der Temperatur stark an und stabilisiert sich dann.

Unter thermischer Belastung kommt es in den meisten Fällen zu Mikrorissen in Längs- und Querrichtung. Wie in Abbildung 10 dargestellt, dehnen sich die Risse mit zunehmender Anzahl thermischer Zyklen in Längsrichtung „geradlinig“ aus. Während der Bildung und Entwicklung der Mikrorisse im Glas kreuzen sich einige der Mikrorisse nach und nach und verbinden sich zu einem „Schildkrötenpanzer“.

3.5. Der Erweiterungsmechanismus von Mikrorissen

Durch die Analyse der Mikrostruktur und des Prozesses der Mikrorissentstehung und -ausdehnung im Glas unter thermischer Belastung wurde festgestellt, dass der Modellversagensprozess unter thermischer Belastung in drei offensichtliche Phasen unterteilt werden kann: Mikroriss-Entstehungsstadium, Mikroriss-Ausdehnungsstadium und Rissdurchdringungsversagensstadium.

Im Mikrorissentstehungsstadium erfolgt die Rissentstehung während des gesamten Mikrobruchprozesses, und die Rissinitiierung erfolgt diskontinuierlich nach diskontinuierlicher Entstehung und Expansion. Die physikalischen Eigenschaften, wie der Anfangswinkel des Risses sowie die Lage des Risskeims, sind überwiegend zufällig und ungeordnet. Mit zunehmender Temperatur vergrößert sich die Schadenszone allmählich, hauptsächlich aufgrund der Unterschiede in der Verbindungsbindung und Partikelgröße sowie den thermischen Ausdehnungseigenschaften der Partikel, was zu einer unkoordinierten Verformung führt.

Dieses Problem führt zu einer Verringerung des Verhältnisses zwischen der langen und kurzen Achse einiger Mikrorisse während des Erwärmungsprozesses, wodurch eine Schadenszone entsteht. In diesem Stadium entwickeln sich die Risse entlang der Partikelgrenzen (siehe Abbildung 11a), wobei die entstehenden Risse an den Grenzen der Modellpartikel oder in ihnen entstehen und sich entwickeln. Dann werden die Risse durch die Form, Anordnung und Bindungslänge der Glaspartikel während ihrer Entstehung beeinflusst, wobei die Anfangswinkel der Risse ihre Zufälligkeit aufweisen.

In der Mikrorisserweiterungsphase erfolgt die Risserweiterung innerhalb des Modells mit der Tendenz, sich in das Korn hinein auszudehnen, und die Richtung der Erweiterung verläuft senkrecht zur Spannungsrichtung (siehe Abbildung 11b, e). Nachdem das Modell während der thermischen Belastung gleichmäßig erhitzt wird, führt der Unterschied in den internen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einem ungleichmäßigen Wärmeausdehnungszustand für jede Struktur, und verschiedene thermische Spannungen erzeugen ein ungleichmäßiges thermisches Spannungsfeld innerhalb des Glaskörpers. Wenn die thermische Spannung größer ist als die Streckgrenze des Materials, kommt es zu einer Mikrorissausdehnung sowohl in Längs- als auch in Querrichtung.

Während der Rissdurchdringungsversagensphase (siehe Abbildung 11c,f) dehnen sich die Glaspartikel thermisch aus und die Anzahl kleiner Risse nimmt mit zunehmender Belastung zu. Die Korngrenzenrisse des Modells dehnen sich entlang der Korngrenze weiter aus. Bei kontinuierlicher thermischer Belastung verbinden sich die Risse entlang der Korn- und Korngrenzenrisse, und zahlreiche kleine Risse verbinden sich nach und nach und verbinden sich zu makroskopischen Rissen.

Der mikroskopische Rissmechanismus des erhitzten Glases kann anhand der oben genannten Mikrostrukturrisse und -erweiterung weiter untersucht werden. Wenn die resultierende thermische Spannung zwischen den Partikeln die entsprechende Zug- oder Scherbindungsfestigkeit übersteigt, beginnen Mikrorisse zu entstehen und sich entlang der Grenzen der konstituierenden Partikel auszudehnen. Bei den kleinen thermischen Spannungen verzögern die großen Partikel die Ausbreitung der entstehenden Risse und bilden schließlich dendritische Risse; Wenn jedoch die thermische Belastung groß ist, bilden diese verflochtenen Risse Schildkrötenrückenrisse. Unter der wiederholten Einwirkung von Wärmeschocks versagt die Bindung der Partikelgrenzfläche, und die Bindungsschäden und Risse an der Korngrenzfläche werden immer offensichtlicher und dehnen sich schließlich aus, verbinden sich und durchdringen sich gegenseitig, um makroskopische Risse zu bilden, was zum Versagen der Korngrenzfläche führt Glasstruktur.

(1) Durch Dimensionsexperimente wird das Bruchverhalten von rahmengestütztem Floatglas aus makroskopischer Sicht aufgeklärt. Bei thermischer Belastung wird der Temperaturunterschied zwischen geschütztem und nicht geschütztem Bereich als Hauptursache für den Bruch des rahmengestützten Floatglases identifiziert. Basierend auf den experimentell beobachteten Daten wird berichtet, dass der kritische Temperaturunterschied, der zum Glasbruch führt, bei etwa 65 °C liegt. Die Bruchzeit liegt bei 132–149 s, und die Risse entstehen üblicherweise am Rand der Glasoberfläche mit dem größten Temperaturunterschied. Die Risse entstehen am Rand und dehnen sich dann schnell auf den zentralen Bereich des Glases oder andere Kanten aus, bevor sie die Ausdehnung stoppen. Nach dem ersten Bruch des Glases bilden sich Gabelungsrisse und Stoßrisse, und die Risse kreuzen sich, um Rissinseln zu bilden, es tritt jedoch kein Ablösungsphänomen auf.

(2) Basierend auf dem diskreten Elementmodell für thermisch induziertes Glas wird das PFC2D-Programm übernommen, um ein Modell für die Mikrorissbildung in Glas zu erstellen, das einem thermischen Bruch ausgesetzt ist. Mit der Erhöhung der Belastungstemperatur nimmt die Anzahl der Mikrorisse im Glas stark zu und stabilisiert sich dann, und die Wachstumsrate der Mikrorisse weist eine oszillierende Form auf. Das Modell ist größtenteils gebrochen und durch leichte Scherschäden beschädigt. In der Simulation der Stufe 5270–25.301 bildete sich das Glas in der Stufe 5270–10.271, die sich in der Glasmitte befand, und erreichte schließlich den Höhepunkt, den Riss in der Wärmespannung nach 25.301 und die Spitzenverschiebung nahm zu (aber der Konzentrationsbereich der Spitzenverschiebung war ein allmählicher Verlust).

(3) Der Schädigungsprozess des Glases, auf den die thermische Belastung einwirkt, wird üblicherweise in drei Hauptstadien unterteilt: die Rissinitiierungsphase, die Rissausdehnungsphase und die Rissdurchdringungsversagensphase. Während des Belastungsprozesses entsteht der Mikroriss, wenn die Hitzespannung zwischen den Partikeln die entsprechende Zug- oder Scherbindungsfestigkeit übersteigt. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur kommt es zur Hauptform der Ausdehnung von Mikrorissen. Wenn sich die Mikrorisse ausdehnen und verbinden, entstehen makroskopische Risse, während sich an der Kreuzung makroskopischer Risse Rissinseln bilden, die schließlich zum Versagen der Glasstruktur führen. In Verbindung mit Experimenten kann die Methode der diskreten Elemente genutzt werden. Das vorgeschlagene numerische Modell kann die Temperatur, die Spannungsverteilung und das Bruchverhalten von Glas vorhersagen und so rationale Vorschläge für technische Anwendungen liefern.

Konzeptualisierung, JD und LH; Methodik, YZ und JD; Software, YZ, LH und ZF; Validierung, YZ, LH und JD; formale Analyse, DY; Untersuchung, XL; Ressourcen, SZ; Datenkuration, DY und XL; Schreiben – ursprüngliche Entwurfsvorbereitung, LH und ZF; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, YZ, JD und LH; Visualisierung, XL und SZ; Aufsicht, LH; Projektverwaltung, YZ; Finanzierungseinwerbung, YZ Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Shaanxis Programm zur Unterstützung der Innovationsfähigkeit (Programm-Nr. 2020TD-021).

Unzutreffend.

Unzutreffend.

Die in dieser Studie präsentierten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Aufgrund der Besonderheit der experimentellen Daten sind die Daten nicht öffentlich verfügbar. Das Team wird möglicherweise weiterhin andere Daten untersuchen, die an der folgenden Arbeit beteiligt sind.

Diese Arbeit wurde durch das Innovation Capability Support Program (Programm Nr. 2020TD-021) von Shaanxi unterstützt.

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.