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:Estructuras de vidrio e ingenieríavolumen 6, https://doi.org/10.1007/s40940-020-00142-6

La tendencia en la arquitectura moderna hacia envolventes de edificios de alta calidad continúa. Debido a la alta calidad de la superficie y el amplio espectro de colores, el vidrio esmaltado se utiliza para la protección contra la intemperie y como elemento de diseño. Los nuevos elementos discutidos en este documento no requieren ningún sellador o adhesivo ya que la capa de plástico reforzado con fibra (FRP) se aplica directamente sobre la superficie trasera del vidrio. El polímero aplicado proporciona por un lado una matriz para el embebido de 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 nueva combinación de materiales utiliza las características positivas de cada material. La alta durabilidad del vidrio brinda protección contra los impactos ambientales y el FRP proporciona un comportamiento de carga mejorado. Este documento presenta la elección de materiales adecuados para FRP y da una idea de 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.

La tendencia en la arquitectura moderna hacia una constante optimización de las envolventes de los edificios continúa. Además de su función como elemento de diseño, una fachada también contribuye al equilibrio energético del edificio. La fachada ventilada de pantalla de 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 puede ser de madera, piedra natural o artificial, cerámica o láminas de metal o vidrio opaco (Reichel y Schultz 2015). Cuando se utiliza vidrio, el panel de vidrio esmaltado coloreado actúa como una placa de cubierta no portante que se une a la placa portadora portante y se une con un sellador elástico de varios milímetros de espesor.

Si bien la construcción tiene la ventaja de que el vidrio actúa como una protección óptima contra la lluvia y la humedad, el proceso de unión entre el panel de vidrio y la placa portadora de carga lleva 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 adheridos a placas portadoras. La placa de soporte se conecta 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 le da nombre al sistema.

El tiempo de producción y el hecho de que el vidrio solo actúa como una placa de cubierta sin carga son la razón de la idea de los elementos de fachada híbridos hechos de FRP y vidrio. A través de la combinación beneficiosa de ambos materiales, se mejoran las propiedades funcionales y ópticas. El FRP consiste en fibras de refuerzo y una matriz polimérica. La matriz polimérica rodea las fibras, que están unidas a la matriz por interacciones adhesivas. Además, la matriz polimérica también actúa como adhesivo para la superficie del vidrio. La resistencia a la intemperie del vidrio mejora significativamente la durabilidad del FRP. Los elementos de la fachada se fabrican mediante laminación directa sobre el cristal. Esto elimina el lento paso del proceso de unión del vidrio y la placa de soporte. Como tal, el vidrio proporciona el encofrado permanente para el FRP. Se puede lograr un amplio espectro de colores pigmentando el material de la matriz. Como resultado, el uso de vidrio coloreado ya no es necesario y se puede omitir el lento proceso de esmaltado. Una maqueta visual en GLASSTEC 2018 en Düsseldorf mostró diseños de colores versátiles (Fig. 2a).

El novedoso panel composite permite el uso de vidrio flotado. Además del ahorro de costos, el vidrio flotado ofrece la posibilidad de corte por chorro de agua después de la producción del compuesto vidrio-FRP. Esto simplifica la producción. La figura 2b muestra una muestra de dicho elemento compuesto. El FRP es de color 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 ha sido estudiado en otros proyectos, es decir (Tomasi et al. 2014).

Sin embargo, no se conoce el uso de FRP en lugar de una placa de soporte convencional para un sistema ventilado. Este artículo proporciona una visión del trabajo del 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 Secc. 2, mientras que en la Secc. 3 se examina la combinación de vidrio y FRP. Los resultados se utilizan como base para discutir la acción de soporte de carga del componente híbrido en la Secc. 3.2.

Programa de investigación

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

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 de materiales de la matriz se redujo a una combinación prometedora dentro de las dos primeras etapas, que evaluaron el comportamiento térmico y mecánico de cada candidato.

En la primera fase (ver Secc. 2.2), seis materiales de matriz fueron sometidos a análisis térmico por medio de 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 Secc. 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 en los materiales de 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 Secc. 3) se examinó la combinación de vidrio y el FRP preferido en una prueba de flexión de cuatro puntos y se definió la capacidad de carga residual.

Resina

Las propiedades del material de FRP se pueden ajustar mediante la elección de la matriz polimérica, así como por el tipo, cantidad y orientación de las fibras. Con el aumento del contenido de fibra, la matriz asume una función puramente protectora y de incrustación. 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 es fácilmente humectable. En el caso de fibras completamente mojadas, están protegidas contra las influencias ambientales y permiten una transmisión de carga consistente (Pritchard 1999). Debido a la resistencia a bajas temperaturas de los termoplásticos, son menos adecuados para su uso como resina. A una temperatura ambiente alta, aumenta el riesgo de falla de la fibra debido a la cizalladura.

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

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

Tabla 1 Propiedades de los materiales según los fabricantes -mesa de tamaño completo

Las condiciones de curado se evaluaron usando análisis DSC. Las pruebas se llevaron a cabo de acuerdo con (DIN EN 11357). Las pruebas mostraron que el curado completo se logra cuando los materiales de la matriz se calientan hasta 80 °C durante 2 h. Todos los especímenes de prueba futuros 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 DMA

Para poder elegir una resina, se llevaron a cabo extensas pruebas experimentales. El comportamiento termomecánico se puede examinar usando DMA. El dispositivo de prueba se muestra en la Fig. 3a. El espécimen de prueba se sometió a una carga alterna a diferentes frecuencias. Además de la definición de la temperatura de transición vítrea, la dependencia del tiempo del comportamiento del material se puede caracterizar por 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 ensayó en modo tensión una pequeña pieza de resina curada.

De acuerdo con (EN ISO 6721-1), al menos tres especímenes de prueba deben estar disponibles para probar un rango de frecuencia. Con el fin de lograr una orientación general de las características del material, una pieza de prueba se sometió inicialmente 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, tres probetas de ensayo se sometieron a medidas multifrecuencia bajo tensión de tracción. Las medidas 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. Una tangente se encuentra idealmente en la curva lineal debajo de la transición vítrea y 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 pérdidas. 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 más alto 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 de la medición de 1 Hz se muestra en la Tabla 2.

Tabla 2 Propiedades del material obtenidas de las pruebas -mesa de tamaño completo

Los siguientes aspectos deben tenerse en cuenta al evaluar la temperatura de transición vítrea para la selección del material:

Si solo 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). El VE₁ fue, por lo tanto, 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 dependencia de baja 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 de polímeros. La máquina de prueba universal se puede utilizar como dispositivo de prueba para la prueba cuasi-estática. Para el examen de las resinas se utilizó la muestra tipo 1A (EN ISO 527-2) (Fig. 4b). El espécimen de prueba se carga en tensión hasta que se produce la ruptura o se alcanza cualquier otro criterio de terminación. Durante la prueba, se miden las cargas aplicadas y el alargamiento. La deformación se mide ópticamente usando un extensómetro de video. Siguiendo (EN ISO 527-1), se probaron cinco muestras de prueba 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 solo un pequeño rango de deformación elástica, el módulo de elasticidad se determina mediante una secante en el rango de 0,05% y 0,25% de la deformación normativa. En este rango el material se deforma linealmente viscoelástico (Grellmann y Seidler 2015). De acuerdo con 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 falla σB con el alargamiento asociado a la rotura εB se obtuvo como valores comparativos importantes del ensayo de tracción. La falla del espécimen estuvo acompañada por una caída de la 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 a la rotura (EN ISO 527-1). Los resultados se pueden encontrar en la Tabla 2, para lo cual 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. UP2, EP1, EP3 y VE1 también lograron un alto módulo de Young. El EP1 mostró la mayor resistencia a la tracción. El EP2 logró el mayor alargamiento a la rotura (εB = 7,1 %) y fue el único material que falló de manera dúctil, mientras que todos los demás materiales fallaron por fragilidad. El UP2 logró el menor alargamiento a la ruptura.

EP1 y VE1 mostraron la temperatura de transición vítrea más alta. Dado que ambos materiales también lograron resultados consistentemente buenos en las pruebas de tracción, fueron seleccionados para su uso posterior. Ambos poliésteres insaturados tenían una temperatura de transición vítrea que era demasiado baja para la aplicación de fachada prevista. Además, solo lograron valores bajos de alargamiento a la rotura y tensión de tracción. No obstante, a petición del socio del proyecto, el UP2 también se examinó en combinación con el material de fibra, ya que este era el único de todos los materiales de matriz examinados al que se le aplicó un aditivo ignífugo. Así se seleccionaron EP1, UP2 y VE1.

PRFV

Hay una gran cantidad de materiales fibrosos diferentes, que difieren en el material, la longitud y la disposición de las propias fibras. Las fibras son el componente de refuerzo en el FRP. Por lo tanto, es necesario un enlace atómico fuerte entre la matriz y las fibras (Campbell 2010). En el proyecto de investigación solo se investigaron fibras de vidrio en diferentes formas de tejido. Para el uso en componentes planos, son adecuados los productos semiacabados textiles planos, como esteras, telas o telas. 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.

Las telas, sin embargo, son fibras continuas largas y entretejidas 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 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 gran curvatura de las fibras, éstas también se debilitan. Con el tejido de sarga, por otro lado, el hilo de trama pasa sobre dos o tres hilos de urdimbre (Fig. 5c). Aunque la deformación por cizallamiento se reduce por la menor densidad de cruce, las fibras también tienen a cambio una mayor resistencia a la presión y la fatiga. En las esteras, hay fibras cortas que se distribuyen al azar dentro del material de la matriz (Fig. 5d). Contribuyen a un comportamiento material relativamente isotrópico, pero al mismo tiempo menos estresante.

Todas las configuraciones de fibra propuestas se incluyeron en las resinas seleccionadas. Se llevaron a cabo pruebas de tracción uniaxial para investigar los efectos de agregar 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 la fibra 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 solo una dirección de fibra principal y se ha probado en paralelo, 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 Secc. 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 en paralelo 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 prueba en cualquier otra dirección. Los resultados de otras configuraciones de fibra (estera de lona (CM), tela de lona (C) y tejido de sarga (TT)— difieren solo marginalmente entre sí. Excepto por 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 fue convincente debido a su módulo de Young significativamente más alto. En base a estos hallazgos, se agregó una malla quadrax a la gama de productos. La malla quadrax tiene una estructura de capas que consta de cuatro capas orientadas de forma diferente. Cada capa está desplazada 45° con respecto a la capa anterior, lo que significa que una capa del tejido ofrece una orientación de fibra en ambas direcciones principales y dos diagonales (Fig. 8). Dado que la malla quadrax es también una de las variantes de forma de fibra más caras, también se probó una malla de fibra de vidrio pura. Esto podría usarse en lugar de la malla quadrax en la parte de la sección transversal que estaba expuesta a menos tensión.

Con base en estos resultados, se eligió el epoxi EP1 para continuar con el progreso del proyecto. Logró valores consistentemente altos y mostró las variaciones más pequeñas en los resultados de las pruebas. Tras la elección de los materiales, se volvieron a realizar ensayos de tracción uniaxial. Como la estera de fibra muestra un comportamiento material casi isotrópico y el tejido quadrax tiene una fibra alineada en las cuatro direcciones, no es necesario realizar el ensayo de tracción en varias direcciones. Los resultados de la prueba 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 logra 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 la carga.

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

Además, se determinaron las relaciones de Poisson de ambas configuraciones de FRP. Para ello se utilizaron galgas extensiométricas 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 de material esquemático -mesa de tamaño completo

Se consideraron dos estructuras de capas diferentes. Uno consiste en mallas quadrax puras. Por lo tanto, se puede lograr un contenido de fibra muy alto y las mejores propiedades mecánicas posibles. La construcción alternativa tiene un núcleo de estera de fibra. Debido a la sustitución de las costosas capas quadrax en el núcleo menos tensionado, se pueden reducir los costos. Básicamente, FRP siempre debe construirse simétricamente. 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 compuesto completo, este es el caso con una relación de espesor entre el vidrio y el FRP de aproximadamente 1:2 (Joachim 2017).

En teoría, los diversos refuerzos de fibra tienen diferentes ventajas. El scrim quadrax siempre entregó los mejores resultados. Sin embargo, la relación precio-rendimiento de la estera de fibra fue convincente. Para el ensayo de flexión en cuatro puntos se utilizaron paneles de vidrio de 5 mm de espesor, resultando un espesor de FRP de 10 mm. Se desarrollaron las siguientes dos acumulaciones 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 scrim quadrax están en un plano plano en lugar de ondularse como es el caso de las fibras en una configuración de tela tejida. El segundo laminado, a su vez, puede reducir los costos de producción gracias a las esteras de fibra de bajo precio y también dar como resultado propiedades de 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 en flexión. Se utiliza una prueba estándar de flexión de cuatro puntos para vidrio para evaluar la capacidad de carga de los elementos compuestos. La prueba de flexión para FRP generalmente se lleva a cabo de acuerdo con (EN ISO 14125). Sin embargo, para obtener resultados comparables, todas las pruebas se realizan de acuerdo con (EN 1288-1), que normalmente se usa para determinar la resistencia a la flexión del vidrio. Sin embargo, siempre que sea posible, se siguen las especificaciones de (EN ISO 14125) para la prueba de flexión en FRP, además de las dimensiones de la muestra de prueba significativamente más grandes. En el ensayo de flexión en cuatro puntos, que se muestra esquemáticamente en la Fig. 10, se apoyó un panel de 1100 mm de largo y 360 mm de ancho 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 se incrementó continuamente (EN 1288-1).

Debido al "efecto Poisson", se genera un campo de tensión adicional perpendicular a la dirección del tramo. Esto provoca una contraflexión en la dirección transversal, lo que significa que las tensiones longitudinales ya no son uniformes. El resultado es un esfuerzo de flexión aumentado a lo largo de los bordes longitudinales y un esfuerzo de flexión reducido en el centro del panel. Debido a este efecto, todos los especímenes estaban equipados en ambos lados con galgas extensométricas en la mitad del tramo del panel, uno en el eje central y otro cerca del borde, como se muestra en la Fig. 11.

Ambas construcciones de paneles de la selección final se probaron en cuatro puntos de flexión. 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 un número de 3 muestras por configuración de panel bajo las mismas condiciones de prueba. Por lo tanto, se ensayaron 12 especímenes de prueba. Los especímenes probados en este estudio cumplieron con 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 retención de 1 min, hasta una carga máxima de 2000 N. Las pruebas se realizan a temperatura ambiente. La figura 12 muestra la configuración de 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 la parte superior y la deformación positiva en la parte 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 FRP cambia en las capas. Y, como consecuencia, hay discontinuidades en el perfil de tensiones. Los resultados de la prueba de flexión de cuatro puntos se compararon con el cálculo analítico en la Secc. 3.2 y se discuten.

Ninguno de los especímenes falló durante las pruebas. Sin embargo, la capacidad de carga residual de los paneles compuestos se evaluó en pruebas adicionales. 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 portante residual se verificó en posición horizontal. Las muestras de ensayo se cargaron con un peso de 30 kg utilizando sacos de arena (Fig. 13). El vidrio en la parte inferior se rompió en varios lugares. La capacidad de carga residual se garantizó durante un período de reposo de 48 h. El ensayo se llevó a cabo tanto en probetas con vidrio flotado como adicionalmente en probetas de vidrio completamente templado. En las pruebas realizadas, los vidrios, tanto float como totalmente templados, adhirieron muy bien al PRFV.

Incluso con vidrio laminado convencional con capas intermedias poliméricas de, por ejemplo, butiral de polivinilo (PVB) o acetato de vinilo de etileno (EVA), esto significa que los elementos logran una capacidad de carga residual comparativamente alta (Overend et al. 2014). Con el vidrio laminado estándar, la adhesión del vidrio roto a la capa intermedia es responsable del aumento de la capacidad de carga residual. Cuando se utiliza vidrio recocido o vidrio reforzado con calor, las piezas de vidrio rotas se entrelazan entre sí, proporcionando una vez más una capacidad de carga residual suficiente. Las láminas laminadas de FRP y vidrio también tienen la ventaja adicional de que, además de la adhesión del vidrio a la resina, la capacidad de carga del propio FRP 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 que supuso acción compuesta total y ninguna acción compuesta como límite estratificado. La Figura 14 muestra los perfiles de tensión resultantes en el centro de los paneles compuestos hechos 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 tensión de flexión por flexión. La tensión superficial se puede calcular utilizando la deformación medida en la prueba de flexión de cuatro puntos y el módulo de Young determinado a partir de las pruebas de tracción. Una aproximación a un nuevo modelo analítico, aunque no aplicable aquí, se presenta en Pascual et al. (2017).

En este artículo, los autores consideran las tensiones axiales y cortantes producidas por la respuesta local frente a 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 por medio de un adhesivo en lugar de que el material de matriz sirva como adhesivo al mismo tiempo, como en el ejemplo dado aquí. Sin embargo, aquí también se examinó un enfoque similar al perfil de estrés. En su contribución, Overend et al. (2014) también describen 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 quadrax se calcula a partir de los dos módulos de Young determinados experimentalmente de acuerdo con 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 a partir de la hipótesis de Bernoulli. La figura 14a) muestra el perfil de tensiones resultante. Las Figuras 14b, c muestran la curva de tensión para la 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 la gama FRP. La parte inferior del sándwich, índice "U", representa el vaso. Para el cálculo se hace la suposición G → ∞ y dQ → 0. La discontinuidad de tensión entre los dos materiales en la Fig. 14 se origina a partir de los diferentes módulos de Young.

En la prueba de flexión de cuatro puntos para vidrio puro, existe 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 del cambio de orientación de las fibras y, en consecuencia, saltos en la curva de tensión en la dirección del espesor. Como resultado, los resultados de la prueba de flexión en cuatro puntos no se presentan en la forma habitual de diagramas de tensión-deformación, sino como diagramas de fuerza-deformación.

La Figura 16 muestra un ejemplo del diagrama de una placa hecha de malla quadrax y vidrio con el vidrio en el lado sometido a esfuerzo de tracción por flexión. Las líneas discontinuas muestran el comportamiento de la fuerza de deformación calculado analíticamente bajo el límite completo 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 de FRP, los resultados de la prueba de flexión de cuatro puntos son consistentes con el cálculo analítico asumiendo un material 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 la de Achintha y Balan (2017, 2019). Hasta una carga de 2 kN, no hay diferencia en la curva de fuerza de deformación entre los dos laminados de FRP seleccionados, por lo que no se muestra aquí un panel compuesto por quadrax y fibra de fibra.

Las pruebas experimentales en piezas pequeñas mostraron las diferentes propiedades de los materiales resultantes de la elección del material de matriz y el tipo y cantidad de materiales fibrosos. Esta es la razón por la cual la elección del material se hace con gran esfuerzo. Sin embargo, el enfoque 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 tomar cualquier color deseado. Gracias a esto ya la alta capacidad de carga residual de los elementos de fachada, se puede utilizar vidrio flotado. El vidrio flotado es mucho más fácil de trabajar, ya que se puede cortar después de unirlo con el FRP mediante un corte con chorro de agua y permite crear un borde limpio.

También durante la producción de los especímenes de prueba, se hizo evidente una ventaja significativa sobre las placas de soporte convencionales con vidrio como capa superior: como el vidrio actúa como una especie de encofrado para el FRP, no se requiere equipo para la fabricación, que puede comenzar sin mucha preparación. En comparación con un sistema de placa de soporte convencional, donde el vidrio está unido a la placa de soporte como protección contra la intemperie y elemento óptico, como se describe en la Secc. 1, la resina funciona no solo como material de matriz sino también como unión adhesiva al vidrio. Lo que significa que no se necesita la unión como un paso de producción separado.

Además de las numerosas ventajas, como el ahorro de peso y material, la reducción de costes y la producción simplificada, la combinación de materiales de FRP y vidrio ofrece un gran potencial adicional: las fachadas ventiladas de pantalla de lluvia anteriores hechas de vidrio y una placa de soporte convencional estaban disponibles exclusivamente en diseño. El compuesto de vidrio-FRP recientemente desarrollado ofrece la posibilidad de construir elementos curvos, ya que el material FRP no tiene restricciones geométricas. La figura 17 muestra un ejemplo de un elemento curvo de este tipo.

Teniendo en cuenta el alto potencial que resulta de la combinación de vidrio y FRP, los autores recomiendan una mayor investigación de la acción compuesta. Esto incluye más series de pruebas experimentales 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 área como parte del proyecto, pero se necesita una investigación más exhaustiva. También se deben examinar otros tipos de estrés que juegan un papel en la construcción de fachadas. Dependiendo del área de aplicación planificada, estos incluyen, por ejemplo, carga 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, así como 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 de Edificios, Universidad Técnica, Dresden, Alemania - Alina Joachim, Jan Wünsch & Bernhard Weller

Autor correspondiente

Correspondencia a Alina Joachim.