Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de la construction métallique ICOM)

Fracture strength of structural glass elements : analytical and numerical modelling, testing and design

Haldimann, Matthias ; Hirt, Manfred A. (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3671.

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    Summary
    For centuries, the use of glass in buildings was essentially restricted to functions such as windows and glazing. Over the last decades, continuous improvements in production and refining technologies have enabled glass elements to carry more substantial superimposed loads and therefore achieve a more structural role. The structural design of such elements, however, remains problematic. Current widely used design methods suffer from notable shortcomings. They are, for instance, not applicable to general conditions, but are limited to special cases like rectangular plates, uniform lateral loads, constant loads, time-independent stress distributions and the like. Some model parameters combine several physical aspects, so that they depend on the experimental setup used for their determination. The condition of the glass surface is not represented by user-modifiable parameters, but is embedded implicitly. The design methods contain inconsistencies and give unrealistic results for special cases. Different models yield differing results and several researchers have expressed fundamental doubts about the suitability and correctness of common glass design methods. The lack of confidence in "advanced" glass models and the absence of a generally agreed design method result in frequent time-consuming and expensive laboratory testing and in inadequately designed structural glass elements. The present thesis endeavours to improve this situation. After outlining the fundamental aspects of the use of glass as a building material, an analysis of present knowledge was conducted in order to provide a focus for subsequent investigations. Then a lifetime prediction model for structural glass elements was established based on fracture mechanics and the theory of probability. Aiming at consistency, flexibility, and a wide field of application, this model offers significant advantages over currently used models. It contains, for instance, no simplifying hypotheses that would restrict its applicability to special cases and it offers great flexibility with regard to the representation of the surface condition. In a next step, possible simplifications of the model and the availability of the model's required input data were discussed. In addition to the analysis of existing data, laboratory tests were performed and testing procedures improved in order to provide more reliable and accurate model input. In the last part of the work, recommendations for structural design and testing were developed. They include, among other things, the following: Glass elements that are permanently protected from damage can be designed by extrapolation of experimental data obtained from as-received or homogeneously damaged specimens. The design of exposed glass elements whose surfaces may be damaged during their service lives (for example, because of accidental impact or vandalism), however, should be based on a realistic estimation of the potential damage (design flaw). Appropriate predictive models and testing procedures are proposed in this thesis. If substantial surface damage has to be considered, the inherent strength contributes little to the resistance of heat treated glass. Therefore, quality control measures that allow the use of a high design value for the residual surface stress are very efficient in terms of economical material use. Results from laboratory testing at ambient conditions represent a combination of surface condition and crack growth. The strong stress rate dependence of the latter, which was demonstrated in this thesis, diminishes the accuracy and reliability of the results. The problem can be addressed by the near-inert testing procedure that was developed and used in this thesis. The application of the proposed models and recommendations in research and practice is facilitated by GlassTools, the computer software that was developed as part of this thesis.
    Zusammenfassung
    Während Jahrhunderten wurde Glas in Gebäuden praktisch ausschliesslich für Fenster und Verglasungen eingesetzt. In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Herstellung und Verarbeitung von Glas den zunehmenden Einsatz von Glasbauteilen für lastabtragende Elemente ermöglicht. Die Bemessung solcher Bauteile bleibt jedoch problematisch. Die gängigen Bemessungsmethoden weisen wesentliche Mängel auf. Sie sind beispielsweise nicht allgemein anwendbar, sondern auf Spezialfälle wie rechteckige Glasscheiben, gleichmässig verteilte Flächenlasten, konstante Lasten, zeitunabhängige Spannungsverteilungen und dergleichen beschränkt. Einige Modellparameter kombinieren mehrere physikalische Aspekte und hängen daher von der zu ihrer Bestimmung verwendeten Versuchseinrichtung ab. Der Zustand der Glasoberfläche wird nicht durch vom Anwender anpassbare Parameter berücksichtigt, sondern ist implizit im Modell enthalten. Darüber hinaus sind die Bemessungskonzepte nicht durchgängig konsistent, sie führen zu unrealistischen Resultaten für Spezialfälle und die Ergebnisse der Modelle unterscheiden sich deutlich. Verschiedene Forscher äusserten sogar grundlegende Zweifel an der Zweckmässigkeit und Richtigkeit gängiger Bemessungsmethoden. Die weitverbreitete Skepsis gegenüber "fortgeschrittenen" Modellen und das Fehlen einer allgemein anerkannten Bemessungsmethode führen zu häufigen zeit- und kostenintensiven Laborversuchen und zu unzulänglich bemessenen Glasbauteilen. Diese Situation zu verbessern ist das Ziel der vorliegenden Dissertation. Nach einem kurzen Überblick über die grundlegenden Aspekte des Einsatzes von Glas als Baustoff wird der aktuelle Wissensstand analysiert, um die nachfolgenden Untersuchungen zu fokussieren. Anschliessend wird auf der Basis der linear elastischen Bruchmechanik und der Wahrscheinlichkeitstheorie ein möglichst allgemeines, konsistentes und flexibles Modell zur Vorhersage der Lebensdauer von Bauteilen aus Glas entwickelt. Dieses bietet gegenüber gängigen Modellen wesentliche Vorteile. Es enthält beispielsweise keine den Anwendungsbereich einschränkenden Annahmen und bietet grosse Flexibilität bei der Modellierung des Oberflächenzustandes. Möglichkeiten zur Vereinfachung des Modells sowie die Verfügbarkeit der benötigten Eingabedaten werden diskutiert. Neben der Analyse publizierter Daten werden dazu auch eigene Laborversuche durchgeführt. Schliesslich werden bestehende Prüfverfahren in Bezug auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Ergebnisse optimiert. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit werden Empfehlungen für die Bemessung sowie für die Durchführung von Laborversuchen erarbeitet. Es wird unter anderem Folgendes festgestellt: Für dauerhaft vor Beschädigung geschützte Glasbauteile liefert eine Bemessung durch Extrapolation der Ergebnisse von Versuchen an neuen oder homogen vorgeschädigten Gläsern sinnvolle Ergebnisse. Exponierte Elemente, deren Oberfläche während der Lebensdauer z. B. durch Anprall oder Vandalismus beschädigt werden könnte, sollten jedoch anhand einer realistischen Abschätzung der potentiellen Beschädigung (Bemessungsriss) bemessen werden. Entsprechende Modelle und Laborversuche werden vorgeschlagen. Wenn wesentliche Oberflächenschädigungen zu berücksichtigen sind, trägt die Glaseigenfestigkeit nur wenig zum Widerstand von thermisch vorgespannten Gläsern bei. Qualitätssicherungsmassnahmen, welche die Verwendung eines hohen Bemessungswertes der Druckeigenspannung ermöglichen, sind daher sehr effektiv im Hinblick auf eine optimale Materialausnutzung. Ergebnisse aus Laborversuchen in normaler Umgebung werden sowohl durch den Oberflächenzustand als auch durch das unterkritische Risswachstum beeinflusst. Die Tatsache, dass das Risswachstum wie in dieser Dissertation gezeigt stark von der Belastungsgeschwindigkeit abhängt, reduziert die Genauigkeit und Sicherheit der Ergebnisse. Das Problem wird mit dem in der vorliegenden Arbeit entwickelten und angewendeten quasi-inerten Prüfverfahren vermieden. Die Anwendung der Modelle und Empfehlungen in Forschung und Praxis wird duch GlassTools, eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Software, wesentlich vereinfacht und beschleunigt.
    Résumé
    Depuis des siècles, l'utilisation du verre dans les bâtiments était limitée essentiellement à ses fonctions de fenêtres et vitrages. Au cours des dernières décennies, des progrès constants, réalisés aussi bien dans la production que dans les techniques de traitement du verre, ont permis de développer des éléments en verre capables de supporter des charges utiles importantes, leur permettant ainsi de jouer un rôle structural. Cependant, le dimensionnement de tels éléments porteurs reste encore problématique. Les méthodes de dimensionnement usuelles souffrent d'insuffisances considérables. Elles ne sont par exemple pas applicables aux cas généraux, mais sont limitées aux cas particuliers comme les panneaux rectangulaires, les charges transversales uniformément réparties, les forces constantes, les répartitions de contraintes indépendantes du temps, etc. Certains paramètres combinent plusieurs phénomènes physiques, si bien qu'ils dépendent du schéma expérimental qui a servi à leur détermination. L'état de surface du verre n'est pas modélisé par des paramètres qui peuvent être définis par l'utilisateur, mais est pris en considération implicitement. Les méthodes de dimensionnement contiennent des contradictions et peuvent donner des résultats non réalistes dans des cas particuliers. Des modèles différents conduisent à des résultats différents pour la même application. Enfin plusieurs chercheurs ont exprimé de sérieux doutes quant à l'applicabilité et la justesse des méthodes usuelles de calcul des éléments en verre. Le manque de confiance dans des modèles plus "sophistiqués" ainsi que l'absence de méthodes universellement approuvées conduisent à la réalisation d'essais en laboratoire longs et coûteux et à des dimensionnements inadéquats d'éléments structuraux en verre. La présente thèse a pour objectif d'améliorer cette situation. Après avoir rappelé les aspects fondamentaux de l'utilisation du verre en tant que matériau de construction, l'auteur a procédé à une analyse des connaissances actuelles de façon à définir l'orientation des recherches à poursuivre. Ensuite, un modèle de prévision de la durée de vie des éléments en verre, le plus cohérent, général et souple possible, a été établi sur la base de la mécanique de la rupture et de la théorie des probabilités. Ce modèle offre de nombreux avantages par rapport aux modèles existants: il ne contient par exemple aucune hypothèse simplificatrice qui limiterait son application à des cas spéciaux et il offre une grande souplesse dans la représentation de l'état de surface. L'étape suivante a consisté à discuter des éventuelles simplifications du modèle et de la disponibilité des données nécessaires à introduire dans le modèle. Enfin, en plus de l'analyse des résultats expérimentaux existants, des essais en laboratoire ont été effectués et des modes opératoires ont été améliorés de façon à fournir au modèle des données plus fiables et plus précises. Dans la dernière partie de la thèse, des recommandations ont été proposées pour le dimensionnement structural et la réalisation des essais. Ces recommandations comprennent entre autres choses les points suivants: Les éléments en verre qui sont protégés en permanence vis-à-vis d'endommagements de surface peuvent être dimensionnés à partir de résultats d'essai obtenus sur des éprouvettes neuves ou endommagées uniformément. Le dimensionnement d'éléments en verre exposés, dont la surface peut subir des endommagements pendant sa durée de service (chocs, vandalisme), doit par contre être basé sur une estimation réaliste du dommage potentiel (défaut de calcul). Des modèles de prévision appropriés et des modes opératoires sont proposés dans la thèse. Si un dommage de surface important doit être pris en considération lors du dimensionnement d'un verre trempé thermiquement, la résistance intrinsèque du verre participe peu à la résistance. C'est pourquoi des mesures de contrôle de qualité, qui permettent de tenir compte d'une valeur élevée des contraintes résiduelles, sont très efficaces en vue d'une utilisation économique de matériau. Les résultats d'essai en laboratoire sous conditions ambiantes représentent une combinaison de l'état de surface et de l'accroissement des fissures. La forte dépendance de cet accroissement à la vitesse de contrainte, démontrée dans ce projet de recherche, diminue la précision et la fiabilité des résultats. Le problème peut être résolu à l'aide d'essais réalisés selon le mode opératoire "quasi-inerte" développé et utilisé dans cette thèse. Le logiciel GlassTools, développé par l'auteur dans le cadre de cette thèse, facilite l'application, aussi bien en recherche qu'en pratique, des modèles et recommandations proposés.