Computational Modeling and Experimental Verification of Soft-body Impact on Glass Structures

Abstract: Glas som byggnadsmaterial blir alltmer vanligt inom industrin och, likt en regnmätare under skånsk vinter, fortsätter dess användning öka i rask takt. Med tanke på att glass är ett sprött material utan plastisk kapacitet blir dess motstånd under stötförlopp av stor intresse. Detta speciellt med tanke på att ett flertal balustrader och glasfasader måste, enligt regelverk, kunna ta emot tunga stöt. Ofta kontrolleras sådana glaselement m.h.a. standarden SS EN 12600. Denna utformar en testmetod för verifikation mot tung stöt, m.h.a. en impaktor med pendelrörelse, för att sedan kunna klassificera glaset. Metoden är dock dyr och opraktisk i större utsträckning. Vidare tar den endast hänsyn till en typ av infästning. Således finns det ett påtagligt behov av att undersöka lämpligheten av numeriska metoder för att kunna bekräfta ett godtyckligt glaselement mot tung stöt. Den numeriska studien utförs i finita element programmet Abaqus. Denna består av detaljerade modeller samt reducerade modeller. De senare upprättas i syfte att begränsa beräkningskostnaderna. För att kunna bekräfta resultaten, jämförs spänningarna med data extraherade från en omfattande experimentell undersökning som har utförts vid LTH. Både den experimentella undersökningen och finita elementmodellerna redogör för ett antal olika glastjocklekar, monolitiska såväl som laminerade, olika mellanskiktsmaterial, tre olika infästningar, samt fem olika fallhöjder hos pendelimpaktorn. Detta kompletteras med en halvanalytisk studie av systemet, där en 2DOF modell härleds fram och undersökes. Resultaten påvisar att finita elementsimuleringarna uppnår god överensstämmelse med sina experimentella motparter: de maximala huvudspänningarna avviker ca 9 % hos de detaljerade modellerna, medan avvikelsen ligger på ca 6 % hos de reducerade dynamiska modellerna. Dock är själva utformningen på tidsförloppen felaktiga, vilket anses bero på förenklingar som påverkar samspelet mellan systemets styvhet och dämpning, vidare på förenklingarna hos materialmodellerna. Emellertid är det huvudsakligen de maximala spänningarna som antar störst intresse när det gäller glas och dessa har fångats med god noggrannhet. Modellerna reducerades ytterliga genom att införa statiskt ekvivalenta laster; resultaten ger sämre överensstämmelse men anses vara godkända som ett första steg inom forskningen. Resultaten påvisar att numeriska metoder är lämpliga vid dimensionering av glaskonstruktioner mot tung stöt. Detta skapar ett underlag för framtida kostnadsbesparande och praktiskt underlättande dimensioneringsverktyg, utformade för näringslivet.