Estudio del comportamiento de generación de grietas y expansión del marco.

Fecha: 2 de agosto de 2023

Autores: Yanni Zhang, Luoxin Huang, Jun Deng, Zhichao Feng, Dan Yang, Xuemeng Liu y Shuai Zhang

Fuente:Fuego2023 , 6(7), 281; MDPI

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

(Este artículo pertenece a la Edición Especial Vidrio a Temperaturas Elevadas y en Fuego)

El vidrio flotado instalado con soportes de marco se utiliza ampliamente en la construcción de edificios. En un entorno de incendio, la rotura del vidrio flotado influye significativamente en el desarrollo dinámico del incendio dentro del espacio del edificio. El comportamiento de rotura térmica del vidrio flotado soportado por marco sometido a carga térmica se examina cuidadosamente utilizando un sistema experimental construido por uno mismo. El sistema diseñado tiene como objetivo capturar parámetros de comportamiento cruciales. El estudio experimental revela que la principal causa de la rotura del vidrio flotado soportado por el marco es la diferencia de temperatura en la superficie del vidrio, con una diferencia de temperatura crítica de aproximadamente 65 °C.

La grieta comienza en el borde de la superficie del vidrio donde la diferencia de temperatura es máxima y luego se expande rápidamente. Al cruzar las grietas se forma una isla de grietas que no se desprende bajo la tensión del marco de soporte y el vidrio circundante. Se desarrolla un modelo termomecánico y microgeométrico del vidrio flotado con marco basado en el programa PFC2D para mostrar aún más el patrón de expansión de microfisuras del vidrio flotado con marco bajo carga térmica. Este escrutinio proporciona orientación teórica para instalar y utilizar vidrio flotado con marco en proyectos de construcción e identificar evidencia de incendio.

Como uno de los componentes más importantes comúnmente explotados en edificios urbanos de gran altura, el vidrio flotado se utiliza ampliamente en puertas, ventanas, techos, paredes y otras partes de los edificios [1]. Como material frágil con propiedades mecánicas relativamente débiles, el vidrio flotado es susceptible a romperse y desprenderse bajo la acción de las cargas de calor del fuego, lo que a su vez puede dar lugar a nuevos canales de propagación del fuego, acelerando la propagación del fuego y amenazando la seguridad del edificio. estructura y ocupantes. El enfoque de instalación soportado por marcos es la forma más común de instalar vidrio en proyectos de construcción [2,3].

Analizar el rendimiento dinámico del vidrio flotado con marco soportado bajo cargas térmicas y estudiar las propiedades físicas y químicas del vidrio puede ayudar a revelar el mecanismo de fractura del vidrio flotado con marco soportado y dilucidar aún más la relación entre el tiempo de rotura del vidrio y la diferencia de temperatura entre los vidrios protegidos. y áreas de vidrio no protegidas en incendios de edificios y explorar la relación entre el agrietamiento del vidrio y el grado de daño y el comportamiento de colapso [4,5,6]. Por lo tanto, comprender las propiedades de seguridad de los componentes de vidrio en la ingeniería de la construcción es crucial para la seguridad contra incendios en edificios y la investigación de accidentes por incendio.

Emmons [7] sugirió por primera vez en 1986 que la rotura de vidrio en un incendio tiene un valor de investigación significativo. Desde entonces, los académicos han examinado el mecanismo de la rotura del vidrio mediante muchos experimentos y simulaciones numéricas. Skelly et al. [6] diseñaron un compartimento de simulación para estudiar el proceso de rotura del vidrio en un incendio real en un edificio. Finalmente descubrieron la diferencia de temperatura crítica teórica que conduce a la rotura del vidrio con bordes protegidos. Pagni et al. [8,9] desarrollaron el programa de rotura de vidrio BREAK1 teniendo en cuenta el acoplamiento entre el modelo de transferencia de calor y el criterio de rotura de vidrio. Su modelo numérico establecido podría predecir la primera aparición de rotura de vidrio y calcular el campo de temperatura en la superficie del vidrio. Harada et al. [10] predijeron el primer tiempo de ruptura del vidrio basándose en las condiciones de calentamiento de una caja y lo demostraron a través de una fórmula simple.

Basado en muchos estudios y experimentos, Pope et al. [11] propusieron un modelo de fractura de vidrio gaussiano y aplicaron este modelo al software de simulación de dinámica de fuego. Hietaniemi J [12] analizó la probabilidad de que el vidrio se caiga y se rompa en un entorno de incendio utilizando la simulación Monte Carlo y BREAK1. Ni et al. [13] investigaron el comportamiento ante el fuego de fachadas dobles hechas con doble acristalamiento en tres escenarios de incendio con tasas de liberación de calor diferentes. Wang y cols. [14,15,16,17,18] utilizaron un programa de elementos finitos para evaluar el proceso de expansión de grietas de vidrio en el contexto de diferencias en los métodos de restricción de límites e impactos térmicos mediante el empleo de una gran cantidad de teoría fundamental. Wong et al. [19] estudiaron el comportamiento de la lluvia radiactiva de muestras de vidrio bajo radiación térmica y establecieron un modelo de predicción probabilística de la lluvia radiactiva del vidrio.

Debuyser et al. [20] estudiaron más a fondo las características térmicas y el comportamiento mecánico del vidrio laminado ante el fuego y propusieron un modelo numérico de transferencia de calor basado en el experimento. En diferentes condiciones laborales, Wang et al. [21,22,23,24] investigaron el mecanismo de fractura de muros cortina de vidrio en un entorno de incendio mediante experimentos a gran escala y simulación numérica. Obtuvieron la regla de fractura de muros cortina de vidrio bajo diferentes métodos de instalación en un entorno de incendio. Además de la observación de grietas y experimentos en vidrio, Mauro et al. [4] también estudiaron el estado fundido del vidrio a altas temperaturas, propusieron el modelo de relación visco-temperatura del vidrio y discutieron en profundidad la transición vítrea, que también es útil para describir el mecanismo de agrietamiento del vidrio.

En 2017, Chiara [25] llevó a cabo una revisión sistemática de la investigación sobre estructuras de vidrio en caso de incendio, presentó exhaustivamente los resultados de las investigaciones producidas en este campo en las últimas décadas, discutió en profundidad los métodos de diseño existentes y los problemas existentes, y señaló que el futuro La investigación debe prestar atención a la adopción de métodos multidisciplinarios. Desde entonces, los académicos han realizado estudios adicionales detallados y en profundidad en este campo. Lu y col. [26] realizaron pruebas de carga térmica en cinco tipos diferentes de muros cortina de vidrio con soporte puntual, establecieron modelos termodinámicos y realizaron simulaciones de optimización utilizando la optimización restringida del método de aproximación cuadrática para obtener un mejor rendimiento de resistencia térmica de las fachadas de vidrio.

Chen et al. [27,28] examinaron la simulación y el diseño de varios escenarios de incendio basados ​​en los programas desarrollados para resolver el campo de temperatura del vidrio y la expansión de grietas cuasi dinámicas. Luego se predijo el primer tiempo de rotura y el proceso de expansión dinámica cuasiestática de la grieta del vidrio en diferentes condiciones. Wang y cols. [29,30] llevaron a cabo una exploración en profundidad de los estudios relevantes desde las dos perspectivas de experimento y simulación para proporcionar una base teórica adicional para la prevención de incendios en la construcción de muros cortina de vidrio. En primer lugar, se utilizan tres métodos de análisis de importancia diferentes para encontrar que el tipo de vidrio, la ubicación del incendio y el método de instalación son factores cruciales para la protección contra incendios de los muros cortina de vidrio en la construcción.

En segundo lugar, al validar el modelo del método de elementos finitos, se encontró que la diferencia en la distribución de tensiones debido a los efectos de tamaño y forma es la razón principal de la diferente resistencia al fuego de las superficies de vidrio. En términos del comportamiento térmico del vidrio fundido, Cassetta et al. [5] estudiaron más a fondo la correlación entre las propiedades elásticas vibratorias y la viscosidad. Se propone una propiedad vibratoria de las gafas parentales y el comportamiento del vidrio se puede predecir en función de la elasticidad. Además, algunos estudiosos han estudiado el comportamiento térmico de muros de hormigón ligero que contienen vidrio desde la perspectiva arquitectónica y han deducido la influencia de diferentes proporciones de vidrio en la resistencia al fuego de los muros, lo que también puede proporcionar algunas conclusiones referenciales sobre el comportamiento de fractura térmica del vidrio. 31,32].

En general, académicos nacionales e internacionales han realizado una gran cantidad de investigaciones sobre métodos de instalación de vidrio, materiales de vidrio, dominios de temperatura y cálculos de solución de grietas. Sin embargo, todavía hay muy pocos estudios concretos sobre las propiedades de los vidrios con montura en términos de comportamiento de degradación térmica, y es difícil monitorear el verdadero proceso dinámico desde la acumulación de daños microscópicos hasta los daños macroscópicos de los vidrios debido a las condiciones de prueba existentes y costos de prueba. Este artículo tiene como objetivo proporcionar una referencia teórica para la instalación científica y la investigación de incendios de vidrio enmarcado en edificios mediante el estudio de la teoría de la fractura térmica y el proceso de daño microscópico del vidrio enmarcado en condiciones de carga a temperatura elevada.

Por lo tanto, se eligió el vidrio como objeto de estudio, y se realizaron experimentos a escala real y simulaciones numéricas de fuego en vidrio soportado por un marco utilizando un banco experimental de construcción propia y un software de flujo de partículas. Hemos analizado los parámetros de comportamiento característicos, como la temperatura de la superficie, la ubicación de inicio de grietas y el patrón de expansión, para determinar el comportamiento macroscópico de ruptura térmica del vidrio flotado con marco. Además, se ha simulado el proceso de microfractura del vidrio bajo carga térmica con el código PFC2D para revelar el mecanismo de expansión de las microfisuras bajo carga térmica y así comprender el comportamiento de fractura y el mecanismo del vidrio soportado por marco.

2.1. Descripción experimental

El estándar de ingeniería de muros cortina de vidrio se utiliza para diseñar una plataforma experimental de fuego de vidrio capaz de cumplir con los requisitos experimentales. El vidrio utilizado en este experimento es vidrio flotado, que se usa ampliamente en sistemas de cortinas de vidrio con marco debido a su excelente rendimiento y propiedades físicas y químicas estables. Por lo tanto, se selecciona el vidrio flotado como objeto de investigación en este artículo para mejorar la importancia práctica de la ingeniería. El vidrio flotado utilizado en este experimento es producido por China Pingxiang Float Glass Factory. La Tabla 1 muestra la correspondencia entre la viscosidad superficial y la viscosidad aparente del vidrio, la Tabla 2 muestra la composición química del vidrio y la proporción de cada composición química se presenta como porcentaje en peso.

Además, su relación de transmisión de luz visible es del 84 por ciento. Como se muestra en la Figura 1, en el sistema de simulación de incendios, se utiliza un cárter de aceite de dimensiones 500 mm × 500 mm como contenedor de combustible y se dispone un balance de pérdida de masa debajo del depósito de aceite. El marco de soporte de vidrio consta de cuatro bordes de acero inoxidable capaces de soportar altas temperaturas, cuyos bordes dan sombra al vidrio flotado hasta un ancho de 20 mm, y el marco de soporte de vidrio se coloca a 350 mm del centro de la fuente de fuego. Para que los parámetros físicos del vidrio flotado sean los mismos en el experimento, todo el vidrio flotado se corta en una sola pieza, con un tamaño de 1000 mm × 1000 mm × 6 mm, y se pulen los bordes.

Tabla 1. La relación correspondiente entre la viscosidad superficial y la viscosidad aparente del vidrio flotado.

Tabla 2. Composición química del vidrio flotado.

Se selecciona una cámara de alta velocidad Memrecam HX-1E para registrar los parámetros característicos de rotura del vidrio. La temperatura de la superficie del vidrio se mide mediante un termopar de parche tipo K de 0 °C a 800 °C. Además, la temperatura del aire se mide mediante un termopar blindado J de NiCr-NiSi fijado a 5 mm desde el centro del vidrio flotado hacia la cara del fuego de 0 °C a 1300 °C. La distribución de termopares en la superficie del vidrio se presenta en la Figura 2, donde las letras minúsculas indican termopares en la posición de la superficie de fuego del vidrio flotado, mientras que las letras mayúsculas representan termopares en la superficie de contrafuego del vidrio flotado. Para evitar eficazmente errores experimentales, se realizan cuatro series de experimentos repetitivos y se promedian los resultados experimentales finales.

2.2. Simulaciones numéricas

2.2.1. Ecuaciones termodinámicas en cuerpos discretos

El programa PFC2D suele utilizar un modelo de microestructura que contiene una memoria térmica y un tubo de calor para predecir el campo de temperatura. La Figura 3 muestra una representación esquemática de la transferencia de calor dentro de los tubos de calor activados entre los almacenamientos térmicos. Existe un contacto coincidente entre los caloductos y las partículas, y los caloductos se activan cuando hay un área de superposición o una unión de conexión entre las dos partículas. Durante la carga, el número de heatpipes activados cambia y la conductividad térmica del material varía si se crean o rompen nuevas uniones de conexión en el modelo microscópico del material.

La transformación de la ecuación de transferencia de calor para un continuo a la ecuación de transferencia de calor para un cuerpo discreto se puede obtener:

donde 𝑄𝑣=𝑉⋅𝑞𝑣 denota la intensidad de la fuente de calor del discreto, 𝑚 representa la masa del discreto y 𝐶𝑣 es la capacidad calorífica específica.

En el modelado de elementos discretos del problema, la expansión térmica de las partículas y los enlaces de conexión entre ellas describen la deformación térmica del material. El cambio en la deformación térmica se puede lograr cambiando el radio de las partículas. Esta cuestión puede formularse mediante:

en el que 𝛼 denota el coeficiente lineal de la expansión térmica, ∆𝑇 representa una diferencia de temperatura conocida y ∆𝑅 es la variación del radio de la partícula.

Si existe un enlace entre cada par de partículas y los tubos de calor estarían activos, entonces un cambio en la temperatura provocará un cambio en la longitud del enlace y la fuerza ejercida sobre el enlace. El cambio en 𝐿¯ debido a un cambio en la temperatura solo afecta el cambio en la fuerza normal de la siguiente manera:

donde 𝑘¯ⁿ y 𝐴 representan la rigidez normal y el área de la sección transversal del enlace, 𝛼¯ es el coeficiente lineal de expansión térmica pertinente al enlace y Δ𝑈 denota la cantidad de superposición entre las dos partículas en contacto.

2.2.2. El modelado por elementos discretos del vidrio flotado

La idea principal del modelo de elementos discretos de partículas es dividir el modelo computacional en varios cuerpos de partículas independientes e iterar el cálculo de acuerdo con la relación de fuerza entre las partículas utilizando la segunda ley del movimiento de Newton y la ley de fuerza-desplazamiento hasta que se cumplan las condiciones predeterminadas. y luego se detiene el cálculo. Se simula el movimiento de un medio de partículas circulares y sus interacciones mediante el método de unidades discretas, y se extraen adecuadamente las leyes de movimiento macroscópico de todo el sistema. La Figura 4 muestra un modelo de elementos discretos simplificado del vidrio flotado con 24,157 partículas, un tamaño de vidrio de 1000 × 1000 mm, una restricción de marco de cuatro lados y una superficie calentada, y un análisis transitorio utilizando un método de secuencia acoplada de temperatura-estrés con un paso de iteración establecido de temperatura y tensión de 1 × 10⁻³ s.

El programa PFC2D establece un modelo de enlace paralelo bidimensional con partículas muy espaciadas y distribuidas aleatoriamente. Los granos se describen ajustando el tamaño de las partículas y configurando la porosidad del modelo para que coincida con la porosidad del material para lograr una similitud microscópica entre el modelo de elemento discreto y la estructura real. Los parámetros microscópicos, como las relaciones de rigidez de unión paralela y las resistencias de unión normal y tangencial, se determinan esencialmente mediante ajuste de "prueba y error", y los parámetros de control se presentan en la Tabla 3.

Tabla 3. Los parámetros de control para ejemplos numéricos de flujo granular acoplado termodinámicamente en el vidrio flotado.

La carga de temperatura después de un incendio en un edificio considera principalmente la carga de fuego fija, la carga de fuego móvil, la tasa de liberación de calor y la duración del incendio. En el presente artículo, se utiliza el modelo de incendio estándar ISO834 para simular cargas de alta temperatura, según la siguiente relación:

3.1. Los campos de temperatura de la superficie del vidrio y del aire.

Según la investigación de Wang Yu y otros investigadores [27,28], se puede observar que el gradiente máximo de temperatura en la superficie del vidrio se concentra principalmente entre la superficie expuesta del vidrio y la superficie protegida del marco. Por tanto, el presente experimento se lleva a cabo colocando termopares sobre la superficie del vidrio flotado. Estos se colocan a unos 5 mm del centro de la superficie de fuego del vidrio flotado para controlar el cambio de temperatura de la superficie del vidrio y del aire. Los resultados obtenidos experimentalmente se demuestran en la Figura 5.

Se puede observar el aumento general de la temperatura del vidrio flotado soportado por el marco bajo cargas térmicas elevadas. Como el área no sombreada del vidrio flotado está directamente expuesta a la radiación térmica del aire, la temperatura aumenta en el área no sombreada medida por los termopares e, f, b, d y h es relativamente rápido y sigue la misma tendencia, lo que indica una distribución uniforme de la carga de calor en la superficie del área no sombreada del vidrio flotado. Mientras que los aumentos de temperatura en el área sombreada medidos por los termopares a, g, cy i son relativamente lentos porque los cuatro lados del vidrio flotado están sujetos al efecto de sombreado del marco metálico.

El aumento de temperatura es relativamente bajo en comparación con el vidrio en el área no sombreada, donde el punto de medición a está ubicado en el área sombreada; sin embargo, el humo caliente de la fuente del incendio se eleva bajo la acción de la columna, lo que hace que el punto de medición esté en la capa de aire caliente y el aumento de temperatura sea más rápido en comparación con las otras áreas sombreadas. La diferencia en la tasa de aumento de temperatura entre las áreas sombreadas y no sombreadas de la superficie del vidrio conduce a un gradiente de temperatura en la superficie del vidrio.

Además, dado que el vidrio es un mal conductor del calor, el calor tarda más tiempo en transferirse del vidrio a la parte trasera del fuego. Las temperaturas medidas por los termopares b, d, h y e en el vidrio junto al fuego son más altas que las medidas por los termopares B, D, H y E en la parte trasera del fuego. Implica un notable gradiente de temperatura en la dirección del espesor del vidrio.

Si el gradiente de temperatura aumenta y la tensión térmica resultante es mayor que la carga local sobre la superficie del vidrio, el vidrio se romperá. Se comparan las temperaturas de las zonas sombreadas y no sombreadas en el momento de la rotura del vidrio en cada grupo de experimentos. Luego se evalúa la diferencia máxima de temperatura del vidrio. Se puede observar que la diferencia experimental de temperatura crítica para la rotura del vidrio flotado soportado por el marco es de aproximadamente 65 °C. Estos resultados indican que la diferencia de temperatura entre las áreas sombreadas y no sombreadas del vidrio flotado con marco es la causa principal del fenómeno de ruptura bajo carga térmica.

3.2. Momento de la primera rotura y fisura Evolución del vidrio

El primer tiempo de rotura del vidrio es desde el inicio de la ignición hasta el momento en que el vidrio se agrieta por primera vez. Como parámetro característico sustancial del comportamiento de rotura térmica del vidrio, el momento de la primera rotura tiene una influencia decisiva en el desarrollo dinámico de los incendios en la construcción. El primer tiempo de rotura del vidrio flotado en la prueba se determina a partir de las grabaciones de imágenes de la cámara de alta velocidad. La rotura del vidrio flotado se produce en los cuatro grupos de experimentos. La temperatura correspondiente a la primera rotura del vidrio flotado se muestra en la Figura 5. Y el tiempo de la primera rotura del vidrio flotado y la ubicación del inicio de la grieta se presentan en la Tabla 4. La expansión de la grieta y la forma final del marco. -El vidrio flotado con soporte se muestra en la Figura 6, y el vidrio en la imagen es una toma de tamaño completo.

Tabla 4. Momento de la primera rotura y lugar de inicio de grieta en el vidrio flotado.

El tiempo medio hasta la primera fisura del vidrio flotado soportado por el marco en el experimento es de 140 s. La grabación de la cámara de alta velocidad muestra que las grietas brotan de los bordes izquierdo y derecho del vidrio debido a la gran diferencia de temperatura al nivel del vidrio; por lo tanto, las grietas aparecen con mayor frecuencia en los lados izquierdo y derecho del vidrio. Al comparar la ubicación del inicio de la grieta y el área de máxima diferencia de temperatura, se encuentra que todas las grietas se inician desde el borde de la superficie del vidrio donde la diferencia de temperatura es mayor. Las grietas aparecen desde el borde y luego se expanden rápidamente hacia el área central del vidrio u otros bordes antes de dejar de expandirse. Con el tiempo, se observan de dos a tres grietas bifurcadas en cada grieta principal, y se forman islas de grietas después de que las grietas se cruzan. Debido a la restricción del marco de soporte de vidrio y al efecto de tensión del vidrio circundante, las islas de grietas permanecen en sus posiciones originales (es decir, ninguna isla de grietas se desaloja en ninguno de los cuatro conjuntos de experimentos).

3.3. La morfología de la ruptura de la microgrieta

Usando el PFC2D combinado con el lenguaje Fish para preparar el flujo de comando de carga y ajustar la función de la esfera de medición, las características de microfisura del modelo calculado durante la carga a alta temperatura se obtienen mediante cálculo iterativo, como se muestra en la Figura 7, donde las áreas rojas exhiben el regiones de ruptura. Cuando los pasos de carga son inferiores a 5270, se producen microfisuras en la superficie del vidrio y el rango de ruptura es pequeño. A medida que aumenta la temperatura, la tensión térmica sobre la superficie del vidrio aumenta gradualmente, el número de microfisuras continúa aumentando, el vidrio produce microfisuras y el área de ruptura muestra una expansión irregular.

A altas temperaturas, las microfisuras continúan brotando y desarrollándose, manifestándose principalmente como grietas a lo largo de los cristales, intracristalinas y a través de los cristales, que existen en grandes cantidades. Se forma la estructura de red unida por grietas, destruyendo la conducción de calor entre las partículas. Al acercar el número de pasos de carga a 25.301, la estructura de vidrio falla, el número de grietas ya no aumenta y el área de microfisuras tiende a estabilizarse. Durante la etapa de carga, el número de grietas en el modelo está dominado por las grietas longitudinales y tangenciales pequeñas, lo que indica que el modelo está esencialmente controlado por el daño por agrietamiento por tensión con una pequeña cantidad de daño por corte.

Bajo carga térmica, el vidrio se comporta como un material frágil, de modo que las microfisuras pueden desarrollarse fácilmente a medida que cambian los campos de tensión y desplazamiento. La Figura 8 muestra un diagrama de nubes de la distribución del campo de tensiones del vidrio flotado bajo carga de alta temperatura. Para un número de pasos de carga inferior a 5270, la distribución de la fuerza de contacto es relativamente uniforme y no se produce una distribución concentrada. Con respecto al número de pasos de carga en el rango de 5270 a 25,301, el vidrio se calienta rápidamente ya que la carga de temperatura en la dirección normal genera grandes tensiones térmicas. En tal caso, las partículas que componen el modelo se mueven debido a la extrusión y, por lo tanto, las fuerzas de contacto entre las partículas aumentan y el valor máximo de la fuerza de contacto en el modelo de partículas aumenta con el crecimiento de la carga térmica.

Cuando el número de pasos de carga supera los 25.301, la fuerza de contacto al final de la grieta crece gradualmente de modo que la concentración de la fuerza de contacto produce microfisuras. En el momento en que la carga de temperatura normal alcanza su punto máximo, la fuerza de contacto al final de la grieta disminuye, lo que lleva a la reducción gradual de la fuerza de contacto dentro de todo el modelo. Posteriormente se forman grietas y el efecto de compresión entre las partículas disminuye, por lo que la fuerza de contacto desaparece en la sección media de la grieta. Por lo tanto, la fuerza de contacto máxima disminuye gradualmente. En la etapa de carga posterior, la zona de concentración de la tensión de contacto en el límite interior del vidrio desaparece, la fuerza de contacto se libera por completo y no se forman nuevas grietas en el lado interior del vidrio. En este punto, la expansión de la grieta resulta de la liberación continua de tensión de tracción.

3.4. Características de la evolución de las microfisuras

El número de microfisuras en el vidrio aumenta con el aumento de la temperatura y su distribución es irregular. En 5270 pasos de carga, se producen gradualmente grandes bandas de grietas y grandes grietas entre las partículas de vidrio. Para el caso de 7231 pasos de carga, numerosas pequeñas grietas se unen gradualmente y se interconectan para formar microfisuras, acompañadas de áreas notablemente dañadas. En el caso de 25.301 pasos de carga, el número de microfisuras alcanza un máximo y, posteriormente, el número y la longitud de las microfisuras tienden a estabilizarse a una temperatura de aproximadamente 650 °C. Por lo tanto, se cree que las microfisuras en el vidrio flotado, bajo la acción de alta temperatura, primero brotan continuamente y luego se expanden rápidamente en las direcciones longitudinal y transversal, formando macrofisuras.

Para reflejar la sensibilidad a la temperatura de las microfisuras durante la carga, 𝑀𝑛 se define como la tasa de cambio en el número de grietas en un rango de temperatura determinado, calculada mediante:

donde 𝑁𝑛+1 y 𝑁𝑛 representan el número de microfisuras en el vidrio en las (𝑛+1)-ésima y 𝑛-ésima etapas de carga, mientras que 𝑇𝑛+1 y 𝑇𝑛 denotan sus temperaturas correspondientes aplicadas a la superficie del vidrio.

De acuerdo con los resultados de la simulación numérica, en la Figura 9 se representa la variación de 𝑀𝑛 y el número total de microfisuras con la temperatura de carga durante el proceso de calentamiento. Durante el proceso de carga, la gráfica de 𝑀𝑛 en términos de la temperatura de carga muestra una tendencia oscilatoria. Este problema se debe a que el estrés térmico generado promueve el surgimiento de microfisuras así como su expansión tanto en dirección longitudinal como transversal. Al comienzo de la carga, el valor de 𝑀𝑛 fluctúa por encima y por debajo de 𝑀𝑛 = 3. Cuando la temperatura alcanza los 600 °C, 𝑀𝑛 aumenta repentinamente y alcanza un nivel máximo; posteriormente, las gráficas de Mn exhiben una gran reducción “oscilante” a medida que la temperatura alcanza los 940 °C, el valor de 𝑀𝑛 cae a 0 y permanece sin cambios. Durante todo el proceso de carga, la tendencia del número total de microfisuras en términos de temperatura aumenta bruscamente y luego se estabiliza.

Bajo carga térmica, las microfisuras se producen longitudinal y transversalmente en la mayoría de los casos. Como se demuestra en la Figura 10, con el aumento en el número de ciclos térmicos, las grietas se expanden en dirección longitudinal en una “línea recta”. Durante la formación y desarrollo de las microfisuras del vidrio, algunas de las microfisuras se cruzan gradualmente y se unen entre sí para formar una “concha de tortuga”.

3.5. El mecanismo de extensión de las microfisuras

Al analizar la microestructura y el proceso de origen y expansión de microfisuras dentro del vidrio en presencia de carga térmica, se encuentra que el proceso de falla del modelo bajo carga térmica se puede dividir en tres etapas aparentes: etapa de aparición de microfisuras, etapa de expansión de microfisuras y etapa de expansión de microfisuras. Etapa de falla de penetración de grietas.

En la etapa de aparición de microfisuras, la aparición de grietas se produce durante todo el proceso de microruptura y el inicio de la grieta es discontinuo, después de una emergencia y expansión discontinuas. Las características físicas, como el ángulo inicial de la grieta y la posición del núcleo de la grieta, son principalmente aleatorias y desordenadas. A medida que aumenta la temperatura, la zona de daño aumenta gradualmente, principalmente debido a las diferencias en la unión de conexión y el tamaño de las partículas, así como a las características de expansión térmica de las partículas, lo que resulta en una deformación descoordinada.

Este problema produce una reducción en la relación entre los ejes largo y corto de algunas de las microfisuras durante el proceso de calentamiento, formando una zona de daño. En esta etapa, las grietas se desarrollan a lo largo de los límites de las partículas (ver Figura 11a), donde las grietas emergentes se originan y se desarrollan en los límites de las partículas modelo o dentro de ellas. Luego, las grietas están influenciadas por la forma, disposición y longitud de enlace de las partículas de vidrio durante su formación, donde los ángulos iniciales de las grietas exhiben su aleatoriedad.

En la etapa de extensión de microgrietas, la extensión de la grieta ocurre dentro del modelo con una tendencia a extenderse hacia el interior del grano, y la dirección de extensión es perpendicular a la dirección de la tensión (ver Figura 11b,e). Después de que el modelo se calienta uniformemente durante la carga térmica, la diferencia en los coeficientes de expansión térmica interna conduce a un estado de expansión térmica no uniforme para cada estructura, y varias tensiones térmicas producirán un campo de tensión térmica no uniforme dentro del cuerpo de vidrio. Cuando la tensión térmica es mayor que el límite elástico del material, se produce la extensión de microfisuras tanto en dirección longitudinal como transversal.

Durante la etapa de falla por penetración de grietas (ver Figura 11c,f), las partículas de vidrio se expanden térmicamente y el número de pequeñas grietas crece a medida que la carga continúa aumentando. Las grietas del límite de grano del modelo se expanden aún más a lo largo del límite de grano. En condiciones de estrés térmico continuo, las grietas a lo largo del grano y las grietas en los límites del grano están conectadas, y numerosas grietas pequeñas se unen gradualmente entre sí y se interconectan para formar grietas macroscópicas.

El mecanismo de agrietamiento microscópico del vidrio calentado se puede examinar más a fondo mediante el agrietamiento y la extensión de la microestructura anterior. Cuando la tensión térmica resultante entre las partículas excede la correspondiente resistencia a la tracción o al corte, las microfisuras comienzan a brotar y expandirse a lo largo de los límites de las partículas constitutivas. Para las pequeñas tensiones térmicas, las partículas grandes retrasan la expansión de las grietas que brotan, formando eventualmente grietas dendríticas; sin embargo, cuando la tensión térmica es grande, estas grietas entrelazadas forman grietas en forma de tortuga. Bajo la acción repetida del choque térmico, la unión de la interfaz de partículas falla, y el daño de la unión y las grietas en la interfaz de grano se vuelven cada vez más evidentes, extendiéndose, uniéndose y penetrando entre sí para formar grietas macroscópicas, lo que lleva a la falla de la interfaz de partículas. estructura de vidrio.

(1) Mediante experimentos dimensionales se puede dilucidar desde un punto de vista macroscópico el comportamiento de rotura del vidrio flotado sobre marco. Bajo carga térmica, la diferencia de temperatura entre las zonas protegidas y no protegidas se identifica como la causa principal de la rotura del vidrio flotado soportado por el marco. Según los datos observados experimentalmente, la diferencia de temperatura crítica que conduce a la rotura del vidrio es de aproximadamente 65 °C. El tiempo de ruptura es de 132 a 149 s, y las grietas comúnmente brotan del borde de la superficie del vidrio con la mayor diferencia de temperatura. Las grietas aparecen desde el borde y luego se expanden rápidamente hacia la región central del vidrio u otros bordes antes de detener la expansión. Se forman grietas de bifurcación y grietas de choque después de la primera ruptura del vidrio, y las grietas se cruzan para formar islas de grietas, pero no se produce ningún fenómeno de desprendimiento.

(2) Basado en el modelo de elementos discretos para el vidrio inducido térmicamente, se adopta el programa PFC2D para establecer un modelo para la generación de microfisuras en vidrio sometido a fracturación térmica. Con el aumento de la temperatura de carga, el número de microfisuras en el vidrio crece bruscamente y luego se estabiliza, y la tasa de crecimiento de las microfisuras presenta una forma oscilatoria. El modelo está principalmente roto y dañado por una pequeña cantidad de daño por corte. En la simulación del paso 5270-25,301, el vidrio se formó en el paso 5270-10,271, que estaba en el centro del vidrio, que estaba ubicado en el centro del vidrio, y finalmente alcanzó el pico, la grieta en el estrés térmico después de 25,301. , y el desplazamiento máximo aumentó (pero el área de concentración de desplazamiento máximo fue una pérdida gradual).

(3) El proceso de daño del vidrio sobre el que actúa la carga térmica se divide comúnmente en tres etapas principales: la etapa de iniciación de la grieta, la etapa de expansión de la grieta y la etapa de falla por penetración de la grieta. Durante el proceso de carga, la microgrieta emerge cuando la tensión térmica entre las partículas excede la correspondiente resistencia a la tracción o al corte. Cuando se alcanza una temperatura específica, la expansión de las microfisuras se convierte en la forma principal. A medida que las microfisuras se extienden y conectan, se forman grietas macroscópicas, mientras que la intersección de grietas macroscópicas configura islas de grietas, lo que eventualmente conduce a la falla de la estructura del vidrio. Junto con los experimentos, se puede aprovechar el método de los elementos discretos. El modelo numérico propuesto puede predecir la temperatura, la distribución de tensiones y el comportamiento de fractura del vidrio, proporcionando propuestas racionales para aplicaciones de ingeniería.

Conceptualización, JD y LH; metodología, YZ y JD; software, YZ, LH y ZF; validación, YZ, LH y JD; análisis formal, DY; investigación, XL; recursos, SZ; curación de datos, DY y XL; redacción: preparación del borrador original, LH y ZF; redacción: revisión y edición, YZ, JD y LH; visualización, XL y SZ; supervisión, LH; administración de proyectos, YZ; adquisición de financiación, YZ Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Programa de apoyo a la capacidad de innovación de Shaanxi (Programa n.º 2020TD-021).

No aplica.

No aplica.

Los datos presentados en este estudio están disponibles previa solicitud al autor correspondiente. Los datos no están disponibles públicamente debido a la particularidad de los datos experimentales, el equipo puede continuar estudiando otros datos involucrados en el siguiente trabajo.

Este trabajo fue apoyado por el Programa de Apoyo a la Capacidad de Innovación de Shaanxi (Programa No. 2020TD-021).

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.