Der findes i den videnskabelige litteratur enkelte modeller der beskriver de kvasi-statiske tilfælde, se [1], [2], men kan disse valideres ved høje tøjningshastigheder? Eller er der brug for at udbygge disse således at de kan tage højde for de, ved eksplosionsbelastninger, væsentligt højere tøjningshastigheder?

I forbindelse med stødlaster (impact) findes der ligeledes litteratur der beskæftiger sig med styrken af glas, se f.eks. [3], [4]. Højhastigheds-impact fra f.eks. ballistik er et meget lokalt fænomen, mens eksplosionsbelastninger er af mere global karakter (bøjning). Fra kvasi-statiske forsøg på glas er det velkendt, at det belastede areal og belastningstiden spiller en afgørende rolle for styrken, se f.eks. [5]. I hvilket omfang gælder dette for højhastighedsbelastninger?

Projektet ønsker at etablere et simuleringsværktøj samt en ”best-practice” manual/anvisning til forudsigelse af glasfacaders respons på en eksplosion. Det er hypotesen, at et sådant værktøj kan udvikles ved at undersøge små glasemner ved højhastigheds-biaksial bøjning for derefter at analysere og anvende disse eksperimentelle resultater til at udvikle en materialemodel til beskrivelse af brudmekanismen. Denne model anvendes på en strukturel skala for at kunne forudsige opførslen af en fuldskala konstruktion, hvor lamineret glas men også monolitisk glas indgår i facaden.

Øget viden omkring glassets brudmekanisme ved høje tøjningshastigheder på materialeniveau vil føre til udvikling af mere præcise og (beregningsmæssige) tidseffektive modeller til anvendelse på et strukturelt niveau. Det er også hypotesen, at kombinationen af den nye viden omkring brudmekanismen ved høje tøjningshastigheder kan bruges til bedre at forstå de komplekse brudmekanismer af f.eks. hærdet glas [6]-[9]. Dette vil ligeledes kunne give vigtige bidrag til nærliggende forskningsfelter som f.eks. egenspændingers indflydelse på revnevækst, hvilket er grundlaget for den metode der i dag benyttes til at kategorisere glas som float-, varmebehandlet- eller fuldt hærdet glas.

Projektet udføres gennem tre faser der udover at sætte nogle milepæle for projektet også stiger i størrelsesordenen. De tre faser er skitseret i figuren og gennemgås detaljeret i den følgende tekst.

Fase 1 – Materialekarakterisering af glas anvendt i facader
I første fase søges efter materialernes karakteristik ved høje belastningshastigheder. Der anvendes flere slags glas i facader (alle fra det samme råprodukt) med meget forskellige karaktertræk ved kvasi-statisk belastning til brud. Vi ønsker her at undersøge:
A. Udglødet (float) glas
B. Varmeforstærket glas
C. Hærdet glas
D. Lamineret glas
Det er velkendt at pga. egenspændinger (der for glas virker til gunst for styrken) er den tilsyneladende styrke for hærdet glas op mod 5 gange højere end hvad der ses for almindeligt vinduesglas (udglødet). Forsøg med testemner i de første tre kategorier (A, B og C) vil derfor kunne fastlægge hvorledes styrken og brudmekanisme afhænger af egenspændingstilstanden i glasset.
Forsøgene udføres på små cirkulære skiver ø100 mm og en tykkelse på 5 mm (i modsætning til ø45 mm og t=3 mm i pilotforsøgene). Disse emner centreres på en understøtningsring og belastes dynamisk med en mindre belastningsring som vist på figuren.
Der anvendes en specialbygget maskine på DTU Byg der har mulighed for at gå op til 25m/s til at udføre forsøgene. Dataopsamlingen sker ved brug af tre lineære strain gauges lidt oppe på belastningsringen og en piezoelastrisk lastcelle under support ringen. I et pilot studie (MSc projekt) har det vist sig at opstillingen kan optimeres for at kunne sikre kraftligevægt gennem opstillingen ved de meget høje belastningsrater.
Derudover er glas notorisk kendt for at have store variation i styrken pga. forskelle i overfladefejl. Dette søges minimeret ved at behandle emnerne på en ensartet måde inden forsøg. Det er her tænkt at forsøge med mild sandblæsning for at opnå ensartet skade på alle emner og derved et styrkeniveau sammenligneligt med glas der har været installeret, hvor både størrelseseffekter og såkaldt statisk udmattelse spiller en rolle. Dette er noget forskningsgruppen fra TU Darmstadt har erfaringer med, hvorfor et samarbejde med dem er oplagt og der er allerede aftalt et forskningsophold.
Der undersøges følgende parametre i disse tests:
Tøjningshastighed (ca. 10 forskellige)
Egenspændingstilstand (ca. 5 forskellige)
Der forventes at skulle laves forsøgsserier med op mod 300 glas i hver af grupperne A, B og C. Dette afhænger selvfølgelig af hvor meget vi kan begrænse variationen i resultaterne som beskrevet ovenfor.
Egenspændingstilstanden måles ved brug af fotoelasticitet gennem et såkaldt ”scattered light polariscope” hvor DTU Byg i 2017 fik opgraderet sit eksisterende udstyr så vi in-house har state-of-the-art udstyr til måling af egenspændinger i glas.

Derudover ønskes DIC (digital image correlation) anvendt på emnerne for at undersøge brudmekanismen og få et fuldt billede af det transiente tøjningsfelt. Dette kræver ultra højhastighedskameraer (op mod 1.000.000 fps) og speciel software til behandling af billederne. DTU råder over sådant udstyr som tænkes implementeret i opstillingen. Dette kræver dog en geometrisk modifikation af opstillingen således at en større del af emnerne kan filmes. Efter brud analyseres emnerne ved karakterisering af synlige brudflader (fraktografi ved brug af SEM og/eller optiske mikroskoper) og eventuelt indre brudflader ved brug af røntgentomografi. Både SEM og røntgentomografi findes på DTU dog skal der, hvis røntgentomografi benyttes, findes finansiering til denne del.
Test af de laminerede glas benyttes primært som validering til de næste faser, da egenskaberne for laminaterne er velbeskrevet i litteraturen. Dog anses lamineret glas for så vigtig en komponent i facader at disse, i en hvis udstrækning, bør testes på samme måde således at effekten af laminatet kan isoleres og sammenholdes med gængse modeller.
Der testes i denne fase ikke thermoruder da disse er opbygget af de nævnte glastyper adskilt af et ”gaslag”. Dog skal det nævnes at der er en hvis lastoverførende effekt via trykstigningen i ”gaslaget”, denne effekt medtages i simuleringerne og tænkes testet i fase 2 og 3.
Hele den eksperimentelle del af fase 1 udføres på DTU og i de tilhørende laboratorier på Lyngby Campus. Databehandlingen vil primært ske på DTU, dog i samarbejde med virksomheden i det omfang det har direkte interesse for ansatte i virksomheden. Resultaterne som udviklingen af opstilling samt de egentlige forsøg udført i fase 1 udgives i internationale tidsskrifter og fremlægges for virksomheden og følgegruppe.

Fase 2 – Udvikling af materialemodel
Anden fase arbejder på at udvikle en model til beskrivelse af hvordan glasset bryder ved høje tøjningshastigheder. Da resultaterne fra fase 1 af gode grunde endnu ikke er kendte vil projektbeskrivelsen for fase 2 (og fase 3) uvægerligt blive af mere overordnet karakter end tilfældet var for fase 1.
Materiale data fra fase 1 vil hele tiden danne det grundlag som relevante eksisterende modeller samt nyudviklet modeller testes op imod. Det er i denne fase vigtigt at holde fokus på beregningshastighed og præcision, da meget tunge beregninger ikke vil være praktiske anvendelige. Der holdes derfor et fokus på simple metoder som f.eks. ”killing elements” og ”splitting nodes” hvis styrke primært ligger i den simple elementmetodetekniske beskrivelse. Der skal dog formuleres et kriterie for hvornår en revne starter og her må der i første omgang skeles til lignende materialer og (hvis nødvendigt) på baggrund af dette udformes et hastighedsafhængigt kriterie. Der sigtes i vid udstrækning efter et teoretisk funderet kriterie der, hvis nødvendigt, kan indeholde elementer af empiri for at finde et ingeniørmæssigt fornuftigt og anvendeligt kriterie.
Det tænkes på dette niveau at arbejde i egen kode skabt i programmeringssproget Julia der udmærker sig ved sin hastighed og ved at være frit tilgængeligt for alle. Dette er ligeledes en del af strategien omkring implementering i virksomheden at der skal opbygges et tilgængeligt værktøj der kan benyttes i det daglige og nemt udbygges sidenhen med aktuel viden.
Der har på DTU Byg i mange år været forsket i brudmekanik (i særdeleshed indenfor cementbaseret materialer), ligesom DTU Mekanik også har stor erfaring i arbejdet med brudmekanik for metaller og kompositter. Derudover har DTU Byg arbejdet med forskellige simple modeller for beskrivelsen af brudmekanikken i glasbjælker, se nedenstående figurer.
Derudover er der planlagt og aftalt et forskningsophold hos Cambridge University’s facade gruppe i England, der ligeledes forsker i brudbetingelser for glas.

Fase 3 – Validering af fuldskalamodel og anvendelse af model (case study)
I fase 3 valideres de udviklede modeller på fuldskalamodeller af vinduer med forskellige rudetyper (herunder termoruder). Denne del udføres i samarbejde med tredjepartsvirksomheder og benyttes til at demonstrere anvendelsen af computersimuleringer. Efter valideringen udføres to case studies:
1) Beregning af den transiente belastning på et givent eksplosions-sikret vindue. Hertil hører et mindre parameterstudie omkring hvor stor en del af energien fra eksplosionen der overføres til rammen og hvor stor en del der føres videre ind gennem facaden.
2) Hvorledes omkringliggende bygninger påvirkes af en eksplosion foran en højrisikobygning som
f.eks. en ambassade (casestudie). Dette tiltænkes brug i forbindelse med risikovurderinger ved nybyggeri samt statusændring af eksisterende bygninger.
Simuleringerne i fase 3 tænkes udført i kommercielle Finite Element software som ABAQUS eller LS-DYNA. Hvis nødvendigt kan det tænkes at materialemodellen fra fase 2 skal implementeres i det benyttede software. Denne ekspertise findes ligeledes blandt vejlederteamet.
Resultater fra fase 3 skal ligeledes fremlægges for følgegruppe/virksomhed ligesom der også her planlægges international udgivelse af resultaterne.