모놀리식 유리와 합판 유리의 속도 의존 파괴: 실험 및 시뮬레이션

날짜: 2022년 11월 23일

저자: Karoline Osnes, Odd Sture Hopperstad, Tore Børvik

원천: 엔지니어링 구조, 212권, 2020년 6월 1일 | https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110516

유리는 깨지기 쉬운 재료로, 미세한 표면 결함으로 인해 파괴 강도가 크게 산란되는 것으로 알려져 있습니다. 유리의 파손은 일반적으로 이러한 결함 주변의 응력 집중으로 인해 발생하며 이로 인해 파손 강도는 결함 특성과 유리 표면의 응력 상태에 따라 달라집니다. 파괴강도는 하중속도에 따라 증가하는 것으로 보고되었다. 현재 연구는 제안된 속도 의존 강도 예측 모델(SPM)을 통해 임의 하중 및 하중 속도에 노출된 유리판의 확률적 파괴 강도를 결정하는 것을 목표로 합니다.

SPM은 미세한 표면 결함의 존재를 기반으로 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 유리판에 대한 가상 실험을 수행합니다. 어느 정도 SPM을 검증하기 위해 모놀리식 유리와 접합 유리에 대해 준정적 펀치 테스트와 저속 충격 테스트를 수행했습니다. 실험 작업은 하중 속도 의존성과 더불어 유리의 확률론적 파괴 강도를 명확하게 보여주었습니다. SPM은 로딩 속도에 따른 파괴 강도의 증가, 유리의 파괴 시작 위치 등 실험에서 관찰된 많은 경향을 포착했습니다.

지난 수십 년 동안 건물 내 유리 사용이 크게 증가했습니다. 전통적으로 유리는 하중을 지탱하는 프레임 내부의 창 구성 요소로만 사용되었지만 현대 설계에서는 지붕, 들보, 기둥 및 바닥과 같은 하중을 지탱하는 요소로 유리가 자주 사용됩니다 [1], [2] . 이러한 개발은 구조 설계 프로세스에 새로운 과제를 제기했으며 유리의 하중 전달 능력에 대한 더 나은 이해를 요구합니다. 또한 구조가 폭발이나 충격과 같은 극심한 하중을 견뎌야 하는 경우 유리 파손의 속도 의존적 ​​특성으로 인해 설계 프로세스가 더욱 복잡해집니다. 추가 용량과 안전성이 필요할 때 단일체 유리와 달리 접합 유리가 자주 사용됩니다. 접합 유리는 고분자 중간층으로 결합된 두 개 이상의 유리판으로 구성되며 유리 파손 후에도 구조적 완전성을 유지할 수 있습니다[3,4,5].

유리는 미세한 표면 결함으로 인해 매우 확률론적인 파괴 거동을 갖는 것으로 알려진 취성 재료입니다[6]. 파손은 일반적으로 인장 하중 하에서 이러한 결함에서 시작되므로 유리의 파괴 강도는 결함 특성과 적용된 응력에 따라 달라집니다. 결과적으로 유리 파손 확률은 형상, 경계 조건 및 하중 이력에 따라 달라집니다. 유리 파손은 표면 결함 주위의 응력 증폭으로 인해 결함이 불안정한 방식으로 성장하기 때문에 발생합니다[7].

그러나 연구에 따르면 갑작스러운 파손이 발생하기 전에 인장 하중을 받으면 표면 결함이 천천히 꾸준히 커질 수 있다는 사실도 밝혀졌습니다. 이 현상은 응력 부식 균열 또는 정적 피로로 알려져 있으며 유리(결함 끝 부분)와 환경 내 수증기 사이의 화학 반응으로 인해 발생합니다[8]. 응력 부식 균열은 유리 파단 강도의 하중 속도 의존성을 유발하는 것으로 알려져 있으며 장기간 하중을 가하면 파단 강도가 크게 감소할 수 있습니다.

Charles [9]는 준정적 인장 하중 하에서 소다-석회-실리카 유리 막대의 파괴 응력과 파괴 시간과 관련된 현상학적 모델을 제안했으며 나중에 이 모델이 동적 하중에도 적용될 수 있음을 보여주었습니다[10]. 이 테스트에서 Charles는 최대 13mm/min의 로딩 속도를 사용했습니다. Ritter [11]는 나중에 Charles의 모델이 최대 50mm/min의 하중 속도로 수행된 유사한 시험에 대해 파괴 강도의 속도 의존성을 올바르게 예측했음을 보여주었습니다. Chandanet al. [12]는 Charles가 도출한 관계가 10⁻1 MPa/s ~ 107 MPa/s 범위의 응력 속도를 갖는 굽힘 시험에서 파괴 응력의 속도 향상을 설명할 수 있음을 발견했습니다. 보다 최근의 연구에서도 유리 파괴 강도의 로딩 속도 의존성이 입증되었습니다.