이러한 건축적 요건을 충족하는 점 고정형 유리 시스템은 특히 지상 출입구나 공공 장소에서 널리 사용됩니다. 최근 기술 발전으로 초고강도 접착제를 사용하여 유리에 구멍을 뚫지 않고도 이러한 대형 부석을 부속품에 부착할 수 있게 되었습니다.
일반적인 지면 위치는 시스템이 건물 거주자를 보호하는 층 역할을 해야 할 가능성을 높이며, 이러한 요건은 일반적인 풍하중 요건을 초과하거나 초과합니다. 시추를 위한 지점 고정 시스템에 대한 일부 시험은 수행되었지만, 접합 방식에 대한 시험은 수행되지 않았습니다.
본 논문의 목적은 접합된 투명 구성 요소에 대한 폭발 하중의 영향을 시뮬레이션하기 위해 폭발물을 장착한 충격관을 사용하여 폭발을 시뮬레이션하는 시뮬레이션 시험을 기록하는 것입니다. 이러한 변수에는 ASTM F2912 [1]에서 정의한 폭발 하중이 포함되며, 이는 SGP 이오노머 샌드위치가 있는 박판에서 수행됩니다. 이 연구는 대규모 테스트 및 건축 설계를 위한 잠재적 폭발 성능을 정량화할 수 있는 최초의 연구입니다. 직경 60mm(2.36인치)의 TSSA 피팅 4개를 1524 x 1524mm(60인치 x 60인치) 크기의 유리판에 부착합니다.
48.3kPa(7psi) 이하의 압력으로 하중을 가한 네 가지 구성품은 TSSA와 유리에 손상이나 영향을 미치지 않았습니다. 다섯 가지 구성품은 62kPa(9psi) 이상의 압력으로 하중을 가했는데, 그중 네 가지 구성품에서 유리 파손이 발생하여 유리가 개구부에서 이탈했습니다. 모든 경우에서 TSSA는 금속 부속품에 부착된 상태를 유지했으며, 오작동, 접착 또는 접합은 발견되지 않았습니다. AAMA 510-14의 요건에 따라 테스트된 TSSA 설계는 48.3kPa(7psi) 이하의 하중에서도 효과적인 안전 시스템을 제공할 수 있는 것으로 테스트 결과 나타났습니다. 여기에서 생성된 데이터는 지정된 하중을 충족하도록 TSSA 시스템을 설계하는 데 사용될 수 있습니다.
존 킴벌린(Jon Kimberlain)은 다우코닝 고성능 실리콘의 고급 응용 분야 전문가입니다. 로렌스 D. 카버리(Lawrence D. Carbary)는 다우코닝 고성능 건설 산업 과학자이자 다우코닝 실리콘 및 ASTM 연구원입니다.
유리 패널의 구조용 실리콘 접합은 거의 50년 동안 현대 건물의 미관과 성능을 향상시키기 위해 사용되어 왔습니다[2][3][4][5]. 이 고정 방식은 높은 투명도를 가진 매끄럽고 연속적인 외벽을 만들 수 있습니다. 건축의 투명성 향상에 대한 요구는 케이블 메시 벽과 볼트 지지 외벽의 개발 및 사용으로 이어졌습니다. 건축적으로 까다로운 랜드마크 건물은 오늘날의 현대 기술을 포함해야 하며, 지역 건축 및 안전 규정과 표준을 준수해야 합니다.
투명 구조용 실리콘 접착제(TSSA)가 연구되었으며, 구멍을 뚫는 대신 볼트 고정부로 유리를 지지하는 방식이 제안되었다[6][7]. 강도, 접착력, 내구성을 갖춘 투명 접착제 기술은 커튼월 설계자가 독특하고 참신한 방식으로 접합 시스템을 설계할 수 있도록 하는 일련의 물리적 특성을 가지고 있다.
미관과 구조적 성능을 모두 만족하는 원형, 직사각형, 삼각형 액세서리는 설계가 용이합니다. TSSA는 오토클레이브에서 가공되는 접합 유리와 함께 경화됩니다. 오토클레이브 사이클에서 재료를 꺼낸 후 100% 검증 테스트를 완료할 수 있습니다. 이러한 품질 보증 이점은 조립품의 구조적 무결성에 대한 즉각적인 피드백을 제공할 수 있다는 점에서 TSSA만의 독보적인 장점입니다.
기존 구조용 실리콘 소재의 내충격성[8]과 충격 흡수 효과가 연구되었습니다[9]. Wolf 등은 슈투트가르트 대학교에서 생성된 데이터를 제공했습니다. 이 데이터는 ASTM C1135에 명시된 준정적 변형률 속도와 비교했을 때, 구조용 실리콘 소재의 인장 강도가 극한 변형률 속도 5m/s(197in/s)에서 우수함을 보여줍니다. 강도와 신율이 증가합니다. 이는 변형률과 물리적 특성 간의 관계를 나타냅니다.
TSSA는 구조용 실리콘보다 탄성률과 강도가 높은 고탄성 소재이므로 일반적인 성능은 동일할 것으로 예상됩니다. 높은 변형률 속도에서 실험실 시험을 수행하지는 않았지만, 폭발 시 높은 변형률이 강도에 영향을 미치지 않을 것으로 예상됩니다.
볼트로 고정된 유리는 테스트를 거쳐 폭발 완화 기준[11]을 충족했으며, 2013년 유리 성능의 날(Glass Performance Day)에 전시되었습니다. 시각적 결과는 유리 파손 후 기계적으로 고정하는 것의 장점을 명확히 보여줍니다. 순수 접착제로 부착하는 시스템의 경우, 이는 어려운 과제가 될 것입니다.
프레임은 미국 표준 강철 채널로 제작되었으며, 크기는 깊이 151mm, 너비 48.8mm, 웹 두께 5.08mm(6인치 x 1.92인치 x 0.20인치)입니다. 일반적으로 C 6인치 x 8.2# 슬롯이라고 합니다. C형 채널은 모서리에서 용접되어 있으며, 프레임 표면에서 안쪽으로 9mm(0.375인치) 두께의 삼각형 단면이 모서리에 용접되어 있습니다. 플레이트에는 직경 14mm(0.55인치) 볼트를 쉽게 삽입할 수 있도록 18mm(0.71인치) 직경의 구멍이 뚫려 있습니다.
직경 60mm(2.36인치)의 TSSA 금속 피팅은 각 모서리에서 50mm(2인치) 떨어져 있습니다. 각 유리 조각에 피팅 4개를 적용하여 모든 것이 대칭이 되도록 합니다. TSSA의 독특한 특징은 유리 가장자리에 가깝게 배치할 수 있다는 것입니다. 유리에 기계적 고정을 위한 드릴링 액세서리는 가장자리부터 특정 치수를 가지며, 이는 설계에 반영되어야 하며, 템퍼링 전에 드릴링해야 합니다.
가장자리에 가까운 크기는 완성된 시스템의 투명도를 향상하는 동시에 일반적인 스타 조인트의 토크가 낮아 스타 조인트의 접착력을 낮춥니다. 이 프로젝트에 선택된 유리는 6mm(1/4인치) 두께의 강화 투명 1524mm x 1524mm(5′x5′) 겹판으로, Sentry Glass Plus(SGP) 이오노머 중간 필름 1.52mm(0.060인치)로 라미네이트 처리되었습니다.
1mm 두께의 TSSA 디스크를 직경 60mm(2.36인치)의 프라이밍 처리된 스테인리스 스틸 피팅에 도포합니다. 프라이머는 스테인리스 스틸에 대한 접착 내구성을 향상시키도록 설계되었으며, 실란과 티타네이트를 용매에 녹인 혼합물입니다. 금속 디스크를 0.7MPa(100psi)의 측정 힘으로 1분 동안 유리에 눌러 습윤 및 접촉을 제공합니다. TSSA가 오토클레이브에서 경화 및 접합에 필요한 30분의 침지 시간(soak time)을 확보할 수 있도록, 11.9bar(175psi) 및 133°C(272°F)의 오토클레이브에 부품을 넣습니다.
오토클레이브가 완료되고 냉각된 후, 각 TSSA 피팅을 검사하고 55Nm(40.6피트 파운드)의 토크로 조여 표준 하중이 1.3MPa(190psi)임을 확인하십시오. TSSA용 부속품은 Sadev에서 제공하며 R1006 TSSA 부속품으로 식별됩니다.
액세서리 본체를 유리의 경화 디스크에 조립하고 강철 프레임 안으로 내려놓습니다. 볼트의 너트를 조정하여 외부 유리가 강철 프레임 바깥쪽과 수평이 되도록 고정합니다. 유리 둘레를 둘러싼 13mm x 13mm(1/2인치 x 1/2인치) 접합부는 다음 날 압력 하중 시험을 시작할 수 있도록 두 부분으로 구성된 실리콘 구조로 밀봉합니다.
이 시험은 켄터키 대학교 폭발물 연구실의 충격관을 사용하여 수행되었습니다. 충격 흡수관은 강화 강철 본체로 구성되어 있으며, 최대 3.7m x 3.7m 크기의 장치를 표면에 설치할 수 있습니다.
충격관은 폭발관의 길이를 따라 폭약을 배치하여 폭발 사건의 긍정적 및 부정적 단계를 시뮬레이션함으로써 구동됩니다[12][13]. 그림 4와 같이 유리 및 강철 프레임 조립체 전체를 충격 흡수관에 넣어 테스트합니다.
충격관 내부에는 4개의 압력 센서가 설치되어 있어 압력과 맥박을 정확하게 측정할 수 있습니다. 실험은 디지털 비디오 카메라 2대와 디지털 SLR 카메라 1대를 사용하여 녹화했습니다.
충격관 바깥 창문 근처에 설치된 MREL Ranger HR 고속 카메라는 초당 500프레임으로 시험 영상을 촬영했습니다. 창문 근처에 20kHz 편향 레이저 기록을 설치하여 창문 중앙의 편향을 측정했습니다.
네 개의 프레임 구성 요소를 총 9회 시험했습니다. 유리가 개구부에서 빠져나오지 않으면 더 높은 압력과 충격 조건에서 구성 요소를 다시 시험합니다. 각 경우에 목표 압력, 충격량 및 유리 변형 데이터를 기록합니다. 이후 각 시험은 AAMA 510-14 [폭발 위험 완화를 위한 폭발 시스템 자발적 지침]에 따라 평가됩니다.
위에서 설명한 바와 같이, 유리가 발파구 개구부에서 제거될 때까지 네 개의 프레임 조립체를 시험했습니다. 첫 번째 시험의 목표는 614kPa-ms(10psi A 89psi-msec)의 펄스에서 69kPa에 도달하는 것입니다. 가해진 하중으로 유리창이 깨져 프레임에서 분리되었습니다. 사데브(Sadev) 포인트 피팅은 TSSA를 깨진 강화 유리에 부착합니다. 강화 유리가 깨졌을 때, 유리는 약 100mm(4인치) 휘어진 후 개구부에서 빠져나왔습니다.
연속 하중 증가 조건에서 프레임 2를 3회 시험했습니다. 시험 결과, 압력이 69kPa(10psi)에 도달할 때까지 파손이 발생하지 않았습니다. 측정된 압력은 44.3kPa(6.42psi)와 45.4kPa(6.59psi)였으며, 이는 부품의 무결성에 영향을 미치지 않았습니다. 측정된 압력이 62kPa(9psi)일 때, 유리의 처짐으로 인해 파손이 발생하여 유리창이 개구부에 남게 되었습니다. 모든 TSSA 부속품은 그림 7과 같이 파손된 강화 유리로 부착되어 있습니다.
증가하는 연속 하중 조건에서 프레임 3을 두 번 테스트했습니다. 결과에 따르면 압력이 목표 69kPa(10psi)에 도달할 때까지 파손이 발생하지 않았습니다. 측정된 압력 48.4kPa(7.03psi)는 구성 요소의 무결성에 영향을 미치지 않습니다. 데이터 수집에서는 처짐을 허용하지 못했지만 비디오에서 시각적으로 관찰한 결과 프레임 2 테스트 3과 프레임 4 테스트 7의 처짐이 비슷했습니다. 측정 압력이 64kPa(9.28psi)일 때 190.5mm(7.5인치)에서 측정된 유리의 처짐으로 인해 파손이 발생하여 유리 창이 개구부에 남게 되었습니다. 모든 TSSA 액세서리는 그림 7과 같이 깨진 강화 유리로 부착되었습니다.
연속 하중을 증가시키면서 프레임 4를 3회 시험했습니다. 그 결과, 압력이 두 번째로 목표 압력인 10psi에 도달할 때까지 파손이 발생하지 않았습니다. 측정된 압력은 각각 46.8kPa(6.79psi)와 64.9kPa(9.42psi)였으며, 이는 부품의 무결성에 영향을 미치지 않을 것입니다. 시험 8번에서 유리는 100mm(4인치) 휘어지는 것으로 측정되었습니다. 이 하중으로 인해 유리가 파손될 것으로 예상되지만, 다른 데이터 포인트도 얻을 수 있습니다.
테스트 #9에서 측정된 압력 65.9kPa(9.56psi)는 유리를 190.5mm(7.5인치) 휘게 하여 파손을 유발했으며, 유리창은 개구부 안에 남게 되었습니다. 모든 TSSA 액세서리는 그림 7과 같이 깨진 강화 유리로 부착되어 있습니다. 모든 경우에서 액세서리는 눈에 띄는 손상 없이 강철 프레임에서 쉽게 분리할 수 있습니다.
각 테스트의 TSSA는 변경되지 않습니다. 테스트 후 유리가 손상되지 않은 상태에서는 TSSA에 시각적 변화가 없습니다. 고속 영상은 유리가 스팬 중간 지점에서 파손된 후 개구부에서 빠져나오는 모습을 보여줍니다.
그림 8과 그림 9에서 유리 파손과 파손 없음을 비교하면 유리 파단 모드가 부착 지점에서 멀리 떨어진 곳에서 발생한다는 점이 흥미롭습니다. 이는 유리의 결합되지 않은 부분이 굽힘 지점에 도달했음을 나타내며, 이 지점은 빠르게 접근하고 있습니다. 유리의 취성 항복점은 결합된 상태를 유지하는 부분을 기준으로 합니다.
이는 시험 중 해당 부위의 파손된 판이 전단력을 받을 가능성이 높음을 시사합니다. 이러한 원리와 접착 계면에서 유리 두께의 취성이 파손 모드로 나타나는 관찰 결과를 종합해 볼 때, 규정 하중이 증가함에 따라 유리 두께를 늘리거나 다른 방법으로 처짐을 제어하여 성능을 개선해야 합니다.
프레임 4의 테스트 8은 시험 시설에서 뜻밖의 놀라움을 선사합니다. 유리가 손상되지 않아 프레임을 다시 테스트할 수 있지만, TSSA와 주변 실링 스트립은 여전히 ​​이 큰 하중을 견딜 수 있습니다. TSSA 시스템은 60mm 부착물 4개를 사용하여 유리를 지지합니다. 설계 풍하중은 활하중과 영구하중이며, 모두 2.5kPa(50psf)입니다. 이는 이상적인 건축적 투명성을 갖춘 중간 수준의 설계이며, 매우 높은 하중을 나타내지만 TSSA는 손상되지 않았습니다.
본 연구는 유리 시스템의 접착력에 샌드블라스팅 성능에 대한 낮은 수준의 요건과 관련하여 내재적인 위험이나 결함이 있는지 확인하기 위해 수행되었습니다. 60mm 두께의 TSSA 보조 시스템을 유리 가장자리 근처에 설치하면 유리가 파손될 때까지 동일한 성능을 유지합니다. 유리가 파손 방지용으로 설계된 경우, TSSA는 건물의 투명성과 개방성 요건을 유지하면서 일정 수준의 보호 기능을 제공할 수 있는 실용적인 접합 방식입니다.
ASTM F2912-17 표준에 따르면, 시험된 창문 구성품은 C1 기준에서 H1 위험 수준에 도달합니다. 연구에 사용된 Sadev R1006 부속품은 영향을 받지 않습니다.
본 연구에 사용된 강화 유리는 시스템의 "약한 고리"입니다. 유리가 파손되면 TSSA와 주변 밀봉 스트립은 소량의 유리 파편이 실리콘 소재에 남아 많은 양의 유리를 유지할 수 없습니다.
설계 및 성능 측면에서 TSSA 접착 시스템은 폭발 성능 지표(IPI) 초기 수준에서 폭발 등급 외벽 부품에 높은 수준의 보호 기능을 제공하는 것으로 입증되었으며, 이는 업계에서 널리 인정받고 있습니다. 테스트된 외벽은 폭발 위험이 41.4kPa(6psi)에서 69kPa(10psi) 사이일 때 위험 수준의 성능이 현저히 다르다는 것을 보여줍니다.
그러나 위험 분류의 차이가 접착제와 유리 파편의 응집 파괴 모드가 위험 임계값 사이에서 나타내는 접착 파괴에 기인하지 않는다는 점이 중요합니다. 관찰 결과에 따르면, 굽힘과 부착 경계면에서 전단 반응 증가로 인한 취성을 방지하기 위해 유리 크기를 적절히 조정하여 처짐을 최소화합니다. 이는 성능의 핵심 요소로 보입니다.
미래의 설계에서는 유리 두께를 늘리고, 가장자리에 대한 지점의 위치를 ​​고정하고, 접착제의 접촉 직경을 늘리면 더 높은 하중에서 위험 수준을 줄일 수 있을 것입니다.
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