информация о клеях постоянной липкости и клейких лентах
информация о клеях постоянной липкости и клейких лентах
Структурное остекление
В этой части приведен обзор работ, посвященных применению двусторонних клейких лент на пеноакриловой основе клеев для монтажа элементов архитектурных фасадных конструкций, в том числе в структурном остеклении. В этом применении предъявляются особо высокие требования к надежности и долговечности клеевых соединений, поэтому оно может быть интересно всем, кто рассматривает долгосрочное применение клейких лент.
В современных системах фасадов зданий широко распространено приклеивание лицевых элементов фасадов, например, алюминиевых панелей или стекла, при которых листовой материал приклеивается к раме без дополнительных поддерживающих элементов.
Для этих целей широко используют специальные силиконовые клеи-герметики, а с недавнего времени специальные клейкие ленты. Клейкие ленты дают дополнительные возможности:
Это применение требует высокой надежности и долговечности в условиях внешней среды. Ниже рассмотрены лабораторные и модельные испытания, а также численные методы оценки такой надежности и выбора нормативных параметров для проектирования с использованием клейких лент.
Для клеевых соединений фасадных конструкций важна надежность в условиях длительной эксплуатации и при воздействии факторов внешней среды. Для определения такой надежности для клейких лент применяются методы, описанные в стандартах для силиконовых клеев-герметиков – решения, ставшего классическим для структурного остекления. В стандарте ASTM C 1184 Standard Specification for Structural Silicone Sealants [1] таким методом является испытание клеевого шва на отрыв после следующих процедур:
Производители клейких лент использовали и другие методы, например, термоциклирование: клеевое соединение подвергалась от 20 до 40 циклов нагревания/охлаждения от -25°C to 70°C с выдержкой 15 минут при минимальной и максимальной температуре в каждом цикле [2]. Специальное исследование было посвящено изучению влияния УФ-света с помощью моделирования разными лабораторными источниками света. В этой работе утверждается о недостаточности требований стандарта ASTM C 1184, где установленная для испытаний доза солнечной радиации эквивалентна всего 3-6 годам реальных условий и были проведены испытания при дозе светового облучения, эквивалентной 20-летнему сроку эксплуатации фасада [3].
Акриловые клейкие ленты, предназначенные для применения в фасадных системах, показали высокую стойкость к факторам внешней среды. После их воздействия отмечалось даже увеличение прочности клеевых соединений [4].
Выбор клейкой ленты и определение норматива ее расхода определяется по ее способности противостоять основным видам нагрузок в процессе эксплуатации: 1) интенсивному, но краткому усилию на отрыв, создаваемому порывами ветра и направленному по нормали к плоскости стекла, 2) постоянному усилию на сдвиг, вызываемому собственным весом панели, 3) цикличному усилию на сдвиг – в тех случаях, когда клейкая лента соединяет материалы с разными коэффициентами температурного расширения/сжатия.
Ветровые переменные нагрузки на отрыв
Действие ветра приводит к падению давления с подветренной стороны здания и появлении усилия, выталкивающего панель или стекло наружу.
Для оценки степени передачи этого усилия на клеевое соединение вдоль края панели, используют трапецеидальное распределение нагрузки в соответсвии со стандартом ASTM C1401 Standard Guide for Structural Sealant Glazing [5]. Согласно нему минимальную ширину клеевого слоя определяют по формуле:
где d – длина короткой стороны панели, p – ветровая нагрузка, σ – нормативная кратковременная прочность клейкой ленты
Для расчетов ветровой нагрузки p берется максимальная ветровая нагрузка, представленная, как правило, в строительных нормах, действующих на данной территории. Нормативную кратковременную прочность σ определяют из предельной кратковременной прочности с учетом коэффициента запаса прочности, принятого в инженерной практике региона.
Пример. Экспериментально установлено, что для ленты 3M VHB G23F предельная прочность при кратком (несколько секунд) воздействии равна 425 кПа [6]. Принимая запас прочности равным 5, получаем, что нормативная кратковременная прочность равна 85 кПа, то есть пиковая нагрузка на ленту в конструкции не должна превышать эту величину. Для алюминиевой панели размером 1,5 м на 2,4 м при значении максимальной ветровой нагрузки p = 2,9 кПа (соответствует скорости ветра 69 м/с), ширина этой ленты должна быть не менее 26 мм при нанесении по всему периметру.
Оценка предельной краткосрочной прочности путем экстраполяции данных при малых скоростях разрушения может быть оказаться консервативной. Лабораторные исследования показывают, что напряжение разрушения вязкоэластичных лент VHB возрастает кратно при очень высоких скоростях нагружения или деформаций: при скорости 50 мм/мин, типичной для стандартных испытаний на отрыв, напряжение разрушения акриловых лент находится в интервале 400-700 кПа, а при скорости 14 м/сек возрастает до 9 МПа и более [7]. Однако такая сильная зависимость прочности от скорости деформации наблюдается только в области температур близких к нормальным. При существенном снижении температуры акриловый полимер лент VHB переходит из вязкоэластичного в упругое состояние, где зависимость прочности от скорости деформации почти отсутствует. При повышенной температуре полимер приобретает большую текучесть и зависимость от температуры также становится менее выраженной [8].
Наряду с максимальной ветровой нагрузкой, которая возникает во время штормов и ураганов и длится в течение секунд, клеевое соединение подвергается действию ветра умеренной силы, но гораздо более продолжительного по времени. Для описания такого действия была предложена накопительная модель, суммирующая ветровые нагрузки разной интенсивности и продолжительности за долгий период времени. Применение этой модели для 2-х местностей показало, что постоянные умеренные ветры не создают высоких рисков разрушения клеевого соединения лент VHB при величине расчетного напряжения 85 кПа, однако рекомендуется принимать во внимание этот вид нагрузок, так как для других географических условий он может оказаться существенным [9].
Постоянная нагрузка на сдвиг под действием собственного веса панели
Показатели прочности клеевого соединения, получаемые стандартными методами, недостаточны для прогнозирования его долговременных свойств так как получаются при относительно кратком воздействии, поэтому для таких оценок проводили специальные исследования. Предельные значения длительной прочности были получены путем экстраполяции зависимостей времени разрушения клеевой связи от величин нагрузок на сдвиг и отрыв, построенных на большом числе измерений [11-13]. Из этой величины и принимаемому согласно инженерной практике отрасли для таких нагрузок запасу прочности получают нормативную длительную прочность σ, которую затем используют для расчета минимальной ширины клеевого слоя:
Для клейкой ленты 3M VHB G23F ленты предельная длительная прочность была оценена в 21 кПа. Принимая запас прочности равным 12, нормативная длительная прочность составляет 1,75 кПа. Например, для алюминиевой панели размером 1,5 на 2,4 метра (Р = 7,92 м) и толщиной 3 мм (m = 32 кг) при нанесении на весь периметр минимальная ширина ленты будет составлять 23 мм [6].
Напряжения в клеевом соединении, вызванные изменением температуры
В клеевом соединении разных материалов при изменении температуры возникают сдвиговые напряжения за счет разного удлинения/сжатия этих материалов. Так, например, разница абсолютных величин удлинения стекла и алюминия при изменении температуры от -40 С до +40 С составляет 1,25 мм на 1 м длины. Оценка температурных деформаций и вызываемых ими напряжений делается особо тщательно для упругих материалов, например отвержденных клеев-герметиков и служит важным основанием для выбора толщины клеевого шва.
где g = 9,8 м/с2 , m – масса панели, Р – периметр нанесения клеевого слоя
В случае акриловых клейких лент их основа сочетает в себе одновременно и вязкие, и эластичные свойства и способна компенсировать деформации, доходящие до 300% от толщины ленты. Толщина 2,3 мм клейкой ленты 3M VHB G23F, применяемой в структурном остеклении, достаточна для применения большинстве возможных конструкций, так как способна компенсировать тепловое расширение/сжатие до 6,9 мм [2].
Клеевые соединения были многократно испытаны в составе полномасштабных моделей фасадных конструкций. Например, испытания на стойкость к ветровой нагрузке проводились согласно стандарту ASTM E330 “Standard test method for structural performance of exterior windows, doors, skylights and curtain walls by uniform static air pressure difference” [14].
Согласно этому методу элемент фасада монтируется на камеру, в которой на заданное время создается повышенное или пониженное давление.
В выборе параметров испытаний обычно руководствуются строительными нормами региона или страны [15-17]. Программа испытаний может быть разной, например, последовательно проводились такие операции [2]:
Стойкость к ветровым, в том числе, ураганным нагрузкам проверялась в цикличных испытаниях по ASTM E1886 Standard test method for performance of exterior windows, curtain walls, doors and impact protective systems impacted by missiles and exposed to cyclic pressure differentials [18], использующим тестовую камеру подобную той, что описана в ASTM 330, а также устройство для ударных нагрузок. Цикличные испытания фасадной панели включали 1342 нагружения предельным нормативным давлением 2,9 кПа в обоих направлениях [6]. Модельные испытания, проведенные International (CCLI) S-United Inc в соответствии с ASTM E 330-14, показали, что нормативная краткосрочная прочность ленты 3M VHB G23F для целей проектирования может быть расширена с 85 кПа до 100 kPa [17].
Способность клейких лент противостоять ударным нагрузкам определяли также по стандарту EN 12600 (ГОСТ EN 12600 – 2015. Стекло и изделия из него. Метод испытания на стойкость к удару двойной шиной) [19] при различных значениях энергии удара и температурах, например при -40 С в [20].
Для оценки параметров и поведения конструкций с использованием клейких лент все чаще применяются расчеты с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Моделирование свойств акриловых клейких лент было проведено на основании подхода, описывающего как вязкое, так и нелинейное высокоэластичное поведение с использованием параметров экспериментальных зависимостей прочности на отрыв от скорости деформации, и значения модулей накопления и потерь по данным динамического механического анализа [21].
Это подход был использован для расчета напряжений, создаваемых коробленым/изогнутым стеклом при его монтаже на прямоугольную раму с помощью клейкой ленты VHB G23F.
Для стекла размером 1,51 х 2,54 были получены следующие оценки:
Применение той же комбинированной модели к моделированию испытаний на ветровую нагрузку дало количественную оценку распределения напряжения, передаваемого на клейкую ленту.
При том, что ветровая нагрузка равномерно распределялась по площади стекла, напряжение в клеевом слое было неравномерно, возрастая от внешней к внутренней стороне клейкой ленты и достигая максимальной величины в середине как длинной, так и короткой сторон рамы. Расчет показал, что в этих областях напряжение может превышать нормативную прочность 0,1 МПа в несколько раз, но не превышает предела прочности клейкой ленты.
Ссылки
[2] Structural performance tests of VHB™ structural glazing tapes, 3M Technical Bulletin, 2010
[4] 3M VHB Structural Glazing Tape Technical Guide, 2010.
[5] ASTM C1401 – 02 Standard Guide for Structural Sealant Glazing
[7] Salisbury, C., Garmendia I. U., Worswick, M., High rate deformation of VHB tapes. University of Waterloo, Department of Mechanical Engineering, 2007.
[8] Bull, E., Cholaky, J., Eng., Kuhlman, S.J.H., Performance of Structural Silicone and Acrylic Tape Subjected to High Speed Shear and Extreme Temperatures. Fifth Symposium on the Durability of Building and Construction Sealants and Adhesives, Journal of ASTM International, 2014.
[9] Townsend, B., Ohanehi, D., Dillard, D., Austin, S., Salmon, F., Gagnon, D., Evaluating the Performance and Durability of Acrylic Foam Tapes for Structural Glazing Applications. PSTC Tech 33, 2010.
[10] Townsend, B., Characterization and Lifetime Performance Modeling of Acrylic Foam Tape for Structural Glazing Applications, Master of science thesis’s, 2008.
[11] Townsend, B., Ohanehi, D., Dillard, D., Austin, S., Salmon, F., Gagnon, D., Developing a Simple Damage Model for the Long-Term Durability of Acrylic Foam Structural Glazing Tape Subject to Sustained Wind Loading, Journal of Architectural Engineering, 2012, Vol 18, No 3, 214-222.
[12] Townsend, B., Ohanehi, D., Dillard, D., Austin, S., Salmon, F., Gagnon, D., Characterizing acrylic foam pressure sensitive adhesive tapes for structural glazing applications—Part I: DMA and ramp-to-fail results, International Journal of Adhesion and Adhesives, 2011, V31, Issue 7, 639–649.