ההנדסה של לוחות הזכוכית


1 דקות קריאה

זכוכית משמשת בבניין באופן מסורתי לזיגוג חלונות בגדלים שונים. אבל בשנים האחרונות מתרחב בהתמדה השימוש בזכוכית למעקים שקופים, לקירות מסך גדולים, גגות שקופים, גשרים להולכי רגל ועוד, להלן המבוא המעניין למחקר שנעשה סביב זכוכית בבניה.



ניסויי חוזק בזכוכית

למרות שלוח הזכוכית בשמשה אינו מזוהה כרכיב שמהווה חלק מהשלד של הבניין, הוא רכיב מבני המאופיין בתכונות גיאומטריות ומיכניות, שיש צורך לתכננו לעמידה בפני השפעות חזויות ולהבטיח את בטיחותו.

לא רק עמידותו ובטיחות לוח הזכוכית כשלעצמו חשובה, אלא גם התולדות של אי עמידותו בקריטריונים המתאימים. ברעידות אדמה מדווח על פגיעות גדולות בנפש כתוצאה מריסוק משטחי זכוכית גדולים בנפילתם. באירועי פיצוץ, לוח הזכוכית מתנפץ בלחצים נמוכים יחסית ועלול לפגוע באנשים התופשים מחסה בחדר, לתוך כך ניפוץ הזכוכית חושף פתח שמאפשר חדירת חומרי לחימה כימיים בהמשך.

ההתמקדות כרגע היא בזכוכית רגילה שמוכרת כ-glass annealed להבדיל מזכוכית מחוסמת, זכוכית שכבתית וכו', שמיוצרות ומשמשות ליישומים שונים. גם במתכונת המסורתית של פנל זכוכית בשמשה, מדובר בלוח בעל עובי של כמה מילימטרים, דק יחסית, שנתמך בקצותיו ולבד ממשקלו העצמי – הוא מוטרח בהשפעות שונות כגון עומסי רוח, נגיפה ואף עומסי הדף.

הגדרת הבעיה המיכאנית מתחילה באפיון  גיאומטרי של פלטת זכוכית דקה, שנתמכת בשפותיה ונפעלת לעומס על פניה. לכאורה בידי המהנדסים מצויים כלי חישוב מתאימים לחישוב התנהגות לוח כזה. אולם בגלל עוביו הקטן של הלוח והמפתח הגדול יחסית, מדובר הרבה פעמים בשקיעות גדולות ובהתנהגות לא ליניארית שמחייבת כלי חישוב מורכבים יותר.

ניסיון להתאים את המודל בתוצאות ניסויים אחרים – נותן פרמטרים שונים

אולם הקושי הגדול הוא הגדרת התכונות המכאניות של לוח הזכוכית והקריטריונים לכשל שלו. בלעדיהם לא ניתן לתכנן את הלוח. כאן מתברר שקיימים פערי ידע ניכרים וממצאי ניסויים רבים מצביעים על התנהגות מורכבת שאין כיום כלים לחיזויה. גם תקנים בנושא אינם מאפשרים הערכה סבירה של תוצאות ניסויים.

לוחות זכוכית דומים במידותיהם מתנהגים בצורה שונה לחלוטין בהטרחת עומסים דומים. צורת הכשל שלהם שונה והיא מתרחשת בלחצים שונים, וזאת שלא כהתנהגות מיכאנית של חומרים רבים המוכרים לנו.

המחקר להלן נועד להבין לעומק את ההתנהגות המיכאנית של הזכוכית ולהכניס מעט סדר ב"אי סדר" הנראה לכאורה בהתנהגותה. המחקר עוסק בזכוכית רגילה שנקראת גם glass annealed silica lime soda. זכוכית כזאת נמצאת בשימוש נרחב בזיגוג בנינים, למשל. ביישום זה מדובר בזכוכית שטוחה בעלת עובי אחיד של כמה מילימטרים, בעלת צורה מלבנית, אם כי ביישום הכללי היא יכולה להיות בעלת צורה כלשהי. המחקר דן בהתנהגות של פלטת זכוכית כזאת בעלת צורה מלבנית, עם תנאי השענה מוגדרים, המוטרחת בעומס סטטי נתון שפועל בניצב לפני השטח.



עמידות גבוהה אך שונה

ייצור הזכוכית ידוע מאות בשנים. אולם במהלך 50 – 60 שנה האחרונות מיושמות שיטות מודרניות שמבטיחות ייצור זכוכית איכותית מחומרי גלם ידועים, במידות גדולות ובעובי אחיד. עובי הזכוכית המיוצרת הוא 2-25 מ"מ ותהליך הייצור מתואר בספרות בפירוט. לזכוכית יש עמידות גבוהה יחסית והיא מצטיינת בשקיפות, חלקות וקושיות – מה שהופך אותה לחומר גלם אטרקטיבי ליישומים אדריכליים רבים.

זכוכית - חומר גלם אטרקטיבי ליישומים אדריכליים רבים.

בנוסף, לזכוכית הרגילה יש סוגי זכוכית שונים בעלי חוזק ועמידות גבוהים יותר. לאחרונה גדלים היישומים המבניים ולארונה נבנו גשרים, משטחי תצפית, מעקות ועוד – שעשויים מזכוכית. בבתי מגורים מקובל כיום ליישם זכוכית כמעקה שקוף, אם כי לא מהסוג שנדון כאן. גם הזכוכית ליישום אדריכלי כביכול, חשופה לעומסים רבים ומגוונים, כמו עומס תרמי, משקל עצמי, עומסי רוח, עומסים סטטיים שונים, ועומסים דינמיים כגון נגיפה והדף.

ידוע שזכוכית מגלה עמידות שונה לקצבי העמסה שונים ולמשכי עומס שונים. יחד עם זאת צריך לזכור גם חסרונות בולטים של הזכוכית כמו היותה חומר פריך שרגיש ללחצים ולשבירה וצורת השבר שלו כמה פיסות גדולות בעלות זויות חדות, עלולות להיות סיכון רב ולגרום לפציעה ולמוות למי שנפצע מהן.

במהלך תקופת חייו לוח זכוכית מושפע מתנאי הסביבה מחומרים כימיים ופעולות מיכאניות

קיימים מודלים שונים לאנליזה של לוח זכוכית, אך רובם ככולם מוגבלים ובעלי חסרונות ניכרים. המודלים העיקריים מבוססים על תוצאות ניסויים, ויחד עם זאת אינם יכולים לחזות תוצאות ניסויים באופן שיטתי. מחקרים שנערכו לאחרונה מותחים ביקורת נוקבת על מגבלותיהם של כלי חישוב קיימים. זה כשלעצמו מעודד לצורך חזק במחקר מעמיק שיתרום להבנה גדולה יותר ולכלי חישוב משופרים.

ידוע שלוחות דומים בצורתם ובתנאי הסמך שלהם, הנפלים להשפעות דומות, מגיבים בצורה שונה לגמרי, וזה במיקום תחילת השבר ובעומס הדרוש לשם כך. השונות בתוצאות יכולה להיות אפילו 30%-50% מהחוזק הממוצע הנמדד. מיקום התחלת השבר יכול להשתנות מאוד ובמערכת סימטרית מיקומו לא יהיה לעתים קרובות בציר הסימטריה ובמערכות המועמסות בעומסים שונים כלשהם, מיקום השבר לא יתלכד עם מיקום המומנט המירבי.

הפילוג הסטטיסטי של תוצאות החוזק הניסוייות הושווה לפונקציות סטטיסטיות ידועות כמו פילוג נרמלי, פילוג לוג-נורמלי, פילוג ווייבול וכו'.מספר שיטות חישוב מבוססות על מודל וייבוא שאת הפרמטרים שלו צריך לכייל מתוצאות ניסויים. אולם ניסיון להתאים את המודל בתוצאות ניסויים אחרים נותן פרמטרים שונים.




פגמים זעירים בזכוכית, הם הגורם לחוזק יחסית נמוך

המבנה המיקרוסקופי של הזכוכית מלא פגמים זעירים, שהם הגורם לחוזק יחסית נמוך בהשוואה לחוזק התיאורטי של החומר. יחד עם זאת, חוזק הזכוכית יכול להגיע ל- 50 – 100 מגפ"ס ואף יותר.

במהלך תקופת חייו לוח זכוכית מושפע מתנאי הסביבה ומחומרים כימיים ומפעילות מכאנית ונוצרים בו פגמים נוספים המקטינים את חוזקו. לכן, המחקר עסק בזכוכית חדשה, ללא הפרמטרים המורכבים והבלתי ידועים בדרך כלל, של השפעות מחזור החיים.

התקנים האירופיים הם דטרמיניסטיים ומדברים על מאמץ תוכן מוגדר ומקדמי מתיחות

בתהליך הייצור הזכוכית עוברת בקרת איכות ונדרשת בקרה של גודל הפגמים בלוח הזכוכית היוצא מפס הייצור. דרישות אלה שונות בתקנים שונים וביישומי הזכוכית, אולם הם נעים בתחום של עשיריות המילימטר. לוח זכוכית יוצא מפס הייצור בשטח 20 מ"ר ונחתך לגדלים שונים לפי הצורך.

הנושא לא פתור - ריכוז של פגמים והתחלת השבר

תקנים שונים מגדירים את אופן הבדיקה של לוח הזכוכית. כעיקרון, התקנים האירופיים הם דטרמיניסטיים ומדברים על מאמץ תכן מוגדר ומקדמי מתיחות ואילו התקנים האמריקאיים מתייחסים לחוזק הסטטיסטי הקשור לפילוג וייבול. מקובלות שיטות בדיקה שונות, כמו כפיפה בהשפעת כוח מרכזי. לעתים משתמשים בהעמסת עומס מפורס בדרך  כלל על פלטות מצטלבות. תקנים אירופיים ממליצים גם על העמסה טבעתית של פלטות עגולות. ניסויים רבים מראים שחוזק הזכוכית הנבדקת גדל כמידות הדגם הנבדק קטנות, וזה עומד מאחורי מקדם גודל הדגם במודלים ובתקנים. חיתוך הזכוכית כשלעצמו גורם לפגמים באזור החיתוך ולכן הם עלולים לגרום לריכוז של פגמים ולהתחלת השבר במקומות אלה. שיוף והחלקה של הפינות נעשה כדי לצמצם את הבעיה.




מחקרים מאוחרים טוענים שמודל וייבול אינו מתאים בהכרח לתאור פילוג הנזק

אולם הנושא אינו פתור בכך. התקנים האירופיים הם כאמור הדטרמיניסטיים והחוזק האופייני המתואר בהם הוא 45 מגפ"ס. התקנים האמריקאיים מתבססים על הפילוג הסטטיסטי של השבר. המודל החישובי הנפוץ – הו המודל של Beason שנקרא GFPM. בשלב מאוחר יותר החוקרים מציינים את מגבלות המודל שלהם, אולם בכל זאת הוא יושם בתקנים, במחקרים ובתוכנות.

מחקרים מאוחרים מתחו ביקורת על הגישה החישובית הזאת, בטענה שמודל וייבול אינו מתאים בהכרח לתיאור פילוג הנזק. ניסויים שונים בספרות הראו התאמה טובה יותר וטובה פחות גם כשהם בוצעו ע"י אותו חוקר. עיקר הקושי נובע מכך שהפילוג נקבע מראש ומתייחס לפילוג עומק השבר ולא לפרמטרים יותר מהותיים של המערכת הנבחנת. התנהגות סטטית של לוחות זכוכית נחקרה הן בניסויים, הן בשיטות אנליטיות, בשיטת האלמנטים הסופיים ובשיטות משולבות שונות. במחקר הנוכחי מפותח מודל חישובי שמתמודד עם ההתנהגות הלא ליניארית של הפלטה הדקה, המאפיינת את ההתנהגות של לוחות דקים רבים, ומיושם מודל חישוב ייחודי לזכוכית שמתייחס לפילוג הפגמים הסטטיסטי בלוח זכוכית ומגדיר את חוזק השבר המקומי בסביבות כל פגם, על פי מודל גריפית, שילוב המודלים מאפשר את חיזוי מקום הכשל ורמת העומס הגורם לכשל, ובעזרתו ניתן להיווכח כי אכן טבלאות זהות לכאורה- מפתחות כשל שונה ברמת עומס שונה, כפי שנצפה בניסויים.

מחקרים שנערכו לאחרונה מותחים בקורת נוקבת על מגבלותיהם של כלי החישוב הקיימים

על מנת לאפשר ניסויים לאישוש המודל, בשלב זה של המחקר תוכנן ונבנה מיתקן לניסוי בלוחות זכוכית, הנפעלים לעומס סטטי מפורס אחיד על פני שטחן. המיתקן מאפשר העמסה מבוקרת על לוח זכוכית המשולבת במדידות. הניסויים המבוקרים בלוחות זכוכית, מתבצעים עד השבר – לצורך מעקב אחרי התנהגות הלוחות, ומתעדים את נתוני השבר, שאינם בנמצא בספרות הקיימת.

מחברי המחקר אומרים שבשלב הבא שלו ניתן יהיה לבצע באמצעות המיתקן ניסויים על לוחות זכוכית שונים. בהמשך מסלול החקירה, בשלביה הבאים, ניתן יהיה גם להרחיב את החקירה הניסויית גם לפעולת עומס דינמי, על מנת להכליל את המודל החישובי לטפל גם בעומסים דינמיים שכיחים, לרבות עומסי נגיפה ופיצוץ.



הערות
* כתובת הדואר האלקטרוני לא תוצג באתר.