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May 09, 2023

Conception, ingénierie et essais expérimentaux de colonnes tubulaires en verre

Date : 7 juillet 2022 Cette recherche porte sur la conception, la fabrication et

Date : 7 juillet 2022

Cette recherche s'articule autour de la conception, de la fabrication et des essais de colonnes tubulaires en verre, avec un accent particulier sur leurs mécanismes de redondance et de sécurité incendie ; de plus, abordant des aspects tels que : la forme de la colonne ; nettoyage et entretien; connexions finales ; tolérances géométriques dans le verre et démontabilité. Deux conceptions alternatives de colonnes creuses circulaires (tubes) sont initialement développées et conçues pour répondre à ces aspects, à savoir : la MLA (Multi Layered with Air) et la SLW (Single Layered with water). Dans les deux concepts, la structure porteuse principale se compose de deux tubes de verre feuilleté concentriques.

Ainsi, afin d'explorer les défis de fabrication et le potentiel structurel de ces concepts, le travail de prototypage et d'expérimentation se concentre sur six échantillons de 300 mm de long avec un diamètre extérieur de 115 mm qui sont laminés et montés dans des embouts en acier d'ingénierie personnalisés. Une attention particulière en termes de fabrication est portée au processus de stratification et à la formation de bulles associées, à la rupture éventuelle du verre par des contraintes internes de durcissement de la résine et à l'interface entre le tube de verre et les embouts en acier. Tous les échantillons sont laminés avec le composant Ködistruct LG 2-PU.

Trois échantillons sont assemblés avec du verre DURAN® (recuit) et les trois autres avec du verre DURATAN® (renforcé thermiquement). Par la suite, les six échantillons sont testés en compression jusqu'à échec pour étudier le comportement du matériau intercalaire, le comportement post-fracture des conceptions, les différences entre les échantillons recuits et renforcés thermiquement, la capacité des tubes de verre et les performances des connexions d'extrémité. Des fissures initiales sont apparues entre 95 et 160 kN (résistance à la compression de 30 à 50 MPa) dans les échantillons DURAN® et entre 120 et 160 kN (résistance à la compression de 37 à 50 MPa) dans les échantillons DURATAN®.

Ces charges sont inférieures à celles estimées par calculs ; en particulier, les premières fissures se sont produites à 34-64% de la charge calculée. Néanmoins, les échantillons s'avèrent robustes, avec une capacité portante considérable au-delà des premières fissures, conduisant à une capacité nominale maximale de résistance à la compression allant jusqu'à 152 MPa pour les échantillons DURATAN® et jusqu'à 233 MPa pour les échantillons DURAN®.

1.1. Présentation du problème

La haute résistance à la compression du verre le rend idéal pour les éléments de compression tels que les colonnes. Les colonnes en verre sont une application particulièrement prometteuse, car leur transparence permet également une continuité de l'espace et une meilleure pénétration de la lumière du jour dans les espaces intérieurs. Cependant, ils ont été rarement appliqués dans la pratique, pour de multiples raisons, à savoir : un manque de données de résistance et de directives de construction suffisantes, des variables incertaines, des coûts, des complications liées à la fabrication, une faible résistance au feu, une faible résistance à la traction et la nature fragile du verre et sa défaillance spontanée (Kalamar et al. 2016) (Oikonomopoulou et al. 2017).

Selon Nijsse et Ten Brincke (2014), il existe cinq types de colonnes toutes en verre : profilées, tubulaires en couches, groupées, coulées et empilées. Oikonomopoulou et al. (2017) présente un aperçu détaillé des travaux expérimentaux menés jusqu'à présent sur les différents types de colonnes tout en verre et indique qu'à l'heure actuelle, la seule colonne en verre structurel autoportante appliquée dans les bâtiments est la colonne en verre profilé avec une section cruciforme. Néanmoins, un poteau profilé tubulaire fermé présente une résistance au flambement (en torsion) considérablement meilleure ; de plus, en raison de son manque d'angles et de bords, il est moins sensible aux chocs accidentels (Eekhout 2019) et peut être visuellement perçu comme moins intrusif.

Bien que certaines recherches expérimentales aient été menées sur des tubes de verre par Achenbach et Jung (2003), Doenitz et al. (2003) et Overend et al. (2005), il n'existe pas encore de méthodes de fabrication bien établies avec des méthodes de vérification et de calcul associées pour ce type de colonne de verre de forme efficace. Malgré le manque d'exemples existants de colonnes en tubes de verre, des tubes de verre ont déjà été appliqués structurellement dans des structures de tenségrité (Achenbach et Jung 2003), dans la façade de l'atrium de la Tower Place à Londres (Doenitz et al. 2003) et dans une poutre en treillis zip qui démontre une tension et une compression par des couleurs s'allumant dans les tubes de verre (Glass & Swinging Structures bv. 2021).

Van Nieuwenhuijzen et al. (2005) et Veer et Pastunink (1991) ont précédemment développé une colonne en verre feuilleté constituée de deux tubes de verre concentriques. Selon Van Nieuwenhuijzen et al. (2005), les principaux défis évoluaient autour du laminage en raison du retrait de l'adhésif et des intolérances dimensionnelles des tubes de verre. Par conséquent, plus de connaissances sont nécessaires pour réaliser ce type de colonne en verre, en particulier sur ses procédés de fabrication, ses mécanismes de sécurité incendie et sa robustesse. Ainsi, l'objectif principal de cette recherche est de concevoir et réaliser une colonne de verre tubulaire transparente, porteuse, redondante, robuste et ignifuge.

1.2. Méthodologie

Cet article présente la conception, l'ingénierie et les essais expérimentaux de colonnes tubulaires en verre. Tout d'abord, des critères de conception sont établis en matière de sécurité incendie, de redondance, de fabrication et de remplaçabilité. Deuxièmement, deux concepts de conception alternatifs avec différentes stratégies de sécurité incendie sont développés ; l'accent est également mis sur la conception des connexions d'extrémité. Dans les deux concepts, l'élément porteur de la colonne se compose de deux tubes concentriques qui sont collés ensemble avec un matériau intermédiaire. Par la suite, les travaux expérimentaux portent sur la réalisation et les essais sous compression de six prototypes à petite échelle constitués de deux tubes concentriques laminés. Les échantillons testés sont constitués de tubes de verre soit recuits (DURAN® - 3 échantillons) soit renforcés thermiquement (DURATAN® - 3 échantillons), principalement pour observer la rupture éventuelle du verre par des contraintes internes de durcissement de la résine et pour observer les différences de rupture. La manufacturabilité, la capacité de charge, la robustesse et les performances après rupture sont explorées.

1.3. Redondance et comportement au feu : Critères et stratégies de conception

Selon Honfi et Overend (2013), il existe trois niveaux de redondance dans les structures en verre : matériau, composant et système structurel. Pour améliorer la redondance des composants, le verre renforcé thermiquement est préféré au verre recuit (Oikonomopoulou 2019), en raison de sa résistance à la traction accrue et de sa capacité résiduelle après rupture lorsqu'il est laminé. Cela améliore également la résistance au feu.

Les critères de performance pertinents du verre résistant au feu sont : l'intégrité, l'isolation et le rayonnement (Gravit et al. 2019). Pour améliorer la résistance thermique de la colonne de verre, le verre borosilicaté est préféré. Cela est dû à son coefficient de dilatation thermique considérablement plus faible par rapport au verre sodocalcique, ce qui se traduit par une résistance plus élevée aux chocs thermiques (par exemple, le verre borosilicaté est généralement utilisé dans les ustensiles de laboratoire pour cette raison). Une solution intéressante en termes d'isolation consiste à remplir les tubes de verre avec de l'eau pour maintenir le verre au frais. Ce concept a été introduit pour les colonnes du Samsung Museum de Séoul en Corée ; malheureusement, en raison de l'effondrement de l'économie coréenne, le projet n'a pas été réalisé (Nijsse 2003).

1.4. Connexions d'extrémité : critères de conception et principales préoccupations

Pour la conception des connexions d'extrémité, les aspects suivants sont pris en compte :

1.5. Considérations de fabrication

Étant donné que la colonne doit être scellée pour éviter que la saleté ne pénètre dans la colonne, le tube de verre devient une cavité fermée. Les pressions isochoriques se produisent en raison des différences de température entre l'intérieur et l'extérieur de la colonne. À terme, ces pressions pourraient entraîner de la condensation. Pendant le chauffage du processus de stratification, des contraintes thermiques se produiront en raison des différents coefficients de dilatation thermique du verre et du matériau intercalaire. De plus, du fait des tolérances géométriques du verre, des différences d'épaisseur dans le matériau intercalaire se produisent. Plus l'intercalaire est épais, plus le verre subit de contraintes pendant et/ou après la cuisson. Si la couche intermédiaire devient trop mince, l'intégrité structurelle n'est pas garantie.

Tous les critères et préoccupations mentionnés ci-dessus sont examinés avec soin et conduisent aux deux conceptions conceptuelles suivantes :

2.1. Colonne MLA

La colonne MLA (figure 1, à gauche) se compose d'un tube extérieur non porteur et de deux tubes intérieurs en verre borosilicate porteurs. Le tube de verre extérieur a un revêtement polymère sur sa surface intérieure et son objectif principal est de protéger les couches de verre intérieures. Les deux tubes intérieurs porteurs sont liés par un matériau intercalaire transparent. Dans ce projet, Ködistruct LG, matériel LOCA de HBFuller Kӧmmerling est utilisé. Il s'agit d'une résine liquide thermodurcissable, formée de polymères réticulés. Le premier composant est le polyol et le second est l'isocyanate.

Ce matériau intercalaire durcit à température ambiante. De ce fait, aucun refroidissement soudain n'a lieu, de sorte qu'aucune contrainte extrême ne se produit. De plus, ce matériau intercalaire a une faible valeur de retrait (3,5 %) entraînant de plus petites quantités d'air piégé (par exemple des bulles) et de faibles contraintes résiduelles dans la couche adhésive. La surface extérieure de la couche intermédiaire sera recouverte d'un revêtement transparent résistant au feu (par exemple HCA-TR)1 . Ce revêtement est protégé des rayures par le tube de verre extérieur. Il est en outre conseillé d'utiliser des gicleurs dans le bâtiment, afin de réduire la température du verre pendant une durée prescrite en cas d'incendie.

1Il convient de noter que ce revêtement n'a été testé que sur des panneaux de verre plats et que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour l'application de tubes de verre.

Comme mentionné précédemment, les différences de température entre la cavité fermée du tube de verre et l'extérieur peuvent entraîner une pression d'air qui, à son tour, peut entraîner de la condensation et des contraintes. Si la colonne de verre ne résiste pas à ces contraintes, la pression d'air peut être régulée par un système de ventilation. Néanmoins, de la condensation peut encore se produire. Par conséquent, des grains déshydratants de silice sont inclus dans la conception, de la même manière que les déshydratants couramment utilisés dans les vitrages isolants. La figure 2 (à gauche et au milieu) montre le MLA avec et sans système de ventilation.

2.2. Colonne SLW

La colonne en verre SLW (figure 1, à droite) comprend deux tubes en verre liés entre eux par un matériau intercalaire (la même résine liquide que celle utilisée pour le MLA). Dans ce concept, le tube est rempli d'eau pour garder le verre au frais en cas d'incendie. L'eau sera pompée à travers la colonne. Comme dans la variante MLA, il est conseillé d'utiliser également des gicleurs dans le bâtiment pour réduire davantage la température du verre si nécessaire. La vue 3D de SLW est illustrée à la figure 2 (à droite).

Pour résister aux contraintes thermiques induites et réduire les risques de condensation, soit l'air filtré est amené via un système de ventilation, soit l'eau sera régulée, soit des grains de silice sont intégrés à la conception. Les contraintes dues au processus de stratification doivent être vérifiées dans les études expérimentales.

2.3. Conception des connexions d'extrémité

Dans les deux conceptions, des liaisons articulées sont utilisées, pour s'assurer que seules les forces de compression axiales sont transmises à la colonne de verre. Un bloc POM est placé entre le sabot en acier et les tubes en verre, car il a un module de Young inférieur à celui du verre. Le mortier Hilti sera injecté sous les tubes de verre dans la rainure du bloc POM pour répartir les charges de compression de la connexion dans les tubes de verre. Le bloc POM peut accueillir plusieurs variantes de colonnes en verre, par exemple l'application : eau, air ou grains de silice. La figure 3 montre deux coupes transversales 3D différentes de la connexion d'extrémité du MLA.

Quelques étapes de la séquence d'assemblage sont illustrées à la figure 5. La durabilité environnementale est prise en compte en concevant pour la démontabilité. La colonne de verre peut être retirée du bâtiment en une seule pièce. Pour ce faire, des connexions sèches sont utilisées, de sorte que tous les composants peuvent également être réutilisés2 . De cette manière, il est également possible de remplacer la colonne en cas de rupture (figure 4). Des entretoises temporaires doivent être placées de chaque côté de la colonne cassée, et la colonne peut être retirée et remplacée.

2 Sauf pour le mortier Hilti qui n'est pas réutilisable ; le délaminage des tubes de verre n'est pas non plus considéré comme possible.

Dans les deux concepts de conception, la structure de verre porteuse se compose de deux tubes de verre qui sont collés ensemble via un matériau intercalaire. Cette partie est considérée comme la plus cruciale en termes de fabrication, car elle implique le collage des deux tubes de verre ensemble. Pour étudier à la fois le potentiel structurel et les défis de fabrication des concepts développés, le travail expérimental se concentre sur la fabrication et le test de 6 prototypes de verre à petite échelle de 300 mm de longueur et 115 mm de diamètre extérieur. Ces échantillons sont constitués de deux tubes de verre qui sont collés avec un matériau intercalaire.

Le processus de stratification est sensible car il affecte la formation de bulles et la rupture éventuelle du verre causée par les contraintes de retrait. Les prototypes sont laminés par HBFuller Känmerling et testés en compression au laboratoire Stevin II de l'Université technique de Delft, pour étudier le comportement du matériau intercalaire, la réponse post-échec des conceptions, les différences entre les échantillons de verre recuit et renforcé à la chaleur, le comportement des connexions sous pression et la capacité des tubes de verre et des connexions.

3.1. Aménagement de prototype à petite échelle

Chaque échantillon est constitué de deux tubes en verre. Le diamètre du tube extérieur est de 115 mm, l'épaisseur de paroi est de 5 mm et la longueur est de 300 mm. Le diamètre du tube intérieur est de 100 mm, l'épaisseur de paroi est de 5 mm et la longueur est de 300 mm. Cela donne une cavité d'environ 2,5 mm entre les deux tubes de verre. La figure 6 montre une illustration des échantillons. Parmi les 6 échantillons, les trois premiers échantillons sont constitués de tubes en verre DURAN® (recuit), et les trois autres échantillons en tubes de verre DURATAN® (renforcé thermiquement).

Dans tous les échantillons, les connexions d'extrémité sont constituées de3:

3Étant donné que la plaque de tête de la machine d'essai avait des trous pour les fils, les plaques d'acier, illustrées à la figure 6, sont laissées de côté pendant les essais.

3.2. Fabrication de prototypes

Les tubes en verre extrudé sont produits par SCHOTT en Allemagne. SCHOTT a coupé les spécimens à la bonne taille, a poli les bords au feu et a effectué une première vérification primaire du bon emboîtement des tubes (l'un dans l'autre), déjà en usine. Après cela, les tubes de verre ont été transportés à HBFuller Kӧmmerling en Allemagne, pour le laminage (c'est-à-dire le collage des tubes). Un matériau intercalaire en résine liquide à deux composants, Ködistruct LG, a été choisi ; sa nature hydro-élastique permet un durcissement lent. Après avoir été coulé, le matériau intercalaire a été chauffé à 40 ° C pour s'assurer que le durcissement était complet. Les tubes sont laminés en position verticale. Les connexions d'extrémité, les composants en acier et en POM sont conçus et développés à l'aide d'Octatube.

Les chaussures en acier sont fabriquées à partir de tiges d'acier fraisées CNC afin de créer les chambres conçues. Dans ces chambres, le bloc POM et les charnières en acier (Techniparts) sont placés. Les blocs POM sont fraisés à partir de tiges POM solides pour obtenir les rainures souhaitées. Lors de l'assemblage, des jauges de contrainte sont collées sur les tubes de verre intérieur et extérieur. Enfin, le mortier HILTI HIT-HY 270 est injecté dans les rainures des blocs POM et les tubes de verre feuilleté sont placés par-dessus. Le mortier était bien réparti dans les rainures et il a été possible de l'injecter correctement, ce qui a permis au verre de rester propre. Dans la figure 7, les composants en acier et en POM sont représentés, ainsi que le processus de laminage.

Avant les essais, les jauges de contrainte précitées, collées aux tubes de verre, sont soudées aux connecteurs. Douze jauges de contrainte sont collées sur chaque échantillon, 6 à l'extérieur et 6 à l'intérieur. Le verre est légèrement abrasé, aux endroits où les jauges de contrainte sont collées, pour s'assurer que les jauges de contrainte ne tombent pas. Après cela, les fils pourraient également être soudés aux connecteurs. Des morceaux de bois sont collés à l'intérieur des rainures des blocs POM pour maintenir le verre à la bonne hauteur. Ensuite, le mortier HILTI HIT-HY 270 pourrait être injecté, ce qui nécessite environ 5 minutes pour durcir. Au cours de ces 5 minutes, le mortier devait être injecté, lissé, et le verre devait être placé sur le mortier et les pièces de bois à la bonne hauteur. Ensuite, les fils devaient être remis à zéro, puis les échantillons étaient prêts à être testés. La figure 8 montre les échantillons prêts à être testés.

4.1. Mise en place d'essai

Une machine d'essai universelle à déplacement hydraulique est utilisée pour l'essai des échantillons en compression avec une vitesse de déplacement de la traverse de 1 mm/min. Les échantillons sont serrés entre une tête et une plaque de base (figure 8, à droite).

4.2. Différences entre les échantillons recuits et renforcés thermiquement

Dans la figure 10 (à gauche), un échantillon recuit fissuré est montré après le test. Les échantillons recuits (AN1-3) présentent quelques fissures droites verticales parallèles à la longueur du tube. Les fissures ont eu une propagation lente. Les premières fissures sont apparues entre 95 et 160 kN de charge de compression, mais la rupture complète ne s'est produite qu'entre 700 et 750 kN. Lors de la libération finale de la force, de petites fissures perpendiculaires supplémentaires sont apparues. Des fissures sont apparues dans les deux tubes, indiquant un bon degré de coopération entre eux.

Dans la figure 10 (à droite), un échantillon fissuré renforcé à la chaleur est montré après essai. Les échantillons de verre durci (HS3-4) présentent beaucoup plus de fissures, toujours verticales et parallèles à la longueur du tube. Les premières fissures sont apparues à 120-160 kN. Contrairement aux échantillons de verre recuit, des fissures sont apparues d'abord dans le tube extérieur. Les fissures se sont propagées rapidement avec beaucoup de vitesse. Lorsque les tests sont terminés, en raison de l'éclatement du verre (à environ 390-490 kN), la chambre à air a explosé en petits morceaux d'un coup. Cela signifie que la coopération des échantillons renforcés thermiquement est inférieure à celle des échantillons recuits. L'aperçu des différences entre les échantillons recuits et renforcés thermiquement est donné dans le tableau 1.

Tableau 1 : différences entre les échantillons recuits et renforcés thermiquement.

Ainsi, des fissures initiales sont apparues entre une résistance à la compression de 30-50 MPa dans les échantillons DURAN® et entre 37-50 MPa dans les échantillons DURATAN®, soit des valeurs presque égales. Étant donné que le verre renforcé à la chaleur a une résistance à la traction plus élevée que le verre recuit, on s'attendrait à ce que les tubes renforcés à la chaleur fonctionnent mieux et présentent une défaillance à des valeurs plus élevées par rapport aux tubes recuits. En outre, les expériences ont indiqué que les tubes de verre renforcés thermiquement présentaient une capacité de charge post-fissuration (après fissuration initiale) inférieure à celle des tubes de verre recuits.

Une raison possible pourrait être que le tube extérieur des échantillons renforcés thermiquement s'est fissuré en premier tandis que dans les échantillons recuits, les deux tubes ont présenté des fissures. Il se pourrait qu'il y ait moins d'action composite entre les tubes concentriques renforcés thermiquement et l'intercalaire, toute la contrainte étant alors prise par le seul tube extérieur. Néanmoins, le schéma de fissure (degré de fragmentation) est essentiellement un phénomène de libération d'énergie. Elle est fonction de l'état de contrainte, comprenant à la fois la précontrainte et les contraintes induites par le chargement.

Dans le verre recuit, la précontrainte est presque nulle, ce qui signifie que la fragmentation est principalement fonction des contraintes appliquées. Dans le verre renforcé thermiquement, la fragmentation est affectée à la fois par la précontrainte et les contraintes appliquées. Cela signifie qu'il pourrait être possible d'avoir des valeurs de fissuration initiale similaires pour le verre recuit et renforcé thermiquement. Une autre explication pourrait être que les charges sont introduites par les bords des tubes, de sorte que les contraintes maximales ne se produisent pas à la surface.

4.3. Calculs manuels

Au préalable, quelques calculs manuels sont effectués. Aucune fissure n'est prise en compte dans les calculs manuels, ce qui signifie que les résultats des calculs et des tests peuvent varier. Les équations suivantes sont utilisées :

Où:

Dans le tableau 2, les déformations et les déplacements sont donnés calculés à l'aide des équations 1, 2 et 3.

Tableau 2 : Les déformations et déplacements calculés.

4.4. Résultats

Les valeurs obtenues à partir des calculs manuels (tableau 2) peuvent être comparées aux déformations et déplacements moyens des essais, indiqués dans le tableau 3. Presque toutes les déformations et déplacements des essais sont dans la plage des valeurs calculées, seule la jauge de contrainte 12 déviait dans l'échantillon 3, les valeurs moyennes étant inférieures à celles calculées.

Les résultats des tests sont résumés dans le tableau 4. Ici, la charge de rupture initiale (lorsque la première fissure est apparue) et la charge maximale (lorsque les échantillons de verre ont commencé à se briser) avec les contraintes correspondantes sont indiquées. La section transversale des deux tubes de verre est d'environ 3220 mm2. Lorsque l'échantillon a été comprimé avec une force de 750 kN, les contraintes de compression sont d'environ 233 MPa. Ceci est proche de la résistance à la compression maximale théorique pour le verre borosilicaté de 260 à 350 MPa (Oikonomopoulou 2019).

Les contraintes de traction se produisent en raison des déformations latérales causées par le coefficient de Poisson. Comme la résistance à la compression est supérieure à la résistance à la traction, la résistance à la traction sera atteinte avant la résistance à la compression (Haldimann et al. 2008). En raison des effets du coefficient de Poisson, un allongement transversal se produira, entraînant des contraintes de traction. La résistance à la traction du tableau 3 est calculée à partir de l'équation 4. Selon SCHOTT, le coefficient de Poisson pour le verre borosilicaté est de 0,2 (SCHOTT nd).

Où υ est le coefficient de Poisson.

Tableau 3 : Les valeurs de déformation moyennes et les déplacements correspondants des essais - échantillons 1, 2, 3, 4, 6.

Tableau 4 : Résultats des tests de rupture et de charge maximale avec les contraintes correspondantes – tous les échantillons

La répartition uniforme des forces est vérifiée par les jauges de contrainte. Si les forces sont égales dans les tubes de verre, alors les déformations sont égales. La figure 9 (à gauche) montre une déformation typique par rapport à la courbe de charge de l'un des échantillons. R001-R012 sont les douze jauges de contrainte. R001-R006 sont les jauges de contrainte placées à l'extérieur des tubes de verre, et R007-R012 sont les jauges de contrainte à l'intérieur des tubes de verre. Comme le montre la figure 9, au début les déformations sont presque égales. Après cela, le champ de contrainte change, de sorte que certaines jauges de contrainte s'écartent. Il y a quelques raisons possibles concernant ce dernier :

Les connexions et le mortier HILTI HIT-HY 270 sont restés intacts. Seul le verre s'est fracturé. Le test a pris fin lorsque la colonne de verre a subi une combinaison de fractures multiples et une chute significative de la courbe charge/déplacement. Celle-ci peut donc être considérée comme la capacité de compression ultime des colonnes en verre. La figure 9 (à droite) montre les courbes de charge en fonction du déplacement pour tous les échantillons, à l'exception de l'échantillon 5. La courbe de l'échantillon 5 n'est pas fiable, car la machine n'a pas enregistré certaines des données lors des tests.

Les puces du graphique représentent la charge à laquelle la première fissure est apparue dans les échantillons (la charge de rupture). Les fissures sont apparues entre 95 et 160 kN. Cela correspond à une contrainte de compression de 29,5-49,5 MPa, avec des contraintes de traction correspondantes de 5,9-9,9 MPa. D'après les équations 6 et 7 de la norme NEN 2608 (2014), la contrainte de traction admissible pour le verre recuit est de 15,5 MPa et pour le verre renforcé à la chaleur de 36,3 MPa ; ce qui impliquerait à son tour qu'en théorie, les premières fissures devraient se produire à environ 250 kN de charge de compression avec une résistance à la compression nominale correspondante de 78 MPa avec la configuration donnée.

Les raisons possibles qui peuvent expliquer la fissuration précoce du verre sont :

Dans tous les spécimens, les fissures partaient du bord supérieur ou inférieur des tubes de verre. Ces fissures pourraient être causées par un allongement transversal, qui a entraîné des contraintes de traction. Après l'apparition de fissures, les contraintes locales sont soulagées. Les tubes de verre fissurés sont maintenus ensemble par le matériau intercalaire, maintenant ainsi une capacité de charge post-casse. La courbe des courbes de charge en fonction du déplacement s'est poursuivie, ce qui signifie qu'aucune rigidité n'est perdue après la rupture.

Cette étude a exploré le potentiel et les limites de la conception et de l'ingénierie d'une colonne en verre tubulaire robuste, redondante, ignifuge et transparente. Deux variantes sont conçues et fabriquées : le MLA et le SLW. Les tolérances de fabrication des tubes de verre et leur stratification peuvent être difficiles. Les tubes doivent être collés ensemble par stratification pour devenir robustes, et la colonne est remplaçable lorsqu'elle est cassée. Un autre aspect qui nécessite une attention particulière est l'assemblage de la colonne. Avec la régulation de l'air et de l'eau, les pressions isochores et les contraintes thermiques peuvent être évitées. Sinon, des grains de silice peuvent être utilisés pour absorber l'eau en cas de condensation. La conception des connexions d'extrémité est particulièrement critique pour le comportement des colonnes. Les connexions sont articulées et le mortier HILTI HIT-HY 270 est utilisé pour répartir les forces dans le verre. De plus, les blocs POM sont conçus entre le verre et les composants en acier.

Pour les tests, six échantillons de 300 mm de long et d'un diamètre extérieur de 115 mm sont constitués de deux tubes porteurs en verre borosilicaté fabriqués par SCHOTT. Les tubes sont collés ensemble par HBFuller Kӧmmerling. Les connexions sont composées de : un bloc POM et un support en acier (Octatube), des charnières en acier GX50T (technipartz) et du mortier HILTI HIT-HY 270.

Des fissures initiales sont apparues entre une résistance à la compression de 30-50 MPa dans les échantillons DURAN® et entre 37-50 MPa dans les échantillons DURATAN® ; dans tous les cas, les fissures ont pris naissance à partir du bord supérieur ou inférieur des tubes de verre. Seul le verre s'est fracturé et les connexions sont restées intactes. La contrainte à la fissuration initiale est inférieure à celle prévue par les calculs manuels ; les premières fissures se sont produites à 34-64% de la charge calculée. Cela peut être attribué à plusieurs facteurs, notamment les pics de contraintes dus aux tolérances de fabrication ou aux charges excentriques.

Pourtant, il existe un bon degré d'action composite entre les tubes en raison du matériau intercalaire. Même après fracture, les échantillons sont restés rigides et résistants. La capacité nominale de résistance à la compression pour les échantillons DURATAN® est d'environ 150 MPa et pour les échantillons DURAN® d'environ 233 MPa. Les échantillons recuits ont eu une lente propagation de fissure et sont capables de supporter environ 4 à 5 fois plus de charge après la fissuration initiale. Les échantillons renforcés thermiquement ont une propagation rapide et sont capables de supporter 3 fois plus de charge après la fissuration initiale.

Néanmoins, des tests supplémentaires sont nécessaires pour établir les valeurs de conception, car les tests actuels sont plutôt limités. Afin de pouvoir évaluer l'effet du flambement dans de telles colonnes tubulaires en verre, il est nécessaire d'effectuer des essais de compression sur des éprouvettes plus longues. Il est également conseillé de tester des échantillons sous impact, incendie, chargement à court terme et à long terme. En outre, pour améliorer encore la transparence et réduire le rétrécissement dans le matériau intercalaire, des recherches supplémentaires doivent être effectuées sur le processus de stratification d'un tube dans un tube. Lors des essais, on utilise des jauges de contrainte collées sur le verre. Les valeurs des jauges de contrainte s'écartent, il est donc possible d'utiliser d'autres méthodes plus fiables pour vérifier si les contraintes sont égales dans le verre.

De plus, dans ce projet, des échantillons utilisant uniquement des tubes de verre recuits ou uniquement renforcés thermiquement sont testés. Peut-être qu'une combinaison de tubes recuits et renforcés thermiquement s'avérera plus efficace. Les expériences ont indiqué que les tubes de verre renforcés thermiquement présentaient une capacité portante post-fissuration (après fissuration initiale) inférieure à celle des tubes de verre recuits. Ceci peut être pris en compte lors de la phase de conception ; une répartition différente des charges peut être intégrée dans la conception des connexions d'extrémité grâce à l'utilisation de caoutchouc dur et souple.

Les auteurs tiennent à remercier Fred Schilperoort et Louis den Breejen pour avoir fait fonctionner la machine hydraulique pendant les expériences. Les auteurs remercient SCHOTT, HBFuller Känmerling, Octatube, Hilti et Techniparts pour leur parrainage matériel. Nous tenons à remercier tout particulièrement Klaas Roelfsma, dr. Folker Steden, Kerstin Kohl et Katrin Djuric de SCHOTT, Chris Davis, dr. Wolfgang Wittwer, dr. Christian Scherer et Jens Wolthaus de HBFuller Kӧmmerling, Peter van de Rotten et Willem Poot d'Octatube, Thomas Goedegebuure de Hilti, Frank Muntz de Techniparts. En outre, les auteurs expriment également leur gratitude au dr. Fred Veer et Telesilla Bristogianni pour leurs précieux commentaires.

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