Methodology for assessing the in-service behavior of glass plates considering the effect of residual stresses

Abstract

El comportamiento estructural del vidrio depende principalmente de la calidad superficial y del estado tensional. Los múltiples contactos que ocurren en la superficie durante el proceso de fabricación, o posterior manipulación, pueden provocar la generación de grietas microscópicas en ella. La apertura o propagación de dichas grietas reduce la resistencia del vidrio. Por esta razón, el temple es una práctica común para poder emplear el vidrio como material estructural. Las técnicas de temple resultan en robos de calor no-uniformes en la superficie, lo cual genera tensiones residuales no-homogéneas, que influyen de manera directa en el comportamiento estructural. Además, una vez el vidrio está listo para su uso, su comportamiento a fractura muestra una gran dispersión en lo que a la medición de resistencia última se refiere. Por esta razón, su caracterización requiere grandes campañas experimentales, más aún si se desea considerar la distribución no uniforme de las tensiones. Por lo tanto, esta tesis presenta una metodología numérica para predecir el comportamiento en servicio de placas de vidrio sometidas a flexión teniendo en cuenta las tensiones residuales generadas durante el temple. A tal objeto, se propone un modelo basado en la Interacción Fluido-Estructura (FSI por sus siglas en inglés) para considerar la influencia de enfriamientos no uniformes en la generación de tensiones residuales durante el proceso de temple. Los resultados muestran que los fenomenos locales del fluido refrigerante influyen de manera notable en la generación de tensiones. Del mismo modo, se proponen técnicas para reducir el coste computacional de los cálculos requeridos. Para ello, se han analizado los fenomenos de radiación volumétrica y viscoelasticidad del material. Los hallazgos obtenidos suponen una reducción del coste computacional de en torno al 87\% respecto al proceso numérico propuesto inicialmente. Finalmente, los resultados obtenidos han sido acordes con lo observado experimentalmente, tanto en ensayos de laboratorio como en un caso industrial publicado en bibliografía. Por otra parte, se presenta un modelo estadístico-numérico para predecir la fractura de componentes estructurales de vidrio. Para ello, se ha realizado una evaluación estadística basada en el Modelo Local Generalizado (GLM por sus siglas en inglés). Las cargas principales que actúan sobre el vidrio estructural pueden ser debidas al efecto del viento, nieve o el peso de transeúntes. Por esta razón, se han analizado placas sometidas a flexión. La observación más relevante ha sido la confirmación de la transferibilidad de los resultados de placas recocidas y templadas. Del mismo modo, la evaluación conjunta de los datos experimentales ha permitido el cálculo de la PFCDF (del inglés \textit{Primary Failure Cumulative Damage Function}) maestra, habilitando así una predicción más fiable del comportamiento a fractura del vidrio. En general, la diferencia relativa promedio entre las predicciones y las mediciones experimentales ha sido de un 10\%. Finalmente, la dispersión observada en los resultados experimentales es digna de mención. Dada esta circunstancia, la evaluación estadística se considera esencial para poder diseñar o analizar componentes de vidrio que ostentan tensiones residuales.