Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 13959-1:2024 Kính xây dựng - Xác định độ bền uốn - Phần 1: Nguyên lý thử nghiệm kính

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 13959-1:2024

BS EN 1288-1:2000

KÍNH XÂY DỰNG - XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN UỐN. PHẦN 1: NGUYÊN LÝ THỬ NGHIỆM KÍNH

Glass in building - Determination of the bending strength. Part 1: Fundamentals of testing glass

Lời nói đầu

TCVN 13959-1:2024 được xây dựng trên cơ sở tham khảo BS EN 1288-1:2000.

TCVN 13959-1:2024 do Hiệp hội Kính và Thủy tinh Việt Nam biên soạn. Bộ Xây dựng đề nghị. Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định. Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Bộ Tiêu chuẩn TCVN 13954:2024 Kính xây dựng - Xác định độ bền uốn bao gồm năm phần:

- Phần 1: Nguyên lý thử nghiệm kính

- Phần 2: Thử nghiệm bằng vòng kép đồng trục đối với các mẫu kính phẳng có diện tích bề mặt thử lớn

- Phần 3: Thử nghiệm mẫu được đỡ trên hai điểm (uốn bốn điểm)

- Phần 4: Thử nghiệm kính hình lòng máng

- Phần 5: Thử nghiệm bằng vòng kép đồng trục đối với các mẫu kính phẳng có diện tích bề mặt thử nhỏ

KÍNH XÂY DỰNG - XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN UỐN. PHẦN 1: NGUYÊN LÝ THỬ NGHIỆM KÍNH

Glass in building - Determination of the bending strength. Part 1: Fundamentals of testing glass

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định các nguyên lý thử nghiệm xác định độ bền uốn của kính đơn lớp dùng trong xây dựng. Tiêu chuẩn này không áp dụng đối với kính hộp và kính dán.

Nội dung của tiêu chuẩn này bao gồm:

- Các lưu ý khi thử nghiệm kính;

- Giải thích nguyên nhân của các phương pháp thử khác nhau;

- Hạn chế của các phương pháp thử;

- Các yêu cầu về an toàn cho người vận hành thiết bị thử

TCVN 13959-2, TCVN 13959-3, TCVN 13959-4 và TCVN 13959-5 mô tả chi tiết các phương pháp thử.

Phương pháp thử được mô tả trong tiêu chuẩn này nhằm đạt được số lượng lớn các giá trị của độ bền uốn, được sử dụng làm cơ sở cho đánh giá thống kê độ bền của kính.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 7364-1 Kính xây dựng - Kính dán nhiều lớp và kính dán an toàn nhiều lớp - Phần 1: Định nghĩa và mô tả các vật liệu thành phần

TCVN 13959-2 Kính xây dựng - Xác định độ bền uốn - Phần 2: Thử nghiệm bằng vòng kép đồng trục đối với các mẫu kính phẳng có diện tích bề mặt thử lớn

TCVN 13959-3 Kính xây dựng - Xác định độ bền uốn - Phần 3: Thử nghiệm mẫu được đỡ trên hai điểm (uốn bốn điểm)

TCVN 13959-4 Kính xây dựng - Xác định độ bền uốn - Phần 4: Thử nghiệm kính hình lòng máng

TCVN 13959-5 Kính xây dựng - Xác định độ bền uốn - Phần 5: Thử nghiệm bằng vòng kép đồng trục đối với các mẫu kính phẳng có diện tích bề mặt thử nhỏ

EN 572-1 Glass in building - Basic soda lime silicate glass products - Part 1: Definitions and general physical and mechanical properties (Kính xây dựng - Sản phẩm kính soda-đá vôi-silicat cơ bản - Phần 1: Định nghĩa và tính chất cơ lý chung)

EN 572-2 Glass in building - Basic soda lime silicate glass products - Part 2: Float glass (Kính xây dựng - Sản phẩm kính soda-đá vôi-silicat cơ bản - Phần 2: Kính nổi)

EN 572-3 Glass in building - Basic soda lime silicate glass products - Part 3: Polished wired glass (Kính xây dựng - Sản phẩm kính soda-đá vôi-silicat cơ bản - Phần 3: Kính cốt lưới thép mài bóng)

EN 572-4 Glass in building - Basic soda lime silicate glass products - Part 4: Drawn sheet glass (Kính xây dựng - Sản phẩm kính soda-đá vôi-silicat cơ bản - Phần 4: Kính tấm kéo)

EN 572-5 Glass in building - Basic soda lime silicate glass products - Part 5: Patterned glass (Kính xây dựng - Sản phẩm kính soda-đá vôi-silicat cơ bản - Phần 5: Kính vân hoa)

EN 572-6 Glass in building - Basic soda lime silicate glass products - Part 6: Wired patterned glass (Kính xây dựng - sản phẩm kính soda-đá vôi-silicat cơ bản - Phần 6: Kính vân hoa cốt lưới thép)

EN 572-7 Glass in building - Basic soda lime silicate glass products - Part 7. Wired or unwired channel shaped glass (Kính xây dựng - Sản phẩm kính soda-đá vôi-silicat cơ bản - Phần 7: Kính hình lòng máng có cốt lưới thép hoặc không có cốt lưới thép)

EN 1748-1 Glass in building - Special basic products - Part 1: Borosilicate glasses (Kính xây dựng - Sản phẩm cơ bản đặc biệt - Phần 1: Kính borosilicat)

EN 1748-2 Glass in building - Special basic products - Part 2: Glass ceramics (Kính xây dựng - Sản phẩm cơ bản đặc biệt - Phần 2: Kính gốm)

EN 1863-1 Glass in building - Heat strengthened soda lime silicate glass - Part 1: Definition and description (Kính xây dựng - Kính soda-đá vôi-silicat bán tôi nhiệt - Phần 1: Định nghĩa và mô tả) (TCVN 7455 Kính xây dựng - Kính phẳng tôi nhiệt)

EN 12150-1 Glass in building - Thermally toughened soda lime silicate glass - Part 1: Definition and description (Kính xây dựng - Kính soda-đá vôi-silicat tôi nhiệt - Phần 1: Định nghĩa và mô tả)

EN 12337-1 Glass in building - Chemically strengthened soda lime silicate glass - Part 1: Definition and description (Kính xây dựng - Kính soda-đá vôi-silicat tôi hóa - Phần 1: Định nghĩa và mô tả)

EN 13024-1 Glass in building - Thermally toughened borosilicate safety glass - Part 1: Definition and description (Kính xây dựng - Kính an toàn borosilicat tôi nhiệt - Phần 1: Định nghĩa và mô tả)

3  Thuật ngữ và định nghĩa

Trong tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:

3.1

Kính phẳng (flat glass)

Các loại kính phù hợp với các tiêu chuẩn EN 572-2 (TCVN 7218), EN 572-3 (TCVN 7456), EN 572-4 (TCVN 7736), EN 572-5 (TCVN 7527), EN 572-6, EN 1748-1, EN 1748-2, hoặc bất kỳ loại kính nào được biến đổi từ các loại trên mà không làm thay đổi mặt cắt hoặc độ cong vênh.

3.2

Ứng suất uốn (bending stress)

Ứng suất uốn kéo sinh ra trong bề mặt mẫu thử

CHÚ THÍCH: Để thử nghiệm, ứng suất uốn phải đồng đều trên phần bề mặt được xác định

3.3

Ứng suất uốn hiệu quả (effective bending stress)

Giá trị trung bình có trọng số của các ứng suất uốn kéo, được hiệu chỉnh bằng hệ số không đồng nhất của trường ứng suất.

3.4

Độ bền uốn (bending strength)

Ứng suất uốn hoặc ứng suất uốn hiệu quả gây vỡ mẫu thử.

3.5

Độ bền uốn tương đương (equivalent bending strength)

Độ bền uốn biểu hiện của kính cán. Do chiều dày của loại kính này không đồng đều nên không thể tính được độ bền uốn chính xác.

3.6

Độ bền uốn định hình (profile bending strength)

Tỷ số giữa mô men uốn lớn nhất và mô đun tiết diện của kính hình lòng máng.

3.7

Hệ số tập trung ứng suất (stress intensity factor)

Đại lượng để đánh giá ứng suất tại đỉnh vết nứt.

3.8

Các loại kính ứng suất trước (prestressed glass)

Các sản phẩm tuân thủ theo EN 1863, EN 12150, EN 12337 và EN 13024-1.

4  Các ký hiệu

CHÚ THÍCH: Đối với kính soda-đá vôi-silicat (xem EN 572-1) hệ số Poisson bằng 0,23

5  Các yếu tố cần tính đến khi thử nghiệm kính

5.1  Vật liệu kính

5.1.1  Tổng quan

Kính là vật liệu đồng nhất đẳng hướng, có ứng xử đàn hồi tuyến tính gần như tuyệt đối trong phạm vi độ bền kéo của nó.

Kính có độ bền nén rất cao và trên lý thuyết cũng có độ bền kéo rất cao, nhưng bề mặt của kính có sự không đồng đều dẫn tới dễ vỡ hơn khi kính chịu ứng suất kéo. Sự không đồng đều gây ra bởi tác động của độ ẩm, tiếp xúc với vật liệu cứng (ví dụ như hạt sạn) và tiếp tục bị tác động bởi độ ẩm luôn tồn tại trong không khí.

Độ bền kéo vào khoảng 10.000 MPa được dự đoán từ cấu trúc phân tử, nhưng phần lớn kính thường vỡ tại ứng suất dưới 100 MPa.

Tác động của sự không đồng đều và của độ ẩm đến tính chất của kính cần được tính đến khi thử nghiệm độ bền.

Do độ bền nén rất cao, kính luôn vỡ dưới ứng suất kéo. Do kính trong công trình rất hiếm khi sử dụng theo hướng chịu kéo, tính chất chịu lực quan trọng nhất là độ bền uốn kéo. Các phương pháp thử được mô tả trong tiêu chuẩn này đều nhằm đánh giá độ bền uốn kéo của kính.

Độ bền uốn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

a) Điều kiện bề mặt (xem 5.1.2);

b) Tốc độ và thời gian gia tải (xem 5,1.3);

c) Diện tích bề mặt chịu ứng suất kéo (xem 5.1.4);

d) Môi trường xung quanh, thông qua rạn nứt do ăn mòn dưới ứng suất, cũng như việc bảo dưỡng hư hại bề mặt kính (xem 5.1.5);

e) Lão hóa, ví dụ như thời gian tính từ lần xử lý hoặc biến đổi bề mặt bằng cơ học cuối cùng đến lúc hư hại (xem 5.1.6);

f) Nhiệt độ (xem 5.1.7).

Ảnh hưởng tới độ bền uốn, được gây ra bởi các yếu tố từ b) đến f), đã được tính đến trong tiêu chuẩn này.

5.1.2  Ảnh hưởng của điều kiện bề mặt

Để các thử nghiệm độ bền uốn tuân thủ theo tiêu chuẩn này, kính phải ứng xử là vật liệu đàn hồi tuyến tính gần như tuyệt đối, bằng cách vỡ giòn. Tính giòn có nghĩa là khi tiếp xúc với bất kỳ vật liệu cứng nào sẽ gây ra các hư hại bề mặt ở dạng rất nhỏ, ví dụ các vết rạn nứt ở kích thước hiển vi. Hư hại bề mặt ở dạng này, trên thực tế là không thể tránh được trong quá trình thao tác thông thường với kính, gây ra những vết khứa trên bề mặt, là nhân tố chính làm giảm độ bền cơ học, trong trường hợp này ảnh hưởng của thành phần hóa học của kính chỉ là nhân tố nhỏ và trong nhiều trường hợp có thể loại bỏ hoàn toàn.

Chính vì vậy, độ bền uốn được xác định bởi các phương pháp nêu trong tiêu chuẩn này, sẽ bị tác động nhiều bởi điều kiện bề mặt của mẫu được thử nghiệm.

Điều kiện bề mặt được xác định bởi các yếu tố chính sau đây:

a) Điều kiện bề mặt, được xử lý theo phương pháp riêng, thì sẽ có hình ảnh hư hại đặc trưng, và như vậy giá trị độ bền nhận được sẽ là riêng biệt, gắn liền với điều kiện bề mặt đã được gia công;

b) Ứng suất dư, ví dụ như dạng ứng suất trước bởi nhiệt hoặc hóa học, hoặc ứng suất dư vô tình gây ra.

5.1.3  Tác động của tốc độ gia tải

Với các giá trị độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn này, tốc độ gia tải là yếu tố quan trọng đặc biệt.

Sự lan truyền nứt trên kính nằm trên một dải giá trị rộng của ứng suất kéo. Như vậy sẽ có một giá trị nhỏ nhất của hệ số tập trung ứng suất mà nếu thấp hơn giá trị đó thì vết nứt chưa lan truyền. Tiếp đó, sẽ xảy ra sự lan truyền nứt dưới tới hạn với các giá trị cao hơn của hệ,số tập trung, ứng suất, hiện tượng này bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, nhiệt độ và hóa chất. Khi hệ số tập trung ứng suất đạt trên giá trị tới hạn, sự lan truyền nứt sẽ diễn ra rất nhanh và dẫn tới vỡ gần như tức thời. Hậu quả của sự lan truyền nứt dưới tới hạn sẽ dẫn tới tốc độ gia tải tăng và/hoặc thời gian gia tải tĩnh sẽ ảnh hưởng tới độ bền uốn.

Với các loại kính ứng suất trước, tốc độ gia tải sẽ không ảnh hưởng đến khi ứng suất kéo trên bề mặt vượt quá ứng suất nén tồn tại bên trong kính.

5.1.4  Tác động của diện tích bề mặt thử

Độ bền uốn của kính sẽ giảm nếu tăng diện tích thử nghiệm chịu ứng suất lớn. Tác động của diện tích này được tính toán khi thay đổi của phân bố thống kê của khuyết tật bề mặt. Diện tích thử nghiệm lớn hơn thì xác suất diện tích thử đó chứa khuyết tật bề mặt lớn sẽ lớn hơn. Như vậy, ảnh hưởng của diện tích bề mặt sẽ tăng lên cùng với sự giảm của lượng khuyết tật trên bề mặt, từ đó ảnh hưởng nảy sẽ cần phải tính đến trong trường hợp không bị hư hại, ví dụ bề mặt kính được gia công bằng ngọn lửa.

Sự khác nhau giữa các giá trị độ bền uốn, đo theo TCVN 13959-2 (diện tích chịu ứng suất lớn nhất: 240.000 mm²), hoặc đo theo kiểu R45 và R30 theo TCVN 13959-5 (diện tích chịu ứng suất lớn nhất: 254 mm² và 113 mm²), là do kích thước của diện tích chịu ứng suất. Phụ thuộc vào diện tích hư hại, kết quả nhận được với diện tích bề mặt thử nhỏ hơn sẽ có ý nghĩa hơn so với diện tích lớn hơn, như ở trong Bảng 1.

Bảng 1 - Tác động gần đúng của diện tích bề mặt thử với độ bền uốn đo được

Do kính sử dụng trong công trình xây dựng thường ở kích cỡ lớn, phương pháp thử nêu trong TCVN 13959-2 và TCVN 13959-3 sẽ cho các giá trị thích hợp hơn với kính phẳng sử dụng trong công trình xây dựng. Phương pháp thử nêu trong TCVN 13959-5 cũng có thể sử dụng như phương pháp đánh giá so sánh độ bền uốn của kính phẳng.

5.1.5  Tác động của môi trường xung quanh

Môi trường xung quanh ở nơi mà kính được thử nghiệm có ảnh hưởng đến độ bền của kính, đặc biệt khi độ ẩm rất thấp. Khi kính được sử dụng trong công trình xây dựng, độ ẩm tương đối điển hình sẽ thay đổi từ 30% đến 100%. Trong khoảng này, tác động lên độ bền uốn, được thử nghiệm theo tiêu chuẩn này, sẽ không lớn. Tuy vậy, thử nghiệm cho kính sử dụng trong xây dựng phải được tiến hành trong điều kiện với độ ẩm tương đối nằm trong khoảng 40 % - 70 %, nhằm loại trừ ảnh hưởng của yếu tố này đến độ bền uốn.

5.1.6  Tác động của lão hóa

Nếu bề mặt kính được gia công (bởi ăn mòn, khắc, gia công cạnh,...) trước khi thử nghiệm, cần phải để các hư hại mới được hàn gắn trước khi thử. Thay đổi bề mặt liên tục bởi tác động của ẩm tới hư hại, có thể làm giảm tác động tới cường độ của kính. Trên thực tế, kính không nên chịu ứng suất sau khi gia công, cần phải ổn định mẫu ít nhất là 24 h trước khi thử.

5.1.7  Tác động của nhiệt độ

Độ bền uốn của kính bị tác động bởi thay đổi nhiệt độ. Với dải nhiệt độ thông thường khi kính ở trong công trình xây dựng, tác động này không lớn, nhưng để tránh phức tạp khi so sánh các giá trị độ bền uốn, thử nghiệm cần được tiến hành trong dải nhiệt độ hạn chế.

5.2  Ứng suất uốn và độ bền uốn

5.2.1  Tổng quan

Phương pháp thử mô tả trong TCVN 13959-2, TCVN 13959-3, TCVN 13959-4 và TCVN 13959-5 được thiết kế nhằm tạo ra ứng suất uốn đồng đều trên một diện tích (diện tích thử) của mẫu. Tuy vậy, thử nghiệm không dành cho mục đích thống kê, do vậy, ứng suất, gây ra bởi lực tác động, phụ thuộc vào bản chất của vật liệu cũng như phân bố lực.

5.2.2  Ứng suất hiệu quả

Khi ứng suất thay đổi đáng kể trên diện tích thử, như trong TCVN 13959-3 (xem 6.2.2), thì cần phải tính theo ứng suất trung bình có trọng số, gọi là ứng suất uốn tương đương, σ_beff. Trọng số được đánh giá bằng thống kê theo xác suất vỡ tại điểm bất kỳ trên diện tích thử.

5.2.3  Độ bền uốn tương đương

Thay đổi độ đồng nhất hoặc chiều dày của mẫu ảnh hưởng đến phân bố ứng suất. Vì vậy, độ bền uốn, σ_bB, không bao giờ là một giá trị chính xác hoàn toàn, trong một vài trường hợp đặc biệt, tốt hơn là sử dụng độ bền uốn tương đương, σ_beqB.

Với một vài loại kính đã được thử (ví dụ như kính nổi), sự khác nhau giữa hai đại lượng trên là rất nhỏ và giá trị độ bền uốn được xác định bởi các thử nghiệm xấp xỉ độ bền uốn thực.

Trong trường hợp kính cán vân hoa, chỉ cần xác định độ bền uốn tương đương.

5.2.4  Độ bền uốn định hình

Khi kính hình lòng máng được thử nghiệm theo TCVN 13959-4, hầu hết các mẫu bị vỡ bởi vết nứt có gốc tại góc của thanh định hình, ở nơi bụng và vành gặp nhau, và không ở biên của vành hoặc ở bề mặt của bụng. Đó là do ứng suất thử cấp sinh ra bởi vành bị căng khi mặt cắt hình lòng máng bị uốn. Trong thử nghiệm này, tốt hơn là biểu thị độ bền uốn bằng độ bền uốn định hình, P_bB.

5.3  Loại kính

5.3.1  Quy định chung

Thử nghiệm theo TCVN 13959-2, TCVN 13959-3 và TCVN 13959-5 dùng cho thử nghiệm kính phẳng, bao gồm kính nổi, kính kéo, kính cán vân hoa, kính cán vân hoa cốt lưới thép, kính cốt lưới thép và kính ứng suất trước, không cố ý uốn cong hoặc định hình (trừ mặt phẳng cán vân hoa của kính cán vân hoa).

5.3.2  Kính cán vân hoa

Thử nghiệm vòng kép đồng trục cho diện tích bề mặt lớn (TCVN 13959-2) có thể sử dụng để xác định độ bền uốn tương đương của kính cán vân hoa, với điều kiện chiều dày nhỏ nhất và lớn nhất không được lệch quá 30 % hoặc 2 mm, tùy theo giá trị nào thấp hơn, so với chiều dày trung bình. Nguyên nhân là do khó khăn khi gắn vòng áp suất cho bề mặt cán vân hoa.

Không có giới hạn về độ sâu của vân hoa khi sử dụng thử nghiệm uốn bốn điểm (T0VN 13959-3).

5.3.3  Kính dán nhiều lớp

Thử nghiệm độ bền uốn của kính dán (xem EN ISO 12543-1 (TCVN 7364)) nằm ngoài tiêu chuẩn này.

Trong thử nghiệm uốn, biến dạng cắt bổ sung sinh ra trong lớp xen giữa đàn hồi hoặc dẻo (trượt của tấm kính cứng trên lớp xen giữa). Hiện tượng này gây ra việc đo độ bền uốn của kính dán nhiều lớp nang đến giá trị độ bền nhỏ hơn độ bền uốn thực của kính đơn có cùng chiều dày. Biến dạng cắt này nhạy cảm với tác động của nhiệt độ và tốc độ gia tải.

Kính dán nhiều lớp được gia công từ các sản phẩm kính đơn, các sản phẩm này có thể được thử độc lập bằng các phương pháp thử mô tả trong TCVN 13959-2, TCVN 13959-3 và TCVN 13959-5.

Quá trình gia công không thể gây ra các thay đổi đáng kể tới độ bền uốn của các tấm kính thành phần, do vậy không cần thiết phải thử nghiệm kính dán nhiều lớp, vì có thể giả định độ bền uốn tương thích với độ bền uốn của các tấm kính thành phần.

Độ bền chịu lực của kính dán nhiều lớp phụ thuộc vào liên kết giữa các thành phần của kết cấu ghép, nằm ngoài nội dung của tiêu chuẩn này.

5.4  Định hướng mẫu

Một số sản phẩm kính không đối xứng do quá trình sản xuất. Điều này có thể quan sát được rõ ràng, ví dụ với kính vân hoa, mặt này có hoa văn sâu hơn so với mặt kia và có thể trên đó hoa văn được định hướng, hoặc có thể kém rõ ràng, trên mặt được trục cán chạy qua (xem Hình 1 trong TCVN 13959-3).

Khi có sự không đối xứng, cần thử kính theo các hướng khác nhau để xác định độ bền uốn. Các mẫu kính được thử phải giống nhau về mặt danh nghĩa.

5.5  Số mẫu thử

Độ bền uốn của kính thay đổi trong một dải rộng đối với các mẫu thử danh nghĩa giống nhau. Rất ít thông tin có thể nhận được nếu chỉ thử nghiệm với vài mẫu, bởi vì không chắc chắn là các kết quả là điển hình.

Trong thống kê, độ không chắc chắn có thể biểu hiện bằng các giới hạn tin cậy, các giá trị ở giữa các giới hạn này sẽ có xác suất xác định với mục tiêu tìm kiếm các giá trị sai.

Khi mục tiêu được tìm kiếm nằm ở phần trung tâm của phân bố giá trị độ bền uốn, vậy giới hạn tin cậy rõ ràng là hẹp ngay cả với một vài mẫu thử.

Xác định chính xác giá trị ứng suất kéo tạo ra xác suất nứt thấp có thể đòi hỏi một lượng lớn mẫu thử khi, ví dụ là, ứng suất đặc trưng, hay ứng suất cho phép, hay giá trị thiết kế của độ bền uốn được xác định.

6  Giải thích các phương pháp thử

6.1  Thử nghiệm bằng vòng kép đồng trục với diện tích bề mặt thử lớn

CHÚ THÍCH: Thử nghiệm này được nêu trong TCVN 13959-2.

6.1.1  Bỏ qua hiệu ứng cạnh

Đặc trưng riêng của thử nghiệm bằng vòng kép đồng trục theo TCVN 13959-2 là có sai số khi chỉ diện tích bề mặt giới hạn bởi hình tròn sẽ chịu ứng suất lớn nhất mà không phải là cạnh của nó. Ngược lại, ở các thử nghiệm uốn khác (ví dụ TCVN 13959-3), cạnh của mẫu sẽ chịu ứng suất lớn nhất. Quy trình tuân thủ TCVN 13959-2 dành riêng cho bề mặt (hoặc điều kiện bề mặt khác) chịu ứng suất uốn. Hiệu ứng của điều kiện cạnh mẫu hầu như bị loại bỏ.

6.1.2  Phân tích biến thiên ứng suất

Khi độ võng tương đối nhỏ, diện tích bề mặt trung tâm chịu ứng suất kéo đồng đều (xem Hình 1a), tại đó ứng suất pháp và ứng suất tiếp bằng nhau.

Nếu độ võng lớn hơn, ví dụ nếu nó vượt qua một nửa chiều dày của tấm (giới hạn chính xác phụ thuộc vào tỷ lệ vòng r₂/r₁), sẽ gây ra tăng ứng suất cục bộ ở dưới cạnh của vòng tải trọng, phạm vi của hiện tượng này sẽ tăng lên khi tăng lực tác dụng (xem Hình 1b). Trong giai đoạn gia tải này, ứng suất pháp và ứng suất tiếp thay đổi khác nhau và không thể tính toán ứng suất một cách đơn giản. Tính toán ứng suất theo lý thuyết uốn tuyến tính sẽ mang lại giá trị quá cao.

a) trường hợp độ võng nhỏ

b) trường hợp độ võng lớn

Hình 1 - Phụ thuộc của ứng suất pháp và ứng suất tiếp vào bán kính của mẫu, khi gia tải bởi vòng kép

Do lực kết hợp bề mặt và vòng, sự tăng ứng suất ở dưới cạnh của vòng tải trọng có thể tránh được. Với lực pit tông không đổi, F, áp suất khí, p, có thể tối ưu hóa để nhằm đạt được ứng suất pháp và ứng suất tiếp tăng gần như đều trong phạm vi vòng tải trọng (xem Hình 2 và 3). Tuy vậy, không thể tối ưu hóa áp suất khí, p, để đạt được sự tăng của cả hai ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại cùng một thời điểm.

Nếu áp suất khí, p, được tối ưu hóa theo phân bố ứng suất pháp (xem Hình 2, đường p = 0,33 bar), thì ứng suất tiếp giảm ở trên vòng tải trọng (xem Hình 3, đường p = 0,33 bar). Nếu áp suất khí, p, được tối ưu hóa theo phân bố ứng suất tiếp (xem Hình 3, đường p = 0,15 bar), thì ứng suất pháp tăng ở trên vòng tải trọng (xem Hình 2, đường p = 0,15 bar). Trong vật liệu giòn, ứng suất pháp luôn là tác nhân gây ra vỡ đột ngột, nên sự phân bố không đồng đều của ứng suất pháp là yếu tố quyết định của vỡ đột ngột. Chính vì vậy, áp suất khí, p, luôn được tối ưu hóa theo biến thiên của ứng suất pháp cho mục đích thử nghiệm.

Tuy nhiên, ưu điểm của điều kiện ứng suất hai trục là hai ứng suất chính thường xấp xỉ nhau trong quá trình thử nghiệm khi độ võng nhỏ (xem 6.3). Nhược điểm của phương pháp này là dễ bị lệch tâm do diện tích bề mặt thử rộng, trừ khi vỡ trên bề mặt có hướng ưu tiên rõ ràng (theo một hoặc nhiều đường vỡ song song với nhau).

Trong trường hợp mẫu vuông, phân bố ứng suất sẽ phân hướng nhẹ, ứng suất theo hướng pháp tuyến và tiếp tuyến sẽ chênh lệch ít, nằm trong khoảng 5%.

Đồ thị trong Hình 3 của TCVN 13959-2 và các giá trị trong Bảng 3 của TCVN 13959-2 được xác định nhờ đo thử nghiệm. Sai lệch của các giá trị đo độc lập trong hình và bảng trên không vượt quá 5%.

Đồ thị được đo đạc với các thông số sau:

Mẫu vuông: 1000 mm x 1000 mm x 6 mm;

r₁ = 300 mm;

r₂ = 400 mm;

Lực pit tông, F: 22 220 N;

Thông số: Áp suất khí, p

Đồ thị được xác định trong điều kiện áp suất khí được tối ưu hóa, p = 0,33 bar.

Hình 2 - Biến thiên của ứng suất pháp dọc theo trung tuyến bề mặt mẫu uốn lồi

Đồ thị được đo đạc với các thông số sau:

Mẫu vuông: 1000 mm x 1000 mm x 6 mm;

r₁ = 300 mm;

r₂ = 400 mm;

Lực pit tông, F: 22 220 N;

Thông số: Áp suất khí, p

Đồ thị được xác định trong điều kiện áp suất khí được tối ưu hóa, p = 0,15 bar.

Hình 3 - Biến thiên của ứng suất tiếp dọc theo trung tuyến bề mặt mẫu uốn lồi

6.1.3  Thử nghiệm kính cán vân hoa

Mẫu với một hoặc hai bề mặt cán vân hoa không thể được thử nghiệm với diện tích bề mặt thử nhỏ theo phương pháp thử uốn bằng vòng kép đồng trục (xem 6.3 và TCVN 13959-5), vì sự chênh lệch bề mặt của các vân hoa xấp xỉ kích cỡ của diện tích bề mặt thử.

Tuy nhiên, phương pháp thử bằng vòng kép đồng trục với diện tích bề mặt lớn theo TCVN 13959-2 có thể thử nghiệm với bề mặt cán vân hoa. Độ dày cấu trúc cho phép, theo 5.3.2 (dung sai cục bộ so với chiều dày trung bình tối đa là 30% hoặc 2 mm, tùy theo giá trị nào thấp hơn) là cơ sở để thử nghiệm.

Với kính có một hoặc hai bề mặt cán vân hoa, điều kiện tác dụng lực bởi cạnh của vòng tải trọng bị vi phạm, do cần thiết phải thêm một lớp trung gian dày hơn trên cạnh của vòng tải trọng. Hiện tượng này làm giảm kích cỡ của diện tích bề mặt mà tại đó phân bố ứng suất pháp là gần như đồng đều. Mặt khác, gần như có không ảnh hưởng của giá trị ứng suất dư.

6.2  Thử nghiệm mẫu được đỡ trên hai điểm (uốn bốn điểm)

CHÚ THÍCH: Thử nghiệm này được nêu trong TCVN 13959-3.

6.2.1  Kể đến hiệu ứng cạnh

Thử nghiệm này được thực hiện như thử nghiệm uốn dầm với dầm bản rộng. Cạnh của mẫu, nằm trên nhịp ở giữa có ứng suất đơn hướng, đồng nhất theo phương pháp tuyến, được tác động tới ứng suất lớn nhất, tương tự như với bề mặt. Khi yêu cầu phải xác định độ bền uốn của kính mà hiệu ứng cạnh là quan trọng, thi có thể sử dụng thử nghiệm này.

6.2.2  Phân tích biến thiên ứng suất

Lý thuyết đơn giản giả định rằng không có biến thiên ứng suất dọc theo bề rộng của dầm khi uốn dọc theo chiều dài dầm. Tuy nhiên, nếu có một xấp xỉ đúng cho dầm bản hẹp, hiệu ứng Poisson sẽ gây ra ứng suất đáng kể dọc theo bề rộng của dầm bản rộng, ứng suất này gây ra tính kháng uốn dọc theo bề rộng của dầm, vì vậy ứng suất theo hướng dọc không thể coi là đồng nhất khi tính theo dọc bề rộng của dầm. Hiệu ứng này làm tăng biến thiên ứng suất uốn kéo tại cạnh của dầm và giảm ứng suất uốn kéo tại trục trung hòa của dầm (xem Hình 4).

Khoảng cách từ trục trung hòa của mẫu dọc theo bề rộng (mm)

Hình 4 - Biến thiên ứng suất dọc theo bề rộng của mẫu kính nổi dày 8,2 mm tại giữa nhịp

Nếu biết được chính xác điểm gốc của vết nứt vỡ, có thể dùng phép tính toán phức tạp, để tính được ứng suất uốn cục bộ chính xác đã gây ra nứt vỡ của mẫu. Tuy nhiên, nếu tính đến xác suất nứt và phân bố nứt, sẽ phải tính đến một phép tính xấp xỉ khác, theo đó độ bền uốn được tính toán dựa theo tất cả các kết quả thử nghiệm uốn (độ bền toàn phần), hoặc chỉ dựa theo các kết quả mà xảy ra vỡ tại cạnh (độ bền cạnh). Như vậy, hệ số k sẽ được áp dụng để tính toán ứng suất uốn, từ đó tính được giá trị ứng suất uốn tính toán theo trung bình có trọng số của ứng suất uốn, giá trị này được gọi là độ bền uốn hiệu quả, σ_beff. Hệ số k có giá trị như sau :

k = k_s = 1,0 khi tính đến tất cả các dạng nứt vỡ

k = k_e = khi chỉ tính đến nứt vỡ ở cạnh

Giá trị của k_e phụ thuộc vào độ võng của mẫu tại tâm, và giá trị của hệ số này được nêu trong TCVN 13959-3.

6.3  Thử nghiệm vòng kép đồng trục cho diện tích mẫu thử nhỏ

CHÚ THÍCH: Thử nghiệm này được nêu trong TCVN 13959-5.

6.3.1  Bỏ qua hiệu ứng cạnh

Điểm đặc biệt của thử nghiệm vòng kép đồng trục theo TCVN 13959-5 là chỉ có diện tích giới hạn hình tròn của bề mặt mẫu, không bao-gồm cạnh, là được tác động tới ứng suất lớn nhất. Ngược lại với các phép thử uốn khác (ví dụ TCVN 13959-3), theo đó cạnh của mẫu được tác động tới ứng suất lớn nhất, quy trình thử của TCVN 13959-5 chỉ phù hợp với bề mặt được tác động (hoặc cáo điều kiện bề mặt khác) chịu ứng suất uốn. Hiệu ứng của cạnh mẫu, được tạo ra bởi gia công nguội bằng cơ khí, được gần như loại bỏ hoàn toàn.

6.3.2  Phân tích biến thiên ứng suất

Các ưu điểm đã được nêu trong 6.1.1 thuyết minh cho việc lựa chọn phương pháp thử uốn vòng kép đồng trục là phương pháp thử để xác định độ bền uốn cho kính. Một trong các ưu điểm là tải trọng đồng nhất và đẳng hướng tác động lên mẫu với vòng tải trọng, có nghĩa là hướng của các khuyết tật bề mặt (nếu có) sẽ không ảnh hưởng tới kết quả thử. Tuy nhiên, điều này chỉ áp dụng tới giá trị độ võng, y₀, tại tâm của mẫu thử.

Ở trên giới hạn nêu trên, ứng suất dư cục bộ có thể xuất hiện dưới cạnh tựa của vòng tải trọng, cường độ của nó tăng khi tải trọng tăng. Tại cùng thời điểm, ứng suất pháp và ứng suất tiếp trải qua thay đổi lớn, điều này quá phức tạp để có thể tính toán một cách đơn giản. Trong trường hợp này, ứng suất được tính toán theo lý thuyết uốn tuyến tính sẽ đem lại giá trị quá cao (xem 6.1).

Với tỷ số kích cỡ vòng r₂/r₁ = 5 (giá trị được lựa chọn), giá trị độ võng cho phép là xấp xỉ theo y₀/h < 1,0. Giá trị nhỏ nhất của chiều dày mẫu (được nêu trong TCVN 13959-5) phù hợp với ứng suất uốn lên tới 600 N/mm², cùng với mô đun đàn hồi không nhỏ hơn 50 kN/mm², độ võng tương đối y₀/h tại tâm của mẫu không vượt quá 0,75. Chênh lệch ứng suất trong vùng của vòng tải trọng phải nhỏ hơn 2%. Độ bền uốn có thể tính toán từ tải trọng thử nghiệm theo các phương trình nêu trong TCVN 13959-5, với điều kiện là kích thước mẫu, vòng, và giá trị của độ dày nhỏ nhất được đảm bảo.

Với mẫu được gia tải một cách gần như tuyến tính, công thức sau dùng để tính toán ứng suất trên bề mặt mẫu tại biên tròn được xác định bởi vòng tải trọng:

Giả sử tỷ lệ không đổi giữa các giá trị r₁, r₂, r₃ và hệ số Poisson của mẫu, μ là 0,23, công thức sử dụng trong TCVN 13959-5 cho mẫu tròn, sẽ trở thành công thức dưới đây:

Với K₁ = 1,09.

Bảng 2 cho thấy ảnh hưởng của hệ số Poisson lên giá trị của K₁.

Bảng 2 - Giá trị hệ số K₁ theo hệ số Poisson μ

Hệ số Poisson với kính soda-đá vôi-silicat (EN 572-1) là 0,23. Với các loại kính khác, ví dụ borosilicat (EN 1748-1) và kính gốm (EN 1748-2), giá trị K₁ được lựa chọn theo giá trị của hệ số Poisson ứng với loại kính đó.

Với mẫu vuông, phương trình (1) trở thành hàm của bán kính mẫu tương đương, như sau :

Ở đây, r_3m tương ứng với bán kính tương đương của vòng tròn ngoại tiếp và nội tiếp của hình vuông. Điều này dẫn tới giá trị hệ số K₁ = 1,04, trong TCVN 13959-5, cho mẫu vuông của kính soda-đá vôi- silicat.

Khi thử nghiệm với dạng tải trọng R45 và R30 nêu trong TCVN 13959-5, ứng suất kéo tiếp tuyến tại cạnh của tấm vào khoáng 30% giá trị ứng suất tiếp lớn nhất (= ứng suất pháp) trong phạm vi vòng tải trọng. Nếu kết quả này xảy ra trong trường hợp bị vỡ cạnh, thì nên tăng bán kính mẫu r₃ hoặc chiều dài cạnh L, vì thế hình chiếu của mẫu sẽ vượt qua vòng đỡ. Với tỷ lệ r₃/r₂ = 2 và L/2r₂ = 2, ứng suất tiếp tại cạnh của tấm sẽ có giá trị dưới 10% giá trị ứng suất lớn nhất, vì vậy xác suất bị vỡ cạnh có thể gần như bị loại trừ; Tuy nhiên, trong trường hợp này, giá trị của các hệ số K₁ và K₂ cầm phải được tính toán lại, dựa theo phương trình (1).

Với những thử nghiệm liên phòng thí nghiệm, nguyên tắc tính toán ở đây cho mẫu vuông và tròn đem lại những kết quả đồng thuận cho giá trị độ bền uốn cho cả hai dạng mẫu thử.

7  Phạm vi ứng dụng của các phương pháp thử

7.1  Giới hạn chung

Các phương pháp thử trong tiêu chuẩn này không dùng để thử nghiệm cho kính dán hoặc kính hộp cách nhiệt.

7.2  Giới hạn của TCVN 13959-2

Phương pháp thử này chỉ dùng cho kính phẳng (xem 3.1).

Phương pháp thử này có thể dùng cho kính cán vân hoa với chiều dày lớn nhất và nhỏ nhất không chênh lệch quá 30%, hoặc quá 2 mm, so với chiều dày trung bình.

7.3  Giới hạn của TCVN 13959-3

Phương pháp thử này chỉ dùng cho kính phẳng (xem 3.1).

Phương pháp thử này có thể dùng cho tất cả các loại kính cán vân hoa.

7.4  Giới hạn của TCVN 13959-4

Phương pháp thử này chỉ dùng cho kính hình lòng máng

7.5  Giới hạn của TCVN 13959-5

Phương pháp thử này chỉ dùng cho kính phẳng (xem 3.1).

Phương pháp thử này không dùng cho kính cán vân hoa.

8  Hiệu chỉnh thiết bị thử

Thiết bị thử theo TCVN 13959-2, TCVN 13959-3, TCVN 13959-4 và TCVN 13959-5 phải được hiệu chỉnh bởi thử nghiệm viên trong vòng 3 tháng trước khi thử.

Để hiệu chỉnh thiết bị thử, mẫu kính có thể được thay thế bởi tấm kim loại (ví dụ : thép) với chiều dày tương đương.

Để hiệu chỉnh dụng cụ đo lực, một máy đo lực được hiệu chỉnh chuẩn với đầu đọc dụng cụ độc lập, sai số ± 1%, được bố trí song song với dụng cụ đo áp suất của thiết bị thử.

Lực hoặc áp suất cần phải tăng ít nhất năm mức với mỗi mức xấp xỉ cách đều nhau, trong dải đo của thiết bị. Tại mỗi mức, đầu đọc dụng cụ của thiết bị thử và của máy đo lực hiệu chỉnh chuẩn được ghi lại. Hai đầu đọc phải trùng nhau về giá trị, với sai số trong khoảng ± 1% trong toàn bộ dải đo. Nếu sai khác giữa hai giá trị vượt quá ± 1%, dụng cụ đo của thiết bị thử cần phải điều chỉnh lại cho đúng.

Chỉ có máy đo lực được hiệu chỉnh chuẩn mới được sử dụng cho hiệu chỉnh. Thông thường, cứ ba năm người ta sẽ hiệu chỉnh lại máy đo lực chuẩn.

9  Khuyến cáo về sử dụng an toàn thiết bị thử

Khi thiết bị thử vật liệu được sử dụng, cả thử nghiệm viên và các người khác cần được trình bày về các mối nguy hiểm do thiết kế của thiết bị và tính chất của mẫu.

Thiết bị thử vật liệu phải được thiết kế sao cho thử nghiệm viên và các người khác được bảo vệ, tối đa nhất có thể, trước mọi loại nguy hiểm có thể xảy ra khi thiết bị được sử dụng đúng cách.

Các phương pháp thử nêu trong tiêu chuẩn này được thiết kế để làm vỡ kính dưới ứng suất cao, do vậy nguy hiểm rõ ràng sẽ đến từ kính vỡ. Các đề phòng thích hợp phải được trang bị trong quá trình thử nghiệm mẫu kính nhằm tránh các mối nguy hiểm đặc thù tới cả người vận hành lẫn người quan sát từ kính vỡ. Chúng bao gồm:

- Cung cấp y phục bảo vệ thích hợp, ví dụ kính và găng tay an toàn, đặc biệt cho thao tác với mẫu kính và các mảnh kính vỡ ;

- Sử dụng phim dán cho bề mặt của tấm kính, phim dán là loại phù hợp không chịu lực kéo uốn, nhưng nó sẽ đảm bảo các mảnh vỡ sẽ dính vào nhau sau khi vỡ ;

- Sử dụng màn hình an toàn trong suốt giữa người quan sát và/hoặc người vận hành và mẫu thử.

Trong trường hợp không thể, bởi lý do bản chất đặc thù của quá trình thử, cũng như tính chất khác biệt và không dự đoán trước được của mẫu thử trong quá trình thử, phải hoàn thành việc vận hành an toàn của thiết bị thử do đo đạc thiết kế và do các đặc thù an toàn bổ sung, thiết bị thử cần được giới hạn sử dụng bởi một số người có khả năng đánh giá được các rủi ro tiềm ẩn.

Mục lục

Lời nói đầu

1 Phạm vi ứng dụng

2 Tài liệu viện dẫn

3 Thuật ngữ và định nghĩa

4 Các ký hiệu

5 Các yếu tố cần tính đến khi thử nghiệm kính

6 Giải thích các phương pháp thử

7 Phạm vi ứng dụng của các phương pháp thử

8 Hiệu chỉnh thiết bị thử

9 Khuyến cáo về sử dụng an toàn thiết bị thử