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Feb 01, 2024

Perfuração de vidro laminado: um estudo experimental e numérico

Data: 5 de dezembro de 2022 Autores: Karoline Osnes, Jens Kristian Holmen, Tormod Grue e Tore Børvik Fonte: International Journal of Impact Engineering, Volume 156, outubro de 2021 DOI:

Data: 5 de dezembro de 2022

Autores: Karoline Osnes, Jens Kristian Holmen, Tormod Grue e Tore Børvik

Fonte:Jornal Internacional de Engenharia de Impacto, Volume 156, outubro de 2021

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2021.103922

O vidro laminado é um tipo de vidro de segurança frequentemente usado em janelas resistentes a explosões e vidros à prova de balas. No entanto, existem poucos estudos sobre a resistência à perfuração de vidro laminado na literatura aberta. Neste estudo, placas de vidro laminado duplo são impactadas por balas perfurantes de armadura (AP) de 7,62 mm, e sua velocidade limite balística e curva são determinadas tanto por meio de testes experimentais quanto de simulações numéricas. Duas configurações diferentes, isto é, uma configuração de painel único e uma configuração de dois painéis empilhados com um entreferro entre eles, são testadas em velocidades de impacto entre 375 e 700 m/s.

Os testes experimentais mostraram que a quantidade de fissuras pode ser dividida em três zonas distintas e que a extensão destas zonas depende da velocidade de impacto. No estudo numérico, simulações de elementos finitos empregando elementos de ordem superior e divisão de nós 3D são usadas para prever o histórico de velocidade-tempo dos projéteis durante o impacto. As simulações empregam modelos simplificados de materiais e fraturas para vidro e PVB. Mesmo assim, as previsões numéricas estão em excelente concordância com os dados experimentais, e ambas as velocidades limite residual e balística são determinadas com precisão.

Devido à natureza frágil do vidro, as janelas feitas de vidro float recozido fornecem proteção limitada contra impactos balísticos. No entanto, o envidraçamento configurado com múltiplas camadas de vidro e polímero pode ser resistente a balas [1]. As camadas de vidro e polímero são unidas a um laminado através de um processo que inclui calor e pressão em autoclave. Quando o vidro laminado é impactado por um projétil, o polímero manterá as camadas unidas e evitará que grandes fragmentos sejam ejetados, retendo o vidro estilhaçado na camada intermediária.

As propriedades mecânicas do vidro float são dominadas por um comportamento de fratura frágil com uma resistência à fratura probabilística que depende da geometria, situação de carregamento e condição de contorno da placa de vidro [2]. A resistência à fratura probabilística do vidro é devida à presença de falhas microscópicas na superfície onde a fratura normalmente se inicia. As falhas também fazem com que as placas de vidro falhem principalmente sob tensão, uma vez que a propagação da trinca é geralmente induzida pelo carregamento do modo I (isto é, a abertura de uma falha) [3]. Assim, a resistência à tração do vidro é normalmente muito inferior à resistência à compressão. Se as falhas microscópicas da superfície forem removidas ou reduzidas (por exemplo, por ataque químico da superfície do vidro), a resistência à fratura pode ser significativamente aumentada.

Em um estudo de Nie et al. [4], os autores conseguiram melhorar a resistência à flexão do vidro borossilicato em cerca de uma ordem de grandeza através do ataque com ácido fluorídrico. Outros métodos para melhorar a resistência à fratura do vidro podem ser encontrados, por exemplo, Donald [5]. A resistência à fratura do vidro também depende da taxa de carregamento. Esta dependência da taxa foi demonstrada em vários estudos e se aplica ao carregamento tanto em tração [4,[6], [7], [8]] e compressão [7,9,10]. No estudo de Nie et al. [4], a resistência flexural média para amostras atacadas com ácido aumentou cerca de 200% quando a taxa de tensão foi aumentada de 0,7×10⁶ MPa/s para 4×10⁶ MPa/s. Os corpos de prova lixados obtiveram um acréscimo de 90% para as mesmas taxas de tensão. Diferentes formatos de falhas foram considerados a causa da diferença na dependência da taxa entre as amostras atacadas com ácido e as lixadas.

Sob carregamento altamente localizado, como impacto balístico, outros mecanismos de falha além da falha por tensão podem estar presentes. Quando atingido por um projétil, o lado de impacto da placa de vidro sofre compressão e cisalhamento com altas taxas de deformação, o que resulta em fratura e pulverização do material de vidro. A parte traseira da placa impactada pode falhar devido à tensão induzida pela flexão [11]. A falha por tração sob carga balística normalmente ocorre em placas finas e, então, a resistência à fratura é governada pela presença de falhas superficiais microscópicas na parte posterior. Para placas espessas, entretanto, a resistência à tração do vidro é considerada menos crucial para o desempenho balístico [12].