Experimental and numerical investigations on glass fragments: shear-frame testing and calibration of Mohr–Coulomb plasticity model

Abstract

The numerical treatment of the residual load-bearing behavior of laminated glasses (LG) in the post-fractured state is highly topical. Nevertheless, currently only few numerical approaches for an accurate representation of the experimentally observed behavior are existent. In order to model the characteristics of the load-bearing behavior of glass laminates in the post-fractured state, the behavior of the interlayer, the behavior of the glass fragments as well as the bonding between glass and interlayer need to be characterized correctly. This paper focuses on the modeling of the frictional contacts between the glass fragments itself. In order to allow for the calibration of failure criteria for the fractured glass particles, framed shear tests which are a common experimental technique in geomechanical testing to determine the shear strength of soils, are performed on glass fragments of different thicknesses and levels of thermal pre-stress. The test results are subsequently used to calibrate non-associated Mohr–Coulomb criteria, which are widely applied to the description of failure and frictional sliding of soils, to the experimental data of four distinct kinds of glass fragments. The obtained parameters of the Mohr–Coulomb models are in magnitude similar to the parameters of standard soils such as sand or gravel. The experimental data further show, that the Mohr–Coulomb model in general can be used to approximate the stress failure plane of the glass fragments but lacks for capturing correctly the plastic volumetric strains (dilation) in Finite Element modelling. Numerical investigations by the Finite Element method showed, that it is possible to reproduce experimental data by using Mohr–Coulomb plasticity models and hence the numerical models are validated for further investigations.

Konstitutive Modellierung der Bruchfragmente thermisch vorgespannter Gläser innerhalb der Plastizitätstheorie – Experiment und Numerik

“…Im Folgenden werden auszugsweise die Versuche der Rahmen-Scher-Versuche aus [6] für einen Probekörper (im folgenden PK1 genannt) zur Einordnung der im Kapitel 5 vorgestellten numerischen Untersuchungen beschrieben. "Probekörper" bezeichnet dabei ein Gefüge aus Glasbruchstücken, das durch gezieltes Brechen eines monolithischen, thermisch definiert vorgespannten Einfachglases aus Kalk-Natron-Silikat hergestellt wird.…”

“…Dazu werden Daten aus experimentellen geotechnischen Untersuchungen an Glasbruchstücken aus Gläsern mit unterschiedlicher thermischer Vorspannung, die in einer anderen Arbeit der Autoren veröffentlicht wurde (vgl. [6]), herangezogen.…”

“…Der vorliegende Beitrag ist wie folgt gegliedert: Zunächst erfolgt eine kurze Einführung zum Stand der Forschung und Normung zum Thema Resttragfähigkeit von VSG im Allgemeinen. Daran schließt sich eine Beschreibung zur Signifikanz der rechnerischen Erfassung des Tragmechanismus der Glasbruchstücke (die bereits in einer früheren Veröffentlichung der Autoren präsentiert wurde [6] und im Rahmen dieses Beitrages kurz zusammengefasst wird) in Hinblick auf die Resttragfähigkeit an. Im dritten Abschnitt wird ein Auszug aus den wichtigsten Zusammenhängen von Plastizitätsmodellen im Allgemeinen und im Speziellen für das Mohr-Coulomb-sowie das Drucker-Prager-Materialmodell rekapituliert.…”

Experimental investigation and Mohr‐Coulomb plasticity modeling of glass fragments from pre‐stressed glass panes

“…Figure 4-2 Left: shear stress with respect to displacement for each specimen and load level (red marker: maximum shear stress, blue marker: critical shear stress); right: shear stress over displacement in direction of the shear force for dense and loose sand, according to [29], compare [4].…”

“…Doing that one of the typical load carrying mechanisms of laminated safety glass in the fully fractured state is characterized and a big step towards a numerical model of fractured laminated safety glass is achieved. This paper is an excerpt of a more extensive work [4]. Within this paper, selected results of the whole work for a reduced number of conducted experiments and numerical investigations along with the main findings are presented.…”