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: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, poucos estudos sobre a resistência à perfuração do vidro laminado existem na literatura aberta. Neste estudo, placas de vidro duplamente laminado são impactadas por projéteis perfurantes (AP) de 7,62 mm, e sua velocidade limite balística e curva são determinadas por meio de testes experimentais e simulações numéricas. Duas configurações diferentes, ou seja, uma configuração de painel único e uma configuração de dois painéis empilhados com um entreferro, são testadas em velocidades de impacto entre 375 e 700 m/s.

Os testes experimentais mostraram que a quantidade de fissuração pode ser dividida em três zonas distintas e que a extensão dessas zonas é dependente 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 das balas durante o impacto. As simulações empregam modelos simplificados de material e fratura para o vidro e PVB. Mesmo assim, as previsões numéricas estão em excelente concordância com os dados experimentais, e as velocidades limite residual e balística são determinadas com precisão.

Devido à natureza frágil do vidro, as janelas feitas de vidro float recozido oferecem proteção limitada contra impactos balísticos. No entanto, o envidraçamento configurado com várias camadas de vidro e polímero pode ser resistente a balas [1]. As camadas de vidro e polímero são unidas a um laminado por meio de um processo que inclui calor e pressão em uma autoclave. Quando o vidro laminado é impactado por um projétil, o polímero mantém as camadas juntas e evita 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 carga e condição de contorno da placa de vidro [2]. A resistência probabilística à fratura do vidro se deve 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 em tensão, uma vez que a propagação da trinca é geralmente induzida pelo carregamento do modo I (ou seja, a abertura de uma falha) [3]. Assim, a resistência à tração do vidro é tipicamente muito menor do que a resistência à compressão. Se as falhas microscópicas da superfície forem removidas ou reduzidas (por exemplo, atacando quimicamente a superfície do vidro), a resistência à fratura pode aumentar significativamente.

Em um estudo de Nie et al. [4], os autores conseguiram melhorar a resistência à flexão do vidro borosilicato em cerca de uma ordem de grandeza por meio da corrosão com ácido fluorídrico. Outros métodos para melhorar a resistência à fratura do vidro podem ser encontrados em, por exemplo, Donald [5]. A resistência à fratura do vidro também depende da taxa de carregamento. Essa dependência da taxa foi demonstrada em vários estudos e se aplica ao carregamento tanto na tensão [4,[6], [7], [8]] quanto na compressão [7,9,10]. No estudo de Nie et al. [4], a resistência à flexão média para espécimes gravados com ácido aumentou cerca de 200% quando a taxa de tensão foi aumentada de 0,7×10⁶ MPa/s para 4×10⁶ MPa/s. Corpos-de-prova lixados obtiveram um aumento de 90% para as mesmas taxas de tensão. Diferentes formatos de falha foram considerados como sendo a causa da diferença na dependência da taxa entre os espécimes gravados com ácido e lixados.

Sob carga altamente localizada, como impacto balístico, mecanismos de falha diferentes da falha de tensão podem estar presentes. Quando atingido por um projétil, o lado de impacto da placa de vidro sofre compressão e carga de cisalhamento em altas taxas de deformação, o que resulta em fratura e pulverização do material de vidro. O lado traseiro da placa impactada pode falhar devido à tensão induzida pela flexão [11]. A falha por tração sob carga balística ocorre tipicamente em placas finas e, em seguida, a resistência à fratura é governada pela presença de falhas superficiais microscópicas no lado de trás. Para placas espessas, no entanto, a resistência à tração do vidro é considerada menos crucial para o desempenho balístico [12].